齊齊哈爾四種數(shù)字探空儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

王 蕊，袁湘玲*，趙 遴，劉春芳，王 娜，朱春祥

（1.齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾161006；2.依蘭縣氣象局，黑龍江 依蘭154800）

氣象觀測(cè)資料是開(kāi)展天氣預(yù)警預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)預(yù)估、氣象服務(wù)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是推動(dòng)氣象科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力[1]。高空氣象觀測(cè)系統(tǒng)作為綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)和氣候變化研究中發(fā)揮著重要作用[2]。自1984年開(kāi)始，世界氣象組織儀器與觀測(cè)方法委員會(huì)（CIMO）針對(duì)高空氣象業(yè)務(wù)上存在的諸多問(wèn)題，定期與不定期地組織氣象儀器進(jìn)行國(guó)際比對(duì)試驗(yàn)[3-4]。各種探空系統(tǒng)的比對(duì)試驗(yàn)是提高探空的探測(cè)精度和一致性的主要手段，為改善訂正方法，提高探空儀溫度、氣壓和相對(duì)濕度測(cè)量精度提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐[5-9]。

齊齊哈爾國(guó)家基本氣象站位于123°55′25″E、47°22′34″N，海拔高度為147.6 m，觀測(cè)始于1901年7月1日。2018年被世界氣象組織認(rèn)定為百年氣象站。齊齊哈爾高空觀測(cè)始于1949年，采用經(jīng)緯儀觀測(cè)，每日01、07、19時(shí)進(jìn)行3次小球高空測(cè)風(fēng)。1979年10月1日，改為701型雷達(dá)配套59型探空儀綜合觀測(cè)，每日07、19時(shí)進(jìn)行2次觀測(cè)。2009年1月1日正式換型為L(zhǎng)波段雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)探空儀數(shù)字化改造，采用GTS1型數(shù)字探空儀，每日07、19時(shí)進(jìn)行2次觀測(cè)[10-11]，積累了極為珍貴歷史資料。不同類型的探空儀器感應(yīng)元件和觀測(cè)原理不同，會(huì)造成觀測(cè)值的差異[12]，因此，有效修正探空儀換型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，保證換型前后數(shù)據(jù)序列的均一性尤為重要。

2020年1月由中國(guó)氣象局組織對(duì)數(shù)字探空儀進(jìn)行了換型，采用GTS11、GTS12和GTS13型3種數(shù)字探空儀交替觀測(cè)，分別在1和7月開(kāi)展了高空氣象平行觀測(cè)。本研究以GTS1為參考標(biāo)準(zhǔn)，GTS11、GTS12、GTS13為比較對(duì)象，分析了4種數(shù)字探空儀在溫度、相對(duì)濕度和氣壓測(cè)量上的差異，以期為探空資料數(shù)據(jù)均一性處理提供參考依據(jù)，為氣象科學(xué)研究提供更加精密的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用4種數(shù)字式探空儀包括：上海長(zhǎng)望氣象科技股份有限公司生產(chǎn)的GTS1型、GTS12型、南京大橋機(jī)器有限公司GTS11型和太原無(wú)線電一廠有限公司生產(chǎn)的GTS13型。GTS1探空儀溫度傳感器采用棒狀熱敏電阻，氣壓傳感器采用硅阻固態(tài)壓力傳感器，氣壓附溫測(cè)量采用GPW3型棒狀熱敏電阻，濕度傳感器采用碳膜濕敏電阻[13]。GTS11、GTS12、GTS13型探空儀溫度傳感器均采用珠狀熱敏電阻，與GTS1探空儀的棒狀熱敏電阻相比，具有響應(yīng)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，濕度傳感器采用高分子聚合物濕敏電容，具有測(cè)濕范圍廣、滯差環(huán)小、滯后系數(shù)小、響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、靈敏度高、溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，氣壓傳感器采用集成數(shù)字式硅阻固態(tài)壓力傳感器，帶自動(dòng)測(cè)溫，采用全溫區(qū)擬合補(bǔ)償，具有靈敏度高、體積小、橫向效應(yīng)小、滯后和蠕變小等特點(diǎn)[14-17]。

基測(cè)箱采用JKZ1和JKZ1-1型電子探空儀基測(cè)箱。采用L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)，接收機(jī)為GTC2型L波段探空數(shù)據(jù)接收機(jī)。數(shù)據(jù)接收和處理軟件為L(zhǎng)波段（1型）高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件（V6.0.0.20200101）。

最后，采用GTS1型數(shù)字探空儀2009—2019年1和7月溫度、氣壓和相對(duì)濕度等歷史探空觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)GTS1型探空儀自身觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)方法

齊齊哈爾國(guó)家基本氣象站于2020年1和7月開(kāi)展高空氣象平行觀測(cè)，每日1次，20時(shí)和08時(shí)交替進(jìn)行。每月1—10日采用GTS11與GTS1型探空儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，共獲取19次有效平行觀測(cè)；每月11—20日采用GTS12與GTS1型探空儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，共獲取19次有效平行觀測(cè)；每月21—31日采用GTS13與GTS1型探空儀進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，共獲取20次有效平行觀測(cè)。將2個(gè)探空儀采用同球串聯(lián)施放的方式進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，其中，用作參考標(biāo)準(zhǔn)的探空儀位于上方，對(duì)比探空儀位于下方，兩者相距1 m，同時(shí)施放以降低施放誤差。

1.2.2數(shù)據(jù)分析方法

采用平均偏差（MBE）、絕對(duì)偏差（MAE）、均方根誤差（RMSE）和相對(duì)誤差（RBE）作為對(duì)比分析的評(píng)估指標(biāo)[18,21]，對(duì)每組兩個(gè)探空儀在925、850、700、600和500 hPa 5個(gè)規(guī)定等壓面上的溫度、相對(duì)濕度和位勢(shì)高度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。值越小，表明兩者一致性越好。上述指標(biāo)計(jì)算方法為：

式中，MBE為平均偏差，MAE為絕對(duì)偏差，RMSE為均方根誤差，RBE為相對(duì)誤差，Pi和Oi分別表示第i次試驗(yàn)對(duì)比探空儀測(cè)量值和作參考標(biāo)準(zhǔn)探空儀測(cè)量值，N為統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)。

1.2.3檢驗(yàn)方法

采用Ryan-Joiner方法[22-24]對(duì)差值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，以檢查所得數(shù)據(jù)的可用性。若樣本呈正態(tài)分布或是趨近于正態(tài)分布，則表明樣本在統(tǒng)計(jì)學(xué)上反映了兩者的差異。Ryan-Joiner檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算樣本數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的正態(tài)分值之間的相關(guān)性來(lái)評(píng)估正態(tài)性，如果相關(guān)系數(shù)接近1，則說(shuō)明樣本數(shù)據(jù)總體很有可能呈正態(tài)分布，如果相關(guān)系數(shù)小于相應(yīng)的臨界值，則否定正態(tài)性假設(shè)。其步驟如下：

首先，假設(shè)某樣本集服從正態(tài)分布，將該樣本數(shù)據(jù)按照從小到大的順序進(jìn)行排序，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的編號(hào)，如第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的樣本值為Xi，然后按式（5）對(duì)樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

式中，bi表示樣本Xi標(biāo)準(zhǔn)化后的值，Xi表示樣本數(shù)據(jù)中的第i個(gè)樣本值，M為所有樣本數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，S為所有樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

第二，按式（6）計(jì)算相關(guān)系數(shù)R值。

式中，N為樣本總數(shù)，i為樣本序號(hào)。

最后，查《Ryan-Joiner檢驗(yàn)臨界值表》，得到臨界值R（N，α），其中，α為給定的顯著性水平。若R≥R（N，α），則說(shuō)明樣本服從或趨于正態(tài)分布；反之，則不服從正態(tài)分布。如R（20，0.05）=0.9504，若R≥R（20，0.05），則表示在0.05顯著性水平上，20個(gè)樣本服從正態(tài)分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)差異正態(tài)性檢驗(yàn)

分別計(jì)算GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀各時(shí)次在5個(gè)規(guī)定等壓面上的溫度差、位勢(shì)高度差和相對(duì)濕度差，得到GTS1與GTS11、GTS12對(duì)比樣本各19份，與GTS13對(duì)比樣本各20份。采用Ryan-Joiner方法對(duì)上述樣本進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示R值均大于對(duì)應(yīng)的臨界值R（20，0.05）=0.950 4和R（19，0.05）=0.948 4，服從正態(tài)分布。表明，上述樣本數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上反映了GTS1與GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀在正常工作情況下測(cè)量溫度、位勢(shì)高度和相對(duì)濕度上的差異。

2.2 溫度對(duì)比

圖1給出了GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在925～500 hPa各規(guī)定等壓面上溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均偏差、絕對(duì)偏差和均方根誤差曲線。從圖1a中可知，3組比對(duì)樣本平均偏差均為負(fù)值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的溫度觀測(cè)值均低于GTS1型探空儀。GTS11、GTS12、GTS13型探空儀溫度傳感器采用珠狀熱敏電阻，與GTS1型探空儀的棒狀熱敏電阻相比，溫度傳感器上的真空鍍鋁涂層對(duì)大氣長(zhǎng)波輻射和短波輻射的反射率均優(yōu)于白漆，能夠更有效地減小輻射對(duì)溫度傳感器的影響，響應(yīng)速度更快、測(cè)量準(zhǔn)確性更高[6-9]。GTS11型平均偏差隨氣壓降低無(wú)明顯變化，差值介于-0.09～-0.14℃，700 hPa平均偏差最大為-0.14℃，600 hPa平均偏差最小為-0.09℃。GTS12型平均偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于-0.21～-0.31℃，700 hPa平均偏差最小，為-0.21℃，500 hPa平均偏差最大，為-0.31℃。GTS13型平均偏差隨氣壓降低無(wú)明顯變化，差值介于-0.11～-0.16℃，800 hPa平均偏差最大，為-0.16℃，在500 hPa處平均偏差最小，為-0.11℃。

由圖1b可知，GTS11型絕對(duì)偏差隨氣壓降低而略有減小，差值介于0.14～0.24℃，變化幅度為0.1℃，850 hPa絕對(duì)偏差最大，為0.24℃，在其他等壓面間差異較小，為0.14～0.17℃。GTS12型絕對(duì)偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于0.24～0.32℃，變化幅度為0.08℃，925 hPa絕對(duì)偏差最小，為0.24℃，500 hPa絕對(duì)偏差最大，為0.32℃；GTS13型絕對(duì)偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于0.15～0.23℃，變化幅度為0.08℃，925 hPa平均偏差最小，為0.15℃，500 hPa絕對(duì)偏差最大，為0.23℃。

由圖1c可知，GTS11型均方根誤差介于0.18～0.32℃，變化幅度為0.14℃，925～850 hPa呈增大趨勢(shì)，850 hPa均方根誤差最大，為0.32℃，之后隨氣壓降低呈減小趨勢(shì)；GTS12型均方根誤差隨氣壓降低而略有增大，介于0.28～0.37℃，變化幅度為0.09℃；GTS13型均方根誤差隨氣壓降低而增大，介于0.17～0.37℃，變化幅度為0.2℃。

圖1 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀溫度觀測(cè)差異

綜上所述，3組比對(duì)樣本在925～500 hPa各等壓面上的溫度差變化幅度微小，具有較好的一致性。

2.3 位勢(shì)高度對(duì)比

對(duì)GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在925～500 hPa各規(guī)定等壓面上位勢(shì)高度的平均偏差、絕對(duì)偏差、均方根誤差開(kāi)展分析，得到圖2a～2c，可以得出，平均偏差均為負(fù)值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的位勢(shì)高度測(cè)量值均低于GTS1型探空儀；平均偏差、絕對(duì)偏差和均方根誤差均隨著高度增高而增大。進(jìn)一步分析位勢(shì)高度的相對(duì)誤差，得到圖2d。GTS11型位勢(shì)高度相對(duì)誤差在-0.04%～-0.07%，GTS12型相對(duì)誤差在5個(gè)規(guī)定等壓面上均為-0.08%，GTS13型相對(duì)誤差均為-0.01%。結(jié)果表明：比對(duì)樣本位勢(shì)高度差存在累加效應(yīng)，這與梁正鵬等[6]和顏國(guó)跑等[25]的研究結(jié)果相似，某規(guī)定等壓面位勢(shì)高度是由該等壓面以下的各等壓面間厚度累加，而兩個(gè)相鄰等壓面間厚度由氣壓、平均溫度和平均相對(duì)濕度決定[13]，因而導(dǎo)致隨著厚度層的累加，平均偏差、絕對(duì)偏差和均方根誤差逐漸增大。而相對(duì)誤差隨高度增高基本保持不變，4種型號(hào)探空儀在位勢(shì)高度上具有良好的一致性。

圖2 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀位勢(shì)高度觀測(cè)差異

2.4 相對(duì)濕度對(duì)比

對(duì)GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在5個(gè)規(guī)定等壓面上相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均偏差、絕對(duì)偏差和均方根誤差進(jìn)行研究（圖3）。由圖3a可知，平均偏差均為正值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的相對(duì)濕度觀測(cè)值均高于GTS1型探空儀，即與GTS1相比，3種類型探空儀測(cè)得的相對(duì)濕度值均表現(xiàn)為偏濕。GTS11型相對(duì)濕度平均偏差隨高度增高而減小，介于2.7%～5.3%，925 hPa處最大，為5.3%，500hPa最小，為2.7%，變化幅度為2.4%；GTS12型相對(duì)濕度平均偏差隨高度增加呈增大趨勢(shì)，介于3.7%～8.5%，在925 hPa處最小，為3.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值8.5%，之后隨高度增加而減少；GTS13型相對(duì)濕度平均偏差隨高度增高呈增大趨勢(shì)，介于1.5%～4.1%，在925 hPa處最小，為1.5%，在700 hPa處最大，為4.1%。

從圖3b中可知，GTS11型相對(duì)濕度絕對(duì)偏差隨高度增高而減小，介于5.5%～7.7%，925 hPa處最大，為7.7%，500 hPa最小，為5.5%；GTS12、GTS13型相對(duì)濕度絕對(duì)偏差隨高度增高呈增大趨勢(shì)，925 hPa處最小，分別為5.6%和7.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，分別為8.5%和8.8%，之后隨高度增高而略有減少。

從圖3c中可知，GTS11型相對(duì)濕度均方根誤差隨高度增高而減小，介于6.5%～10.6%，925 hPa處最大，為10.6%，在500 hPa最小，為6.5%；GTS12、GTS13型相對(duì)濕度均方根誤差隨高度增高呈增大趨勢(shì)，分別介于5.0%～9.6%和7.7%～10.9%，925 hPa處最小，分別為5.0%和7.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，分別為9.6%和10.9%，之后隨高度增高而略有減少。

圖3 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀濕度觀測(cè)差異

GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀測(cè)量相對(duì)濕度均較GTS1型探空儀偏濕，GTS12、GTS13型測(cè)量值隨高度增高偏濕程度呈增大趨勢(shì)。冒曉莉等[26-27]研究表明，太陽(yáng)輻射引起濕度傳感器感濕膜周圍空氣溫度上升，導(dǎo)致相對(duì)濕度出現(xiàn)顯著偏干現(xiàn)象，對(duì)GTS1型濕度測(cè)量的偏干影響仍較顯著，溫度誤差隨海拔高度的升高明顯增大。而GTS11、GTS12、GTS13型探空儀采用溫度系數(shù)更低的高分子濕敏電容，減弱了溫度的影響，降低了濕度偏干程度。

2.5 GTS1型探空儀1和7月歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

利用2009—2019年1和7月GTS1型數(shù)字探空儀觀測(cè)得到的溫度、氣壓和相對(duì)濕度，分析溫度、位勢(shì)高度和相對(duì)濕度11 a旬平均值在5個(gè)規(guī)定等壓面上的變化特征（圖4）。1和7月各旬溫度的旬平均值隨高度升高均呈下降趨勢(shì)，變化幅度基本一致，1和7月整體溫度變化趨勢(shì)基本一致（圖4a）。1和7月各旬位勢(shì)高度的旬平均值在5個(gè)規(guī)定等壓面上的變化趨勢(shì)基本一致，1和7月整體位勢(shì)高度隨氣壓下降略有差異，從地面到850 hPa，相同等壓面上的位勢(shì)高度7月略低于1月，氣壓降至850 hPa以下后，相同等壓面上的位勢(shì)高度7月略高于1月，且隨著氣壓下降差異略有增大（圖4b）。1和7月各旬相對(duì)濕度的旬平均值在5個(gè)規(guī)定等壓面上的變化趨勢(shì)大體一致，1和7月整體相對(duì)濕度隨高度增加均呈下降趨勢(shì)（圖4c）。1和7月GTS1型探空儀對(duì)溫度、位勢(shì)高度和相對(duì)濕度的測(cè)量值，在5個(gè)規(guī)定等壓面上變化趨勢(shì)基本一致。

圖4 GTS1型探空儀2009—2019年1月和7月觀測(cè)數(shù)據(jù)旬平均值變化曲線

3 結(jié)論與討論

（1）GTS11、GTS12、GTS13型 數(shù) 字 探 空 儀 在925～500 hPa各等壓面上測(cè)得的溫度低于GTS1型探空儀，隨氣壓降低溫度差變化幅度微小，具有較好的一致性。對(duì)比分析GTS1型探空儀自身歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，其在1和7月對(duì)溫度、位勢(shì)高度和相對(duì)濕度的測(cè)量值，在5個(gè)規(guī)定等壓面上變化趨勢(shì)基本一致。

（2）GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀位勢(shì)高度測(cè)量值均低于GTS1型探空儀，平均偏差、絕對(duì)偏差和均方根誤差均隨著高度增高而增大，進(jìn)一步分析相對(duì)誤差，發(fā)現(xiàn)與GTS1型相比，在5個(gè)規(guī)定等壓面處，GTS11型位勢(shì)高度相對(duì)誤差介于-0.04%～-0.07%，變化幅度微小；GTS12型相對(duì)誤差均為-0.08%，GTS13型相對(duì)誤差均為-0.01%。相對(duì)誤差隨著高度增高基本保持不變，4種型號(hào)探空儀在位勢(shì)高度測(cè)量上具有良好的一致性。

（3）GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀相對(duì)濕度測(cè)量值較GTS1型探空儀偏濕，GTS12、GTS13型在925～600 hPa各等壓面處測(cè)量值隨高度增高偏濕程度呈增大趨勢(shì)，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，之后差值隨高度增高而減小。

（4）受試驗(yàn)手段限制，本研究?jī)H針對(duì)925～500 hPa各等壓面處的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。因在高度過(guò)400 hPa之后，GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀搭載濕敏電容傳感器出現(xiàn)濕度觀測(cè)異常偏干的試驗(yàn)次數(shù)較多，不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映高空的大氣狀態(tài)，需要進(jìn)一步訂正，而GTS1型數(shù)字探空儀搭載濕敏電阻傳感器相對(duì)濕度測(cè)量效果相對(duì)較好，差別原因有待于相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開(kāi)展進(jìn)一步研究。