華云高精度導航探空儀在甘肅慶陽干旱氣候夏季的溫濕數據對比分析

楊加春 錢媛 徐潔 李慶軍

（1 華云升達（北京）氣象科技有限責任公司，北京 100081；2 南京信息工程大學，南京 210044）

0 引言

高空氣象觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分，常用來表征大氣物理狀態的相對真值，描述高空大氣的天氣和氣候變化[1]，其不僅要滿足天氣分析和數值預報的需要，還要滿足氣候變化監測的需要[2-5]。探空觀測資料對大氣遙感真實性檢驗和校準的基準作用無可替代，是風廓線、GNSS/MET水汽觀測等高空遙感設備的相對比對參考標準[6-9]。探空觀測資料還可以作為評估衛星反演的大氣溫濕度廓線的基準應用于衛星資料的檢驗與評估[10-14]。

高空的溫濕度觀測在天氣分析和資料同化預報中起著重要作用，特別在強對流天氣預報中是必不可少的參考資料之一[15-16]。近年來與氣候相關的研究，特別是對低溫低濕的對流層上部和平流層下部的研究中，溫濕度探空數據的準確度起著舉足輕重的作用[17]。

無線電探空儀是當前科研和氣象領域中使用廣泛的一種高空氣象探測設備[18]。為了獲得更精確的高空氣象要素資料，探空儀一直在不斷地更新。20世紀初，蘇聯研制出了世界上最早的可用在氣象業務上的探空儀；芬蘭Vilho Vaisaia教授于1931年發明了無線電探空儀；Vaisaia公司在21世紀初研制出了采用GPS模式工作的數字化無線電探空儀RS92，自此，在Vaisaia公司的引領下，全球無線電探空儀行業進入了全數字化探測時代[19]；我國從20世紀中后期便開始了探空儀的引進和研發等相關工作[20]，與世界氣象組織（WMO）其他成員國相比，我國在平流層以下區域氣象探測的核心技術還比較落后[21]。目前，世界上各個國家都在積極投入到可用于探測平流層及以下海拔高度氣象要素的無線電探空儀設備的研究工作中。華云公司自2000年開始，承擔并完成了中國氣象局第一套GPS探空系統的研制和試驗；2008年開始參加中國氣象局的多次考核測試，并在2010年代表中國氣象局參加了WMO舉辦的第八屆全球高精度探空儀比對；2014年完成了北斗探空儀的研制和試驗考核。

NCEP/NCAR再分析項目是美國國家環境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）的合作項目，對于NCEP/NCAR再分析資料的可信度和質量問題，國內外許多學者用不同的方法，對不同地區，從不同角度對各種要素進行了分析和比較[22-26]。FNL（Final）是NCEP的一種再分析資料，空間分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h。它充分同化了盡可能全面的觀測資料，不僅可以為氣象模式、氣候模式提供初始場[27]，而且用于暴雨[28-29]、暴雪[30-31]和強寒潮[32]等天氣過程及氣候[33]的診斷分析研究。整體上，FNL非常可靠，且時空分辨率相對較高，可以作為約定真值評估觀測數據。

新型探空儀的出現，是否代表著更準確的高空氣象資料，需要對其探測數據的質量進行評估。本文采用模式驗證法，利用NCEP的FNL分析場為對比場，對華云高精度導航探空儀的溫濕數據質量進行比對分析。

1 高精度導航探空儀簡介

1.1 導航探空儀組成

導航探空儀主要由導航定位模組、400 MHz無線電發射模組、TPU測量模組等幾個主要部分組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 導航探空儀組成框圖Fig. 1 Block diagram of the navigation radiosonde

利用導航定位模組進行空間實時定位，測定氣球在高空大氣中隨時間漂移的速度與方向，從而計算出高空大氣的風向、風速；利用氣壓、溫度、濕度（PTU）傳感器實時測量大氣的氣象要素；利用400 MHz無線電發射機將定位數據和PTU數據發送到地面接收系統。

1.2 溫濕傳感器特點

高精度導航探空儀溫度傳感器采用φ=0.6 mm珠狀熱敏電阻，表面采用真空鍍鋁工藝涂覆防輻射層。而現行業務使用GTS1型探空儀采用棒狀熱敏電阻，表面涂覆白漆。傳感器的響應時間、測量準確度、防輻射能力均比業務所用探空儀有了較大的提升。

高精度導航探空儀濕度傳感器采用高分子薄膜濕敏電容，相比GTS1型探空儀采用的碳膜濕敏電阻，具有低溫響應快、全程測量準確度高的特點。

2 數據與方法

本次試驗針對的是甘肅慶陽地區2017年5—9月利用華云高精度導航探空儀探測所得溫濕數據。試驗3個月內共計施放天數為48 d，施放探空儀96個，分別是：2017年5月23—27日，共計5 d，施放10個探空儀，施放時次為每日02時、08時；2017年6月30日20時—7月31日14時，共計32 d，施放65個探空儀，施放時次為7月1—13日每日02時、08時，7月14—31日每日08時、14時；2017年8月31日20時—9月10日，共計11 d，施放21個探空儀，施放時次為每日08時、14時。

選取相同時間段FNL的02時、08時和14時溫濕數據對探空數據進行誤差分析。首先，將對比場的格點資料插值為站點資料，選擇其甘肅慶陽位置的對比場數據；然后，根據對比場具有的等壓面（FNL資料共有31層等壓面，從1000 hPa至1 hPa）和慶陽站的實際情況（臺站海拔：1240 m；地面氣壓：880 hPa左右；高層一般探空儀抵達10 hPa左右），選取850～10 hPa的等壓面，提取探空資料中相應等壓面的數據進行誤差分析。即以FNL的溫濕數據為約定真值，求出被評估探空儀測量值和參考標準的差，稱為觀測余差，對觀測余差按照規定等壓面分層進行平均偏差和標準偏差（貝塞爾函數）統計分析。

3 試驗結果分析

3.1 溫度誤差分析

3.1.1 溫度的觀測余差分析

以FNL分析資料為對比場，對甘肅慶陽探空站2017年5—9月華云高精度導航探空儀的溫度資料進行誤差分析。圖2a是2017年5月26日（以這個日期的02時為例進行分析，代表夜間情況）02時的模式和觀測溫度廓線（圖2a左側圖）和觀測余差廓線（圖2a右側圖）。由圖2a可知，探空觀測溫度和FNL溫度的趨勢一致，逆溫結構和一些小細節都有很好的跟隨性；850～350 hPa的探空溫度和模式溫度基本重合，50 hPa以上也基本重合，350～50 hPa，探空溫度以模式溫度為軸，有微小波動。觀測余差基本集中在±1℃以內，大部分集中在±0.5 ℃之間，偶爾有超過2℃的觀測余差存在。

圖2 模式和觀測的溫度廓線和觀測余差廓線（a）2017年5月26日02時（UTC），（b）2017年7月10日08時（UTC），（c）2017年9月8日14時（UTC）Fig. 2 The temperature profiles of the model and observation and observed residual error profiles on (a) 26 May, 2017 02 UTC, (b) 08 UTC 10 Jul 2017, and (c) 14 UTC 8 Sep, 2017

由2017年7月10日（以這個日期的08時為例進行分析，代表上午情況）08時的模式和觀測溫度廓線和觀測余差廓線（圖2b）可以發現，與5月26日02時相同，探空觀測溫度和FNL溫度一致性較好，逆溫結構和一些小細節都有很好的跟隨性；與5月26日02時不同的是，7月10日08時所有等壓面的模式溫度和觀測溫度基本重合。相同地，觀測余差基本集中在±1 ℃以內，大部分集中在±0.5 ℃之間，但此時±0.5 ℃之間的觀測余差相對較多。

圖2c是2017年9月8日（以這個日期的14時為例進行分析，代表下午情況）14時的模式和觀測溫度廓線和觀測余差廓線，可以發現，與圖2a和2b相似，探空觀測溫度和FNL溫度的趨勢一致，逆溫結構和一些小細節都有很好的跟隨性；800～700 hPa和150 hPa以上的觀測溫度相比模式溫度有微小波動，其余等壓面兩者基本重合。觀測余差基本集中在±1 ℃以內，大部分集中在±0.5 ℃之間，偶爾有超過2 ℃的觀測余差存在。

3.1.2 溫度的整體誤差分析

按照02時、08時、14時將數據分段，分別對以FNL資料為對比場的溫度觀測余差的平均偏差和標準偏差進行分析。圖3是三個時刻溫度的平均偏差廓線和標準偏差廓線，可以發現，三個時刻平均偏差大部分在±0.5 ℃以內，以正偏差為主，負偏差較少；300～30 hPa的平均偏差主要集中在0.5～1.5 ℃之間；平均偏差呈現隨氣壓減小先增加后減小的趨勢。三個時刻相比，02時的平均偏差最小，整個高度層都基本在±0.5 ℃以內；其次是08時的平均偏差較小。三個時刻的標準偏差基本集中在0.4～1.6 ℃；整體上，三個時刻的標準偏差基本一致，除70～30 hPa 08時的標準偏差突變，變得異常大。結合平均偏差一起分析可以得出結論，三個時刻中，02時的溫度誤差最小，即夜間的溫度數據質量最高；08時和14時的質量相當，在太陽輻射的防護和修正方法上可以具有進一步提高的空間。

圖3 基于FNL的溫度平均偏差廓線和標準偏差廓線Fig. 3 The average deviation profile and the standard deviation profile of temperature based on FNL

結合單個時刻的溫度一致性，觀測余差、平均偏差和標準偏差分析，發現華云高精度導航探空儀探測所得的溫度數據質量較高，誤差基本在±0.5 ℃以內，且隨氣壓減小呈現先增加后減小的趨勢。02時、08時和14時相比，02時的溫度數據質量最高，剩下兩個時刻質量相當。

3.2 濕度誤差分析

3.2.1 濕度的觀測余差分析

以FNL分析資料為對比場，對甘肅慶陽探空站2017年5—9月華云高精度導航探空儀的濕度資料進行誤差分析。圖4a是2017年5月27日（以這個日期的02時為例進行分析，代表夜間情況）02時的模式和觀測濕度廓線（圖4a左側圖）和觀測余差廓線（圖4a右側圖）。由圖4a可知，相比溫度數據，探空觀測濕度和FNL濕度一致性略差；整體上，觀測濕度呈現偏濕的情況較多，偏干情況極少；50 hPa以上，由于濕度較小，探測誤差也很小，兩者基本重合。觀測余差基本集中在±20%以內，大部分集中在±10%之間，偶爾有超過20%的觀測余差存在。

圖4 模式和觀測的相對濕度廓線和觀測余差廓線（a）2017年5月27日02時（UTC），（b）2017年7月3日08時（UTC），（c）2017年9月4日14時（UTC）Fig. 4 Profiles of relative humidity from the model and observation and observed residual error on (a) 02 UTC 27 May, 2017, (b) 08 UTC 3 Jul, 2017, and (c) 14 UTC 4 Sep，2017

分析2017年7月3日（以這個日期的08時為例進行分析，代表上午情況）08時的模式和觀測濕度廓線和觀測余差廓線（圖4b），可以得出，與上個時次相比，探空觀測濕度和FNL濕度一致性相對較好，但仍然弱于溫度一致性；相比模式濕度，觀測濕度時而偏干，時而偏濕，對應的等壓面在不同時刻有不同的表現。相同地，觀測余差基本集中在±20%以內，大部分集中在±10%之間，但此時±10%之間的觀測余差相對較多。

圖4c是2017年9月4日（以這個日期的14時為例進行分析，代表下午情況）14時的模式和觀測濕度廓線和觀測余差廓線。由圖可知，探空觀測濕度和FNL濕度的一致性相比08時差，與02時相當；整體上，觀測濕度呈現偏干的情況較多，偏濕情況極少，與02時剛好相反；其余特征基本和02時的濕度誤差特征相同，除正負相反以外。

3.2.2 濕度的整體誤差分析

使用與溫度誤差分析相同的方法分析濕度的平均偏差和標準偏差。圖5是三個時刻濕度的平均偏差廓線和標準偏差廓線。由圖可知，三個時刻平均偏差大部分在±10%以內，大部分為正偏差，300～50 hPa 08時和14時為較大的負偏差；平均偏差呈現隨氣壓減小先增加后減小的趨勢。三個時刻相比，02時的平均偏差相對較小，整個高度層都基本在±10%以內；其次是08時的平均偏差較小。三個時刻的標準偏差基本集中在0～30%；整體上，三個時刻的標準偏差基本一致，02時相對較小。結合平均偏差一起分析可以得出結論，三個時刻中，02時的濕度誤差最小，即夜間的濕度數據質量最高；08時和14時的質量相當。但在對流層頂的濕度測量偏差較整體而言有變大的趨勢，在此范圍內的探測性能還有進一步提高的空間。

圖5 基于FNL的濕度平均偏差廓線和標準偏差廓線Fig. 5 The average deviation profile and the standard deviation profile of relative humidity based on FNL

結合單個時刻的濕度一致性，觀測余差，平均偏差和標準偏差分析，華云高精度導航探空儀探測所得的濕度數據質量相對較好，誤差基本在±10%范圍內，且隨氣壓減小呈現先增加后減小的趨勢。02時、08時和14時相比，02時的濕度數據質量最高，剩下兩個時刻質量相當。三個時刻中，夜間偏濕，下午偏干，早晨偏干和偏濕的等壓面相當。

4 小結

本文以NCEP的FNL分析資料為對比場，對甘肅慶陽探空站使用華云高精度導航探空儀探測的溫濕度數據從觀測余差、平均偏差、標準偏差進行誤差分析，得出以下結論：

1）從觀測余差（實時）角度分析：華云高精度導航探空儀探測所得的溫度數據質量較高，誤差基本在±0.5 ℃以內；濕度數據質量相對較好，誤差基本在±10%之間；無論是溫度數據還是濕度數據，它們的觀測余差都呈現隨氣壓減小呈現先增加后減小的趨勢；濕度數據在夜間偏濕，下午偏干。

2）季度參數（非實時）角度分析：從平均偏差、標準偏差兩個角度對誤差的特點和分布特征進行分析評估，整體上，溫度數據質量較高，平均偏差大部分在±0.5 ℃內，以正偏差為主，負偏差較少，且平均偏差呈現隨氣壓減小先增加后減小的趨勢；探空濕度的平均偏差大部分在±10%內，大部分為正偏差。三個時刻相比，無論是溫度還是濕度，02時誤差最小，數據質量最佳，08時和14時的質量相當，需要更詳細的分析來確定。