L波段測風雷達與北斗探空系統測風數據對比分析

官海嘯 李佰春 李 瑤 祝正君

（西昌衛星發射中心西昌觀測站 四川·西昌 615000）

0 引言

高空測風有多種方式，主要分為有球測風和無球測風兩種。有球測風主要以常規氣球測風為主，為滿足一些特殊業務和科研需求，目前高空風探測的還有下投式探空儀探測與自由漂浮、平飄和系留氣球探測等；在高空風的無球探測方面，風廓線雷達、激光雷達、與聲雷達是典型的代表。但是目前最常用的高空風探測手段還是常規氣球測風，時間最長的高空風觀測記錄就是通過全球觀測網絡，每天施放無線電探空儀獲取，這種探測方法已經提供自20世紀30年代以來的高空氣象變量的數據庫。

對于有球探測測風技術，目前全球可以分為4種類型：高空氣象探測雷達-探空儀系統、GPS測風-探空儀系統、導航測風-探空儀系統和無線電經緯儀測風-探空儀系統。目前國際上都在發展GPS測風探空系統，而中國主要使用雷達測風體制，從2002年開始，對探空系統進行了升級換代，基本形成了以L波段雷達-電子探空儀為主體的探測體系；對于地面二次雷達，影響測量精度的因子復雜，包括方位角、仰角和距離的測量誤差，風速大小以及計算方法等，甚至與地面雷達本身的維護與標定都有很大的關系。對于GPS測風，其測量誤差僅取決于GPS芯片的信號處理與采用的平滑算法，2005年毛里求斯開展的氣象探空國際結果對比，所有GPS測風在全量程范圍內都已經提供了足夠高度的測量精度，能滿足氣候觀測需求。因此GPS測風體制具有較大的優越性，衛星導航測風是未來氣象探空的發展方向，隨著中國北斗衛星導航系統的發展與成熟，中國探空業務將從二次雷達測風過渡到衛星導航測風系統。

1 資料來源

取自西昌市某氣象臺站2020年6月1日～30日09：00時L波段雷達一電子探空儀系統（以下簡稱L波段雷達）與北斗探空系統的同步對比觀測資料。

2 數據對比分析

2.1 位勢高度、溫度同步對比

位勢高度是高空氣象探測的重要指標，通過標準等壓面上的平均溫度、平均濕度，利用公式計算得到位勢高度，其精確性對高空氣象探測的數據意義重大。由于標準等壓面上的溫度、濕度都是利用傳感器得到，因此傳感器的質量高低影響溫度、濕度的數據精度，測風雷達和北斗測風系統的地面接收機通過接收高空氣象探測儀的數據，利用后端計算機程序直接計算得到位勢高度的數據，因此兩者計算的結果主要是受溫濕度的精度影響。

為了對比L波段測風雷達和北斗探空系統位勢高度數據的差異性，選定了15個相同等壓面進行計算，西昌地區近地面高度約為844hPa，探空氣球飛行的高度大約到20hPa附近。表1、表2分別給出L波段雷達與北斗探空系統同步施放探空氣球對比獲取的各規定等壓面上位勢高度、溫度差值，數據為30天內每天同一時間放球數據，各規定等壓面的位勢高度是用各層的平均溫度和平均濕度累計計算。可以看到，兩者位勢高度差的離散度隨高度增加而增加；溫度差也有一定的離散性，標準差小于1.5℃；溫度和高度的平均差很小，其中溫度平均差小于0.5℃，高度平均差約為13 m。

表1：規定等壓面（hPa）上位勢高度差 m

表2：規定等壓面（hPa）上溫度差 ℃

2.2 相對濕度同步對比

高空氣象探測中，大氣濕度的測量主要是指對流層以下的大氣相對濕度，由于對流層頂以上，一方面大氣水汽含量極少，對天氣現象幾乎沒有影響，另外濕度傳感器受溫度的影響較大，對流層以上相對濕度的測量數據準確性較低，一般沒有實際參考價值。本文選定的是30天內每天L波段雷達與北斗探空系統同時放球數據，高度為西昌地區近地面至對流層頂附近，共選定11個等壓面進行比較。表3是L波段雷達與北斗探空系統在各規定等壓面上相對濕度的平均差。可以看到，兩者的相對濕度差隨高度增加而增加，在100hPa(對流層頂附近溫度接近-80℃)，L波段雷達測定的相對濕度比北斗探空系統約低35%。

表3：規定等壓面（hPa）上濕度差 %

2.3 風向、風速同步對比

高空風向、風速的測量是通過探空氣球攜帶的探空儀在空間中的位置變化計算得到，二次測風雷達的測角、測距精度決定了風向、風速測量的準確性，相比于衛星導航測量，二次測風雷達受設備準確性、操作人員水平和環境影響較大。表4、表5給出了規定等壓面上風向和風速同步對比觀測的平均差值隨高度變化的情況。700 hPa以下近地面層，風速平均差較大，在記錄較多的700～50hPa，平均風向差小于5°，風速差小于1m／s。雖然L波段雷達為二次測風雷達，北斗探空系統通過衛星導航定位，兩者數據處理過程中計算方式不一樣，而且在近地面層計算量得風層風向、風速稍有差異。但從探測4分鐘、高度達到3000m后，兩臺設備的風向、風速對比觀測平均差較小。在同步施放過程中，氣球升速存在差異、施放時間不同步、探空儀捆綁位置差距大均可造成測風結果出現一定的偏差，因此同步觀測時盡量選擇同球施放，探空儀位置要平行放置。

表4：規定等壓面（hPa）上風向平均差 °

表5：規定等壓面（hPa）上風速平均差 m/s

3 結論

通過30天內同一地點、同時放球得到的規定等壓面上的位勢高度、溫度、濕度、風向、風速數據比對，結果發現：（1）兩臺設備在各規定等壓面上溫度和高度的平均差值很小，溫度和高度沒有產生明顯的跳變。（2）兩臺設備的相對濕度差隨高度增加而增加，在溫度較低的對流層上層，L波段測定的相對濕度偏高，北斗探空系統測定的濕度數據更穩定。北斗探空系統資料的可靠性，還需與其他的標準探空系統進行大量的比較研究，需改進傳感器的性能和精度來提高穩定性；同時通過軟硬件結合的方式，減小太陽輻射、滯后等誤差。

出現以上情況，表現為北斗探空系統較L波段雷達觀測數據更為穩定，主要原因為：（1）北斗探空儀結構設計上加寬加長溫濕度傳感器支架，從探空儀側面向上延伸，減少殼體及支架對溫度輻射影響；（2）北斗探空儀的性能改善，溫度傳感器采用真空鍍鋁珠狀熱敏電阻，技術更加先進。增加硅壓阻氣壓傳感器，全程氣壓采用導航衛星提供的定位高度計算和氣壓傳感器直接探測兩種方式的聯合測量，位勢高度采用導航衛星定位高度計算。（3）北斗探空系統通過對北斗導航芯片的跟蹤，利用衛星定位技術對風向、風速進行測量，相比于發射無線電波的雷達設備更加可靠。