國內電子探空儀的發展及使用方法探討

孫克敏,張海濤,張 祺,劉清芳

(1.長春市綠園區氣象局,長春 130062;2.塔城地區氣象局,塔城 834700)

0 引言

常規高空氣象觀測是指為了得到從地球表面到幾萬米高度空間的大氣氣象要素(氣壓、溫度、濕度)和運動狀態(風向、風速)等的變化情況,利用氫氣球攜帶無線電探空儀,采用自由上升的方式進行觀測、收集、處理等的活動和工作過程,也會有一些特殊需求的觀測項目如大氣成分、臭氧、輻射等。高空觀測多以北京時間07:00和19:00為固定時段進行,每天2次,只有少數的高空觀測站在北京時間01:00和13:00增加臨時性加密觀測。此外,日常工作中也存在不定時探測的情況,如需要觀測大氣的邊界層狀況探測、測量特殊要素的氣象飛機探測和氣象火箭探測等。無線電探空儀是探測對流層和平流層大氣氣象資料的重要儀器,主要組成部分包括感應器、轉換器和發射裝置。測量轉換器的作用是把傳感器傳出的物理量信號轉換成二進制代碼,然后把接收到的北斗數據信號調制在32.7 kHz副載波上,再向1675 MHz載頻的探空儀二次調制32.7 kHz的副載波,即可達到實時向地面傳送氣象數據的目的。GFE(L)1型二次測風雷達設備可以接收包括溫度、氣壓、濕度在內的氣象數據信息。雷達終端軟件實時顯示的溫度、氣壓、濕度數據,是根據傳感器標定參數(檢定參數)計算得出的,該參數是在生產探空儀時得到的。雷達發射機先將一個詢問脈沖(測距)信號發送給探空儀,探空儀發射機接收到詢問脈沖信號后產生一個應答信號(回波)發回發射機,雷達與探空儀之間的斜距由此而得,從而完成了全方位的綜合探測,得到從地面到30 km高度的氣溫、氣壓、濕度、風向和風速等數據。中國氣象局為了提高國內高空觀測質量,于2020-01-01T07:00全國高空站開始使用新型電子探空儀,新型電子探空儀在測量的精確程度、穩定性和環境的適應能力等方面優于原有儀器。

1 幾種探空儀的同球比較

為提高探空儀的技術性能,2016年中國氣象局綜合觀測司組織研制出新型電子探空儀,并開展了新型探空儀的業務比對試驗,將新型探空儀和當時業務在用探空儀與國際先進的RS92型探空儀進行同球比較[1]。試驗結果表明,3個廠家生產的新型探空儀各項性能指標均能滿足常規高空氣象觀測業務需求,相比目前在用各種探空儀的指標有明顯提高,業務穩定性指標也均能滿足業務需求[2-4]。具體比對結果如表1所示。

表1 各探空儀性能比對

2 施放高度比對

新型探空儀使用方法簡便,探測高度更高。圖1是長春新舊兩代探空儀的施放高度對比,比較結果表明新型探空儀在高空探測的質量和精度、探測信息的空間和時間密度等方面都有了比較顯著的提高。另外,信號突然消失及儀器變性也大幅度減少,2019年發生儀器變性25次,2020年僅有15次儀器變性,2022年減少至5次儀器變性。

圖1 長春新舊兩代探空儀的施放高度對比

3 新型電子探空儀的優點

對GTS1,GTS1-1和GTS1-2型探空儀進行基測時,儀器值需訂正到自動氣象站氣壓傳感器的高度(表2),而GTS11,GTS12和GTS13型探空儀的儀器值無需訂正,直接計算即可。

表2 單位高度氣壓訂正值

4 探空儀性能變化

新型電子探空儀溫度指標均提高了0.1 ℃(表3),探空儀采樣周期由1.5 s減少到1.0 s。溫度傳感器中的熱敏電阻元件由棒狀改為珠狀后,反射率有所提高,其中短波超過90%,長波超過95%;濕度傳感器由濕敏電阻轉變為濕敏電容后,測濕范圍更廣,響應速度更快,并且改變后的傳感器體積更小、靈敏度更高、遲滯系數更小、滯差環更小、溫度系數更小;單片機由51單片機改為ARM內核單片機,轉換精度16位,在50～-35 ℃范圍內優于萬分之三;發射機由分立元件改為貼片后,結構更簡單、質量更小、頻率調諧更方便。另外新型探空儀氣壓指標提高了0.5 hPa;濕度指標提高了1%RH,測得的探空數據更加精準。

表3 基測合格標準

5 使用方法及注意事項

新型電子探空儀應用至今,在帶來便捷的同時,也在具體施放過程中發現了一些問題,文章針對這些問題總結出更有效的使用方法及注意事項如下:

1)獨立抽真空包裝的新型探空儀,使用前應避免打開包裝,以防止濕度傳感器長期暴露在空氣中受環境影響測量準確度降低。

2)新型探空儀(GTS13型)基測、裝配時將保溫盒上保護溫濕支架的“U”形槽推起,使其保持45°傾角,用以支撐溫濕支架,保護溫度傳感器不被損壞。

3)新型探空儀在工作時不能用手觸摸溫、濕度傳感器,避免傳感器被污染和破壞。施放探空儀時支架彎曲要平緩,有一定弧度,否則會造成內部引線折斷,造成溫、濕度變性。此外,避免將溫度感應器弄斷,也不應將濕度保護帽拿掉。在基測時不應拆除傳感器保護支架,以免基測時傳感器受到損傷。在基測后,濕度測量元件的防護罩不要去掉且應保持原狀施放,溫濕傳感器元件外的保護支架應撤下。

4)使用新型探空儀(GTS13型)進行基測時,若出現需要更換探空儀重新進行基測的情況,則要打開基測開關,否則探空儀序列號不會更新為新的儀器序列號。

5)新型探空儀(GTS11型)不能選“當數據超過給定范圍時直接刪除該數據”,否則軟件將對異常數據直接進行刪除處理(僅對GTS1-2型探空儀有效)。選擇“當數據超過給定范圍時用擬合值代替”后,整個系統接收數據的質量決定最終數據處理的效果,但有時會出現信號弱和信號干擾等情況,數據擬合替代功能可能因放球過程中連續數據異常而失效,此時應通過人工介入,及時選擇“保留接收到的原始數據不進行任何處理”。

6)新型探空儀放球終止后如果不同時確定探空和測風終止時間,數據處理軟件就不會產生00格式的BUFR報文。

7)對探空儀參數進行修改,溫度、氣壓、濕度資料重新計算,該功能只對GTS1,GTS1-1和GTS12 3種型號的探空儀適用,需要備份后才能操作所需要的資料文件。

8)通過查看雷達顯示屏給出的信息,檢查蓄電池線路及插頭是否連接完好,認真校對儀表編號是否正確,檢查各插件安裝牢固情況,判斷儀表工作情況。

至少在施放前15 min進行裝配工作,在將雷達頻率調整到探空儀信號最佳狀態,如果探空儀對準雷達卻未調試出信號,應該立刻將電池接口重新插上。施放時,探空儀測溫測濕元件的支撐臂應向上,探空儀天線盡量扳直,不應碰觸溫濕傳感器。

6 結束語

文章綜合近幾年高空探測數據及實際應用中出現的具體問題得知,影響高空探測質量的關鍵因素是設備和儀器故障,因而探空儀的性能質量以及探空儀施放前的準備工作尤為重要。因此,在實際工作中應提高工作責任心,認真對待每一次觀測,認真準備每一個探空儀,認真校對每一個探測數據,保證每一次探測得來的數據都真實可靠。