梁靜舒 王海深 胡姮

(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引言

高空氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)之一，是天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和國際交換氣象情報(bào)和資料的主要來源[1]。L波段高空探測系統(tǒng)是高空氣象觀測的重要組成部分，也是我國自主研制的新一代探空系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)字探空儀和二次測風(fēng)雷達(dá)構(gòu)成，具有探測精度高、采樣速率快、使用方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高空氣象探測儀器的數(shù)字化和自動(dòng)化[2-3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，L波段高空探測系統(tǒng)較59-701高空探測系統(tǒng)所測的溫度、高度資料更穩(wěn)定、離散率更小，對提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有利[2]；在溫度較低的對流層上層，GTS1型電子探空儀測定的濕度數(shù)據(jù)較59型探空儀更加精確[3]。

L波段高空探測系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)越性, 但在探測精度方面仍有一定局限性，尤其是在氣壓和高度方面[4-5]。研究表明，L波段電子探空儀氣壓值一直較RS92型探空儀偏低，系統(tǒng)差絕對值在低層要高于高層[6]；L波段高空探測系統(tǒng)所反映出的測高偏差隨探測高度的增加而不斷變大；L波段雷達(dá)和GTS1型探空儀測量高度差值隨探空儀的升高而逐漸增大[5]；還有研究對L波段高空探測系統(tǒng)的測風(fēng)算法提出了改進(jìn)方法[7-8]。

探空儀需要在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中測量氣象要素，若地面計(jì)算機(jī)軟件賦予探空儀測量要素的時(shí)間與測量元件感應(yīng)的時(shí)間不一致，其測量結(jié)果就無法正確地反映氣象要素的實(shí)際變化，并由此造成測量誤差。

分析L波段GTS1型探空儀和地面數(shù)據(jù)處理軟件的時(shí)序安排發(fā)現(xiàn)，探空儀和地面數(shù)據(jù)處理軟件都有測量與賦時(shí)不同步的問題，該問題也通過GTS1型探空儀與芬蘭RS92型探空儀的同球比對施放試驗(yàn)得到了證明。通過進(jìn)一步分析計(jì)算確認(rèn)，L波段雷達(dá)高空探測系統(tǒng)由于測量與賦時(shí)不同步造成的氣象要素測量結(jié)果不確定度是不可忽視的，亟需改進(jìn)探空儀及其數(shù)據(jù)處理軟件。針對北斗-GPS雙模式探空測風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文提出了該問題的改進(jìn)方法。

1 L波段高空探測系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)

L波段高空探測系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)包括探空儀和探空數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，下面分別對上述兩部分的時(shí)序設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.1 探空儀

探空儀的時(shí)序設(shè)計(jì)，主要考慮探測敏感元件感應(yīng)氣象要素的時(shí)間與發(fā)射機(jī)發(fā)出的時(shí)間之間是否有時(shí)間差。目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的L波段探空儀主要是GTS1型探空儀，廠方發(fā)布的電路圖如圖1所示。

圖1 GTS1型電子探空儀的電路原理

可以看出，4個(gè)測量元件經(jīng)三路電阻-電壓轉(zhuǎn)換，一路電壓-電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)“多路開關(guān)”的排序進(jìn)入“模數(shù)轉(zhuǎn)換”，將電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，然后進(jìn)入“微處理器”(即單片計(jì)算機(jī))，顯然采用的是串行體制，必須經(jīng)過一段時(shí)間才能將四路氣象信號傳入微處理器。此后在微處理器中設(shè)置了1個(gè)“更新單元”，即1個(gè)數(shù)據(jù)儲存器，探空儀測量電路的輸出，周期性地推向這個(gè)儲存器，使儲存器中的數(shù)據(jù)始終是最新的一組。GTS1型探空儀更新單元的更新周期為1.2 s。

探空儀的信號發(fā)射由單片計(jì)算機(jī)的程序控制，其時(shí)間分配為0.2 s發(fā)送氣象數(shù)據(jù)，0.8 s用于雷達(dá)測距，1 s為1個(gè)重復(fù)周期。在發(fā)送氣象數(shù)據(jù)時(shí)從“更新單元”中取出氣象數(shù)據(jù)，以發(fā)射機(jī)的調(diào)制信號發(fā)出。

由于氣象數(shù)據(jù)的“更新單元”1.2 s更新1次。而取出數(shù)據(jù)發(fā)射的時(shí)刻，由單片計(jì)算機(jī)軟件給出的時(shí)標(biāo)確定，為1 s 1次。這樣，在不考慮測量傳感器本身滯后的情況下，探空儀這種時(shí)序安排就使得氣象要素的感應(yīng)時(shí)間與實(shí)際發(fā)出的時(shí)間之間產(chǎn)生了在0～1.2 s變化的時(shí)間差。

1.2 數(shù)據(jù)處理軟件

L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件在時(shí)序安排上，采用了探空儀的做法，同樣設(shè)計(jì)了一個(gè)“更新單元”，其更新周期同樣為1.2 s。L波段軟件從氣象信號的接收到賦時(shí)的基本流程是：探空信號由接收機(jī)接收、變換后輸入探空儀廠家提供的“軟件包”(即解碼單元)變?yōu)闅庀笮盘?，然后存入“更新單元”等待讀取。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)產(chǎn)生連續(xù)不斷的秒間隔信號，到“更新單元”中去取氣象數(shù)據(jù)，取來后賦予計(jì)算機(jī)的時(shí)間，分辨力為1 s。

地面軟件的設(shè)計(jì)采用了與探空儀相同的方式。不論軟件是否讀取數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)在“更新單元”中每間隔1.2 s更新1次，與讀取的時(shí)間無關(guān)。這樣，顯然又造成了在0～1.2 s變化的時(shí)間差。

由于更新單元為1.2 s更新1次，數(shù)據(jù)處理軟件1秒取1次數(shù)據(jù)，這就不可避免地會(huì)出現(xiàn)在1個(gè)周期內(nèi)取2次相等數(shù)據(jù)的情況，由于只有0.2 s之差，發(fā)生這種情況的概率并不大。但在探空信號受到干擾，每組的標(biāo)志碼不能檢出時(shí)，“更新單元”中的數(shù)據(jù)就不會(huì)變化了。這就是業(yè)務(wù)探空中，氣象要素曲線出現(xiàn)直線(不變)的原因。

2 時(shí)差所致探空測量結(jié)果隨機(jī)變化

由于探空儀敏感元件感應(yīng)氣象參數(shù)的時(shí)間與賦予的時(shí)間之間存在誤差，而該時(shí)差在0～2.4 s之間隨機(jī)變化，必然引起探測數(shù)據(jù)的起伏。在業(yè)務(wù)探測時(shí)，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)值，這種情況很容易被忽略。

2013年12月，中國氣象局在廣東陽江進(jìn)行了北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀與芬蘭RS92型探空儀的比對試驗(yàn)，業(yè)務(wù)L波段雷達(dá)-GTS1型電子探空儀探測系統(tǒng)也參加了試驗(yàn)。采用同球施放的方法得到了2種探空系統(tǒng)之間的比對試驗(yàn)結(jié)果。

以RS92型探空系統(tǒng)的測量結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)所測溫度、氣壓和濕度的誤差。為便于分析和研究,將L波段探測系統(tǒng)探空儀測量至軟件賦時(shí)的時(shí)間差造成數(shù)據(jù)隨機(jī)波動(dòng)的情況放大，只取每次施放從地面至升空后90 s的比對結(jié)果，制作L波段高空探測系統(tǒng)與RS92型探測系統(tǒng)間的誤差曲線分布。同球施放共40次，溫度、氣壓和濕度的誤差分布如圖2所示。

圖2 2013年12月廣東陽江GTS1型探空儀與RS92型探空儀同球施放比對試驗(yàn)溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

可以看出，各次施放溫度誤差隨施放時(shí)間成折線變化，各次施放間有較大系統(tǒng)差異，但誤差隨施放時(shí)間的變化是基本相同的，2 s間的誤差變量通常在0～0.4 ℃之間；氣壓誤差隨施放時(shí)間的變化情況與溫度基本相同，2 s間的誤差變量多數(shù)在0～1 hPa之間；相對濕度在2 s間的誤差變量多數(shù)在0～2%之間。

由于本次試驗(yàn)1次只施放了1個(gè)RS92型探空儀，無法得到其本身2個(gè)之間誤差的變化情況。這里取2008年7月錫林浩特國產(chǎn)GPS探空儀選型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該試驗(yàn)中每次都同球施放了3個(gè)RS92型探空儀，共進(jìn)行26次施放。用其中2個(gè)RS92型探空儀的施放結(jié)果，求得它們之間的相互差值，制作與圖2相同的誤差分布曲線。為便于比較，采用了與圖2相同的時(shí)間和各氣象要素誤差坐標(biāo)尺度。RS92型探空儀溫度、氣壓和濕度誤差分布曲線如圖3所示。

圖3 2008年7月錫林浩特RS92型探空儀同球施放26次自比對試驗(yàn)溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

RS92型探空儀誤差分布最明顯的特征是，溫度、氣壓和濕度的誤差均存在明顯的“邊界”，即限制在一定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。各次施放，間隔2 s的誤差變化，溫度最大為0.1 ℃，氣壓最大為0.2 hPa，相對濕度最大為1%，通常為相應(yīng)氣象要素的一個(gè)分辨力。由于RS92型的誤差散布較小，可以說明用圖2表示GTS1型探空儀的誤差數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

由此可以得出，由L波段高空探測系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)造成的測量元件感應(yīng)氣象要素至地面設(shè)備計(jì)算機(jī)軟件賦時(shí)之間的時(shí)間差，造成了測量結(jié)果的隨機(jī)波動(dòng)是確定無疑的。對于探空儀，發(fā)射機(jī)發(fā)出氣象信息，讀取“更新單元”中的數(shù)據(jù)時(shí)，氣象數(shù)據(jù)可能剛更新過，也可能已經(jīng)維持了1.2 s以內(nèi)的一段時(shí)間。與測量元件感應(yīng)氣象要素的時(shí)間相比，發(fā)射機(jī)發(fā)出的時(shí)間總是延遲的，其誤差的變化是隨機(jī)的。地面數(shù)據(jù)處理軟件與探空儀造成的時(shí)間誤差分布與探空儀相同。

3 L波段探空系統(tǒng)時(shí)差造成的測量結(jié)果不確定度

時(shí)間差的增加相當(dāng)于改變了測量傳感器的時(shí)間常數(shù)，而作為一階測量系統(tǒng)的溫度、氣壓和濕度傳感器，其時(shí)間常數(shù)可以造成被測量值隨時(shí)間實(shí)際變化的幅度衰減和相位滯后，是不能忽略的。時(shí)間差造成的測量結(jié)果不確定度，可用施放時(shí)各氣象要素隨高度變化的速率和時(shí)差對應(yīng)的高度計(jì)算。0.98 s的時(shí)間差所造成溫度、氣壓和濕度測量的不確定度主要取決于施放時(shí)氣球上升的速度和氣象要素的變化率。以中國氣象局2010年發(fā)布的《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》[10](以下簡稱“《規(guī)范》”)規(guī)定的氣球標(biāo)準(zhǔn)升速計(jì)算，氣球平均升速為6.7 m/s，則在0.98 s的時(shí)間內(nèi)探空儀上升的高度約為6.6 m?！兑?guī)范》提供了單位高度氣壓訂正值，在原表基礎(chǔ)上列出時(shí)差對應(yīng)高度可能引起的氣壓的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(表1)。

表1 時(shí)差對應(yīng)高度可能引起的氣壓標(biāo)準(zhǔn)不確定度

《規(guī)范》沒有列出氣壓小于480 hPa的數(shù)據(jù)，但可以估計(jì)，時(shí)差造成氣壓的不確定度隨氣壓降低而減小。在對流層頂高度以下，大氣溫度的平均遞減率為每上升100 m降低0.65 ℃，由時(shí)差0.98 s對應(yīng)6.6 m高度計(jì)算，其對應(yīng)的溫度誤差約為0.04 ℃，對于探空儀的誤差來說可以忽略。濕度隨高度的變化與施放時(shí)的天氣條件有關(guān)，在探空儀出云入云時(shí)，有在1 s時(shí)間內(nèi)相對濕度變化超過10%的記錄。在這種情況下，時(shí)差的主要作用是對濕度變化幅度的衰減和相位滯后，相當(dāng)于濕度測量元件時(shí)間常數(shù)的增加或減小所引起的濕度誤差變化。由于情況復(fù)雜，本文不作討論。

可以得出的初步結(jié)論是，L波段探空系統(tǒng)總體的時(shí)差對氣壓測量影響較大，對溫度的影響較小，對濕度的影響較為復(fù)雜。目前業(yè)務(wù)中，由于探空業(yè)務(wù)應(yīng)用文件對大氣的分層主要是氣壓和位勢高度，而位勢高度又主要取決于氣壓，因此，由時(shí)差造成的氣壓不確定性，將對探空應(yīng)用文件的準(zhǔn)確性造成一定影響。從時(shí)差形成的機(jī)理可知，相對于測量元件的感應(yīng)時(shí)間總是延遲的，其總體散布中心為測量元件感應(yīng)氣象要素后1.2 s，時(shí)差散布的擴(kuò)展不確定度為0.98 s，氣壓誤差最大可達(dá)0.86 hPa。

4 探空儀及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)

為保證探空儀測量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性，使探空儀的測量結(jié)果能夠正確反映大氣要素的實(shí)際變化，避免測量元件感應(yīng)氣象要素的時(shí)間與數(shù)據(jù)處理賦予時(shí)間之間產(chǎn)生時(shí)間差是非常必要的。即將在業(yè)務(wù)中推廣的北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀，其設(shè)計(jì)就采用了消除時(shí)差的方法，大大減小了測量結(jié)果的隨機(jī)誤差，且在2013年12月中國氣象局陽江試驗(yàn)中效果良好。試驗(yàn)所用的2個(gè)探空儀25次自比對結(jié)果，按照圖3對RS92型探空儀自比較誤差的處理方法，所得誤差曲線分布如圖4所示。

圖4 2013年12月廣東陽江北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀25次同球施放自比對試驗(yàn)溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

可以看出，該探空儀的溫度誤差散布小于芬蘭RS92型探空儀，氣壓與RS92型相當(dāng)，而濕度稍差，基本達(dá)到了芬蘭RS92型探測系統(tǒng)的水平。與RS92型比較，我國探空儀的誤差曲線沒有明顯的邊界，即仍然處于一個(gè)隨機(jī)變量的影響之下。

該探空儀采用的時(shí)序設(shè)計(jì)見圖5所示。其總體思路是，將所有的測量元件和標(biāo)準(zhǔn)器件通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷盒盘?，然后通過A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器件)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并行連接在單片計(jì)算機(jī)上。目前的單片計(jì)算機(jī)通常有很多A/D轉(zhuǎn)換接口，也可以直接采用單片計(jì)算機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器以簡化電路。

圖5 北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀時(shí)序設(shè)計(jì)

由于該探空儀測風(fēng)系統(tǒng)由衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收處理膜片產(chǎn)生衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和時(shí)間，并于1 s間隔產(chǎn)生信號使發(fā)射機(jī)發(fā)送信息，這樣在發(fā)射衛(wèi)星定位信息后立即可對氣象信息進(jìn)行掃描，使氣象數(shù)據(jù)緊跟在定位信息之后，形成一組包括衛(wèi)星定位信息和氣象溫度、氣壓和濕度的數(shù)據(jù)組，其時(shí)間放在最前面，是由導(dǎo)航衛(wèi)星賦予的，與地面數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)無關(guān)。該方案解決了L波段探測系統(tǒng)將測風(fēng)和探空數(shù)據(jù)分為2個(gè)文件，致使探空和測風(fēng)數(shù)據(jù)不同步的問題。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程在10 ms左右，而順序掃描所有A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間也在毫秒量級，這樣造成的時(shí)間差是很小的。

綜上所述，即將在業(yè)務(wù)中推廣的北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀的改進(jìn)方案將顯著提升我國的探空系統(tǒng)水平、提高探空業(yè)務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

探空儀是在運(yùn)動(dòng)中測量氣象信息的，其時(shí)間差不但可以使探測數(shù)據(jù)產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，同時(shí)還相當(dāng)于增加了測量傳感器的時(shí)間常數(shù)，使氣象要素的實(shí)際變化造成幅度衰減和相位滯后，而進(jìn)一步產(chǎn)生誤差。因此，探空系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)是一個(gè)特別值得注意的問題。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，L波段探空系統(tǒng)總體時(shí)差對氣壓測量影響較大，對溫度的影響較小，對濕度的影響較為復(fù)雜；相對于測量元件的感應(yīng)時(shí)間總是延遲的，其總體散布中心為測量元件感應(yīng)氣象要素后1.2 s，時(shí)差散布的擴(kuò)展不確定度為0.98 s，氣壓誤差最大可達(dá)0.86 hPa。目前北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀的設(shè)計(jì)中采用了消除時(shí)差的方法，大大減小了測量結(jié)果的隨機(jī)誤差，為該問題提出了改進(jìn)方法。