新型數(shù)字式電子探空儀故障分析

斯蘭芬,吳 靜,金嘉偉,劉曉玲

(新疆和田市氣象局,和田 848000)

0 引言

作為綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,探空觀測(cè)能夠提供完整的大氣溫度、 氣壓、 濕度、風(fēng)等信息。近年來(lái)隨著探測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,探空觀測(cè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向更高時(shí)空的秒級(jí)探測(cè)[1]。探空資料是有限區(qū)域天氣預(yù)報(bào)數(shù)值模式初始場(chǎng)的重要依據(jù),對(duì)對(duì)流性天氣短時(shí)臨近潛勢(shì)預(yù)報(bào)作用也非常明顯。2020年,探空儀由GTS1和GTS1-1型換為新型的GTS11,GTS12與GTS13數(shù)字式電子探空儀后,新型探空儀的性能指標(biāo)得到明顯的提高。但新型探空儀在實(shí)際探測(cè)工作中,傳感器變性、信號(hào)突失、亂碼等故障頻繁出現(xiàn),造成探空觀測(cè)資料的可用性差,臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量因此嚴(yán)重下滑,也增大了探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)控的難度。

近年來(lái),關(guān)于數(shù)字式電子探空儀的研究較多,如梁建平等[2]給出了新型探空儀故障的判斷方法;高英杰[3]提出了氣壓傳感器變性的處理辦法。文章通過(guò)對(duì)新疆2020年探空觀測(cè)過(guò)程中新型數(shù)字式電子探空儀的各種故障現(xiàn)象進(jìn)行分類總結(jié),針對(duì)各類故障提出觀測(cè)前檢查儀器、觀測(cè)中調(diào)整儀器信號(hào)及觀測(cè)資料處理的方法。

1 3種新型探空儀的常見(jiàn)問(wèn)題

2020年新疆14個(gè)探空站施放3種探空儀的故障情況如表1所示,因故障導(dǎo)致探測(cè)高度低于考核高度的占比情況如表2所示。

表1 2020年施放3種探空儀的故障情況

表2 因3種探空儀儀器故障導(dǎo)致探測(cè)高度低于考核高度的占比情況

2014年中國(guó)氣象局觀測(cè)司就探空觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指數(shù)做了明確的要求,探空平均高度≥28,600 m,測(cè)風(fēng)平均高度≥27,000 m,重放球全年≤6次,且根據(jù)遲測(cè)時(shí)間扣除相應(yīng)的得分[4]。從表1、表2中可以看出3種探空儀故障發(fā)生的頻次較多,不但嚴(yán)重影響了探空測(cè)報(bào)質(zhì)量,同時(shí)對(duì)探空資料在各領(lǐng)域的應(yīng)用也造成了很大影響。

2 3種新型探空儀故障的排除與處理

2.1 施放前對(duì)探空儀的檢查

2.1.1 外觀檢查

GTS11,GTS12與GTS13型探空儀從工廠到臺(tái)站都經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)路程的運(yùn)輸,運(yùn)輸途中可能受到碰撞或擠壓,因此使用時(shí)應(yīng)檢查探空儀的外包裝是否完好。目前儀器的測(cè)量轉(zhuǎn)換器和發(fā)射機(jī)是由廠家固定在泡沫盒內(nèi),而溫濕度傳感器則安裝在外露的支架上,在打開(kāi)外包裝后應(yīng)仔細(xì)檢查溫濕度傳感器是否有斷裂、虛焊,濕度傳感器的防雨罩是否受到擠壓等,同時(shí)嚴(yán)禁觸碰溫濕度傳感器,防止傳感器損壞與變性。

2.1.2 頻率寬度調(diào)整與凹口檢查

3種新型探空儀的載波中心頻率理論上為1675 MHz±3 MHz,測(cè)距缺口與欠飽和振幅比不小于30%。基測(cè)前連接探空儀電源線與基測(cè)箱電源線,打開(kāi)放球軟件與雷達(dá),將探空儀頻率調(diào)整為1665 MHz～1685 MHz,觀測(cè)探空儀的頻率寬度。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),GTS11探空儀的頻率在1670 MHz～1674 MHz時(shí)信號(hào)最好,測(cè)距缺口與欠飽和振幅最好;GTS12探空儀的頻率在1674 MHz～1676 MHz時(shí)信號(hào)最好,測(cè)距缺口與欠飽和振幅最好;GTS13探空儀的頻率在1676 MHz～1679 MHz時(shí)信號(hào)最好,測(cè)距缺口與欠飽和振幅最好。當(dāng)3種儀器施放前超出上述頻率范圍時(shí),儀器施放后常常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)突然消失、亂碼、變性和測(cè)距消失等故障。

2.1.3 電池電源檢查

GTS11和GTS12型探空儀均采用鎂氯化亞銅注水電池組,在配制5%濃度的氯化鈉鹽水溶液時(shí),水溫要保持在35 ℃左右。夏季電池電壓在18.5～19.5 V,電池電流為160 mA左右;冬季電池電壓在20.0～22.0 V,電池電流為180 mA左右即可。GTS13探空儀使用的電池為鋰電池,使用前應(yīng)當(dāng)用廠家配備的專用充電器對(duì)電池充電,直到電池指示燈變綠為止,鋰電池充電完成后電壓會(huì)保持在25 V左右。如果電池電壓超出上述值,儀器施放后可能發(fā)生各種故障。

2.2 施放后對(duì)故障的判斷與處理

2.2.1 傳感器變性的判斷與處理

判斷傳感器變性最直觀、快速的辦法是通過(guò)探空數(shù)據(jù)處理軟件的圖形顯示功能“探空曲線顯示”進(jìn)行判斷。傳感器變性后是否需要重放球應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的觀測(cè)記錄判斷,若記錄已經(jīng)超過(guò)500 hPa則不需要重放球,記錄終止到氣壓或溫度傳感器變性的前一秒,濕度記錄只整理到有可靠濕度記錄為止,其他照常整理(濕度按1%RH計(jì)算);如未超過(guò)500 hPa或記錄處在500 hPa左右時(shí),按500 hPa以下的規(guī)定進(jìn)行重放球[5]。

2.2.2 信號(hào)突失的判斷與處理

在觀測(cè)過(guò)程中探空信號(hào)突然消失的原因有很多,如電池電源線與探空儀XP2連線相接處斷開(kāi);電池電量太高導(dǎo)致電路被擊穿;強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)遭遇急流、強(qiáng)風(fēng)、雷擊。因此在實(shí)際觀測(cè)工作中,觀測(cè)人員應(yīng)根據(jù)季節(jié)選擇電池電壓;在儀器裝配時(shí),仔細(xì)檢查電池電源線與探空儀連線銜接處;如遇強(qiáng)對(duì)流天氣,應(yīng)根據(jù)天氣雷達(dá)與預(yù)報(bào)預(yù)警適當(dāng)推遲放球時(shí)間[6]。當(dāng)信號(hào)突然消失觀測(cè)記錄處在500 hPa左右時(shí),應(yīng)按高空業(yè)務(wù)觀測(cè)規(guī)范規(guī)定處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

GTS11,GTS12與GTS13新型數(shù)字式電子探空儀的測(cè)量精度雖然較高,但故障的發(fā)生率較高。文章通過(guò)對(duì)探空儀故障的歸類分析給出了相應(yīng)的解決措施,在臺(tái)站進(jìn)行應(yīng)用后,新型探空儀在觀測(cè)過(guò)程中的故障發(fā)生率大幅度降低,重放球頻次也明顯減少。這些措施不但降低了器材的損耗,而且提高了臺(tái)站的探空測(cè)報(bào)質(zhì)量。