孫克敏,張海濤,張 祺,劉清芳

(1.長(zhǎng)春市綠園區(qū)氣象局,長(zhǎng)春 130062;2.塔城地區(qū)氣象局,塔城 834700)

0 引言

常規(guī)高空氣象觀測(cè)是指為了得到從地球表面到幾萬(wàn)米高度空間的大氣氣象要素(氣壓、溫度、濕度)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(風(fēng)向、風(fēng)速)等的變化情況,利用氫氣球攜帶無(wú)線電探空儀,采用自由上升的方式進(jìn)行觀測(cè)、收集、處理等的活動(dòng)和工作過(guò)程,也會(huì)有一些特殊需求的觀測(cè)項(xiàng)目如大氣成分、臭氧、輻射等。高空觀測(cè)多以北京時(shí)間07:00和19:00為固定時(shí)段進(jìn)行,每天2次,只有少數(shù)的高空觀測(cè)站在北京時(shí)間01:00和13:00增加臨時(shí)性加密觀測(cè)。此外,日常工作中也存在不定時(shí)探測(cè)的情況,如需要觀測(cè)大氣的邊界層狀況探測(cè)、測(cè)量特殊要素的氣象飛機(jī)探測(cè)和氣象火箭探測(cè)等。無(wú)線電探空儀是探測(cè)對(duì)流層和平流層大氣氣象資料的重要儀器,主要組成部分包括感應(yīng)器、轉(zhuǎn)換器和發(fā)射裝置。測(cè)量轉(zhuǎn)換器的作用是把傳感器傳出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼,然后把接收到的北斗數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制在32.7 kHz副載波上,再向1675 MHz載頻的探空儀二次調(diào)制32.7 kHz的副載波,即可達(dá)到實(shí)時(shí)向地面?zhèn)魉蜌庀髷?shù)據(jù)的目的。GFE(L)1型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)設(shè)備可以接收包括溫度、氣壓、濕度在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)信息。雷達(dá)終端軟件實(shí)時(shí)顯示的溫度、氣壓、濕度數(shù)據(jù),是根據(jù)傳感器標(biāo)定參數(shù)(檢定參數(shù))計(jì)算得出的,該參數(shù)是在生產(chǎn)探空儀時(shí)得到的。雷達(dá)發(fā)射機(jī)先將一個(gè)詢問(wèn)脈沖(測(cè)距)信號(hào)發(fā)送給探空儀,探空儀發(fā)射機(jī)接收到詢問(wèn)脈沖信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)(回波)發(fā)回發(fā)射機(jī),雷達(dá)與探空儀之間的斜距由此而得,從而完成了全方位的綜合探測(cè),得到從地面到30 km高度的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。中國(guó)氣象局為了提高國(guó)內(nèi)高空觀測(cè)質(zhì)量,于2020-01-01T07:00全國(guó)高空站開(kāi)始使用新型電子探空儀,新型電子探空儀在測(cè)量的精確程度、穩(wěn)定性和環(huán)境的適應(yīng)能力等方面優(yōu)于原有儀器。

1 幾種探空儀的同球比較

為提高探空儀的技術(shù)性能,2016年中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司組織研制出新型電子探空儀,并開(kāi)展了新型探空儀的業(yè)務(wù)比對(duì)試驗(yàn),將新型探空儀和當(dāng)時(shí)業(yè)務(wù)在用探空儀與國(guó)際先進(jìn)的RS92型探空儀進(jìn)行同球比較[1]。試驗(yàn)結(jié)果表明,3個(gè)廠家生產(chǎn)的新型探空儀各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)需求,相比目前在用各種探空儀的指標(biāo)有明顯提高,業(yè)務(wù)穩(wěn)定性指標(biāo)也均能滿足業(yè)務(wù)需求[2-4]。具體比對(duì)結(jié)果如表1所示。

表1 各探空儀性能比對(duì)

2 施放高度比對(duì)

新型探空儀使用方法簡(jiǎn)便,探測(cè)高度更高。圖1是長(zhǎng)春新舊兩代探空儀的施放高度對(duì)比,比較結(jié)果表明新型探空儀在高空探測(cè)的質(zhì)量和精度、探測(cè)信息的空間和時(shí)間密度等方面都有了比較顯著的提高。另外,信號(hào)突然消失及儀器變性也大幅度減少,2019年發(fā)生儀器變性25次,2020年僅有15次儀器變性,2022年減少至5次儀器變性。

圖1 長(zhǎng)春新舊兩代探空儀的施放高度對(duì)比

3 新型電子探空儀的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)GTS1,GTS1-1和GTS1-2型探空儀進(jìn)行基測(cè)時(shí),儀器值需訂正到自動(dòng)氣象站氣壓傳感器的高度(表2),而GTS11,GTS12和GTS13型探空儀的儀器值無(wú)需訂正,直接計(jì)算即可。

表2 單位高度氣壓訂正值

4 探空儀性能變化

新型電子探空儀溫度指標(biāo)均提高了0.1 ℃(表3),探空儀采樣周期由1.5 s減少到1.0 s。溫度傳感器中的熱敏電阻元件由棒狀改為珠狀后,反射率有所提高,其中短波超過(guò)90%,長(zhǎng)波超過(guò)95%;濕度傳感器由濕敏電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闈衩綦娙莺?測(cè)濕范圍更廣,響應(yīng)速度更快,并且改變后的傳感器體積更小、靈敏度更高、遲滯系數(shù)更小、滯差環(huán)更小、溫度系數(shù)更小;單片機(jī)由51單片機(jī)改為ARM內(nèi)核單片機(jī),轉(zhuǎn)換精度16位,在50～-35 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于萬(wàn)分之三;發(fā)射機(jī)由分立元件改為貼片后,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、質(zhì)量更小、頻率調(diào)諧更方便。另外新型探空儀氣壓指標(biāo)提高了0.5 hPa;濕度指標(biāo)提高了1%RH,測(cè)得的探空數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

表3 基測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)

5 使用方法及注意事項(xiàng)

新型電子探空儀應(yīng)用至今,在帶來(lái)便捷的同時(shí),也在具體施放過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題,文章針對(duì)這些問(wèn)題總結(jié)出更有效的使用方法及注意事項(xiàng)如下:

1)獨(dú)立抽真空包裝的新型探空儀,使用前應(yīng)避免打開(kāi)包裝,以防止?jié)穸葌鞲衅鏖L(zhǎng)期暴露在空氣中受環(huán)境影響測(cè)量準(zhǔn)確度降低。

2)新型探空儀(GTS13型)基測(cè)、裝配時(shí)將保溫盒上保護(hù)溫濕支架的“U”形槽推起,使其保持45°傾角,用以支撐溫濕支架,保護(hù)溫度傳感器不被損壞。

3)新型探空儀在工作時(shí)不能用手觸摸溫、濕度傳感器,避免傳感器被污染和破壞。施放探空儀時(shí)支架彎曲要平緩,有一定弧度,否則會(huì)造成內(nèi)部引線折斷,造成溫、濕度變性。此外,避免將溫度感應(yīng)器弄斷,也不應(yīng)將濕度保護(hù)帽拿掉。在基測(cè)時(shí)不應(yīng)拆除傳感器保護(hù)支架,以免基測(cè)時(shí)傳感器受到損傷。在基測(cè)后,濕度測(cè)量元件的防護(hù)罩不要去掉且應(yīng)保持原狀施放,溫濕傳感器元件外的保護(hù)支架應(yīng)撤下。

4)使用新型探空儀(GTS13型)進(jìn)行基測(cè)時(shí),若出現(xiàn)需要更換探空儀重新進(jìn)行基測(cè)的情況,則要打開(kāi)基測(cè)開(kāi)關(guān),否則探空儀序列號(hào)不會(huì)更新為新的儀器序列號(hào)。

5)新型探空儀(GTS11型)不能選“當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)給定范圍時(shí)直接刪除該數(shù)據(jù)”,否則軟件將對(duì)異常數(shù)據(jù)直接進(jìn)行刪除處理(僅對(duì)GTS1-2型探空儀有效)。選擇“當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)給定范圍時(shí)用擬合值代替”后,整個(gè)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定最終數(shù)據(jù)處理的效果,但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)弱和信號(hào)干擾等情況,數(shù)據(jù)擬合替代功能可能因放球過(guò)程中連續(xù)數(shù)據(jù)異常而失效,此時(shí)應(yīng)通過(guò)人工介入,及時(shí)選擇“保留接收到的原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行任何處理”。

6)新型探空儀放球終止后如果不同時(shí)確定探空和測(cè)風(fēng)終止時(shí)間,數(shù)據(jù)處理軟件就不會(huì)產(chǎn)生00格式的BUFR報(bào)文。

7)對(duì)探空儀參數(shù)進(jìn)行修改,溫度、氣壓、濕度資料重新計(jì)算,該功能只對(duì)GTS1,GTS1-1和GTS12 3種型號(hào)的探空儀適用,需要備份后才能操作所需要的資料文件。

8)通過(guò)查看雷達(dá)顯示屏給出的信息,檢查蓄電池線路及插頭是否連接完好,認(rèn)真校對(duì)儀表編號(hào)是否正確,檢查各插件安裝牢固情況,判斷儀表工作情況。

至少在施放前15 min進(jìn)行裝配工作,在將雷達(dá)頻率調(diào)整到探空儀信號(hào)最佳狀態(tài),如果探空儀對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)卻未調(diào)試出信號(hào),應(yīng)該立刻將電池接口重新插上。施放時(shí),探空儀測(cè)溫測(cè)濕元件的支撐臂應(yīng)向上,探空儀天線盡量扳直,不應(yīng)碰觸溫濕傳感器。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章綜合近幾年高空探測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的具體問(wèn)題得知,影響高空探測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素是設(shè)備和儀器故障,因而探空儀的性能質(zhì)量以及探空儀施放前的準(zhǔn)備工作尤為重要。因此,在實(shí)際工作中應(yīng)提高工作責(zé)任心,認(rèn)真對(duì)待每一次觀測(cè),認(rèn)真準(zhǔn)備每一個(gè)探空儀,認(rèn)真校對(duì)每一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù),保證每一次探測(cè)得來(lái)的數(shù)據(jù)都真實(shí)可靠。