梁建平，郭 凱，譚 婓，韋麗英，李 江

(1.桂林市氣象局，桂林 541001；2.廣西區(qū)氣象局信息中心，南寧530022；3.百色市氣象局，百色 533000)

0 引言

為進(jìn)一步提升國家高空氣象觀測(cè)水平，中國氣象局綜合觀測(cè)司組織開展了探空儀換型工作，2020-01-01T08：00，高空氣象觀測(cè)站正式采用新型探空儀作為業(yè)務(wù)使用探空儀。換型后的儀器分別是南京大橋機(jī)器有限公司生產(chǎn)的GTS11型、上海長望氣象科技股份有限公司生產(chǎn)的GTS12型和太原無線電一廠有限公司生產(chǎn)的GTS13型探空儀。與之配套的基測(cè)箱型號(hào)有JKZ1-1、JKZ2-1、JKZ3-1和JKZ4-1，廣西6個(gè)高空探測(cè)站均使用JKZ1-1型基測(cè)箱。從中國氣象局觀測(cè)司發(fā)布的技術(shù)指標(biāo)可以看出(表1)，3個(gè)廠家生產(chǎn)的新型探空儀性能指標(biāo)比2020年以前業(yè)務(wù)用探空儀(GTS1、GTS1-1、GTS1-2)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大幅度提升，業(yè)務(wù)穩(wěn)定性指標(biāo)均能滿足業(yè)務(wù)需求[1]。為了解目前各個(gè)型號(hào)探空儀之間的系統(tǒng)差異，文章對(duì)2556個(gè)探測(cè)時(shí)次的施放情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)各種型號(hào)的新型探空儀故障率均高于換型前的GTS1型，可見新型探空儀在基層臺(tái)站實(shí)際使用過程中，仍存在一些有待完善的問題，文章將對(duì)觀測(cè)站發(fā)現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行探討并提出解決意見。

表1 改進(jìn)前后各型號(hào)探空儀標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比

1 新型探空儀常見問題

文章通過對(duì)廣西6個(gè)臺(tái)站新型探空儀半年多的施放情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)放球前的主要故障為基測(cè)不合格或儀器無信號(hào)、施放前溫度傳感器易斷、濕度傳感器保護(hù)套脫落；氣球施放后的主要故障為傳感器變性(以溫度和濕度最為頻繁)或突失、傳感器變性或突失導(dǎo)致的重放球。

在2020年1月、7月完成的冬夏兩個(gè)階段的探空儀平行觀測(cè)期間，依照中國氣象局的規(guī)定，上、中、下旬分別使用GTS11型、GTS12型、GTS13型探空儀與GTS1進(jìn)行比對(duì)。通過對(duì)該階段的統(tǒng)計(jì)，GTS13型施放前不合格或無信號(hào)故障率最高，達(dá)到155.3‰；GTS12型施放后變性或突失和施放后導(dǎo)致重放故障率最高，分別為45.8‰和20.8‰。

2-6月，6個(gè)臺(tái)站隨機(jī)使用3種型號(hào)探空儀進(jìn)行探測(cè)，由此對(duì)1-7月探空儀使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)兩種方法統(tǒng)計(jì)的新型探空儀故障率均高于換型前的GTS1型。就廣西6個(gè)高空探測(cè)站而言，2019年1-7月與2020年同期相比，GTS1、GTS11、GTS12和GTS13施放前不合格或無信號(hào)等故障率分別為15‰、33.6‰、60.9‰、89.6‰；施放后突失或變性等故障率分別為28‰、42.9‰、35.3‰、24.9‰；施放后導(dǎo)致重放的故障率分別為6‰、9.3‰、4.8‰、11.2‰，新型探空儀施放前后故障率與重放氣球率均偏高，部分廠家儀器故障率比中國氣象局考核指標(biāo)極值8‰還要高。

2 施放后儀器故障判斷

2.1 溫度變性的判斷

當(dāng)溫度傳感器飛升進(jìn)入較冷空氣中，若傳感器上粘附的降水未能及時(shí)排干，其凍結(jié)施放的潛熱將使氣溫升至0 ℃附近，產(chǎn)生虛假的“0 ℃等溫層”現(xiàn)象[2]，工作中最常見的是溫度曲線突變?yōu)?90 ℃并保持不變，即僵值。僵值是指探測(cè)過程中出現(xiàn)探測(cè)要素值恒定不變的異常情況[3，4]。出現(xiàn)僵值時(shí)觀測(cè)員比較容易識(shí)別，可以直觀判斷為儀器故障。而有些觀測(cè)時(shí)次溫度只是在某個(gè)高度層開始變化，偏離規(guī)定等壓面的溫度值，如57957測(cè)站2020-05-17T20：00觀測(cè)到儀器溫度變性情況(表2)，變性記錄從700 hPa后溫度開始偏低，與之前探測(cè)時(shí)次的相同高度層相比，600～200 hPa規(guī)定等壓面與正常記錄(表3)溫度偏差值達(dá)-17.5～-10.9 ℃，與溫度相關(guān)的要素如平均溫度、溫度露點(diǎn)差均出現(xiàn)較大偏差。

表2 變性記錄等壓面溫度相關(guān)要素值

表3 正常記錄等壓面溫度相關(guān)要素值

2.2 濕度變性的判斷

濕度變性通常表現(xiàn)為濕度值出現(xiàn)僵值。國產(chǎn)探空濕度元件由于性能問題，在對(duì)流層高層低溫環(huán)境下易被凍結(jié)導(dǎo)致測(cè)濕元件癱瘓，所測(cè)相對(duì)濕度降低至2%以下，并僵持不變；而在對(duì)流層低層，濕度元件從高飽和度到低飽和度轉(zhuǎn)換過程中無法及時(shí)恢復(fù)也會(huì)出現(xiàn)濕度僵值。在實(shí)際工作中，濕度變性發(fā)生頻率較高的時(shí)次通常在降水天氣，如57957測(cè)站在2020-07-27T08：00探測(cè)過程中遭遇持續(xù)降水且風(fēng)速達(dá)4 m/s的天氣現(xiàn)象，儀器施放1 min后，濕度值達(dá)到100%RH成為僵值，探空曲線顯示濕度曲線為直線。59211測(cè)站2020-08-10T20：00探測(cè)遭遇雷暴天氣，在施放高度700 hPa附近，濕度變成100%RH的僵值。與濕度相關(guān)的要素如平均濕度、露點(diǎn)、溫度與露點(diǎn)差均出現(xiàn)較大偏差，疑似濕度變性。

2.3 信號(hào)突失判斷

探測(cè)過程中，氣溫、氣壓和濕度信號(hào)突然消失，導(dǎo)致探測(cè)未達(dá)500 hPa，通常有幾種原因：一是探測(cè)系統(tǒng)不能在大雨、雷暴附近和強(qiáng)積冰的條件下持續(xù)可靠工作；二是儀器遭雷擊或電路板沾水等原因；三是電池電壓未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓值以上。

3 故障原因分析及處理

3.1 對(duì)出箱儀器作外觀檢查

新型探空儀主體部分由溫度傳感元件、濕度傳感元件、氣壓傳感元件、測(cè)量轉(zhuǎn)換器和發(fā)射機(jī)等構(gòu)成。開箱后檢查儀器的包裝和各感應(yīng)元器件完好程度，如溫度感應(yīng)器是否斷裂，濕度傳感器的保護(hù)套是否松動(dòng)，電路板接口間是否連接緊密。值得注意的是，無論使用哪種型號(hào)的探空儀，均禁止用手觸摸溫濕度傳感器，防止損壞傳感器，引起溫濕度變性。

3.2 對(duì)基測(cè)不合格和無信號(hào)儀器進(jìn)行原因分析

統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)基測(cè)遇到的溫濕度不合格率占比遠(yuǎn)高于無信號(hào)故障率占比，除了儀器自身故障，還要考慮是否存在環(huán)境因素。

3.2.1 濕度不合格

不同地區(qū)的臺(tái)站，根據(jù)當(dāng)?shù)靥綔y(cè)環(huán)境，配置不同百分比的恒濕鹽，在基測(cè)過程中則要考量濕度基測(cè)值與恒濕鹽百分比的差值。如果因差值過大造成多個(gè)儀器在相同環(huán)境下濕度不合格，可以考慮將儀器放在自然穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中，觀察儀器的濕度基測(cè)值與儀器值的差值范圍是否在合格范圍內(nèi)，若合格，則可以放棄恒濕鹽環(huán)境進(jìn)行基值測(cè)定。出現(xiàn)濕度值偏大或?yàn)?00%RH時(shí)，應(yīng)檢查紗布是否套緊，紗布盒內(nèi)是否有純凈水，紗布條是否浸泡其中。工作中發(fā)現(xiàn)JKZ1-1型基測(cè)箱包裹感應(yīng)器部分的紗布經(jīng)常處于干燥狀態(tài)，這是導(dǎo)致濕度不合格的重要原因之一，觀測(cè)員不應(yīng)以此判斷濕度變性而報(bào)廢探空儀。

3.2.2 施放前無信號(hào)或信號(hào)異常

儀器到臺(tái)站后信號(hào)異常為：1)常見問題是探空通道信號(hào)不暢，放球軟件的“終端-雷達(dá)通訊指示”只有雷達(dá)發(fā)送給終端信號(hào)指示。此時(shí)觀測(cè)員不應(yīng)急于報(bào)廢儀器，而應(yīng)檢查基測(cè)箱電源開關(guān)是否打開，儀器與連接線的插口是否緊實(shí)，判斷儀器是否已經(jīng)通電，雷達(dá)頻率和儀器型號(hào)是否正確。2)溫壓濕信號(hào)跳變到基測(cè)前狀態(tài)(溫度-50 ℃，濕度100%RH，氣壓1050 hPa)。此時(shí)應(yīng)將儀器升空，用雷達(dá)天線自動(dòng)跟蹤儀器，并且將頻率調(diào)到合適的位置，若信號(hào)依然沒有恢復(fù)正常，則考慮儀器出現(xiàn)故障，并更換儀器。

3.3 電池使用注意事項(xiàng)

理想的無線電探空儀的電池應(yīng)具有充足的容量，WMO要求電池在15 ℃溫度條件下，要有長達(dá)3 h工作的電流且輸出電壓不能低于要求值的5%；當(dāng)溫度從15 ℃降至-10 ℃時(shí)，輸出電壓不應(yīng)低于要求值的10%。GTS13型探空儀使用的是干電池，相對(duì)來說干電池在釋放電量期間輸出電壓的變化比浸水活化電池要大，因此在裝配時(shí)需測(cè)量電池電壓，確保測(cè)量的電壓符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電壓低于22 V時(shí)應(yīng)先充電再使用。GTS11、GTS12型探空儀使用的是浸水活化型電池，它比干電池輕，在釋放電能期間的電壓變化遠(yuǎn)小于干電池，因此在地面準(zhǔn)備時(shí)，要在使用前1 h拆封，在施放前 30 min將電池根據(jù)配方規(guī)定注入電液，電池浸入電液 3～5 min后取出，滴去余水，放入保溫盒內(nèi)。浸入電液的時(shí)間切勿過長，否則影響使用效果。切勿擠壓水或用力甩水，否則電池內(nèi)含水過少，影響使用時(shí)間。

對(duì)于GTS12型探空儀，要求將其電池插頭通過連接線與基測(cè)箱后面板的電池插座連接，以檢測(cè)電池電壓是否滿足探空儀使用，當(dāng)電壓上升到規(guī)定的電壓值(18～22 V)時(shí)，取下電池插頭，備用。對(duì)GTS11型探空儀使用的電池，進(jìn)行電池賦能時(shí)不可用其他廠家賦能設(shè)備，必須使用南京廠生產(chǎn)的電池賦能盒對(duì)GTS11電池賦能。

3.4 探空儀使用注意事項(xiàng)

在地面準(zhǔn)備儀器時(shí)不可用手扳動(dòng)銀色溫濕度傳感器支架，操作時(shí)避免觸碰溫濕度傳感器，避免引起溫濕度變性。對(duì)于GTS13型探空儀，裝配時(shí)上推支撐泡沫塊動(dòng)作要平緩，溫濕感應(yīng)器支架要保持一定彎曲弧度，遇有泡沫塊吻合度小的，要用膠布繞緊，否則易造成支架松動(dòng)和引線折斷，從而導(dǎo)致溫濕度變性。GTS12 型數(shù)字探空儀在雨天要用防水膠布將溫濕感應(yīng)器支架伸出部位與包裝盒銜接處空口密封，以防雨水滲入導(dǎo)致電路板短路。GTS11施放時(shí)，探空儀溫度和濕度測(cè)量元件的支撐臂應(yīng)向上彎曲，當(dāng)探空儀天線向下時(shí)，使支撐臂與水平面的夾角為15°～45°，以防止雨水通過傳感器桿進(jìn)入儀器艙內(nèi)。

3.5 溫濕感應(yīng)器相關(guān)注意事項(xiàng)

當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)過境、大風(fēng)、暴雨、暴風(fēng)雪等天氣時(shí)，儀器在升空等待施放的過程中容易出現(xiàn)溫度傳感器斷裂、濕度保護(hù)套掉落等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致新型探空儀溫濕度變性。處理方法是將GTS13、GTS12型探空儀的溫濕度感應(yīng)器保護(hù)套(GTS11型的保護(hù)支架)在升球前取下，基測(cè)結(jié)束后重新套上，避免在移動(dòng)或裝配的過程中不小心觸碰導(dǎo)致溫度傳感器斷裂。如果遇到大風(fēng)天氣，應(yīng)該使用大風(fēng)放球器，在繩與儀器連接的時(shí)候把保護(hù)套取下，防止由于大風(fēng)造成溫感斷裂和濕度保護(hù)套脫落導(dǎo)致的遲測(cè)。多次觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，未取下溫濕感應(yīng)器保護(hù)套會(huì)帶來高空的溫濕度信號(hào)波動(dòng)，尤其是溫度曲線，鋸齒狀明顯。實(shí)際工作中遇到強(qiáng)降水天氣時(shí)，應(yīng)保護(hù)相對(duì)濕度傳感器不受雨或冰的影響，避免將其完全暴露于環(huán)境空氣中。

4 結(jié)束語

溫度和水汽場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)各種類型的天氣預(yù)報(bào)，尤其是區(qū)域性和局地性天氣預(yù)報(bào)是極為重要的。頻繁更換和報(bào)廢儀器不僅會(huì)造成人力和財(cái)力的浪費(fèi)，還會(huì)給觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)獲取和探測(cè)精度帶來影響。中國共有120個(gè)高空探測(cè)站，大部分是全球高空資料交換站，對(duì)新型探空儀使用情況進(jìn)行分析研究并找出存在的問題，能夠?yàn)閺S家改進(jìn)儀器、提高儀器性能提供直接的參考依據(jù)。