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        銀川站探空儀換型平行觀測數(shù)據(jù)對比分析

        2022-07-11 06:00:14楊文軍任柏帆
        寧夏工程技術 2022年2期
        關鍵詞:換型探空儀位勢

        陳 榮,李 琨,楊文軍,任柏帆

        (1.中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750002;2.寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏 銀川 750002;3.銀川市氣象局,寧夏 銀川 750002;4.賀蘭縣氣象局,寧夏 銀川 750200;5.中國電信股份有限公司 寧夏分公司,寧夏 銀川 750002)

        L波段高空氣象探測系統(tǒng)是新一代高空探測系統(tǒng)的重要組成部分[1],其由地面L波段二次測風雷達GFE(L)1型和高空數(shù)字化電子探空儀GTS1型組成,具有自動化程度高、精度高、時效快、界面新穎、使用方便等特點,可以實現(xiàn)高空氣象探測儀器的數(shù)字化和自動化[2-3]。為進一步提升我國高空氣象觀測水平,2020年中國氣象局開展了高空觀測探空儀換型工作。由于高空探測站內任何新型元器件、探空儀、觀測方法等的應用,常伴隨著探測精度的變化,因此中國氣象局相關觀測技術規(guī)范要求必須確定高空記錄在換型前后的變化量,以供氣候資料使用者和氣候變化研究者參考[4]。近年來,有不少專家在探空系統(tǒng)換型后,分析研究了相應的換型記錄。陳芳等[5]、王英等[6]分析研究了59-701型探空系統(tǒng)升級為L波段雷達-探空儀系統(tǒng)的換型記錄,得出換型后雷達系統(tǒng)高度、溫度、相對濕度探測值較換型前顯著降低的結論。張聰娥等[7]研究了59型機械探空儀和L波段電子探空儀在100 hPa以下位勢高度、溫度、露點溫度和濕度測值的差值及差異存在的具體原因。針對新型探空儀,梁正鵬等[8]分析了三亞地區(qū)平行觀測期間GTS1-2和GTS11型探空儀的觀測數(shù)據(jù),認為GTS11型探空儀在整體上可以測得較低的溫度值和較高的相對濕度值,且能獲取更豐富的濕度數(shù)據(jù)細節(jié);在測量位勢高度上兩種型號的探空儀具有較好的一致性。賈秋蘭等[9]也對邢臺市探空系統(tǒng)在換型前后的差異性進行了分析,認為系統(tǒng)之間的差異與觀測時間有直接關系。

        氣候研究需要高質量、高分辨力的高空氣象探測要素。2020年1月和7月,銀川市國家高空氣象觀測站開展了探空儀換型平行觀測工作。本文通過分析探空儀換型平行觀測期間的探空高度以及30 hPa以下逐層規(guī)定等壓面層的探測數(shù)據(jù),得出了新型探空儀和換型前探空儀的系統(tǒng)差異,為提高天氣預報準確率提供了可靠的參考依據(jù),同時為氣象科學研究和提高儀器性能、確定儀器使用權重提供了參考。

        1 探空儀換型平行觀測與對比分析

        1.1 平行觀測方法

        本次換型設備主要包括探空儀和基測箱,換型前后的設備型號如表1所示。

        表1 探空儀和基測箱換型前后的型號

        平行觀測分別自2020年1月1日和2020年7月1日20:00開始,每天1次,20:00和08:00交替進行。兩個階段共進行有效平行觀測62次。對比期間,按照1—10日南京大橋(GTS11);11—20日上海長望(GTS12);21—31日山西太原(GTS13)的時間段分配使用探空儀。觀測過程中,采用同球串聯(lián)的施放方式,新型探空儀在下,換型前使用的探空儀在上,兩者相距1 m,并且要確保同時施放,以便于降低施放誤差。探空氣球凈舉力需按照新型探空儀及附屬設備的重量增加。為避免探空儀在平行觀測過程中的相互干擾,需將探空儀的頻率錯開20 MHz,將換型前探空儀的中心頻率調至1 685 MHz,由應急接收機接收信號;將新型探空儀的中心頻率調至1 665 MHz,由探空雷達接收信號。

        1.2 資料與分析方法

        本文采用的數(shù)據(jù)為銀川市國家高空氣象觀測站平行觀測原始數(shù)據(jù),并且根據(jù)探空儀換型前和換型后獲取的規(guī)定標準等壓面逐日位勢高度、溫度、濕度的定時資料,計算了平均差值,分析了探空儀換型后對資料一致性的影響。平均差值的計算公式為

        2 探空數(shù)據(jù)分析

        2.1 探空儀基測值分析

        放球前,對探空儀的基測是重要的準備工作之一,也是檢驗探空儀是否合格、能否施放的關鍵一步[10]?;鶞y是指使用基測箱將探空儀溫、濕度傳感器與檢測箱內溫度、濕度的標準器進行比對,使探空儀各傳感器在基測箱環(huán)境中充分感應,從而使探空數(shù)據(jù)的變化特性與標準儀表的響應特性相適應,達到規(guī)定施放的要求。

        GTS11,GTS12和GTS13型探空儀基測氣溫變量差值變化情況如圖1所示。由圖可知,3種型號探空儀的基測氣溫變量差值變化幅度均很小,平均值分別 為0(GTS11),0(GTS12),-0.1(GTS13);其 中GTS13型探空儀最穩(wěn)定,氣溫變量55%為-0.1,45%為0;GTS11型探空儀的穩(wěn)定性次之,氣溫變量55%為-0.1,20%為0,20%為0.1,5%為-0.2。綜上可知,3種型號探空儀的基測氣溫最小變量均為0,最大變 量 分 別 為-0.2(GTS11),0.3(GTS12),-0.1(GTS13)。

        圖1 GTS11,GTS12和GTS13型探空儀基測氣溫變量差值

        GTS11,GTS12和GTS13型探空儀基測氣壓變量差值變化情況如圖2所示。由圖可知,3種型號探空儀的基測氣壓變量差值變化幅度均很小,平均值分別為-0.1(GTS11),0.3(GTS12),0(GTS13);3種型號探空儀的基測氣壓最小變量均為0,最大變量分別為-1.7(GTS11),0.7(GTS12),-0.9(GTS13);GTS13型探空儀的氣壓基測變量最小,表明其更接近換型前探空儀的氣壓基測值。

        圖2 GTS11,GTS12和GTS13型探空儀基測氣壓變量差值

        2.2 探空儀位勢高度平均差值分析

        探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上位勢高度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖3所示。由圖可知,3種新型探空儀高空探測的位勢高度差值隨著高度的增加而增大,且均為負值;GTS12型探空儀的位勢高度差值最大,平均值為-14.6 gpm,最大值為-38.9 gpm;GTS13型探空儀的位勢高度差值最小,平均值為-7.5 gpm,最大值為-19.5 gpm。探空儀換型給位勢高度的觀測帶來了一定的差異性,3種新型探空儀測得的位勢高度均小于換型前探空儀的測得值,但總體情況比較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)大的跳變。

        圖3 GTS11,GTS12,GTS13與GTS1型探空儀位勢高度平均差值

        2.3 探空儀溫度平均差值分析

        探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上溫度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖4所示。由圖可知,GTS11型探空儀高空探測溫度差值在900~300 hPa隨高度的增加而增大,且為正值;在250~40 hPa隨高度的增加而增大,且為負值。表明GTS11型探空儀在300 hPa以上測得的高空溫度值高于GTS1型探空儀的測得值;在300 hPa以下測得的高空溫度值低于GTS1型探空儀的測得值。兩種探空儀測得的溫度平均差值為-0.2℃。

        圖4 GTS11,GTS12,GTS13與GTS1型探空儀溫度平均差值

        GTS12型探空儀高空探測溫度差值總體隨高度的增加而逐漸增大,且為負值,溫度平均差值為-0.4℃,表明GTS12型探空儀測得的高空溫度值低于GTS1型探空儀的測得值。GTS13型探空儀高空探測溫度差值隨高度的增加較為穩(wěn)定,基本保持-0.2℃不變,更接近換型前探空儀測量的高空探測溫度。

        2.4 探空儀濕度平均差值分析

        探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上濕度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖5所示。由圖可知,GTS11,GTS13型探空儀高空探測濕度差值的變化趨勢趨于一致,在700 hPa以上濕度差值為正值,即換型后探空儀濕度數(shù)據(jù)大于換型前探空儀濕度數(shù)據(jù);700 hPa以下濕度差值轉為負值,即換型后探空儀濕度數(shù)據(jù)小于換型前探空儀濕度數(shù)據(jù);總體趨勢為濕度平均差值隨著高度的增加而增大,但至150 hPa時,差值又逐漸減小。GTS11型探空儀濕度平均差值為-4.3%,GTS13型探空儀濕度平均差值為-5.6%,GTS12型探空儀濕度平均差值最小,為-1.5%。以250 hPa為界,地面~250 hPa濕度平均差值為正值,200~30 hPa濕度平均差值為負值。其表明在250 hPa以下GTS12型探空儀測量的高空濕度數(shù)據(jù)大于換型前探空儀的測得值;在250 hPa以上GTS12型探空儀測量的高空濕度數(shù)據(jù)小于換型前探空儀的測得值。

        圖5 GTS11,GTS12,GTS13與GTS1型探空儀濕度平均差值

        3 探空高度對比分析

        探空儀換型前后探空平均高度差值變化情況如圖6所示。圖中,前11組數(shù)據(jù)為1月(冬季)探空平均高度差值,后11組數(shù)據(jù)為7月(夏季)探空平均高度差值。由圖可知,2020年1月GTS11和GTS12型探空儀與換型前探空儀相比,探空平均高度差值較大,是因GTS1型探空儀出現(xiàn)4次故障所致。2020年7月在31次觀測中僅GTS13型探空儀出現(xiàn)1次故障,GTS11和GTS12型探空儀的差值幅度較穩(wěn)定,但探空平均高度均低于GTS1型探空儀;與其他2種型號探空儀相比,GTS13型探空儀探空平均高度高于GTS1型探空儀探空平均高度的次數(shù)較多。GTS11,GTS12,GTS13型探空儀平行觀測期間探空平均高度分別為28 313 m,28 316 m和29 160 m,均高于GTS1型探空儀探空平均高度28 302 m,其中GTS13型探空儀探空平均高度最高,超過28 600 m的考核指標。

        圖6 GTS11,GTS12,GTS13與GTS1型探空儀探空平均高度差值

        4 結論與討論

        4.1 結論

        (1)GTS11,GTS12,GTS13型探空儀基測氣溫、氣壓變量差值同換型前探空儀相比,均比較穩(wěn)定。

        (2)GTS11,GTS12,GTS13型探空儀的位勢高度差值均為負值,且隨高度的增加而增大。新型探空儀測得的位勢高度整體上沒有大的跳變,均小于換型前探空儀的測得值。GTS13型探空儀的高空溫度測量值較為穩(wěn)定,隨著高度增加,高空探測溫度差值基本保持-0.2℃不變,更接近換型前探空儀的測得值。GTS11型探空儀在300 hPa以上測得的高空溫度值高于換型前探空儀的測得值;在300 hPa以下測得的高空溫度值低于換型前探空儀的測得值。GTS12型探空儀測得的高空溫度值始終低于換型前探空儀的測得值。

        (3)在700 hPa以上,GTS11和GTS13型探空儀的高空濕度測量值大于換型前探空儀的測量值;在700 hPa以下,GTS11和GTS13型探空儀的高空濕度測量值小于換型前探空儀的測量值。在250 hPa以下,GTS12型探空儀的高空濕度測量值大于換型前探空儀的測量值;在250 hPa以上,GTS12型探空儀的高空濕度測量值小于換型前探空儀的測量值。

        4.2 討論

        GTS13型探空儀在獲取位勢高度、溫度、濕度數(shù)據(jù)方面,探測能力較為穩(wěn)定,其與換型前探空儀相比,探測值沒有大的跳變,更接近換型前探空儀的測得值。GTS13型探空儀的探空平均高度較高,超過了考核標準,且該儀器性能穩(wěn)定,故障率較低,使用干電池供電,操作更加便捷。高空觀測業(yè)務探空儀換型后以中國氣象局規(guī)定的儀器使用比例為基準,基于以上優(yōu)點,建議以最大的比例使用GTS13型探空儀。

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