劉永蓮，黎朝鈞

(廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，廣西 梧州 543002)

L波段雷達(dá)探空異常記錄的分析與處理

劉永蓮，黎朝鈞

(廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，廣西 梧州 543002)

L波段雷達(dá)探空資料的獲取，是通過(guò)對(duì)自由大氣各氣象要素的直接或間接觀測(cè)。觀測(cè)期間存在著一些偶然性和不確定性，某些現(xiàn)象例如：儀器變性、氣球下沉?xí)?dǎo)致觀測(cè)記錄的異常。該文通過(guò)實(shí)例分析，總結(jié)出異常探空記錄的判別方法和處理技巧；提出了避免異常記錄出現(xiàn)的一些預(yù)防措施，在實(shí)際的應(yīng)用中獲得了較為合理、客觀的高空氣象資料，為相關(guān)部門的研究和應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。

L波段雷達(dá)；探空；異常記錄；分析；處理

1 引言

L波段雷達(dá)系統(tǒng)是我國(guó)新一代的高空氣象觀測(cè)系統(tǒng)，其探空資料的獲取，是通過(guò)對(duì)自由大氣各氣象要素的直接或間接觀測(cè)。隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)的不斷深化，對(duì)高空氣象觀測(cè)資料的數(shù)量和質(zhì)量的要求越來(lái)越高?，F(xiàn)階段我國(guó)氣象部門主要是使用L波段雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，由氣象探空氣球攜帶數(shù)字式電子探空儀(GTS1型或GTS1-2型)在空中自由漂移上升的方法來(lái)完成高空氣象觀測(cè)[3]。在觀測(cè)期間存在著一些偶然性和不確定性導(dǎo)致了探空資料的異常，影響其準(zhǔn)確性[4]。在我國(guó)南方，對(duì)流性天氣[6]較為頻繁，規(guī)定時(shí)次的高空氣象觀測(cè)，經(jīng)常會(huì)在暴雨、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣下進(jìn)行，探空記錄有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常。近年來(lái)，在廣西全區(qū)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)檢查中發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)員對(duì)于一些異常記錄的處理方法和計(jì)算結(jié)果值得商榷。有鑒于此，針對(duì)如何處理異常探空記錄，本文通過(guò)實(shí)例，對(duì)L波段雷達(dá)系統(tǒng)(GTS1型探空儀)的探空記錄進(jìn)行診斷[5]，總結(jié)出異常記錄的判別方法和相應(yīng)的處理技巧，并提出了避免出現(xiàn)異常記錄的一些預(yù)防措施，在實(shí)際的探測(cè)中獲得較為合理、客觀的高空氣象資料。

2 異常探空記錄實(shí)例診斷及處理方法

本文結(jié)合觀測(cè)時(shí)本站的云狀、云量、天氣現(xiàn)象、探測(cè)記錄中溫度、氣壓、相對(duì)濕度以及測(cè)風(fēng)每秒數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)等各項(xiàng)要素，對(duì)高空探測(cè)中的異常記錄以及氣球下沉記錄進(jìn)行診斷分析和處理方法探討。

2.1 高空探測(cè)記錄中溫度、氣壓、相對(duì)濕度變性的異常記錄

在獲取高空氣象資料的探測(cè)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些異常記錄，需要觀測(cè)人員分析處理。從廣西梧州高空氣象觀測(cè)站2013年6月7日07時(shí)的探空曲線(圖1)可以看出可疑的記錄在16分43秒至33分53秒(可疑記錄開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間可從探空秒數(shù)據(jù)中分析得出)時(shí)段中。

圖1 溫、壓、濕變性的探空曲線

2.1.1 記錄的分析 現(xiàn)階段我國(guó)氣象部門所用的GTS1數(shù)字式電子探空儀，在高空氣象觀測(cè)過(guò)程中，其溫度傳感器是暴露在探空儀外部的，如果有降水或穿過(guò)水汽較大的云層(例如Sc、Cb、Ns)時(shí)，溫度傳感器有可能會(huì)沾上水或結(jié)冰，當(dāng)探空儀從云中進(jìn)入干燥層后，傳感器上的水或冰蒸發(fā)或結(jié)冰，與大氣進(jìn)行熱交換，其測(cè)量結(jié)果明顯會(huì)有誤差；雨水直接打在濕度片上也會(huì)影響水汽測(cè)量的準(zhǔn)確度。溫度、濕度傳感器受到雨水或冰的影響，有時(shí)會(huì)造成信號(hào)傳導(dǎo)的不正常，雷達(dá)接收到的是一些通信亂碼，其在探空曲線上表現(xiàn)為一段異常的跳變。這種情況，不應(yīng)該僅僅考慮重新放球組織觀測(cè)或簡(jiǎn)單的刪除一段記錄來(lái)解決，而要根據(jù)施放時(shí)的天氣情況綜合分析、處理，把可用的資料合理地保留下來(lái)[8]。特別是探空儀在對(duì)流層低層穿過(guò)云層時(shí)，溫度、濕度的異常跳變，其觀測(cè)結(jié)果更應(yīng)謹(jǐn)慎處理。該高空觀測(cè)站2013年6月7日07時(shí)的觀測(cè)記錄與這種情況相似。

2.1.2 記錄的處理 該時(shí)次的高空氣象觀測(cè)，測(cè)站天空的云狀為Sc、Cb云，并伴有雷暴和降水，屬于較強(qiáng)的對(duì)流性天氣。溫、壓、濕訊號(hào)的異常跳變，極有可能是儀器氣壓變性、溫度和濕度傳感器受雨水影響所至。因此，對(duì)各時(shí)刻溫、壓、濕異常跳變數(shù)據(jù)的分析，可參考數(shù)據(jù)輔助處理中的“探空每秒數(shù)據(jù)查詢”，根據(jù)高空氣象觀測(cè)規(guī)范的規(guī)定以及探空曲線的變化趨勢(shì)，用“手動(dòng)修正探空曲線”和“自動(dòng)修正探空數(shù)據(jù)錯(cuò)誤”功能，在“探空曲線顯示”放大倍數(shù)不低于10倍的狀態(tài)下，剔除明顯的異常跳變信號(hào)，并認(rèn)真檢查探空高表-14中各等壓面和特性層的每項(xiàng)數(shù)據(jù)，核對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、合理性。

2.1.3 處理后的記錄 經(jīng)過(guò)以上處理的觀測(cè)資料，與近期同時(shí)次、相似天氣狀況下的觀測(cè)資料相對(duì)比，對(duì)客觀、合理、有效的結(jié)果保留，不合理的舍棄，可看出各等壓面和各高度層的資料沒(méi)有出現(xiàn)缺測(cè)的現(xiàn)象，如圖2。

圖2 2013年6月7日07時(shí)處理后的探空資料

這樣，既避免了因直接刪除整段記錄而使觀測(cè)資料缺測(cè)或者進(jìn)行重新放球組織觀測(cè)而影響資料的及時(shí)性，又保證了探空資料的客觀性、準(zhǔn)確性和完整性[9]。

2.2 氣球下沉記錄

高空氣象觀測(cè)中，探空氣球在升空的過(guò)程中遇到雷雨、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣或進(jìn)入Cb云等對(duì)流旺盛的云層時(shí)，往往會(huì)遭遇強(qiáng)大的下沉氣流，氣球隨之被迫下降，然后再緩慢繼續(xù)上升恢復(fù)正常。這一過(guò)程，高空氣象觀測(cè)稱之為氣球下沉，該時(shí)段獲取的高空觀測(cè)記錄也稱之為下沉記錄。

現(xiàn)在高空觀測(cè)臺(tái)站所用的軟件可以對(duì)下沉記錄進(jìn)行處理，但判別下沉記錄和對(duì)記錄的具體處理還是需要觀測(cè)人員具體情況具體分析的。通常下沉記錄中也會(huì)出現(xiàn)溫、壓、濕變性的異常記錄，對(duì)于這類記錄更應(yīng)認(rèn)真分析、謹(jǐn)慎處理，合理地保留可用資料。

2.2.1 判別下沉記錄的一些方法 ①觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，本站出現(xiàn)雷雨、冰雹、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣或氣球進(jìn)入Cb云等對(duì)流旺盛的云層時(shí)，應(yīng)認(rèn)真查看數(shù)據(jù)處理軟件[10]中的氣球升速曲線圖，如果升速有很明顯的下降趨勢(shì)(如小于150 m/min甚至為0 m)，此時(shí)氣球有可能會(huì)下沉。

②在探空的每秒數(shù)據(jù)中，氣壓在升空過(guò)程中隨時(shí)間的變化逐漸減小。如果出現(xiàn)氣球下沉現(xiàn)象，氣壓隨時(shí)間變化顯示增大趨勢(shì)，溫度、濕度隨之也有相應(yīng)的變化，并且探空高度逐漸下降。

③氣球下沉的時(shí)段內(nèi)，相對(duì)應(yīng)的測(cè)風(fēng)每秒數(shù)據(jù)的高度也是下降的，否則可能是儀器氣壓變性。

④氣球下沉過(guò)程是氣壓、高度下降又回升至恢復(fù)正常的連續(xù)變化，溫、濕要素也會(huì)有連續(xù)漸變的過(guò)程。

⑤氣球下沉的現(xiàn)象在同一次的觀測(cè)中，有可能會(huì)出現(xiàn)不止一次的下降過(guò)程，特別是夏季的強(qiáng)對(duì)流天氣，更要具體情況具體分析。

2.2.2 氣球下沉記錄實(shí)例分析及處理 圖3是梧州市高空觀測(cè)站2012年6月6日19時(shí)的探空曲線圖。這一時(shí)次的觀測(cè)，是典型的下沉記錄，出現(xiàn)了2次氣球下沉過(guò)程。

圖3 氣球下沉探空曲線圖

①下沉記錄的分析：該時(shí)次的觀測(cè)過(guò)程中，測(cè)站天空的云狀為Sc、Cb云，并伴有雷暴和降水，為強(qiáng)對(duì)流天氣。在圖3處理前的探空曲線圖中可以看出，氣壓曲線顯示異常、高度下降，溫濕曲線也相應(yīng)異常，從氣球升速曲線上看，也可發(fā)現(xiàn)某一時(shí)段的升速有明顯的下降(升速小于150 m/min)。

圖4是把該時(shí)次觀測(cè)記錄中一些異常溫度、氣壓、濕度數(shù)據(jù)以及測(cè)風(fēng)的秒數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的分析結(jié)果，判斷出第1段下沉記錄：氣球下沉的起始點(diǎn)14分33秒至終止點(diǎn)15分06秒，氣壓值由545.7 hPa 逐漸增大到558.2 hPa即高度下降的最低點(diǎn)，然后氣壓又逐漸減小恢復(fù)至終止點(diǎn)545.7 hPa。

圖4 第1段下沉記錄的探空、測(cè)風(fēng)每秒數(shù)據(jù)

用同樣的分析方法可判別第2段下沉記錄：氣球下沉的起始點(diǎn)16分12秒至終止點(diǎn)17分32秒，氣壓值由502.3 hPa逐漸增大到539.2 hPa即高度下降的最低點(diǎn)，然后氣壓又逐漸減小恢復(fù)至終止點(diǎn)502.3 hPa。

②下沉記錄的處理：該時(shí)次的觀測(cè)記錄不僅有氣球下沉記錄，也有溫度、氣壓、相對(duì)濕度跳變的異常記錄。

第1段14分33秒—15分06秒下沉記錄的處理：探空數(shù)據(jù)的處理，首先由人工選定下沉的起始時(shí)間14分33秒和下沉的終止時(shí)間15分06秒，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將14分33秒—15分06秒之間的數(shù)據(jù)刪除，15分06秒以后的時(shí)間、數(shù)據(jù)記錄前移，以后記錄照常整理；測(cè)風(fēng)14分33秒—15分06秒的數(shù)據(jù)、時(shí)間，隨探空數(shù)據(jù)刪除而自動(dòng)刪除，15分06秒以后的時(shí)間、數(shù)據(jù)記錄前移。從經(jīng)過(guò)下沉記錄處理后的每秒球坐標(biāo)上讀取第15分00秒的數(shù)據(jù)作為整15分的數(shù)據(jù)，16分00秒的數(shù)據(jù)作為整16分的數(shù)據(jù)，依次類推。

第2段的下沉記錄的處理方法與第1段相同。處理記錄時(shí)，最理想的是先處理第2段下沉記錄16分12秒—17分32秒，再處理第1段下沉記錄14分33秒—15分06秒，這樣既可保證記錄的處理時(shí)效，又可避免因下沉記錄時(shí)間的改變而需要重新分析下沉?xí)r段的起止時(shí)間。

最后按2.1的方法分析，處理溫度、氣壓和相對(duì)濕度變性的異常記錄。經(jīng)過(guò)對(duì)下沉記錄和變性記錄的處理，觀測(cè)資料14分23秒—17分30秒共3分07秒為缺測(cè)時(shí)段，雖然規(guī)定等壓面500 hPa的溫度、相對(duì)濕度缺測(cè)，但卻避免了重放球，其結(jié)果與近期同時(shí)次、相似天氣狀況下的觀測(cè)資料相對(duì)比，也是客觀、合理的，記錄的可比性和準(zhǔn)確性都得到了保證。

3 結(jié)語(yǔ)

溫度和水汽場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)決定了大氣的穩(wěn)定度，故高空氣象資料的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)各種類型的天氣預(yù)報(bào)，特別是區(qū)域性和局地性天氣預(yù)報(bào)以及對(duì)大氣環(huán)境污染的研究領(lǐng)域[11]，都是極其重要的。實(shí)踐證明，以下的工作措施和處理方法，在實(shí)際工作中有利于取得真實(shí)可靠的高空氣象觀測(cè)資料。

準(zhǔn)確把握現(xiàn)有探空儀的特性[12]，在雨天或有Cb云的強(qiáng)對(duì)流天氣下施放，做好探空儀溫度、濕度感應(yīng)器的防雨措施：一是在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)效內(nèi)抓住施放氣球的有利時(shí)機(jī)，防止或減輕溫度感應(yīng)器上滯留水滴或結(jié)冰現(xiàn)象；二是濕度盒蓋在保證通風(fēng)的情況，防止雨水直接打在濕度片上而影響水汽的準(zhǔn)確測(cè)量。

在暴雨、臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等惡劣天氣下進(jìn)行高空氣象觀測(cè)[13]，視具體情況適當(dāng)增加氣球的充氣量，保證氣球的升速為400 m/min左右，使氣球有足夠的沖力沖出對(duì)流層或下沉氣流，減少氣球下沉的幾率。

一次觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)幾段下沉記錄時(shí)，應(yīng)首先從高度的最上層的開(kāi)始，再依次往下層處理下沉記錄(即下沉記錄段先從低氣壓段再到高氣壓段處理)，可避免因下沉記錄時(shí)間的改變而需重新分析。

在處理下沉記錄時(shí)，如果球沒(méi)炸而需要編發(fā)TTAA報(bào)文時(shí)，可調(diào)整放球軟件中的存盤時(shí)間，確保有足夠的時(shí)間處理下沉記錄，以避免編發(fā)錯(cuò)誤的TTAA報(bào)文。

必須注意的是放球過(guò)程中，放球軟件還在接收數(shù)據(jù)并存盤，會(huì)將已處理過(guò)的下沉記錄覆蓋、清除。因此，球炸后一定要在“數(shù)據(jù)處理軟件”中再完整的處理一遍下沉記錄，這樣得出的整份探空資料才是完整、正確的。

[1] 中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司.L波段1型雷達(dá)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)操作手冊(cè)[M].北京：氣象出版社，2012.2.

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[3] 世界氣象組織出版，中國(guó)氣象局氣候監(jiān)測(cè)應(yīng)用管理司主持翻譯.氣象儀器和觀測(cè)方法[M].北京：氣象出版社，2005，223-265.

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2014-07-08

劉永蓮(1966—)，女，高工，主要從事高空氣象觀測(cè)和高空氣象資料審核工作。

1003-6598(2015)02-0051-04

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