新型數字式電子探空儀故障分析及應用探討*

劉樹霄

青島市氣象局氣象探測保障中心 山東 青島 266003

引言

大氣探測是氣象業務的基礎。高空氣象觀測作為綜合氣象觀測系統的重要組成部分，在全球數值模式、天氣預報預警、氣候監測分析等中發揮著重要作用，是國內外大氣科學研究的重要信息來源，是氣象部門的常規性、基礎性、重要性氣象觀測業務。青島市氣象局氣象探測保障中心距離黃海1.4km，是我國離海洋最近的綜合氣象觀測中心。自1898年有氣象觀測記錄以來，已有124年的觀測歷史，是世界氣象組織（WMO）百年氣象站。高空氣象觀測始于1932年，是全國僅有的26個開展01時午夜觀測、每日進行3次定時觀測、參與全球數據交換的國家高空氣象觀測站，在全球氣象觀測業務中具有重要地位和作用。為進一步提升高空氣象觀測技術水平，按照中國氣象局綜合觀測業務統一布局，青島國家高空氣象觀測站自2020年1月1日起開展新型數字式電子探空儀（以下簡稱新型探空儀）換型工作，使用GTS11型、GTS12型、GTS13型三種新型探空儀。本文根據青島國家高空氣象觀測站三種新型探空儀2年的業務探測應用實踐，對三種新型探空儀出現的常見故障和使用技巧進行較系統地總結，以期為高空氣象觀測站特別是沿海高空氣象觀測站進一步提高觀測技術和業務質量提供經驗和技術參考。

1 新型探空儀特點

新型數字式電子探空儀由溫度傳感器、氣壓傳感器、濕度傳感器、測量轉換器、發射機、電池、泡沫包裝外殼等部分構成。配合GFE（L）1型高空氣象探測雷達（以下簡稱“L波段雷達”）工作，用于空中溫度ΔT≤±0.4℃，氣壓ΔP≤±2hPa，濕度ΔU ≤± 4%、風速風向等多種氣象要素的綜合探測。新型探空儀包括南京大橋機器有限公司生產的GTS11型（取代GTS1型）、上海長望氣象科技股份有限公司生產的GTS12型（取代GTS1-1型）和太原無線電一廠有限公司生產的GTS13型（取代GTS1-2型）探空儀。

3種新型探空儀的溫度傳感器，均采用了珠狀熱敏電阻，珠體直徑小，具有靈敏度高、體積小、響應速度較快、使用方便、防輻射性能及防水性能較好等多項優點。GTS11型和GTS12型探空儀的溫度傳感器表面涂有真空鍍鋁涂層，短波反射率超過90%，長波反射率超過95%；GTS13型探空儀的溫度傳感器表面涂有高反射率涂層，也可以減小長短波輻射的影響。每只溫度傳感器均具有各自的R-T特性曲線檢定證。

3種氣壓傳感器采用了硅壓力傳感器。高強度、高硬度、良好彈性的硅材料，使硅壓傳感器可靠性好、靈敏度高、遲滯極小，能最大限度地滿足不同氣壓變化率下對測量精度的要求。傳感器線性度高，體積小，一定程度上簡化了計算氣壓時所需參數，降低電子線路設計方面的難度。每只氣壓傳感器均有各自的P = f（V, T）特性曲面檢定證，以保證其測量精度。

3種濕度傳感器均采用高分子濕敏電容，有效緩解了原傳感器中濕敏電阻響應速度較慢、滯后誤差較大的問題。濕度傳感器均安裝在溫濕度傳感器支架上，同時均配有防雨罩，可防止雨水對高分子濕敏電容的污染。高分子薄膜性質比較穩定，濕敏電容具有測濕范圍廣、線性度好、響應速度更快、靈敏度更高、滯后系數很小、溫度系數較低、體積小等多項技術優點。例如GTS12型探空儀濕度傳感器在25 ℃時，響應時間小于3秒，在-20 ℃時，響應時間小于15秒，年漂移量小于1.5 %。每只濕度傳感器具有各自的C-U特性曲線檢定證。

由于新型探空儀采用了新材料、新工藝，對溫度、氣壓、濕度傳感器等進行了多方面技術改進，感應元件靈敏度更高，提高了測量準確度、響應速度，和感應元件的穩定性與環境適應性等技術指標。依據中國氣象局綜合觀測司發布的GTS11型、GTS12型、GTS13型三種新型探空儀標準偏差，溫度分別為0.17 ℃、0.24 ℃、0.25 ℃，氣壓分別為0.30hPa、0.55hPa、0.41hPa，濕度分別為5.09%、6.51%、6.99%，與原探空儀（GTS1型、GTS1-1型、GTS1-2型）相比，各項性能指標均有較大提升。

2 常見故障及原因分析

2020年1月1日至2021年12月31日，青島國家高空氣象觀測站共使用1534個新型探空儀，其中GTS11型878個，GTS12型530個、GTS13型126個。由目前儀器使用統計故障情況見表1，主要故障有儀器故障或無信號、基測不合格、儀器變性、信號突失等4類。

表1 2020-2021年青島站新型探空儀故障統計

2.1 儀器故障或無信號

新型探空儀的溫度傳感器、氣壓傳感器、濕度傳感器等均為較精密的感應元件，儀器運輸過程中部分損壞可能引起傳感器或其他零件故障，導致儀器無信號或故障無法使用。

2.2 基測不合格

儀器出廠后，由于在運輸、搬運、存儲或保管過程中存在不確定因素，導致儀器精度有時存在不確定性。儀器使用前，必須嚴格進行基值測定。依據中國氣象局綜合觀測司業務要求三種新型探空儀基測合格標準為：溫度，氣壓，濕度。基測時，若探空儀測量值與基測箱標準值偏差超過以上標準，則該儀器不能被使用。

2.3 儀器變性

儀器變性是指探測過程中，雷達接收的溫度、氣壓、濕度之一或多要素同時出現明顯異常的情況，且無法恢復。嚴重時出現要素值恒定不變的“僵值”。

常見的溫度變性是溫度曲線突變至-90 ℃且保持不變[1]。有時溫度只在某一高度層有所變化，出現數據不連續的“跳躍”現象；抑或有時雖然數據連續變化、但已明顯偏離規定等壓面上的溫度值。另外，溫度傳感器飛升進入較冷空氣過程中，若傳感器上黏附雨水或水珠，其凍結釋放的潛熱會使氣溫升至0 ℃左右，此時會存在虛假的“0 ℃等溫層”現象[2-3]。

濕度變性通常表現為濕度值出現恒定不變的“僵值”。在對流層高層的低溫環境下，容易發生濕度傳感器被凍結從而“癱瘓”，導致濕度測量值低至2%以下且保持不變；在對流層低層，濕度傳感器從高飽和度轉換至低飽和度過程中無法及時恢復，也會出現高濕度僵值[2]。

2.4 信號突失

信號突失指在探測過程中，雷達接收的探空儀溫度、氣壓、濕度信號突然全部消失，導致探測記錄不完整或終止觀測，甚至探測高度未達500hPa因而此次探測失敗需要重新探測[3]。信號突失常見于探空儀突遭雷擊或電路板沾水短路等原因；其次是電池電壓過低；三是探空儀抗雷擊、強降雨、強積冰能力不強，不能在惡劣環境下持續可靠工作。

3 新型探空儀使用技巧

3.1 出箱儀器外觀檢查

探空儀開箱后，認真檢查儀器的外包裝和各傳感器元器件的完好程度。探空儀外觀應平整無變形、無明顯的破損、劃痕和污染等[4]，儀器的產品標識和功能說明標志應完整清晰，儀器的機體和零部件不應有銹蝕和機械損傷，緊固件應完好無松動，塑料件應無任何開裂、變形現象。溫度傳感器的熱敏電阻器和濕度傳感器的濕敏電阻器表面覆蓋的涂層都應平整均勻且無斑點、疵點。元器件焊接牢固，各傳感器元器件上連接線無虛焊、脫落現象[5]。此外，還應特別檢查溫度感應器引線是否斷裂，濕度傳感器的保護套是否松動，電路板接口之間是否連接緊密，探空儀外包裝盒上標有的序列號與發射板上標識的序列號是否一致等。檢查過程中，禁止用手觸摸溫度、濕度傳感器，防止損壞傳感器或引起溫度、濕度變性。如發現儀器自身故障、可疑儀器、序列號不一致、過期儀器等，不進入基測程序。

3.2 信號頻率調整

探空儀載波發射中心頻率為1675MHz。若探空儀載波發射機性能不穩定，則容易出現頻率漂移，導致雷達無法正常接收到應答信號，從而造成丟球。探空儀上升過程中，大氣層溫度變化范圍可從40 ℃變化至-80 ℃，溫差可達120 ℃。由于回答器電子元器件自身對周圍環境溫度變化非常敏感，在儀器探測過程中逐漸變性、進而導致頻率出現漂移。由于L波段雷達工作頻率可實現±3～4MHz幅度的自動調節，一旦儀器發射頻率漂移的幅度太大且超出了雷達接收頻率的自動調節范圍，將因應答信號缺失導致丟球。

調整雷達接收機的頻率至1675MHz左右，檢查探空儀發射機回答信號。雷達詢問脈沖置于小功率發射，天線對準探空儀，觀察示波器顯示的回答信號，回波凹口深度應在1/3～2/3較為合適[6]。若凹口兩邊各有一個小“凹口”，這說明頻率過高應調低；若凹口兩邊各有一個小鼓包，說明頻率過低應調高。一般調整到回波凹口兩邊平直，此時頻率最優。若該頻率偏移1675MHz超過±3MHz，可通過調節GTS11型、GTS12型探空儀發射機板上電位器的位置，改變可變電容器的電容量，順時針旋轉電容增大，頻率降低；逆時針旋轉螺絲電容減小，頻率升高。若調節后發現頻率仍然不在1675±3MHz范圍內，則該儀器不能使用，可退回廠家修理。

探空儀升空后、施放前，應注意再次微調雷達接收機頻率，確保始終與探空儀的載波中心頻率值最為接近。探空儀施放后，隨著升空時間加長，探空儀載波頻率會不斷升高，在對流層頂附近頻率達到最大，隨后逐漸降低。因此，在整個探測過程中應時刻留意雷達的接收頻率。必要時，頻率按鈕一直置于“手動”狀態，可以根據上述規律隨時對頻率進行微調，使雷達接收的信號始終保持凹口最清晰、信號最好的狀態。

3.3 基測

基測在放球前45min左右進行。將探空儀移去溫度和濕度傳感器外面的保護罩，展開傳感器支撐臂，濕度傳感器的防護罩保持原來的狀態。將探空儀放入基測箱中，開啟基測箱電源。檢查確認計算機接收的探空儀信號是否清晰穩定，探空儀序列號、時間、測量氣象要素等數據是否有缺失、遺漏；計算機顯示的探空儀序列號、探空儀外包裝盒上序列號和發射板上的序列號三者是否一致。待探空儀溫度、氣壓、濕度傳感器等在基測箱環境中充分感應3～5min后，確認探空數據變化特性與基測箱標準儀表的響應特性相適應，將兩者進行比較，在允許誤差范圍內，基測通過；在沒有誤讀的情況下，兩者相差較大、超出誤差范圍，則探空儀基測不合格，必須更換探空儀重新基測。

3.4 電池使用

GTS11型和GTS12型探空儀均采用了鎂氯化亞銅注水式電池。電池準備不充分或使用不當，會造成探空信號較弱、儀器變性、測距凹口不清晰、甚至信號突失等問題。因此必須嚴格操作，確保儀器施放前電池電壓達到標準值以上。WMO要求在15 ℃溫度條件下，探空儀用電池需有3h的工作電流且輸出電壓不低于要求值的5%；當溫度從15 ℃降至-10 ℃時，輸出電壓不應低于要求值的10 %。

3.4.1 外觀檢查。電池應存放在通風干燥的環境中，在使用前應仔細檢查電池的外層包裝，若有漏氣、變形、線路和插頭不完好等現象，則廢棄不用。

3.4.2 電池浸泡。電池電壓直接影響到探空與測風信號的穩定與質量。浸泡電池時的浸泡時間、水溫、水量、放鹽量，需控制在一定范圍內，以期電池能達到最佳使用效果。

放球前40min，將電池浸入根據規定配方配置、水溫在35～40℃之間的電水溶液；使用純水時，水溫應保持45～50℃。電池浸泡3～5min后取出滴去余水，放入保溫盒內。

3.4.3 測量電池電壓。一般電池電壓在24V左右即可。若電壓過低，會引起探空信號不清晰；若電壓過高，則易造成信號突失。

3.5 探空儀裝配

為了預留充分的時間用以解決儀器、電池可能出現問題，探空儀裝配在放球前10～15min左右進行為宜。GTS11型探空儀溫濕度傳感器支架應向上以一定弧度彎曲，當探空儀天線向下時，支架與水平面夾角在15°～45°為宜，防止雨天雨水通過傳感器桿滑進儀器艙內。GTS12型探空儀在雨天時需要用防水膠布密封包裝盒與溫濕度傳感器支架伸出部位之間的空隙，防止雨水滲入引起電路板短路。GTS13型探空儀將保溫盒上保護溫濕支架的U型槽推起，用以支撐溫濕支架，使其保持45°傾角，施放時須摘除溫度傳感器保護套。裝配時注意盒蓋壓緊或繞線收緊。

3.6 基測箱維護

基測箱要求環境穩定，避免陽光直射。注意檢查基測箱后面板的“氣壓檢定口”，堵塞后影響氣壓測量。飽和鹽溶液配制時，液面不要超過飽和鹽托盤2/3，穩定10min方可進行探空儀基測。干濕球溫度計儲水盒中蒸餾水不超過儲水盒4/5。須保持濕球溫度計紗布清潔。正常環境一般5天更換一次紗布，當紗布末端出現黃色水漬時證明已污染，需要及時更換；換紗布時注意手的清潔，防止手上的油脂、汗液污染紗布。

4 特殊情況處理

4.1 無信號或信號異常

基測時若發現探空儀無信號或信號異常，應首先查看放球軟件的“終端－雷達通信指示”是否僅有雷達發送給終端信號指示，確保探空信號是否暢通，然后仔細檢查基測箱電源開關是否正常、儀器與連接線的插口是否緊實、儀器是否通電、儀器型號和序列號是否正確、雷達頻率是否適宜等問題，并逐一排除。

若氣球施放前出現無探空信號及脈沖信號的問題，應首先檢查電池電壓是否正常、儀器與電池插口是否緊實。若電壓不正常，重新浸泡電池；若電壓正常，或者儀器與電池插口接觸不良，需立即更換探空儀，重新基測。

4.2 溫壓濕信號跳變至基測前狀態

基測合格的探空儀在施放前，若溫度、氣壓、濕度信號跳變至基測前狀態，先將探空儀升空，用雷達天線自動跟蹤，并且將頻率調到合適的位置，以排除近地面物體對探空儀信號的干擾。若信號依然沒有恢復正常，則判定探空儀故障，及時更換儀器。

4.3 惡劣天氣感應器保護

出現大風、暴雨、暴風雪等惡劣天氣時，儀器升空后、施放前容易發生溫度傳感器引線斷裂、濕度防護罩掉落等現象，造成探空儀溫度、濕度變性。這種情況下，基測結束后，可重新將溫度、濕度傳感器上保護套套上，避免在儀器裝配、移動、升空過程中不小心觸碰引起溫度傳感器引線斷裂，注意需在氣球施放前及時取下保護套。遇到強降水天氣時，應注意觀察濕度傳感器上的防護罩是否掉落，避免濕度傳感器完全暴露于大氣環境中，確保其不受雨水或冰的影響。

4.4 基測箱濕度異常

出現基測箱相對濕度偏大或恒定為100%時，應逐一排查包裹感應器部分的紗布是否套緊、紗布盒內是否有純凈水、紗布條是否浸泡其中、紗布是否濕潤等。

4.5 注意事項

4.5.1 探空儀為獨立真空包裝，使用前請勿打開包裝，以免濕度傳感器長期暴露在空氣中受環境影響降低其測量準確度。

4.5.2 電池浸入鹽溶液的時間不應過長，否則影響使用效果。連續放球時，同一鹽溶液使用不應超過3次，隔日浸泡電池時需更換新的鹽溶液。

4.5.3 浸泡后的電池一定要滴干水分，以防儀器裝配后電池接口進水引起儀器短路。切勿擠壓水或用力甩水，否則電池內含水過少，影響使用效果。

4.5.4 檢查探空儀信號時，探空儀天線應遠離金屬物體。

4.5.5 基測時，探空儀一般采用其本身的電池組。基測箱提供的電源僅在檢查探空儀時使用。

4.5.6 基測、裝配探空儀時，應注意保護溫度、濕度傳感器。摘取溫度、濕度傳感器保護套時，應避免損傷溫度傳感器引線。切勿用手直接觸碰溫度、濕度傳感器，防止污染和損壞傳感器。施放探空儀時溫濕度傳感器支架彎曲要平緩，有一定弧度，否則會造成內部引線折斷，造成溫度、濕度變性。濕度傳感器防護罩必須保留，確保施放時保持原狀態。

4.5.7 探空儀裝配不宜太早。探空儀裝配后，若在地面停留時間太長，探空儀盒內的熱量散發不出去、內部溫度過高，可能導致儀器變性。此外，時間過久，探空儀應重新進行基測。

4.5.8 應將待施放的探空儀置于陰涼環境中，避免陽光直射。

5 結束語

新型數字式電子探空儀具有探測精度高、可靠性強、使用簡便等優點，是新一代高空氣象探測的一種重要探測工具，但它的使用是否正確直接關系到高空觀測記錄完整性、數據準確性和探測業務質量。分析新型探空儀的業務使用情況并總結存在的問題，可為廠家改良儀器、進一步提升儀器性能提供直接的參考依據。高空氣象觀測業務人員在實際工作中，也要不斷積累新型探空儀使用經驗和故障判斷、排除方法，不斷提高高空氣象觀測業務質量。