L波段雷達(dá)探空異常記錄的分析與處理

劉永蓮，黎朝鈞

(廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，廣西 梧州 543002)

L波段雷達(dá)探空異常記錄的分析與處理

劉永蓮，黎朝鈞

(廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，廣西 梧州 543002)

L波段雷達(dá)探空資料的獲取，是通過對自由大氣各氣象要素的直接或間接觀測。觀測期間存在著一些偶然性和不確定性，某些現(xiàn)象例如：儀器變性、氣球下沉?xí)?dǎo)致觀測記錄的異常。該文通過實(shí)例分析，總結(jié)出異常探空記錄的判別方法和處理技巧；提出了避免異常記錄出現(xiàn)的一些預(yù)防措施，在實(shí)際的應(yīng)用中獲得了較為合理、客觀的高空氣象資料，為相關(guān)部門的研究和應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。

L波段雷達(dá)；探空；異常記錄；分析；處理

1 引言

L波段雷達(dá)系統(tǒng)是我國新一代的高空氣象觀測系統(tǒng)，其探空資料的獲取，是通過對自由大氣各氣象要素的直接或間接觀測。隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)的不斷深化，對高空氣象觀測資料的數(shù)量和質(zhì)量的要求越來越高。現(xiàn)階段我國氣象部門主要是使用L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)，由氣象探空氣球攜帶數(shù)字式電子探空儀(GTS1型或GTS1-2型)在空中自由漂移上升的方法來完成高空氣象觀測[3]。在觀測期間存在著一些偶然性和不確定性導(dǎo)致了探空資料的異常，影響其準(zhǔn)確性[4]。在我國南方，對流性天氣[6]較為頻繁，規(guī)定時次的高空氣象觀測，經(jīng)常會在暴雨、臺風(fēng)等惡劣天氣下進(jìn)行，探空記錄有時會出現(xiàn)異常。近年來，在廣西全區(qū)高空氣象觀測業(yè)務(wù)檢查中發(fā)現(xiàn)，觀測員對于一些異常記錄的處理方法和計算結(jié)果值得商榷。有鑒于此，針對如何處理異常探空記錄，本文通過實(shí)例，對L波段雷達(dá)系統(tǒng)(GTS1型探空儀)的探空記錄進(jìn)行診斷[5]，總結(jié)出異常記錄的判別方法和相應(yīng)的處理技巧，并提出了避免出現(xiàn)異常記錄的一些預(yù)防措施，在實(shí)際的探測中獲得較為合理、客觀的高空氣象資料。

2 異常探空記錄實(shí)例診斷及處理方法

本文結(jié)合觀測時本站的云狀、云量、天氣現(xiàn)象、探測記錄中溫度、氣壓、相對濕度以及測風(fēng)每秒數(shù)據(jù)的變化趨勢等各項(xiàng)要素，對高空探測中的異常記錄以及氣球下沉記錄進(jìn)行診斷分析和處理方法探討。

2.1 高空探測記錄中溫度、氣壓、相對濕度變性的異常記錄

在獲取高空氣象資料的探測中，有時會出現(xiàn)一些異常記錄，需要觀測人員分析處理。從廣西梧州高空氣象觀測站2013年6月7日07時的探空曲線(圖1)可以看出可疑的記錄在16分43秒至33分53秒(可疑記錄開始和結(jié)束的時間可從探空秒數(shù)據(jù)中分析得出)時段中。

圖1 溫、壓、濕變性的探空曲線

2.1.1 記錄的分析 現(xiàn)階段我國氣象部門所用的GTS1數(shù)字式電子探空儀，在高空氣象觀測過程中，其溫度傳感器是暴露在探空儀外部的，如果有降水或穿過水汽較大的云層(例如Sc、Cb、Ns)時，溫度傳感器有可能會沾上水或結(jié)冰，當(dāng)探空儀從云中進(jìn)入干燥層后，傳感器上的水或冰蒸發(fā)或結(jié)冰，與大氣進(jìn)行熱交換，其測量結(jié)果明顯會有誤差；雨水直接打在濕度片上也會影響水汽測量的準(zhǔn)確度。溫度、濕度傳感器受到雨水或冰的影響，有時會造成信號傳導(dǎo)的不正常，雷達(dá)接收到的是一些通信亂碼，其在探空曲線上表現(xiàn)為一段異常的跳變。這種情況，不應(yīng)該僅僅考慮重新放球組織觀測或簡單的刪除一段記錄來解決，而要根據(jù)施放時的天氣情況綜合分析、處理，把可用的資料合理地保留下來[8]。特別是探空儀在對流層低層穿過云層時，溫度、濕度的異常跳變，其觀測結(jié)果更應(yīng)謹(jǐn)慎處理。該高空觀測站2013年6月7日07時的觀測記錄與這種情況相似。

2.1.2 記錄的處理 該時次的高空氣象觀測，測站天空的云狀為Sc、Cb云，并伴有雷暴和降水，屬于較強(qiáng)的對流性天氣。溫、壓、濕訊號的異常跳變，極有可能是儀器氣壓變性、溫度和濕度傳感器受雨水影響所至。因此，對各時刻溫、壓、濕異常跳變數(shù)據(jù)的分析，可參考數(shù)據(jù)輔助處理中的“探空每秒數(shù)據(jù)查詢”，根據(jù)高空氣象觀測規(guī)范的規(guī)定以及探空曲線的變化趨勢，用“手動修正探空曲線”和“自動修正探空數(shù)據(jù)錯誤”功能，在“探空曲線顯示”放大倍數(shù)不低于10倍的狀態(tài)下，剔除明顯的異常跳變信號，并認(rèn)真檢查探空高表-14中各等壓面和特性層的每項(xiàng)數(shù)據(jù)，核對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、合理性。

2.1.3 處理后的記錄 經(jīng)過以上處理的觀測資料，與近期同時次、相似天氣狀況下的觀測資料相對比，對客觀、合理、有效的結(jié)果保留，不合理的舍棄，可看出各等壓面和各高度層的資料沒有出現(xiàn)缺測的現(xiàn)象，如圖2。

圖2 2013年6月7日07時處理后的探空資料

這樣，既避免了因直接刪除整段記錄而使觀測資料缺測或者進(jìn)行重新放球組織觀測而影響資料的及時性，又保證了探空資料的客觀性、準(zhǔn)確性和完整性[9]。

2.2 氣球下沉記錄

高空氣象觀測中，探空氣球在升空的過程中遇到雷雨、冰雹等強(qiáng)對流天氣或進(jìn)入Cb云等對流旺盛的云層時，往往會遭遇強(qiáng)大的下沉氣流，氣球隨之被迫下降，然后再緩慢繼續(xù)上升恢復(fù)正常。這一過程，高空氣象觀測稱之為氣球下沉，該時段獲取的高空觀測記錄也稱之為下沉記錄。

現(xiàn)在高空觀測臺站所用的軟件可以對下沉記錄進(jìn)行處理，但判別下沉記錄和對記錄的具體處理還是需要觀測人員具體情況具體分析的。通常下沉記錄中也會出現(xiàn)溫、壓、濕變性的異常記錄，對于這類記錄更應(yīng)認(rèn)真分析、謹(jǐn)慎處理，合理地保留可用資料。

2.2.1 判別下沉記錄的一些方法 ①觀測時段內(nèi)，本站出現(xiàn)雷雨、冰雹、臺風(fēng)等惡劣天氣或氣球進(jìn)入Cb云等對流旺盛的云層時，應(yīng)認(rèn)真查看數(shù)據(jù)處理軟件[10]中的氣球升速曲線圖，如果升速有很明顯的下降趨勢(如小于150 m/min甚至為0 m)，此時氣球有可能會下沉。

②在探空的每秒數(shù)據(jù)中，氣壓在升空過程中隨時間的變化逐漸減小。如果出現(xiàn)氣球下沉現(xiàn)象，氣壓隨時間變化顯示增大趨勢，溫度、濕度隨之也有相應(yīng)的變化，并且探空高度逐漸下降。

③氣球下沉的時段內(nèi)，相對應(yīng)的測風(fēng)每秒數(shù)據(jù)的高度也是下降的，否則可能是儀器氣壓變性。

④氣球下沉過程是氣壓、高度下降又回升至恢復(fù)正常的連續(xù)變化，溫、濕要素也會有連續(xù)漸變的過程。

⑤氣球下沉的現(xiàn)象在同一次的觀測中，有可能會出現(xiàn)不止一次的下降過程，特別是夏季的強(qiáng)對流天氣，更要具體情況具體分析。

2.2.2 氣球下沉記錄實(shí)例分析及處理 圖3是梧州市高空觀測站2012年6月6日19時的探空曲線圖。這一時次的觀測，是典型的下沉記錄，出現(xiàn)了2次氣球下沉過程。

圖3 氣球下沉探空曲線圖

①下沉記錄的分析：該時次的觀測過程中，測站天空的云狀為Sc、Cb云，并伴有雷暴和降水，為強(qiáng)對流天氣。在圖3處理前的探空曲線圖中可以看出，氣壓曲線顯示異常、高度下降，溫濕曲線也相應(yīng)異常，從氣球升速曲線上看，也可發(fā)現(xiàn)某一時段的升速有明顯的下降(升速小于150 m/min)。

圖4是把該時次觀測記錄中一些異常溫度、氣壓、濕度數(shù)據(jù)以及測風(fēng)的秒數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的分析結(jié)果，判斷出第1段下沉記錄：氣球下沉的起始點(diǎn)14分33秒至終止點(diǎn)15分06秒，氣壓值由545.7 hPa 逐漸增大到558.2 hPa即高度下降的最低點(diǎn)，然后氣壓又逐漸減小恢復(fù)至終止點(diǎn)545.7 hPa。

圖4 第1段下沉記錄的探空、測風(fēng)每秒數(shù)據(jù)

用同樣的分析方法可判別第2段下沉記錄：氣球下沉的起始點(diǎn)16分12秒至終止點(diǎn)17分32秒，氣壓值由502.3 hPa逐漸增大到539.2 hPa即高度下降的最低點(diǎn)，然后氣壓又逐漸減小恢復(fù)至終止點(diǎn)502.3 hPa。

②下沉記錄的處理：該時次的觀測記錄不僅有氣球下沉記錄，也有溫度、氣壓、相對濕度跳變的異常記錄。

第1段14分33秒—15分06秒下沉記錄的處理：探空數(shù)據(jù)的處理，首先由人工選定下沉的起始時間14分33秒和下沉的終止時間15分06秒，計算機(jī)自動將14分33秒—15分06秒之間的數(shù)據(jù)刪除，15分06秒以后的時間、數(shù)據(jù)記錄前移，以后記錄照常整理；測風(fēng)14分33秒—15分06秒的數(shù)據(jù)、時間，隨探空數(shù)據(jù)刪除而自動刪除，15分06秒以后的時間、數(shù)據(jù)記錄前移。從經(jīng)過下沉記錄處理后的每秒球坐標(biāo)上讀取第15分00秒的數(shù)據(jù)作為整15分的數(shù)據(jù)，16分00秒的數(shù)據(jù)作為整16分的數(shù)據(jù)，依次類推。

第2段的下沉記錄的處理方法與第1段相同。處理記錄時，最理想的是先處理第2段下沉記錄16分12秒—17分32秒，再處理第1段下沉記錄14分33秒—15分06秒，這樣既可保證記錄的處理時效，又可避免因下沉記錄時間的改變而需要重新分析下沉?xí)r段的起止時間。

最后按2.1的方法分析，處理溫度、氣壓和相對濕度變性的異常記錄。經(jīng)過對下沉記錄和變性記錄的處理，觀測資料14分23秒—17分30秒共3分07秒為缺測時段，雖然規(guī)定等壓面500 hPa的溫度、相對濕度缺測，但卻避免了重放球，其結(jié)果與近期同時次、相似天氣狀況下的觀測資料相對比，也是客觀、合理的，記錄的可比性和準(zhǔn)確性都得到了保證。

3 結(jié)語

溫度和水汽場的垂直結(jié)構(gòu)決定了大氣的穩(wěn)定度，故高空氣象資料的準(zhǔn)確測量，對各種類型的天氣預(yù)報，特別是區(qū)域性和局地性天氣預(yù)報以及對大氣環(huán)境污染的研究領(lǐng)域[11]，都是極其重要的。實(shí)踐證明，以下的工作措施和處理方法，在實(shí)際工作中有利于取得真實(shí)可靠的高空氣象觀測資料。

準(zhǔn)確把握現(xiàn)有探空儀的特性[12]，在雨天或有Cb云的強(qiáng)對流天氣下施放，做好探空儀溫度、濕度感應(yīng)器的防雨措施：一是在規(guī)定的觀測時效內(nèi)抓住施放氣球的有利時機(jī)，防止或減輕溫度感應(yīng)器上滯留水滴或結(jié)冰現(xiàn)象；二是濕度盒蓋在保證通風(fēng)的情況，防止雨水直接打在濕度片上而影響水汽的準(zhǔn)確測量。

在暴雨、臺風(fēng)、大風(fēng)、強(qiáng)對流等惡劣天氣下進(jìn)行高空氣象觀測[13]，視具體情況適當(dāng)增加氣球的充氣量，保證氣球的升速為400 m/min左右，使氣球有足夠的沖力沖出對流層或下沉氣流，減少氣球下沉的幾率。

一次觀測過程中出現(xiàn)幾段下沉記錄時，應(yīng)首先從高度的最上層的開始，再依次往下層處理下沉記錄(即下沉記錄段先從低氣壓段再到高氣壓段處理)，可避免因下沉記錄時間的改變而需重新分析。

在處理下沉記錄時，如果球沒炸而需要編發(fā)TTAA報文時，可調(diào)整放球軟件中的存盤時間，確保有足夠的時間處理下沉記錄，以避免編發(fā)錯誤的TTAA報文。

必須注意的是放球過程中，放球軟件還在接收數(shù)據(jù)并存盤，會將已處理過的下沉記錄覆蓋、清除。因此，球炸后一定要在“數(shù)據(jù)處理軟件”中再完整的處理一遍下沉記錄，這樣得出的整份探空資料才是完整、正確的。

[1] 中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.L波段1型雷達(dá)高空氣象探測系統(tǒng)業(yè)務(wù)操作手冊[M].北京：氣象出版社，2012.2.

[2] 李偉，張春暉，孟昭林，等.L波段氣象探測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2010，21(1)：115-120.

[3] 世界氣象組織出版，中國氣象局氣候監(jiān)測應(yīng)用管理司主持翻譯.氣象儀器和觀測方法[M].北京：氣象出版社，2005，223-265.

[4] 劉立輝，郭啟云，劉鳳琴，等.探空儀器變性的判斷[J].氣象水文海洋儀器，2012，29(3)：31-35+40.

[5] 李茂，謝近年，馬佩強(qiáng)，等.多普勒雷達(dá)回波在高空氣象探測中的應(yīng)用[J].貴州氣象，2013，37(2)：54-56.

[6] 郭啟云，李偉，張玉存，等. GTS1型、GTS1-1型、GTS1-2型探空儀性能試驗(yàn)與對比分析[J].氣象水文海洋儀器，2012，29(1)：5-10.

[7] 中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.L波段高空氣象探測系統(tǒng)常見技術(shù)問題綜合解答[M].北京：氣象出版社，2006.12.

[8] 中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.常規(guī)高空氣象探測業(yè)務(wù)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2010.

[9] 周處強(qiáng)，吳興洋，李立平，等. L波段雷達(dá)業(yè)務(wù)軟件的錯誤操作、糾正措施及對軟件的改進(jìn)建議[J]. 貴州氣象，2013，37(2)：40-42.

[10] 閔利平，張海，鄭明會，等.探空資料在人工增雨防雹作業(yè)中的應(yīng)用[J].貴州氣象，2010，34(4)：26-27.

[11] 郭啟云，趙培濤，張玉存，等.GTS1型探空儀技術(shù)改進(jìn)對比試驗(yàn)[J].氣象科技，2013，41(2)：254-258.

[12] 華行祥，朱蘭娟，趙向榮.新一代高空探測系統(tǒng)使用技巧和故障處理方法[J].氣象科技，2006，34(2)：197.

2014-07-08

劉永蓮(1966—)，女，高工，主要從事高空氣象觀測和高空氣象資料審核工作。

1003-6598(2015)02-0051-04

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