郭啟云 楊加春 楊榮康 錢媛 曹曉鐘

摘要基于球載式下投北斗探空儀測風觀測試驗，建立了針對下投式的測風試驗評估方法.試驗結(jié)果表明上升段北斗測風的準確度接近RS92探空儀的探測準確度要求，兩者一致性較好；下降段RS92測風誤差基本上與上升段的屬于同一量級水平，下降初期測風數(shù)據(jù)在使用時需要做預處理或者有效控制；下降段BD探空儀測風誤差與下降段RS92的基本相當，除了球炸初期外，基本上接近WMO的測量要求，此外初期的急速下降對導航定位測風提出了更高的技術(shù)要求.整體而言，球載式下投探空觀測在時間上可以實現(xiàn)對原有的1次探空進行加密，在空間上可以增加1個區(qū)域的探測，并為對現(xiàn)有探空站網(wǎng)分布進行合理優(yōu)化提供依據(jù)，具有良好的應用前景.關(guān)鍵詞

球載下投；北斗測風；探測準確度

中圖分類號P41223

文獻標志碼A

0引言

高空氣象觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分，常描述高空大氣的氣候變化，不僅要滿足天氣分析和數(shù)值預報的需要[1]，還要滿足氣候變化監(jiān)測的需要[2]，同時還可作為風廓線、GNSS/MET水汽觀測等遙感設(shè)備的參考標準和真實性檢驗要求[34].目前，世界上最常用的高空風探測手段還是氣球攜帶探空儀升空和地基設(shè)備跟蹤實現(xiàn)測風.對于常規(guī)探空測風技術(shù)，全球范圍主要有3種類型：高空氣象探測雷達探空儀系統(tǒng)、導航測風探空系統(tǒng)和無線電經(jīng)緯儀測風探空系統(tǒng).20世紀80年代以來，隨著導航技術(shù)發(fā)展，相繼出現(xiàn)了奧米伽、羅蘭C、GPS等導航測風系統(tǒng)[5].目前，全球定位系統(tǒng)（GPS）由于其技術(shù)相對成熟，被廣泛用于測風定位系統(tǒng)中[6].我國從2002年開始對探空系統(tǒng)進行了升級換代，基本形成了以L波段雷達電子探空儀為主體的探測體系[7].國內(nèi)學者基于地面氣象觀測做了大量研究工作，這為我國探空技術(shù)發(fā)展提供了良好的試驗基礎(chǔ)[810].GPS探空技術(shù)以其優(yōu)越的定位準確度而成為未來高空氣象探測系統(tǒng)的發(fā)展方向[11].

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展以及考慮探空經(jīng)濟成本和加密觀測的進一步需求，我國探空業(yè)務(wù)將從二次雷達測風逐步過渡到衛(wèi)星導航測風，而球載式下投探空觀測為未來業(yè)務(wù)發(fā)展帶來了新的發(fā)展思路.下投探空利用某種平臺下投探空儀實現(xiàn)對溫度、壓力、濕度和風速風向等測量[12]，可以有效彌補常規(guī)探空在時間和空間上的不足[13]，它與QuikSCAT散射計資料[14]結(jié)合可以彌補惡劣天氣條件下和廣闊洋面上氣象資料匱乏的空白[15].我國現(xiàn)有高空站網(wǎng)整體分布不均，有資料空白區(qū)，而每年的加密探空需求呈增加趨勢，因此，本文利用2017年中國氣象局氣象探測中心（簡稱探測中心）在長沙組織的下投探空試驗數(shù)據(jù)，對球載式下投國產(chǎn)北斗探空儀測風性能進行綜合分析，為探空業(yè)務(wù)發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ).

1試驗儀器介紹

2017年3月3—5日，探測中心在長沙探空站進行了芬蘭維薩拉RS92探空儀（簡稱RS92探空儀）、國產(chǎn)BD探空儀（簡稱BD探空儀）帶降落傘開展下投式（簡稱球載式下投探空）同球雙施放測風比對試驗.其中RS92探空儀是目前世界上測量性能較好的探空儀之一，以GPS對探空儀定位實現(xiàn)定位測風，常作為比對試驗中的參考標準；BD

探空儀是由國內(nèi)探空儀廠家研制生產(chǎn)的，測風技術(shù)采用BDGPS聯(lián)合導航體制，定位模塊采用國內(nèi)廠家自主研制，專為GNSS高空氣象探空儀所定制的導航定位模塊，該模塊所采用的HD8020芯片具有高性能和低功耗的特點，性能良好的導航定位服務(wù)（水平定位誤差≤±10m、垂直定位誤差≤±15m）能最大程度地降低對空間和電源的要求，易于集成和使用；氣象氣球采用中國氣象局業(yè)務(wù)用氣球作為上升段的載體，降落傘采用國際主流專用于探空儀下投的國產(chǎn)型號作為下降段的載體.

2試驗情況及評估方法

21試驗情況

施放地點長沙探空站位于長江流域附近，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫172℃，年均降水量13616mm.球載式下投探空測風有效施放10次，天氣情況全為陰.每次氣球爆炸后降落傘均能打開負載探空儀下落，其中有1次是BD傳感器發(fā)生故障，1次是RS92在高空23km失效，地面無接收數(shù)據(jù)，記為儀器故障.施放具體情況如表1所示.

上升過程根據(jù)配重在地面充灌適當氫氣，將氣球平均升速控制在6～7m/s.整體而言，球炸平均高度為29km.下降時由于氣球爆破降落傘剛打開，空氣稀薄，重力起主要作用，下降速度在30m/s左右，下降至對流層頂（16km）附近時約為7～10m/s；下降至8km左右時，斜距達到220km左右，由于低仰角（約1°）遮擋受限，接收機信號減弱直至消失.此外，上升段RS92、BD的試驗樣本隨高度增加，總體呈逐漸減小的趨勢，下降段RS9、BD隨著高度減少，總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.

22評估內(nèi)容

評估分析主要側(cè)重于風這個氣象要素，以風的南北分量、東西分量來體現(xiàn).具體包括以下3個方面：1）以上升段RS92為參考標準，評估同球上升的BD測量性能；2）以上升段的RS92為參考標準，評估同一RS92數(shù)據(jù)在下降段的準確性；3）以下降段的RS92為參考標準，評估同降落傘下降BD的可用性.

23統(tǒng)計方法

以同球施放上升（同一探空儀在不同上下段或者同降落傘下降）參考標準的測量值為約定真值，求出被評估測風秒數(shù)據(jù)和參考標準的差，記為di，對di以秒為時間單位進行平均（直接）偏差和標準偏差的計算，并以觀測業(yè)務(wù)規(guī)范[16]約定的高度分層顯示.具體計算方法如下：

1）平均偏差：

=∑ni=1（Xpi-Xbi）n，（1）

表示評估對象（上升段BD、下降段RS92、下降段BD，以Xpi標識）與參考標準（上升段RS92、下降段RS92，以Xbi標識）的平均偏差，n代表總探空數(shù)據(jù)量.

2）標準偏差：

σ=∑ni=1（Xpi-Xbi-）2n-1.（2）

此外，上升段、下升段的風計算均來自BDGPS導航定位，計算方法遵照WMO《氣象儀器和觀測方法》[17].但由于球和降落傘的分離模式采用的是球自然爆炸后分離，因此，在球炸后會由于上升驟停導致劇烈抖動以及降落傘未有效打開使得降速很大.根據(jù)觀測業(yè)務(wù)規(guī)范要求將升速和降速控制在6～7m/s時的數(shù)據(jù)納入計算，其他數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù).

3試驗結(jié)果分析

31上升RS92評估同球上升BD

311風東西分量

BD與RS92探空儀的風東西分量一致性好，風的變化細微結(jié)構(gòu)均能得到較好的體現(xiàn)，其在10～14km的大風區(qū)（65～70m/s）也有較好的跟隨性（圖1a）.從單個樣本來看，BD與RS92探空儀的風東西分量偏差有一定的差異，但變化較小，整體上在±10m/s以內(nèi)（圖1b）.

1）標準偏差（圖2a）：整體而言，BD與RS92的上升段整體合成誤差在10m/s左右.30km到球炸，BD上升風東西分量與RS92上升段的標準偏差在08m/s左右；30～20km，兩者的標準偏差在10m/s以內(nèi)；對流層附近，兩者的標準偏差較小，在07m/s以內(nèi)；對流層以下，標準偏差減少，在05m/s左右.

2）平均（直接）偏差（圖2b）：整體而言，BD與RS92的上升段風東西分量平均偏差合成在±03m/s以內(nèi)；整體上表現(xiàn)為有正有負，低層為正偏差，中層為負偏差，高層以正偏差為主；在頂層30km以上正偏差較大，說明BD的定位風東西分量是大于RS92的.

312風南北分量

與風東西分量一樣，BD與RS92探空儀的風南北分量一致性也非常好，風的變化細微結(jié)構(gòu)均能得到較好的體現(xiàn)，同時兩者風的大小均明顯小于東西方向的（圖3a），這與我國處于西風帶影響區(qū)域有直接關(guān)系.從單個樣本來看，BD與RS92探空儀的風南北分量偏差差異較小，整體上在±10m/s以內(nèi)（圖3b）.

1）標準偏差（圖4a）：整體而言，BD與RS92的上升段整體合成誤差在10m/s左右.30km到球炸，BD上升風南北分量與RS92上升段的標準偏差在12m/s左右；30～20km，兩者的標準偏差在10m/s以內(nèi)；在對流層附近，兩者的標準偏差也較小在10m/s以內(nèi)；對流層以下，標準偏差減少，在05m/s左右.

2）平均（直接）偏差（圖4b）：整體而言，BD與RS92的上升段風南北分量平均偏差合成在±03m/s以內(nèi)；整體上表現(xiàn)為有正有負，沒有明顯規(guī)律，呈現(xiàn)左右擺動趨勢；在頂層30km以上偏差最大，說明BD在頂層附近的測風誤差較大，這與此時氣球在南北方向風速較小情況下頻繁擺動有直接關(guān)系.

313小結(jié)

從風東西分量、風南北分量兩個方面以上升RS92為參考標準評估同球上升BD，結(jié)果表明上升段BD的風東西分量、風南北分量的誤差（標準偏差≤10m/s，平均偏差：±10m/s）接近RS92的探測準確度要求（±10m/s，95%的置信區(qū)間）.由于是以RS92為標準，因此誤差是兩者間的綜合結(jié)果，未去

上升段探測是以氣球為載體，下降段探測是以降落傘為載體的，同一探空儀由于發(fā)生漂移，探測環(huán)境相對發(fā)生了改變.假設(shè)大氣氣流流動均勻，以上升的RS92為參考標準，評估同一RS92探空儀在下降段的測風準確性.

321風東西分量

RS92下降段風東西分量與RS92上升段風東西分量整體上一致性較好，在大風區(qū)域（65～70m/s）附近也有較好跟隨性，但下降段的風東西分量的細微結(jié)構(gòu)沒有上升段明顯（圖5a）.從單個樣本來看，RS92下降段與RS92上升段的風東西分量偏差有較大的差異，整體上在±30m/s左右（圖5b）.

1）標準偏差（圖6a）：RS92下降段與RS92上升段的風東西分量相比，整體上合成誤差在25m/s左右.球炸到30km，RS92下降段與RS92上升段的風東西分量標準偏差在30～60m/s；30～20km，兩者的標準偏差在15～3m/s；在對流層附近，兩者的標準偏差不大，在40m/s左右；對流層以下，標準偏差先減少再增大，在10km附近，標準偏差較大，達70m/s.從探測原始數(shù)據(jù)來看，由于此時探測距離遠、仰角低，接收機接收的信號存在較多誤碼，數(shù)據(jù)采取了線性插值處理，未能反映出實際的風速變化.

2）平均（直接）偏差（圖6b）：RS92下降段與RS92上升段的風東西分量相比，除10km以外，整體上合成誤差在±20m/s以內(nèi).對流層以上，表現(xiàn)為正偏差為主；對流層以下（10km除外），表現(xiàn)為負偏差為主.在10km附近，存在負偏差的最大值，可達-60m/s，與標準偏差有對應關(guān)系，說明此時因探測距離較遠信號受低仰角遮擋無法正常接收.

322風南北分量

與風東西分量相比，RS92下降段風南北分量與RS92上升段風南北分量整體上一致性略差，20km以上，跟隨性相對較好，20km以下，跟隨性不好（圖7a）.從單個樣本來看，RS92下降段與RS92上升段的風南北分量偏差有較大的差異，整體上在-10～60m/s（圖7b）.

1）標準偏差（圖8a）：RS92下降段與RS92上升段的風南北分量相比，整體上合成誤差在30m/s左右.球炸到30km，RS92下降段與RS92上升段的風南北分量標準偏差波動范圍較大，在10～50m/s，說明與此時球炸以后抖動有直接關(guān)系.30～20km，兩者的標準偏差在20～50m/s；在對流層附近，兩者的標準偏差較大，在70m/s左右；對流層以下，標準偏差逐步減少.

2）平均（直接）偏差（圖8b）：RS92下降段與RS92上升段的風南北分量相比，除10km和球炸高層附近以外，整體上合成誤差在±20m/s以內(nèi).球炸高層附近，平均偏差較大，在-100m/s以上.整體上，偏差沒有明顯規(guī)律，呈現(xiàn)正負交替分布出現(xiàn)；對流層以下（10km除外），表現(xiàn)為負偏差為主.在10km

在氣球爆破剛結(jié)束時，由于RS92探空儀所處環(huán)境的空氣密度小，降落傘沒有完全打開，存在類似“自由落體”的現(xiàn)象，前期降落約為45m/s左右，對定位有一定影響，從而影響下降段測風數(shù)據(jù)質(zhì)量，造成測風的細微結(jié)構(gòu)較難捕獲，因此使用該段數(shù)據(jù)時，要做預處理或者有效控制；隨著降落傘的逐步打開以及空氣密度變大，凈浮力起到一定的效果，降速逐步減小；直到18km時，下降速度減小到10m/s左右，降落傘在垂直方面起到支撐作用，可以實現(xiàn)對風的有效測量，再往后面至10km時，由于電池供電以及遠距離對接收機低仰角遮擋影響，地面很難再接收到數(shù)據(jù)（圖9）.

324小結(jié)

從風東西分量、風南北分量兩個方面以氣球作為載體的上升RS92為參考標準評估以降落傘為載體的下降同一RS92，結(jié)果表明上升段的RS92風東西分量、風南北分量與下降段的誤差基本上與上升段的處于同一量級（標準偏差≤30m/s，平均偏差：±20m/s），說明有良好的應用前景.同時，下降初期由于空氣密度小，降落傘沒有完全打開，存在類似“自由落體”的現(xiàn)象，影響下降段測風數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用時需要進行預處理或者有效控制；直到18km時，數(shù)據(jù)可用性基本

33下降RS92評估同降落傘下降BD

在下降段，RS92、BD探空儀以降落傘為同一載體進行同步觀測，探測環(huán)境相對上升、下降對比分析是保持一致的.BD探空儀下投10次中有2次在下投階段發(fā)生定位信號丟失，不參與統(tǒng)計分析.

331風東西分量

BD下降段的風東西分量與RS92下降段的整體一致性略差，在頂層球炸附近由于降速非?？?，其數(shù)據(jù)基本上不可用.18km時，其與RS92下降段的一致性較好，在大風區(qū)域（65～70m/s）附近也有較好跟隨性，但BD下降段的風東西分量的細微結(jié)構(gòu)沒有RS92下降段明顯（圖10a）.從單個樣本來看，BD下降段與RS92下降段的風東西分量偏差有較大的差異變化，整體上在±50m/s左右（圖10b）.

1）標準偏差（圖11a）：BD下降段的風東西分量與RS92下降段的風東西分量相比，整體上合成誤差在15m/s以內(nèi).球炸到30km，BD下降段的風東西分量基本上不可以用，不參與統(tǒng)計分析.30～20km，兩者的標準偏差呈現(xiàn)“之”變化，在05～25m/s.20km到對流層頂附近，兩者的標準偏差逐漸增大，由05m/s逐漸增大到25m/s.在對流層附近14km左右，兩者的標準偏差最大，在3m/s以內(nèi)；14km以下，又呈現(xiàn)反“之”變化，在13～35m/s，到10km以下，兩者受低仰角遮擋影響均沒有信號.

2）平均（直接）偏差（圖11b）：BD下降段的風東西分量與RS92下降段的整體上合成誤差在±15m/s以內(nèi).對流層頂附近存在負偏差最大值-28m/s.對流層以上（30km除外），表現(xiàn)為負偏差為主；對流層以下，表現(xiàn)為正偏差為主.在8km左右時，存在正偏差的最大值，可達15m/s，與標準偏差有對應關(guān)系.

332風南北分量

BD下降段的風南北分量與RS92下降段的整體一致性略差，與風的東西分量一致，其在頂層球炸附近由于降速非常快，數(shù)據(jù)可用性受影響.18km時，其與RS92下降段的一致性較好，BD下降段的風東西分量的細微結(jié)構(gòu)沒有RS92下降段明顯（圖12a）.從單個樣本來看，BD下降段與RS92下降段的風東西分量偏差有較大的差異，整體上在±30m/s左右（圖12b）.

1）標準偏差（圖13a）：BD下降段的風南北分量與RS92下降段的風南北分量相比，整體上合成誤差在25m/s以內(nèi).球炸到30km，BD下降段的風南北分量基本上不可以用，不參與統(tǒng)計分析.30～20km，兩者的標準偏在2～3m/s.20km到對流層頂附近，兩者的標準偏差在2～45m/s.對流層附近呈現(xiàn)“之”形變化，兩者的標準偏差最大值超過6m/s.14～10km，兩者的標準偏差又減小，在4m/s以內(nèi)；10km以下，又呈現(xiàn)“之”形變化，在1～45m/s.

2）平均（直接）偏差（圖13b）：BD下降段的風南北分量與RS92下降段的整體上合成誤差在±15m/s左右.頂層存在負偏差最大值，可到9m/s，與高速下降有直接關(guān)系.10km附近存在正偏差最大值，可到7m/s，與低仰角有直接關(guān)系.對流層以上（30km除外），表現(xiàn)為負偏差為主；對流層以下，表現(xiàn)為“之”形變化，變化為-2～6m/s.

333降速對測風的影響

在氣球剛爆破時，由于BD探空儀與RS92探空儀所處環(huán)境的空氣密度小，降落傘沒有完全打開，存在類似“自由落體”的現(xiàn)象，前期降落在45m/s左右，對定位有一定影響，從而影響下降段測風數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時下降度BD測風的細微結(jié)構(gòu)沒有RS92明顯，因此與RS92下降一樣，在使用BD該段數(shù)據(jù)時，要做預處理或者有效控制；隨著降落傘的逐步打開以及空氣密度變大，凈浮力起到一定的效果，降速逐步減??；直到18km時，下降速度減小到10m/s左右，降落傘在垂直方面起到支撐作用，可以實現(xiàn)對風的有效測量，至8km時，由于遠距離對接收機低仰角遮擋影響，地面很難再接收到數(shù)據(jù)（圖14）.

334小結(jié)

從風東西分量、風南北分量兩個方面以下降RS92為參考標準評估同降落傘下降BD，結(jié)果表明下降段BD風東西分量、

風南北分量的誤差（標準偏差≤25m/s，平均偏差：±15m/s）與下降段的RS92測量相當，接近WMO的測量要求（±10m/s）.下降段BD測風前期數(shù)據(jù)沒有RS92細微，且在使用時，要做預處理或者有效控制；后期數(shù)據(jù)可用性與業(yè)務(wù)要求接近.同時，急速下降對導航定位測風提出了更高的技術(shù)要求，對下降段的速度控制方法也有待進一步改善.

4結(jié)論與討論

在長沙開展的球載式下投探空觀測試驗針對測風以風東西分量、風南北分量為兩個評估要素，從上升RS92評估同球上升BD、上升RS92評估下降同一RS92和下降RS92評估同降落傘下降BD等3個方面進行結(jié)果分析，具體結(jié)論如下：

1）以上升RS92評估同球上升的BD，表明上升段BD的風東西分量、風南北分量的準確度接近RS92的探測準確度要求，具有較好的業(yè)務(wù)使用價值.此外，在上升段球炸處附近兩者平均偏差和標準偏差較大，根據(jù)實際數(shù)據(jù)反查，這種現(xiàn)象與氣球頻繁擺動以及球炸后晃動有直接關(guān)系.

2）以上升RS92評估下降的同一RS92，表明下降段RS92的風東西分量、風南北分量與上升段的誤差處于同一量級，有較好的應用前景.下降初期由于空氣密度小，降落傘沒有完全打開，存在類似“自由落體”的現(xiàn)象，影響下降段測風數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用時需要做預處理或者有效控制；直到18km時，數(shù)據(jù)可用性與業(yè)務(wù)要求接近.降至10km左右時，因探測距離較遠，信號受低仰角遮擋影響無法有效跟蹤，數(shù)據(jù)缺測較多，這對異地布設(shè)接收機提出了要求.

3）以下降RS92評估同降落傘下降BD，表明下降段BD的風東西分量、風南北分量的誤差與下降段的RS92的基本相當，比較接近WMO的測量要求，下降段BD測風前期數(shù)據(jù)沒有RS92細微，在使用時，要做預處理或者有效控制；后期數(shù)據(jù)的可用性與業(yè)務(wù)要求接近.同時，急速下降對導航定位測風提出了更高的技術(shù)要求，對下降段的速度控制方法也有待進一步改善.

在長沙開展的球載式下投探空觀測試驗表明基于上升段以球為載體、下降段以傘為載體的往返式探空觀測模式具有諸多優(yōu)勢：首先在時間上可以實現(xiàn)對原有的1次探空進行加密；其次通過載體漂移控制下降點可以實現(xiàn)原站施放、多站接收的觀測模式，有利于對現(xiàn)有探空站網(wǎng)分布進行合理優(yōu)化；最后往返式測風應用會對導航定位提出更高的技術(shù)要求.整體而言，該技術(shù)應用符合氣象綜合觀測從人工定性觀測向自動化遙感遙測、定量觀測轉(zhuǎn)變的迫切需求，具有良好的應用前景.

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