L波段測風(fēng)雷達(dá)與北斗探空系統(tǒng)測風(fēng)數(shù)據(jù)對比分析

官海嘯 李佰春 李 瑤 祝正君

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心西昌觀測站 四川·西昌 615000）

0 引言

高空測風(fēng)有多種方式，主要分為有球測風(fēng)和無球測風(fēng)兩種。有球測風(fēng)主要以常規(guī)氣球測風(fēng)為主，為滿足一些特殊業(yè)務(wù)和科研需求，目前高空風(fēng)探測的還有下投式探空儀探測與自由漂浮、平飄和系留氣球探測等；在高空風(fēng)的無球探測方面，風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雷達(dá)、與聲雷達(dá)是典型的代表。但是目前最常用的高空風(fēng)探測手段還是常規(guī)氣球測風(fēng)，時(shí)間最長的高空風(fēng)觀測記錄就是通過全球觀測網(wǎng)絡(luò)，每天施放無線電探空儀獲取，這種探測方法已經(jīng)提供自20世紀(jì)30年代以來的高空氣象變量的數(shù)據(jù)庫。

對于有球探測測風(fēng)技術(shù)，目前全球可以分為4種類型：高空氣象探測雷達(dá)-探空儀系統(tǒng)、GPS測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)、導(dǎo)航測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)和無線電經(jīng)緯儀測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)。目前國際上都在發(fā)展GPS測風(fēng)探空系統(tǒng)，而中國主要使用雷達(dá)測風(fēng)體制，從2002年開始，對探空系統(tǒng)進(jìn)行了升級換代，基本形成了以L波段雷達(dá)-電子探空儀為主體的探測體系；對于地面二次雷達(dá)，影響測量精度的因子復(fù)雜，包括方位角、仰角和距離的測量誤差，風(fēng)速大小以及計(jì)算方法等，甚至與地面雷達(dá)本身的維護(hù)與標(biāo)定都有很大的關(guān)系。對于GPS測風(fēng)，其測量誤差僅取決于GPS芯片的信號處理與采用的平滑算法，2005年毛里求斯開展的氣象探空國際結(jié)果對比，所有GPS測風(fēng)在全量程范圍內(nèi)都已經(jīng)提供了足夠高度的測量精度，能滿足氣候觀測需求。因此GPS測風(fēng)體制具有較大的優(yōu)越性，衛(wèi)星導(dǎo)航測風(fēng)是未來氣象探空的發(fā)展方向，隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與成熟，中國探空業(yè)務(wù)將從二次雷達(dá)測風(fēng)過渡到衛(wèi)星導(dǎo)航測風(fēng)系統(tǒng)。

1 資料來源

取自西昌市某氣象臺(tái)站2020年6月1日～30日09：00時(shí)L波段雷達(dá)一電子探空儀系統(tǒng)（以下簡稱L波段雷達(dá)）與北斗探空系統(tǒng)的同步對比觀測資料。

2 數(shù)據(jù)對比分析

2.1 位勢高度、溫度同步對比

位勢高度是高空氣象探測的重要指標(biāo)，通過標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的平均溫度、平均濕度，利用公式計(jì)算得到位勢高度，其精確性對高空氣象探測的數(shù)據(jù)意義重大。由于標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的溫度、濕度都是利用傳感器得到，因此傳感器的質(zhì)量高低影響溫度、濕度的數(shù)據(jù)精度，測風(fēng)雷達(dá)和北斗測風(fēng)系統(tǒng)的地面接收機(jī)通過接收高空氣象探測儀的數(shù)據(jù)，利用后端計(jì)算機(jī)程序直接計(jì)算得到位勢高度的數(shù)據(jù)，因此兩者計(jì)算的結(jié)果主要是受溫濕度的精度影響。

為了對比L波段測風(fēng)雷達(dá)和北斗探空系統(tǒng)位勢高度數(shù)據(jù)的差異性，選定了15個(gè)相同等壓面進(jìn)行計(jì)算，西昌地區(qū)近地面高度約為844hPa，探空氣球飛行的高度大約到20hPa附近。表1、表2分別給出L波段雷達(dá)與北斗探空系統(tǒng)同步施放探空氣球?qū)Ρ全@取的各規(guī)定等壓面上位勢高度、溫度差值，數(shù)據(jù)為30天內(nèi)每天同一時(shí)間放球數(shù)據(jù)，各規(guī)定等壓面的位勢高度是用各層的平均溫度和平均濕度累計(jì)計(jì)算。可以看到，兩者位勢高度差的離散度隨高度增加而增加；溫度差也有一定的離散性，標(biāo)準(zhǔn)差小于1.5℃；溫度和高度的平均差很小，其中溫度平均差小于0.5℃，高度平均差約為13 m。

表1：規(guī)定等壓面（hPa）上位勢高度差 m

表2：規(guī)定等壓面（hPa）上溫度差 ℃

2.2 相對濕度同步對比

高空氣象探測中，大氣濕度的測量主要是指對流層以下的大氣相對濕度，由于對流層頂以上，一方面大氣水汽含量極少，對天氣現(xiàn)象幾乎沒有影響，另外濕度傳感器受溫度的影響較大，對流層以上相對濕度的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，一般沒有實(shí)際參考價(jià)值。本文選定的是30天內(nèi)每天L波段雷達(dá)與北斗探空系統(tǒng)同時(shí)放球數(shù)據(jù)，高度為西昌地區(qū)近地面至對流層頂附近，共選定11個(gè)等壓面進(jìn)行比較。表3是L波段雷達(dá)與北斗探空系統(tǒng)在各規(guī)定等壓面上相對濕度的平均差。可以看到，兩者的相對濕度差隨高度增加而增加，在100hPa(對流層頂附近溫度接近-80℃)，L波段雷達(dá)測定的相對濕度比北斗探空系統(tǒng)約低35%。

表3：規(guī)定等壓面（hPa）上濕度差 %

2.3 風(fēng)向、風(fēng)速同步對比

高空風(fēng)向、風(fēng)速的測量是通過探空氣球攜帶的探空儀在空間中的位置變化計(jì)算得到，二次測風(fēng)雷達(dá)的測角、測距精度決定了風(fēng)向、風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性，相比于衛(wèi)星導(dǎo)航測量，二次測風(fēng)雷達(dá)受設(shè)備準(zhǔn)確性、操作人員水平和環(huán)境影響較大。表4、表5給出了規(guī)定等壓面上風(fēng)向和風(fēng)速同步對比觀測的平均差值隨高度變化的情況。700 hPa以下近地面層，風(fēng)速平均差較大，在記錄較多的700～50hPa，平均風(fēng)向差小于5°，風(fēng)速差小于1m／s。雖然L波段雷達(dá)為二次測風(fēng)雷達(dá)，北斗探空系統(tǒng)通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位，兩者數(shù)據(jù)處理過程中計(jì)算方式不一樣，而且在近地面層計(jì)算量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速稍有差異。但從探測4分鐘、高度達(dá)到3000m后，兩臺(tái)設(shè)備的風(fēng)向、風(fēng)速對比觀測平均差較小。在同步施放過程中，氣球升速存在差異、施放時(shí)間不同步、探空儀捆綁位置差距大均可造成測風(fēng)結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，因此同步觀測時(shí)盡量選擇同球施放，探空儀位置要平行放置。

表4：規(guī)定等壓面（hPa）上風(fēng)向平均差 °

表5：規(guī)定等壓面（hPa）上風(fēng)速平均差 m/s

3 結(jié)論

通過30天內(nèi)同一地點(diǎn)、同時(shí)放球得到的規(guī)定等壓面上的位勢高度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）兩臺(tái)設(shè)備在各規(guī)定等壓面上溫度和高度的平均差值很小，溫度和高度沒有產(chǎn)生明顯的跳變。（2）兩臺(tái)設(shè)備的相對濕度差隨高度增加而增加，在溫度較低的對流層上層，L波段測定的相對濕度偏高，北斗探空系統(tǒng)測定的濕度數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。北斗探空系統(tǒng)資料的可靠性，還需與其他的標(biāo)準(zhǔn)探空系統(tǒng)進(jìn)行大量的比較研究，需改進(jìn)傳感器的性能和精度來提高穩(wěn)定性；同時(shí)通過軟硬件結(jié)合的方式，減小太陽輻射、滯后等誤差。

出現(xiàn)以上情況，表現(xiàn)為北斗探空系統(tǒng)較L波段雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，主要原因?yàn)椋海?）北斗探空儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加寬加長溫濕度傳感器支架，從探空儀側(cè)面向上延伸，減少殼體及支架對溫度輻射影響；（2）北斗探空儀的性能改善，溫度傳感器采用真空鍍鋁珠狀熱敏電阻，技術(shù)更加先進(jìn)。增加硅壓阻氣壓傳感器，全程氣壓采用導(dǎo)航衛(wèi)星提供的定位高度計(jì)算和氣壓傳感器直接探測兩種方式的聯(lián)合測量，位勢高度采用導(dǎo)航衛(wèi)星定位高度計(jì)算。（3）北斗探空系統(tǒng)通過對北斗導(dǎo)航芯片的跟蹤，利用衛(wèi)星定位技術(shù)對風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)行測量，相比于發(fā)射無線電波的雷達(dá)設(shè)備更加可靠。