3種新型探空儀的質量評估及風險應對措施

張 明,覃金華,孫文輝

(湖北省宜昌市氣象局,宜昌 443000)

0 引言

常規高空氣象觀測是指以氣球攜帶探空儀探測地面至幾萬米高空大氣中的氣壓、氣溫、濕度、風向風速等氣象要素變化的活動,所獲得的探測資料是中國綜合氣象觀測系統的重要組成部分,不僅在天氣預報、氣候診斷預測及大氣環境監測中被廣泛應用,還可作為各種大氣遙感觀測設備如風廓線雷達、微波輻射計、人影探空火箭等的參考標準[1-12]。因此,探空數據的質量越來越受到廣大學者的重視[13]。

在影響探空數據質量的因素中,觀測儀器的質量與探測精度會對探測數據的準確性產生直接的影響[14]。世界各國為了提高高空探測資料的準確性和精度,不斷地采用新技術對探空儀加以改進。中國為了更好地滿足用戶需要及不同業務的需求,亦在不斷地以新技術、新工藝改進探空儀。在改進的過程中,探測精度一直是廣大學者關注的重點,然而探空儀的質量極少受到關注[15-22]。

2020年1月中國氣象局組織全國各高空氣象觀測站開展了新型探空儀的平行觀測和業務試運行,現新型探空儀已正式用于探空業務,期間采取業務試用和交叉使用相結合的方式逐步加深對新型探空儀的業務使用。目前,在業務使用過程中3種新型探空儀會不定期出現基測不合格、探空儀變性、信號突然消失等問題,對儀器的使用、探測數據質量等造成了一定的影響。文章以宜昌國家高空氣象觀測站為例,統計分析3種探空儀在業務使用中出現的質量問題,并針對質量問題提出可行的防范處理方案,以期為新型探空儀的業務應用及探空數據質量的影響研究等提供參考。

1 資料來源

探空儀質量資料來源于2020—2021年宜昌國家高空氣象觀測站在開展高空氣象觀測過程中的值班日志及每月的質量統計數據。文章涉及的數字式探空儀分別為GTS11型、GTS12型以及GTS13型探空儀。

2 探空儀質量評估

根據《常規高空氣象觀測業務規范》,定時常規高空氣象觀測應在正點進行,不得提前施放,不得早測(在規定正點時間前開始進行觀測)或遲測(超過規定正點時間5 min以上開始進行觀測)。早測在臺站幾乎不會發生,但遲測現象時有發生,除臺風、大風(風速14 m/s及以上)、暴雨、暴風雪、雷達故障等非人為原因外,在探空儀準備過程中出現儀器不合格、施放前儀器要素突然變性及信號突然消失等造成的儀器重新準備也是導致遲測的主要原因。宜昌高空站2021—2022年3種新型探空儀(GTS11,GTS12,GTS13)施放頻次分別為367次、753次和342次。

2.1 探空儀準備情況

為詳細了解宜昌高空站使用的3種新型探空儀的質量情況,主要針對可能引起遲測的因素,統計2021—2022年3種儀器在儀器準備中出現的基測不合格、要素變性、信號突然消失等情況的分布(圖1)。

圖1 3種新型探空儀在準備過程中出現的異常情況

探空儀基測不合格主要出現在儀器準備的最初階段,表現為探空儀基測過程中氣壓、氣溫、濕度中的一種或多種誤差超過測量誤差范圍。該問題出現后需更換儀器并重新基測,這會增加儀器準備時間,但由于問題出現較早,在提前45 min準備的情況下,對探空儀的施放影響相對較小。

探空儀要素變性在儀器準備過程中或儀器施放后都可能出現,表現為探空儀氣壓、氣溫、濕度中的一種或多種要素值出現極大或極小值并保持不變。在儀器準備過程中出現探空儀要素變性需重新準備儀器,這會大大增加儀器準備時間,進而導致探空儀的遲放;在儀器施放后出現探空儀要素變性則可能導致重放球,此種現象在臺站無法有效防范,故未做統計。

探空儀信號突失在儀器準備過程中或儀器施放后都有可能出現,表現為無法有效接收探空儀信號,所有要素均丟失。在儀器準備過程中出現探空儀信號突失需重新準備儀器,這會大大增加儀器準備時間,進而導致探空儀的遲放;在儀器施放后出現探空儀信號突失則可能導致重放,此種現象在臺站無法有效防范,故未做統計。

在探空儀準備過程中出現的要素變性、信號突然消失情況,因為涉及探空儀的更換及重新基測、儀器裝配等,將對臺站的探空質量造成較大的影響。從圖1可以看到GTS13出現要素變性、信號突然消失的情況較多,而GTS12出現要素變性、信號然消失情況的比例明顯較少。因此,在對探空觀測質量的影響方面,GTS12的質量優于GTS11,GTS11的質量優于GTS13。

2.2 跑球情況

跑球是指在探空儀施放后因探空儀質量問題、高空信號干擾、雷達問題等引起的L波段雷達未有能效跟蹤探空儀,進而導致探測的風向風速等數據異常,對探空質量造成一定的影響。

統計2021—2022年3種新型探空儀施放后出現的跑球情況統計如圖2所示。由圖2可知,出現跑球的概率大小順序為GTS11

圖2 3種新型探空儀施放后出現的跑球情況統計

3 風險防范對策

3.1 基測不合格的防范

探空儀基值測定在探空儀基測箱中進行,要求環境穩定,避免陽光直射。探空儀各傳感器要在探空儀基測箱環境中充分感應,探空數據的變化特性要與標準儀表的響應特性相適應。探空儀測得的氣象要素值與標準儀表示值比較,必須達到規定的要求,否則不得施放。探空儀在基測箱環境中測得的氣象要素值穩定后,由值班員在高空氣象觀測軟件中啟動基測功能,并錄入標準儀表示值以判斷是否達到規定的要求,若未達到,則需更換探空儀并重新置入基測箱內,待充分感應后啟動新儀器進行基測,這將大大增加儀器準備的時間。

防范措施:由于基測箱及探空儀通電后,儀器探測值可以通過高空氣象觀測軟件直接查看,且標準儀表示值可通過基測箱面板直接查看。因此,在高空氣象觀測軟件中啟動基測功能前,可以比較兩者的差距,若任一要素的誤差超出規定要求,則可以判定其不合格,須更換儀器,無需啟動基測,進而減少儀器準備時間;若連續多個儀器出現誤差超出規定要求,則需檢查基測箱是否處于正常狀態。

3.2 儀器準備中要素變性、信號突然消失的防范

在儀器準備過程中出現要素變性、信號突然消失,須立即更換探空儀,并重新基測、裝配儀器等。此類故障多出現于儀器裝配完成等待施放的過程中,會嚴重影響探空儀的施放。因此,出現此類故障時需要最大限度地減少儀器準備時間,以避免高空探測的遲測現象。

防范措施:探空儀的準備過程包括儀器包裝的拆除、儀器基測、電池的賦能、儀器的裝配及與氣球的連接。其中儀器基測、儀器的裝配及與氣球的連接無法提前準備,需要在更換儀器時進行操作,同時,儀器基測可以在準備階段按章節3.1的防范措施提前確保儀器基測合格;而儀器包裝的拆除、電池的賦能則可以在首次儀器準備時準備好,即提前準備一套備份探空儀及電池,進而減少儀器準備時間。

3.3 施放后跑球的防范

在探空儀探測過程中,因探空儀質量問題、電磁環境干擾等造成雷達無法有效跟蹤探空儀,簡稱跑球。跑球會導致探測的氣象要素異常,若無法及時調整雷達正常跟蹤則會嚴重影響探測的質量。

防范措施:對于探空儀施放后因探空儀質量問題引起的跑球,要強化對設備異常的敏感性。除了日常對雷達的維護保障,在探空儀準備過程中,若發現雖能正常采集探空儀的氣象要素值,但異常值較多的情況,則應調整雷達天線,使其對準探空儀,若調整后異常值仍較多,則探空儀質量可能存在問題,應及時更換探空儀以避免升空后出現跑球現象;對于因其他原因引起的跑球,無法在準備階段發現,只能在出現跑球現象時進行人工補救,因此,要在高空探測過程中密切監視探測情況,同時,強化學習跑球問題的處理方法。

4 結束語

在儀器準備過程中,GTS13出現質量問題的概率最大,但GTS11出現要素變性、信號突然消失的情況較GTS12多;在儀器施放后,出現跑球的概率大小順序為GTS11GTS11>GTS113,即GTS12質量最好,GTS11其次,GTS13質量最差。

針對探空儀準備過程中因質量問題所存在的風險,防范的措施包括:1)儀器基測前通過觀察基測箱面板值及高空業務軟件接收的儀器探測值,提前確認是否能通過基測;2)始終準備好2套探空儀和電池,一套使用,另一套備用,確保在儀器準備階段出現異常時能盡可能減少更換儀器的時間。針對探空儀施放后因質量問題所存在的跑球風險,防范的措施主要包括:1)增強對設備異常的敏感性,及時發現并提前更換儀器;2)加強業務技術學習。

文章并未提及探空儀的質量問題對探空資料質量的影響程度,僅提出了針對性的防范處理措施,質量問題對探空數據質量的影響還需后期進行試驗研究。