基于高空气球平台的下投探空:系统研发和青藏高原实验

为提高复杂地理环境和极端天气条件下的大气廓线探测能力,本文自主研发了基于平流层高空气球平台的下投探空系统,并在青藏高原开展探测评估实验.该系统主要由下投探空舱,携带降落伞的下投探空仪,下投施放装置,数据接收通讯天线和GPS模块等组成.下投探空仪测量数据通过卫星通信链路和无线电信号实时发送至数据接收机存储处理.2020年青藏高原实验中8枚下投探空仪全部成功施放,提供了合理有效的大气廓线探测数据.后续会进一步提高下投探空仪传感器性能,全面评估其探测准确性和精度.     

TK-2GPS人影火箭探空数据与L波段探空数据对比分析

利用TK-2GPS人影探测火箭探空数据,与L波段探空数据进行对比分析,结果表明TK-2GPS火箭探测仪能够比较好的描述温度、湿度、露点、风向、风速等气象要素的变化特征;TK-2GPS火箭探测仪温度廓线与L波段探测数据非常一致,且可以清楚的描述大气中存在的逆温特征;湿度露点等廓线存在一定的偏差,这也与两种探空资料的时间不同有关;TK-2GPS火箭探空仪数据在风速风向垂直廓线中存在突变,这可能与探测仪器稳定性及灵敏度有关。      

秒级探空数据随机误差评估

利用2007年6月和2008年6—7月国内GPS探空仪同步比对试验数据及2010年中国阳江国际探空系统比对试验数据,基于现有的探空仪随机误差的间接计算方法,深入分析不同的探空原始数据平滑处理程度对随机误差评估的影响。分析表明:现有的探空仪随机误差评估方法不能完全适用于秒级探空数据,特别是对风、平流层温度和对流层相对湿度这3个要素的随机误差的评估。在同步比对施放中,如果对探空原始数据的平滑处理程度一致,可以利用现有的随机误差评估方法,不会产生明显偏差;反之,如果平滑处理程度差异较大,则间接计算得出的随机误差会明显偏大。在比对施放方案中,为了更好地获取某种型号探空仪的随机误差,建议将多个同型号探空仪同球施放进行比对观测,避免作为参考仪器的其他型号探空仪自身的误差参与计算,影响待测探空仪随机误差的评估。同型号探空仪同球施放的探空仪越多,获取的有效统计数据越多,随机误差的分析越准确。     

GPSO3和Vaisala臭氧探空仪平行施放比对结果的初步分析

为促进中国大气臭氧高空探测业务化进程，中国科学院大气物理研究所和中国气象局监测网络司联合组织了对国产GPS数字化大气臭氧探空仪（GPSO3）和芬兰Vaisala 公司产大气臭氧探空仪(Vaisala)主要技术性能的比对。现场平行施放比对于2002年1月在北京进行，共施放了7对臭氧探空仪。对两类大气臭氧探空仪现场平行施放比对试验结果的分析表明，两种臭氧探空仪所获得的大气中臭氧浓度随高度的变化特征之间有很好的一致性。在12～27 km高度范围内，两种探空仪臭氧测值之间的相对误差平均在10％以内，而在10 km以下和27 km以上，GPSO3探空仪的臭氧测值偏高。本文介绍了比对方法，分析了两类探空仪对臭氧廓线某些特征值的比对结果并讨论了平行施放比对时气球升速的差异可能对臭氧测值带来的影响。     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据，将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配，共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线，定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好，地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异，但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好，并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气，温度相关性最好，水汽密度次之，相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度，发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠，对于需要间接计算的大气物理量，如K指数、有效位能、积分水汽含量等，使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作，对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

发展中的地基大气廓线探测

最初的大气廓线探测—无线电探空的出现和组网观测推动了气象学的发展。地基遥感大气廓线探测的发展将会推动对中小尺度天气系统变化规律的认识,提高对强天气过程的认识和预报能力。地基遥感大气廓线探测的主体技术已经成熟,但其复杂性和应用难度,远高于无线电探空,在应用环节、设备研制生产环节和多种技术的综合集成方面都面对技术挑战。多种大气廓线探测技术综合集成已成为大气廓线探测发展的重要特征和趋势。综合集成一方面能够提供更多要素,以满足应用需求;另一方面将改进、完善大气廓线探测能力,提高探测精度。     

臭氧探空仪电化学反应池检测设备研制与应用

臭氧探空仪作为获取地面至上平流层区域内大气臭氧垂直结构的有效手段之一,施放之前需要进行地基检测,评估其探测性能,保证其施放之后可以获取高质量观测数据。首次介绍了国内自主研制的测试臭氧探空仪电化学反应池探测性能的地基检测系统,系统包括检测仪、数据采集模块和处理软件,主要用于检测电化学反应池的背景电流和响应时间两个指标参数。检测仪可以控制输出测试电化学反应池所需的具有不同臭氧含量的空气,测试结果通过数据采集模块传送至计算机,处理软件实现数据自动存储和处理,并提取出响应时间和背景电流。应用结果表明,该套系统检测精度高,性能稳定,可用于未来国内臭氧探空业务化的地基检测工作。     

边界层微型火箭气象探空系统研制与应用

首次介绍了国内自主研制的边界层微型火箭气象探空系统,系统包括火箭发射装置、探空仪、降落伞、地基接收设备和数据接收处理软件,其温度、湿度和气压测量采用数字式传感器,风速和风向由北斗/GPS全球定位信息获得。火箭升空至顶点后,将探空仪和降落伞从仪器舱弹出,在下降过程中测量大气的温度、湿度、气压和风速、风向等参数,通过无线发射机传送至地面接收机,由处理软件实现数据存储和参数分析。不同地区、不同气象条件下多次外场比较试验和实际应用结果表明,该系统性能稳定,探测技术指标和功能满足使用单位的设备研制要求,可应用于气象保障、大气探测、环境监测及海洋气象要素廓线的观测。     

对常规探空仪测高误差的分析

一、前言 目前我国高空气象台站使用的GZZ2型电码式探空仪,是1963年开始逐步在我国高空气象台站推广使用的。二十多年来,它与701测风雷达配套使用,进行了高空大气温、压、湿和风的综合探测,基本上满足了天气预报和各项事业对高空气象情报、资料的需要。随着四化建设的发展,对高空大气探测也提出了更高要求,因此,对于常规探空仪的测高误差,已经引起了人们的注意。 探空仪测高精度的高低,会直接影响到其它高空气象要素的探测精度。该型探空仪气压传感器采用温度系数较大的磷青铜膜盒,虽然设有气压温度补偿机构,但要实现全量程完全补偿仍是很困难的。气压温度系数直接影响测压精度,特别在20km以上的测高误差较大。本文拟通过一批常规探空仪的对比施放试验,对探空仪的测高误差进行统计和分析。 二、探空仪对比施放试验的方案 我们采用随机抽取三个工厂生产的经地面检查合格的探空仪,进行综合对比施放。 本次试验共施放了15个探空气球,每次携带两台不同工厂生产的探空仪,作并行对比施放。为了客观起见,将三家工厂(代号A、B、C)的探空     

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

RS92探空仪温压湿测量性能分析

Vaisala RS92探空仪代表了当今探空仪的较高水平,通常可以作为比对标准用来评估其他探空仪的性能。除了从其提供的指标确定其性能外,还可以根据实际施放过程中的探测数据进行评估。采用双Vaisala RS92探空仪同球施放比对法,对多天同一时次的探测数据进行统计,分析了其温压湿探测性能。结果表明,RS92型探空仪温压湿传感器的测量性能一致性较好,可作为比对施放时的标准探空仪来衡量其他类型探空仪的测量性能。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

地基微波辐射计与探空数据对比分析

利用西安泾河国家高空气象站2020年1—9月电子探空仪在0～10 km探测高度内观测的温度和水汽密度数据,与同址的MWP967KV型地基微波辐射计反演的同类气象数据对比分析,以评估微波辐射计反演气象要素的准确性。结果表明：MWP967KV型地基微波辐射计反演的温度廓线与探空数据相关性较高,平均偏差小于15 ℃,均方差小于20 ℃,两者相关性达到0990;水汽密度的平均偏差和均方差均小于10 g/m3,相关性为0972;在任何天气条件下,温度的相关性均较高,水汽密度相关性较好;在雨天天气条件下,地基微波辐射计反演廓线与探空仪观测数据一致性最高,说明地基微波辐射计对厚云的反演精度比薄云高。地基微波辐射计在观测精度和探测高度方面还需要进一步优化改进,使其能获得高质量的探空观测资料。     

球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验,建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求,两者一致性较好;下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平,下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制;下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当,除了球炸初期外,基本上接近WMO的测量要求,此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言,球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密,在空间上可以增加1个区域的探测,并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据,具有良好的应用前景.     

国产GPS探空仪国际比对试验结果

通过2010年7月12日—8月1日第8届世界气象组织阳江国际探空比对,采取同球比对施放方式,选择芬兰Vaisala探空仪作为比对标准,对中国参加国际比对的长峰探空仪与华云探空仪,使用共29次同球比对数据,从典型个例分析与统计分析两方面开展系统性评估。初步评估结果表明:对于温度探测,中国长峰探空仪整体系统偏差在0.4℃之内,标准偏差在0.7℃之内,中国华云探空仪在30 km高度以下性能与长峰探空仪相当,但是30 km高度以上偏差明显增大;对于气压与风的探测,两者系统偏差与标准偏差均较小,表明GPS定位以及气压与风的算法准确;对于湿度探测,与芬兰Vaisala探空仪相比,还存在一定差距,特别是低温性能需要提高。     

国产GPSO3与芬兰Vaisala臭氧探空仪的比对试验

臭氧探空仪是一种主要而又直接的探测大气臭氧垂直分布的技术手段。为了了解国产GPSO3臭氧探空仪的测量精度、灵敏度和可靠性．我们开展了与芬兰Vaisala ECC臭氧探空仪的系列平行比对试验,包括实验室臭氧传感器比对测试．室外地面臭氧传感器比对测试,低压环境下进气柱塞泵(效)比对测试和臭氧探空施放比对试验。测试结果分析表明,国产GPSO3臭氧探空仪的主要指标性能与国际通用的Vaisala臭氧探空仪的相当。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。     

基于往返式平漂探空的FY-3D卫星反演温度检验

往返式平漂探空观测（以下简称平漂探空）可实现对流层至平流层低层大气温度廓线垂直探测以及平流层低层内持续4 h的水平温度分布探测。该文介绍利用平漂探空试验数据对风云3号气象卫星D星（FY-3D）反演温度数据的检验评估算法,基于该算法和2021年3—9月长江中下游平漂探空试验数据完成对卫星反演大气温度数据的检验。结果显示:FY-3D卫星反演的温度数据准确度总体较高,与平漂探空上升段数据平均绝对偏差约为1.34℃,与下降段数据平均绝对偏差约为1.93℃;卫星反演的100 hPa以上和850 hPa以下温度误差分别偏大0.59℃和0.33℃;卫星反演平流层温度准确度低于温度廓线,平均绝对偏差约为3.92℃;与平漂探空数据相比,卫星大气温度廓线分辨率较低、趋势较平滑,无法显示大气温度垂直分布和平流层温度水平分布的细节特征。     

飞机下投探空在台风探测中的应用

在海洋探测方面,利用飞机进行下投探空拥有巨大的潜力去弥补全球高空探测网的空白。台风形成后,飞机飞入台风中心或绕台风飞行,下投配有全球卫星定位(GPS)装置的"探空仪",探空仪上安装有温度、气压、湿度传感器,通过GPS定位测风,对台风实施立体观测。多年来,飞机下投探空能够充分掌握台风的整体气象要素分布结构,从而提高对台风强度和移动路径等预报的准确性,飞机下投探空在国际上已经从科学试验转变成业务应用,并且形成新型的探测技术——目标观测。本文主要总结了国际上利用飞机搭载下投式探空仪进行台风探测的发展历程,为我国开展下投探空,特别是台风监测提供可借鉴的经验。     

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明:晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。