冬季西北地區(qū)臨近空間氣象火箭探測(cè)數(shù)據(jù)分析*

耿 丹 趙增亮 萬(wàn) 黎 趙 超 彭進(jìn)先

1(63611 部隊(duì) 庫(kù)爾勒 841000)

2(北京應(yīng)用氣象研究所 北京 100029)

3(江西省國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)辦公室620 單位 南昌 330000)

0 引言

臨近空間大氣溫度、氣壓、密度、風(fēng)速、風(fēng)向等大氣參數(shù)在航天器飛行試驗(yàn)中具有重要的應(yīng)用。目前，對(duì)臨近空間大氣參數(shù)的探測(cè)有地基、空基、氣象火箭等手段。其中氣象火箭多用于100 km 以下常規(guī)大氣探測(cè)，是十分重要的原位直接測(cè)量手段[1]。在各類探空火箭中，氣象火箭是發(fā)射活動(dòng)最頻繁、發(fā)射數(shù)量最多的一種火箭。

目前世界上已經(jīng)有40 多個(gè)氣象火箭探測(cè)站，發(fā)射了大量氣象火箭，獲取的高空氣象數(shù)據(jù)用于大氣模型的建立與修正。中國(guó)經(jīng)過(guò)多年的研究，目前氣象火箭探測(cè)技術(shù)已基本成熟，由雷達(dá)體制發(fā)展到導(dǎo)航定位體制[2]，但目前中國(guó)臨近空間氣象火箭探測(cè)業(yè)務(wù)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，尚未建立定期、高頻探測(cè)的業(yè)務(wù)體系。在氣象火箭數(shù)據(jù)分析評(píng)估方面，Jiang 等[3]將子午工程首枚氣象火箭探測(cè)結(jié)果與衛(wèi)星遙感及模式作了對(duì)比，研究了大氣風(fēng)切變、重力波和大氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。Fan 等[4]對(duì)某型氣象火箭的多次探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析評(píng)估，指出氣象火箭探測(cè)資料具有較強(qiáng)的可信度，可對(duì)其他方式的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

本文利用2020 年冬季某型氣象火箭在西北地區(qū)獲取的一次臨近空間探測(cè)資料，將探測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及再分析資料進(jìn)行對(duì)比，從溫度修正模型入手，定量計(jì)算各項(xiàng)溫度修正量，為氣象火箭數(shù)據(jù)分析評(píng)估提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與對(duì)比方法

1.1 氣象火箭探測(cè)數(shù)據(jù)

該型氣象火箭利用火箭將探空儀送至70 km 以上高度，在探空儀和降落傘的下落過(guò)程中，原位探測(cè)下落區(qū)域20～60 km 臨近空間的大氣溫度、氣壓、密度、風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)。其中大氣溫度數(shù)據(jù)利用熱敏電阻直接測(cè)量后經(jīng)過(guò)誤差修正獲得，氣壓數(shù)據(jù)利用壓高公式通過(guò)基點(diǎn)氣壓求解得到，密度數(shù)據(jù)利用溫度、氣壓通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程求解得到，風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)利用探空儀導(dǎo)航定位信息解算得到[5]。本次探測(cè)實(shí)際獲取的有效數(shù)據(jù)高度范圍為20～58 km。

1.2 MSIS00 大氣模式

MSIS 是質(zhì)譜非相干散射經(jīng)驗(yàn)高層大氣模式，最初是基于衛(wèi)星上質(zhì)譜計(jì)所測(cè)得的成分資料和地面非相干散射雷達(dá)測(cè)得的溫度資料而建立。目前MSIS系列模式的最新版是MSIS00，描述從地面到熱層高度范圍內(nèi)（0～1000 km）的中性大氣密度、溫度等大氣物理性質(zhì)。MSIS00 模式是當(dāng)前國(guó)際上較為廣泛使用的中層大氣經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可描述大氣特性的時(shí)空變化。利用MSIS00 大氣模式可獲取指定時(shí)間、地理位置、地磁活動(dòng)指數(shù)下的大氣溫度和密度的理論廓線。

1.3 TIMED/SABER 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

TIMED 衛(wèi)星于2001 年12 月7 日在美國(guó)范登堡空軍基地發(fā)射，軌道傾角為（74.1±0.1）°，軌道高度為（625±25）km，衛(wèi)星繞地球周期為106 h，每天運(yùn)行約15 個(gè)軌道，大約每60 天完成一次對(duì)地球的覆蓋觀測(cè)。TIMED 衛(wèi)星搭載的探測(cè)儀器SABER 是一個(gè)10 通道紅外輻射計(jì)，在衛(wèi)星飛行過(guò)程中，采用臨邊掃描的方式對(duì)大氣中的CO2輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而反演出高度方向上的大氣溫度、密度、氣壓等大氣參數(shù)的垂直廓線，可獲得180 km 高度以下的數(shù)據(jù)。SABER/TIMED 衛(wèi)星探測(cè)的溫度數(shù)據(jù)已大量應(yīng)用于中間層及低熱層大氣研究，應(yīng)用結(jié)果顯示在10～100 km 高度范圍，SABER 多通道輻射計(jì)探測(cè)到的溫度可信度很高[6]。

1.4 HWM07 風(fēng)場(chǎng)模式

HWM 是高層大氣風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑壳白钚掳姹緸镠WM14。HWM 利用近幾十年來(lái)的地基、衛(wèi)星和火箭探測(cè)結(jié)果及模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合球諧函數(shù)擬合方式，模擬0～500 km 高度范圍內(nèi)的地球大氣風(fēng)場(chǎng)，能夠給出指定時(shí)間、地理位置、高度、地磁活動(dòng)指數(shù)下風(fēng)場(chǎng)平均意義上的結(jié)果。本文使用的版本是HWM07。

1.5 MERRA 再分析資料

MERRA 再分析資料是由NASA的全球模擬和同化辦公室建立的數(shù)據(jù)資料庫(kù)，應(yīng)用了GEOS-5 同化系統(tǒng)。MERRA 是NASA 為衛(wèi)星時(shí)代提供的大氣再分析資料，其輸入的觀測(cè)資料主要包括地面和上層大氣常規(guī)觀測(cè)資料以及衛(wèi)星遙感資料等。MERRA 的時(shí)間分辨率為6 h，水平分辨率為（2/3）°（經(jīng)度）×（1/2）°（緯度），垂直范圍從地面到78 km，高度分為72 層[7]。

1.6 數(shù)據(jù)對(duì)比方法

對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，先將各組數(shù)據(jù)在垂直方向按照100 m 的空間分辨率進(jìn)行插值，然后使用偏差、偏差率等數(shù)學(xué)量來(lái)反映不同數(shù)據(jù)源的差異性[8]。偏差反映兩組數(shù)據(jù)的絕對(duì)偏差，其計(jì)算公式為

偏差率反映兩組數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差，其計(jì)算公式為

其中，Xi和Yi分別表示兩組數(shù)據(jù)在某一高度處的值，分別表示兩組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)段內(nèi)的平均值。

對(duì)于溫度和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，由于隨高度的變化范圍有限，對(duì)比時(shí)可計(jì)算不同數(shù)據(jù)源的絕對(duì)偏差；而對(duì)于密度數(shù)據(jù)，由于其隨高度呈指數(shù)變化，因此對(duì)比時(shí)計(jì)算不同數(shù)據(jù)源的偏差率更合理。

2 火箭溫度、密度數(shù)據(jù)與MSIS00模式及SABER 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的對(duì)比

按照火箭探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間和經(jīng)緯度，利用MSIS00 模式，獲得相同條件下的大氣溫度、密度的理論值；在SABER 衛(wèi)星探測(cè)資料中查找發(fā)射當(dāng)天與火箭探測(cè)經(jīng)緯度接近（經(jīng)度差＜2°，緯度差＜1.5°）的觀測(cè)時(shí)次，獲得相近條件下的大氣溫度、密度的衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)。將火箭數(shù)據(jù)與MSIS00 模式數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[9]。

火箭、衛(wèi)星、MSIS00 模式溫度和密度數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1 所示。由圖1 可以看出，火箭、衛(wèi)星、MSIS00模式溫度和密度隨高度變化趨勢(shì)整體上一致，能夠反映當(dāng)?shù)卮髿夥謱忧闆r，冬季平流層頂高度約為45 km。在圖1(a)中，火箭和衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映出更多的溫度變化細(xì)節(jié)，且二者反映的細(xì)節(jié)有較多一致性，這側(cè)面說(shuō)明了火箭探測(cè)溫度的可靠性。

圖1 火箭、衛(wèi)星、MSIS00 模式溫度和密度數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.1 Comparison of temperature and density data among meteorological rocket,SABER and model MSIS00

火箭探測(cè)溫度和密度數(shù)據(jù)與衛(wèi)星、MSIS00 模式數(shù)據(jù)的偏差如圖2 所示。由圖2 可以看出，火箭探測(cè)溫度與衛(wèi)星、MSIS00 模式的偏差整體上小于20℃，且隨高度降低呈先逐漸減小（44 km 以上）后趨于隨機(jī)（44 km 以下）的趨勢(shì)；火箭探測(cè)密度與衛(wèi)星、MSIS00 模式的偏差率整體上小于12%，且隨高度降低呈先逐漸增大（44 km 以上）后趨于隨機(jī)（44 km 以下）的趨勢(shì)。

圖2 火箭探測(cè)溫度和密度數(shù)據(jù)與衛(wèi)星、MSIS00 模式數(shù)據(jù)的偏差Fig.2 Temperature and density deviation among meteorological rocket,SABER and model MSIS00

火箭探測(cè)數(shù)據(jù)與MSIS00 模式數(shù)據(jù)存在差異的原因是MSIS00 模式時(shí)空分辨率低，由于建立時(shí)缺乏中國(guó)區(qū)域的數(shù)據(jù)，特別是缺乏平流層中上部的高空探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)平流層中上部的大氣參數(shù)變化描述并不準(zhǔn)確?；鸺綔y(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在差異的原因是兩種探測(cè)方式原理以及探測(cè)時(shí)間、空間上的差異。

3 火箭風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與HWM07 模式及MERRA 再分析資料數(shù)據(jù)的對(duì)比

按照火箭探測(cè)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間和經(jīng)緯度，設(shè)定HWM07 風(fēng)場(chǎng)模式的時(shí)間、經(jīng)緯度、地磁指數(shù)等參數(shù)，獲得相同條件下的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)，并換算成相應(yīng)的綜合風(fēng)速風(fēng)向，其中風(fēng)向是指風(fēng)吹來(lái)的方向。在MERRA 再分析資料中查找發(fā)射當(dāng)日經(jīng)緯度接近、同時(shí)段的數(shù)據(jù)，按同樣的方法獲取經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)和綜合風(fēng)場(chǎng)。

火箭實(shí)測(cè)綜合風(fēng)場(chǎng)與HWM07 模式、MERRA結(jié)果的對(duì)比如圖3 所示，火箭實(shí)測(cè)經(jīng)、緯向風(fēng)與HWM07 模式、MERRA 結(jié)果的對(duì)比和偏差分別如圖4 和圖5 所示。實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與MERRA 的一致性較好，而與HWM07 模式差異較大。相對(duì)于MERRA，火箭實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)分辨率更高，體現(xiàn)出更多細(xì)節(jié)，在22 km 和45 km 附近均探測(cè)到較強(qiáng)的風(fēng)切變[10]（見(jiàn)圖3 和圖4）。

圖3 火箭探測(cè)綜合風(fēng)場(chǎng)與HWM07 模式及MERRA 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.3 Comparison of wind data among meteorological rocket,model HWM07 and MERRA

由圖4 可以清楚看出，實(shí)測(cè)經(jīng)向風(fēng)和模式值在45 km 以下均以南風(fēng)為主，在45 km 以上均以北風(fēng)為主，而實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)明顯強(qiáng)于模式值；實(shí)測(cè)緯向風(fēng)在45 km 以下以西風(fēng)為主，在45 km 以上以東風(fēng)為主，而模式值均為西風(fēng)。

圖4 火箭實(shí)測(cè)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)與HWM07 模式及MERRA 數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.4 Comparison of meridional and zonal wind among meteorological rocket,model HWM07 and MERRA

由圖5 可以看出，火箭探測(cè)風(fēng)場(chǎng)在平流層中部明顯強(qiáng)于HWM07 模式，平流層中部經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)與模式值的最大偏差分別達(dá)到了35 m·s–1和75 m·s–1。實(shí)測(cè)經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)與MERRA 的偏差基本以接近0 軸為中心，且高空偏差（45 km 以上）大于低空（45 km 以下），此外在22 km 和45 km 風(fēng)切變位置附近偏差明顯增大。總體上緯向偏差大于經(jīng)向偏差，側(cè)面反映出模式和再分析資料的緯向風(fēng)精度低于經(jīng)向風(fēng)。

圖5 火箭實(shí)測(cè)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)與HWM07 模式及MERRA 數(shù)據(jù)的偏差Fig.5 Meridional and zonal wind deviation among meteorological rocket,model HWM07 and MERRA

火箭探測(cè)風(fēng)場(chǎng)與HWM07 模式偏差較大的原因可能與火箭本身探測(cè)的時(shí)次有關(guān)。單次火箭探測(cè)影響因素較多，而HWM07 模式風(fēng)場(chǎng)為平均結(jié)果且缺少中國(guó)高空實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。平流層中部存在的劇烈偏差可能與西風(fēng)急流有關(guān)[11]。

4 火箭探測(cè)溫度誤差

氣象火箭由熱敏電阻對(duì)大氣溫度進(jìn)行探測(cè)。但是由于環(huán)境對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)和電流加熱等效應(yīng)的影響，熱敏電阻獲取的溫度并不是真實(shí)的大氣溫度，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正[12]。根據(jù)世界氣象組織推薦的溫度修正模型，溫度修正公式可表示為

熱敏電阻測(cè)得的原始溫度和修正后溫度對(duì)比如圖6 所示，根據(jù)式（3）計(jì)算得出的各項(xiàng)溫度修正量如圖7 所示。由圖7 可看出，各項(xiàng)溫度誤差中，氣動(dòng)加熱、溫度滯后、支撐結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)及測(cè)量電流焦耳效應(yīng)帶來(lái)的影響較大，且這些影響整體上隨著高度降低而逐漸減小，這也解釋了圖2(a)中火箭探測(cè)溫度與其他數(shù)據(jù)源的偏差隨高度降低呈先逐漸減小（44 km 以上）后趨于隨機(jī)（44 km 以下）的現(xiàn)象。溫度誤差修正是數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，需要根據(jù)積累的探測(cè)數(shù)據(jù)，不斷迭代、完善溫度修正模型或修正參數(shù)。

圖6 傳感器溫度與修正后溫度的對(duì)比Fig.6 Comparison of the sensor temperature before and after correction

圖7 各項(xiàng)溫度修正量Fig.7 Different kinds of temperature correction

5 結(jié)論

氣象火箭是目前臨近空間十分重要的大氣參數(shù)原位探測(cè)手段，可獲取20～60 km 高度的大氣溫度、氣壓、密度、風(fēng)速及風(fēng)向。本文將冬季西北地區(qū)獲取的一次臨近空間探測(cè)數(shù)據(jù)與MSIS00 模式、SABER衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)以及HWM07 風(fēng)場(chǎng)模式、MERRA 再分析資料進(jìn)行對(duì)比，分析了火箭探測(cè)溫度誤差組成，計(jì)算了各項(xiàng)溫度修正量，主要結(jié)論如下。

（1）火箭、衛(wèi)星、MSIS00 模式獲取的溫度和密度隨高度整體變化趨勢(shì)一致，而火箭、衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映出更多的變化細(xì)節(jié)，且二者在細(xì)節(jié)上比較一致。

（2）火箭實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與MERRA 的一致性較好，而與HWM07 模式差異較大，平流層中部的火箭探測(cè)風(fēng)場(chǎng)明顯強(qiáng)于HWM07 模式。相對(duì)于HWM07 模式和MERRA，火箭探測(cè)風(fēng)場(chǎng)能夠體現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，在22 km和45 km 附近均探測(cè)到較強(qiáng)的風(fēng)切變。

（3）火箭探測(cè)溫度的各項(xiàng)修正量中，氣動(dòng)加熱、溫度滯后、支撐結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)及測(cè)量電流焦耳效應(yīng)帶來(lái)的影響較大，且這些影響整體上隨著高度降低而逐漸減小。

綜上分析可以看出，氣象火箭本次獲取的數(shù)據(jù)是有效可靠的，但還需不斷積累數(shù)據(jù)，從而在數(shù)據(jù)處理方法尤其是溫度誤差修正等方面，不斷迭代完善修正模型或修正參數(shù)。