GTS1-2與GTS11探空儀三亞觀測數據對比分析

梁正鵬，黃 平，馬鳳娓，黃誠輝

(三亞市氣象局，海南三亞 572000)

高空氣象觀測是綜合氣象觀測系統的重要組成部分，是氣象預報、氣候預測、氣象服務、科學試驗和相關行業業務的基礎性技術支撐[1]。無線電探空儀是當前科研和氣象領域廣泛使用的一種高空氣象探測設備[2]。目前，三亞地區主要使用南京大橋機器有限公司生產的GTS1-2型數字探空儀配套GFE(L)1型二次雷達及L波段(1型)高空氣象探測系統軟件開展高空氣象觀測業務。隨著現代氣象業務、服務的不斷深化，對高空氣象觀測資料要求越來越高[3]。為了適應新時代氣象業務的發展，提高高空觀測數據的質量，由中國氣象局組織，三亞氣象局六道嶺觀測站執行，2020年1月和7月在三亞開展高空氣象平行觀測。

高空氣象觀測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[4]。在地面臺站固定的情況下，位勢高度由氣壓、平均溫度和平均相對濕度決定[5]，但主要和氣壓相關[6]。以溫度、相對濕度和位勢高度作為考察對象，分析此次平行觀測期間，在正常工作條件下GTS1-2型和GTS11型數字探空儀在溫度、相對濕度和氣壓上的質量差異，為進一步提高探空儀質量和高空觀測質量提供數據支撐和改進思路。

1 主要器材和方法

1.1 平行觀測主要器材

平行觀測期間數據接收和處理軟件為L波段(1型)高空氣象探測系統軟件(V6.0.0.20200101)，基測箱為JKZ3-1型電子探空儀基測箱。探空儀為南京大橋機器有限公司生產的GTS1-2型和GTS11型數字探空儀。二者均采用L波段雷達二次測風原理，且在電器件構造方面差異不大。二者在傳感器方面的差異有三方面。①GTS1-2探空儀溫度傳感器為涂白漆棒狀熱敏電阻；GTS11型探空儀為真空鍍鋁涂層珠狀熱敏電阻，對短波反射率更高，達90%以上，對紅外長波可忽略不計，同時完善熱平衡方程對溫度短波輻射誤差修正算法。②GTS1-2型探空儀濕度傳感器為中科院研制的HS02型濕敏電容。GTS11型探空儀采用E+E公司生產的HC103M2型濕敏電容，時間常數和濕滯回差小，量程寬，線性度好，靈敏度高，溫度系數更低；同時還采用直徑更大的防雨罩代替GTS1-2型探空儀的長條細柱狀防雨罩，使得防雨罩內能更好地與外界空氣流通。③GTS1-2型探空儀的氣壓傳感器為國產膜盒電容；GTS11型探空儀采用壓阻式硅壓力傳感器，線性度良好，靈敏度高。

1.2 平行觀測試驗方法

采用GTS11型數字探空儀與GTS1-2型探空儀進行比較觀測，每天1次，20時和08時交替進行，為期20天，共進行20次有效平行觀測。具體方法如下：將兩個探空儀綁在同一根繩子上下位置，相距1 m左右，同球升空，認為同一觀測時次兩個探空儀所經歷的高空氣象環境相同。

1.3 數據分析方法

對925、850、700、600、500 hPa共 5個規定等壓面上的溫度、相對濕度和位勢高度進行對比分析。分析方法如下：①計算各時次各規定等壓面上兩種探空儀收集到的溫度(T)、相對濕度(HR)和位勢高度(h)的差值(GTS1-2減去GTS11)，得到對應的溫度差(ΔT)、相對濕度差(ΔHR)和高度差(Δh)；②采用Ryan-Joiner方法[7]對各類差值進行正態性檢驗，以檢查所得數據的可用性；③采用Levene方法[8]對滿足進一步分析的數據進行方差齊性檢驗，并依據方差齊性檢驗結果選取合適的方差分析方法(方差齊性時使用等方差單因素方差分析，方差非齊時采用Welch方法單因素方差分析[9])，并依據方差分析顯著性結果進行多重比較[10](方差分析結果顯著前提下，若方差齊性，則使用Tukey檢驗；若方差非齊，則選用Games-Howell檢驗。若方差分析結果不顯著，則不進行多重比較)來對數據進一步挖掘分析。

2 探空數據對比

2.1 數據差異正態性檢驗

一般來說，當數據符合正態性假設時，P值大于0.1；而當數據不滿足正態性假設時，P值小于等于0.1。用Ryan-Joiner方法對所獲樣本數據進行正態性檢驗(ΔT和ΔHR的樣本每層各19份，Δh每層樣本20份)，結果顯示P值均大于0.1，因此，可認為以上樣本在統計學上反映了GTS1-2型和GTS11型探空儀在正常工作情況下獲取溫度、相對濕度和位勢高度上的差異。

2.2 數據方差齊性檢驗

分別對ΔT、ΔHR和Δh的樣本進行方差齊性檢驗(Levene方法)，結果顯示：ΔT和ΔHR方差齊性良好，P值分別為為0.669和0.253，采用等方差單因素方差分析進一步對比分析；Δh方差非齊性，P值為0.000，選取Welch方法單因素方差分析進行對比分析。

2.3 規定等壓面溫度差異

以ΔT為響應，5個規定等壓面為因子水平，進行等方差單因素方差分析(圖1)。原假設為所有均值相等；備擇假設并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結果顯示F=13.07，P=0.000，表明各等壓面ΔT間具有顯著的統計學差異。

圖1 三亞平行觀測期間各等壓面上ΔT均值及其95%置信區間(用組合標準差計算區間)

為了進一步明確各等壓面間的差異情況，同時由于ΔT方差齊性，選取 Tukey 檢驗來進行多重比較(表1)。結果顯示，ΔT在925 hPa上與850～500 hPa 上差異顯著。

表1 三亞平行觀測期間各等壓面上 ΔT的Tukey檢驗(95%置信度)

以上統計分析結果顯示，兩種型號探空儀測溫工作性能穩定，但是ΔT均值和對應的95%置信區間從925～500 hPa均存在穩步上升偏移的現象。在700～500 hPa等壓面上，ΔT=0已不在對應的95%置信區間中(圖1)，兩種型號探空儀在此區間獲取的高空溫度已經出現了顯著的統計學差異。前人研究[11-12]顯示，溫度傳感器上的真空鍍鋁涂層對大氣長波輻射和短波輻射的反射率都比白漆要好，能很大程度減小輻射對溫度傳感器的影響。此次對比中ΔT的這種偏移可能主要是兩種型號探空儀的溫度傳感器涂層不同，導致隨著探空儀的升高，GTS1-2型探空儀受大氣輻射影響越來越嚴重，測溫數據越來越偏大，從而使得ΔT隨著等壓面的升高越來越大。

2.4 各規定等壓面上相對濕度差異

以ΔHR為響應，5個規定等壓面為因子水平，進行等方差單因素方差分析(圖2)。原假設為所有均值相等；備擇假設并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結果顯示，F=6.29，P=0.000，表明各等壓面上ΔHR間具有顯著的統計學差異。

圖2 三亞平行觀測期間各等壓面上ΔHR均值及其95%置信區間(用組合標準差計算區間)

用 Tukey 檢驗(表2)進行多重比較后發現：700 hPa 上 ΔHR是一個突變點，與925和850 hPa上差異顯著。

表2 三亞平行觀測期間各等壓面上 ΔHR的Tukey檢驗(95%置信度)

以上分析顯示，ΔHR在各等壓面上具有較一致的95%置信區間幅度，表明兩種型號探空儀工作性能都比較穩定；但在700 hPa上ΔHR均值和95%置信區間突然下降，明顯偏離零值，之后緩慢回升。對兩種型號探空儀在平行觀測期間的探空曲線和秒數據(圖3)分析發現：GTS1-2型探空儀較GTS11型探空儀，在相對濕度測定方面總體偏低，且當GTS1-2型探空儀表現為處于檢測下限(2%)時，GTS11型探空儀還可檢測到豐富的濕度數據，這與前人研究結果[11-13]相似。同時，冒曉莉等[14-16]研究發現：太陽輻射造成的濕度傳感器基底等溫度上升會使感濕膜周圍空氣溫度上升，導致相對濕度出現顯著偏干現象，而且在對流層環境中，偏干程度與溫度具有負相關關系。GTS11型探空儀采用溫度系數更低的濕敏電容和空氣交換更好的防雨罩，弱化了溫度的影響，降低了濕度偏干現象的程度，同時由于采用的濕敏電容靈敏度更高，量程更寬，總體使得GTS11型探空儀獲得更多的濕度數據細節。

圖3 三亞平行觀測期間兩種型號探空儀相對濕度秒數據對比(以2020年1月1日為例)

2.5 各規定等壓面上位勢高度差異

以Δh為響應，5個規定等壓面為因子水平，采用Welch方法單因素方差分析(圖4)。原假設為所有均值相等；備擇假設并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結果顯示，F=0.60，P=0.665，表明各等壓面上Δh間無顯著的統計學差異。

進一步分析發現，從925～500 hPa，Δh的95%置信區間逐漸增加，與顏國跑等人[17]的研究結果相似。通過對比原始數據，發現位勢高度差存在累加效應，這與位勢高度的計算方式有關，比如某規定等壓面位勢高度由該規定等壓面以下的各規定等壓面間厚度累加，而各等壓面間厚度又是由氣壓、等壓面間平均溫度和平均相對濕度決定，因而導致從925～500 hPa隨著厚度層的累加，兩種型號探空儀Δh的95%置信區間逐漸加大。但整體來說，兩型探空儀在位勢高度上還是具有較好的一致性。

圖4 三亞平行觀測期間各等壓面Δh均值及其95%置信區間(用單個標準差計算區間)

3 結論與討論

(1)兩種型號探空儀測溫性能穩定，所測溫度差異隨氣壓降低逐漸偏移。整體上GTS11型探空儀所測溫度值低于GTS1-2型探空儀。

(2)兩種型號探空儀測濕性能穩定，但GTS11型探空儀能獲取更豐富的濕度數據，且整體上所測濕度值高于GTS1-2型探空儀。

(3)兩種型號探空儀所測位勢高度差在整體上具有較好的一致性。

(4)受試驗手段限制，僅對兩種型號探空儀在925～500 hPa規定等壓面上的探空數據進行了對比分析，并結合兩種型號探空儀器件的材料和前人研究結果對造成探空數據差異的原因進行了初步討論，具體的差異原因還有待更精細的試驗設計和深入的實驗室研究。