基于第8届国际探空比对试验对GTS1 2型探空仪技术改进与对比分析

经过国内学者和WMO的评估,GTS1 2型探空仪需要进行技术改进以适应高空气象观测业务的发展需求。2012年,GTS1 2型探空仪在原体制基础上进行了技术改进(暂命名为GTS1 2A型)。2012年8月在阳江探空站开展比对试验,试验结果表明：GTS1 2A型探空仪夜间温度测量性能良好,系统误差在-03 ℃以内,标准偏差总体上在02 ℃左右;日间温度除探测中高层和出入云时外,系统误差整体上在-03 ℃,标准偏差整体上在04 ℃以内;气压除近地层有约-15 hPa的系统误差外,整体上系统误差和标准偏差小于GTS1 2型探空仪,尤其标准偏差在全量程范围内在07 hPa以内;GTS1 2A型探空仪湿度测量结果与RS92型探空仪一致性较好,灵敏度明显优于GTS1 2型探空仪,系统误差和标准偏差整体上均在10%RH以内。     

新型GPS探空仪与业务GTS1 2探空仪对比分析

2012年8月,中国气象局气象探测中心在广东阳江开展自动探空系统新型GPS探空仪比对试验,对比分析其技术改进后的准确性,试验结果表明：温度测量性明显优于GTS1 2型探空仪。湿度测量结果与RS92型探空仪一致性较好,系统误差在15%RH内,标准偏差在12%RH内。气压系统误差全量程在±10 hPa内,标准偏差在08 hPa内。位势高度系统误差在±20 gpm以内,标准偏差在70 gpm内。GPS定位测风性能优于GTS1 2型探空仪配合L波段二次测风雷达测风性能结果。     

GTS1型探空仪技术改进对比试验

GTS1型探空仪在中国气象局探空网站使用已超过10年,其技术略显滞后,迫切需要技术改进.2010年,GTS1型探空仪在其原技术体制基础上进行了技术改进.中国气象局气象探测中心分别于2010年9月和2011年12月,在阳江探空站组织开展了动态比对试验和温度辐射修正算法改进试验.试验结果表明,改进后的GTS1型探空仪夜间温度偏差较小,在0.1℃左右,日间温度偏差在0.3℃以内;气压测量结果偏小于RS92型探空仪,稳定性优于GTS1型探空仪;湿度传感器反应灵敏,测量结果与RS92型一致性很好,偏差在5％RH以内.     

国产GTS1探空仪与VAISALA公司RS92探空仪对比分析

文章从静态指标与动态对比两个方面,对中国国产GTS1探空仪与芬兰Vaisala公司RS92探空仪的综合性能进行对比.对比结果表明,GTS1探空仪温度存在滞后误差,RS92探空仪湿度测量结果明显好于GTS1探空仪,200hPa以上RS92探空仪气压变化低于GTS1探空仪,测风精度方面RS92探空仪高于GTS1探空仪,850hPa以下和150hPa以上GTS1探空仪测风与RS92探空仪存在1m·s-1以内的系统差,RS92探空仪在整体性能上高于GTS1探空仪.     

中国GTS1-2型电子探空仪阳江国际比对结果分析

根据世界气象组织阳江第八届国际探空比对资料,对中国GTS1-2型探空仪系统开展了系统性评估。初步评估结果表明：GTS1-2型探空仪温度传感器系统偏差在0.2℃之内（高度在33 km以下）,标准偏差在1℃之内;气压传感器系统偏差在0.7 hPa之内,标准偏差在1 hPa之内;位势高度系统偏差在40 gpm之内,标准偏差在320 gpm之内;温度、气压、位势高度一致性较好,但是还需进一步改善高空辐射误差修正软件;湿度测量结果与其他国家有一定的差距,具体表现温度在-30℃～-50℃,时间常数明显增大,变化幅度变小,反应滞后;风向风速与GPS导航卫星定位测风的结果比较接近。     

GTS1-2与GTS11探空仪三亚观测数据对比分析

为了提高探空业务质量,2020年1月和7月,三亚地区开展了高空气象平行观测。对该期间GTS1-2和GTS11型数字探空仪在925～500 hPa规定等压面的探空数据进行分析后发现：较之GTS1-2型探空仪,GTS11型探空仪在整体上测得较低的温度值和较高的相对湿度值,且能获取更丰富的湿度数据细节,在测量位势高度上两种型号探空仪具有较好的一致性。     

RS92型GPS探空仪的性能试验与分析

采用同球施放的方法,对芬兰维萨拉GPS探空仪的性能进行了试验。结果表明：气压和湿度的测量一致性符合RS92型GPS探空仪的探空整体非确定性的标称;温度除白天10hPa外,其它各规定层都能够满足RS92型GPS探空仪的探空整体非确定性的标称;湿度、风速能够满足WMO对全球气候观测系统（GCOS）探空的要求,高度能很好满足WMO对GCOS探空的要求。辐射特性分析表明,RS92型GPS探空仪在70hPa以下受辐射影响较小,20hPa以上温度受辐射影响相对较大。出、人云特性分析表明,RS92型GPS探空仪的湿度测量性能较好,能较灵敏地跟踪湿度变化,温湿度配合合理,数据丢失情况比RS80型探空仪明显减少,但产品在稳定性、检测和软件方面仍需要改进。     

齐齐哈尔气象站四种数字探空仪观测数据对比分析

基于齐齐哈尔国家基本气象站2020年1月和7月高空气象平行观测?数据,采用Ryan-Joiner方法进行正态性检验,采用平均偏差、绝对偏差、均方根误差和相对误差作为对比分析的评估指标,探讨了GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型数字探空仪在925～500hPa规定等压面上,测得的温度、相对湿度和位势高度的差异。结果表明：GTS11、GTS12、GTS13型3种探空仪测得的温度均低于GTS1型探空仪；相对湿度均高于GTS1型探空仪；位势高度略低于GTS1型探空仪,比对样本之间具有较好的一致性。     

L波段与701 400M探空系统观测资料比较评估

利用四川达州站在701-400M探空系统向L波段雷达GTS1-2型电子探空仪系统转变时的对比观测资料进行了评估分析。结果表明:温度平均差值为-0.28℃,200hPa以下平均差值为-0.05℃,200hPa以上平均差值为-0.52℃,换型带来的温度变化还是明显的;直接差异的80.1%在-1.0~1.0℃间。位势高度平均差值为-7.63gpm,100hPa以下高度平均偏低-1.13gpm,100hPa以上高度平均偏低-19.57gpm,换型带来的位势高度变化还是明显的;直接差异的89.0%在-50~10gpm间。湿度平均差值为-2%,直接差异的87.2%在-20%~10%间。风向平均差值为1.0°,直接差异的80.1%在-10°~10°间。风速平均差值为0.3m/s,直接差异的95.0%在-5~5m/s间。就平均差值来看,温度、位势高度、湿度是L波段系统所测值低于701-400 M系统所测值,而风向、风速则反之。换型造成各要素差异的峰值还是较大。由于两套系统所使用的设备、探空仪的制造、测量精度、施放、接收等方面的不同,都会引起测量值出现差异,但对各要素的影响确有所不同。     

国产珠状温度传感器对比分析

通过比对试验,采取同球比对施放方式,选择德国GRAW探空仪作为比对标准,使用总共12次同球比对数据,对中国长峰、华云和大桥3种型号探空仪的珠状电阻温度传感器开展比对分析.经典型个例分析与统计分析表明:3个型号国产探空仪高空温度廓线与德国GRAW探空仪具有较好的整体一致性,温度测量夜间性能均好于白天;长峰探空仪温度探测性能随高度变化比较稳定,而华云探空仪与大桥探空仪性能相仿,均随高度性能下降,尤其是30km以上高空;长峰探空仪温度探测整体性能最好,相对系统误差在0.2℃左右;而华云探空仪与大桥探空仪误差可达1℃,且均表现为整体上温度测值偏低.体积较小的珠状温度传感器将是未来高空温度探测的一个好的选择,下一步需要改善华云探空仪与大桥探空仪温度传感器表面涂层工艺,两者的温度辐射订正算法也需要进一步完善.     

Comparison of Beijing MST Radar and Radiosonde Horizontal Wind Measurements

To determine the performance and data accuracy of the 50 MHz Beijing Mesosphere–Stratosphere–Troposphere(MST)radar,comparisons of radar measured horizontal winds in the height range 3–25 km with radiosonde observations were made during 2012.A total of 427 profiles and 15 210 data pairs were compared.There was very good agreement between the two types of measurement.Standard deviations of difference(mean difference)for wind direction,wind speed,zonal wind and meridional wind were 24.86?(0.77?),3.37(-0.44),3.33(-0.32)and 3.58(-0.25)m s~(~(-1)),respectively.The annual standard deviations of differences for wind speed were within 2.5–3 m s~(-1)at all heights apart from 10–15 km,the area of strong winds,where the values were 3–4 m s~(-1).The relatively larger differences were mainly due to wind field variations in height regions with larger wind speeds,stronger wind shear and the quasi-zero wind layer.A lower MST radar SNR and a lower percentage of data pairs compared will also result in larger inconsistencies.Importantly,this study found that differences between the MST radar and radiosonde observations did not simply increase when balloon drift resulted in an increase in the real-time distance between the two instruments,but also depended on spatiotemporal structures and their respective positions in the contemporary synoptic systems.In this sense,the MST radar was shown to be a unique observation facility for atmospheric dynamics studies,as well as an operational meteorological observation system with a high temporal and vertical resolution.     

COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析

COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)每天可以提供全球2000～3000条从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料,有效地弥补了常规探空资料在时间和空间上分辨率的不足。通过对2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC资料与L波段探空秒数据进行比对,结果表明,在10 km高度以下,COSMIC反演的湿廓线资料与L波段探空数据偏差较小,温度偏差为-0.5℃,均方根误差为1.5℃;折射率偏差为1.4N,均方根误差为5.9N;气压偏差为2.0 hPa,均方根误差为4.7 hPa;水汽压偏差为0.1 hPa,均方根误差为1.1 hPa。COSMIC干廓线资料与L波段探空相比,在10～30 km高度内,温度偏差为-0.3℃,均方根误差为1.9℃;折射率偏差为0.4N,均方根误差为0.9N;气压偏差为1.4 hPa,均方根误差为2.6 hPa。表明COSMIC资料既具有较高的时空分辨率,又具有较好的精度,在数值模式中具有重要的潜在应用。     

北京地区风廓线雷达水平风资料评价分析

做好风廓线雷达水平风探测数据与气球探空的对比分析,对于更进一步用好这种仪器十分必要。采用北京南郊2014—2018年5年探空资料,对该站同期风廓线雷达水平风资料从总体平均、早中晚、不同天空状况及平均年变化等方面进行对比分析。结果表明:①5年平均均方根误差U分量在2.2～5.0m/s之间,V分量在2.3～3.6m/s之间,均在850hPa高度最小。平均误差U分量均为负,表明近5年风廓线雷达所测U分量比气球探空的偏小;且随高度其绝对值是增大的。V分量仅在700hPa高度为负,也在该高度最小。U、V分量分别在500hPa和850hPa高度相似程度最好。5年综合来看,850和700hPa高度风与气球探空更接近。②中午误差低于早晚,这与中午大气湍流比较强盛有关。③云量较多时误差相对较小,云量少时(特别是晴空)误差较大,反映出这种仪器对湿度比较敏感。④夏季或夏半年U、V分量与气球探空的差异较小、相似程度好,尤以6或7月最突出;冬季或冬半年差异较大、相似程度较差,尤以12或1月明显。这在实际业务和科研使用时需注意。     

两种再分析资料与RS92探空资料的比较分析

利用2008年5～12月在安徽寿县获得的逐6小时RS92探空资料,与同期的NCEP/NCAR和ERA-Interim两种再分析资料(6h)进行比较分析,计算分析了标准气压层上探空与再分析资料的温度、纬向风、经向风和相对湿度的相关系数、偏差和平均绝对差。结果表明:在所有标准层高度,ERA-Interim再分析资料与探空资料的相关优于NCEP再分析资料的与探空资料的相关,温度和风速再分析资料与探空资料的相关优于相对湿度的相关;温度再分析资料与探空资料的相关系数在1000～250hPa接近1,在250hPa以上随高度减小,ERA-Interim与探空资料的偏差的绝对值基本小于0.3℃,而NCEP与探空资料的偏差绝对值在1000hPa上要大一倍;纬向风再分析资料与探空资料的相关系数在对流层中高层大于对流层低层和平流层低层,经向风的相关在对流层随高度增加,在平流层低层迅速减小;风速再分析资料与探空资料的偏差绝对值小于1m·s-1;相对湿度再分析资料与探空资料的相关随高度减小,偏差在400～100hPa层较大,达10%～20%,在更高层小于10%。     

中国区域探空资料与再分析资料风速场的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及MERRA三种再分析资料,讨论了再分析资料风速场在中国区域的适用性问题。结果表明:在中国区域的年平均场上,高空风速在我国对流层高层和中层均存在长期减弱的趋势,在我国东部和南部地区的对流层低层也存在减弱趋势,ERA-interim资料和MERRA资料适用性相对较好。再分析资料风速在多年年平均场上普遍小于探空风速。在对流层高层,1980年代至1990年代ERA-interim资料适用性好,而21世纪以后,NCEP/NCAR的适用性较好;在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料适用性较好。在中国区域的季节平均场上,高空风速在冬季的对流层高层和中层中普遍存在增加的趋势,而在春季、夏季和秋季的对流层高层和中层存在减小的趋势。探空资料与再分析资料在冬季偏差最小,在夏季偏差最大。在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料和MERRA资料在冬季的可信度相对较好,MERRA资料在夏季的可信度相对较好;在对流层高层和平流层低层,ERA-interim资料和MERRA资料在四季中的可信度都相对较好。     

VAISALA探空技术及中国探空技术的发展

VAISALA公司推出的数字化探空仪RS92标志着VAISALA探空技术有了全新的发展,探空系统和探空仪完全实现数字化.RS92采用了数字技术,在提高测量精度、提高信息传输的抗干扰能力上都将获益.RS92的发射机占用带宽大约是RS80的十分之一.测风采用GPS扩频技术,大幅度提高测风数据获取率.温、压、湿传感器都有明显改进.中国探空技术要加强传感器和探空仪传感器测量手段的发展.     

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。     

激光雷达和探空反演的混合层高度对比分析

本文利用2016年12月至2017年11月期间晴朗少云天气下的成都微脉冲激光雷达观测数据反演的混合层高度,与温江探空资料确定的混合层高度进行了对比和误差分析,结果表明:基于探空资料和激光雷达数据反演的混合层高度具有较好的一致性,两者相关系数达0.75,激光雷达反演的混合层高度略低于基于探空资料确定的值,在混合层高度为1000～2000m时,两种方法计算所得的值偏差幅度最小,约为20%;在1000m以内和2000m以上,偏差幅度略有增大,为26%;两种方法反演的混合层高度变化趋势较为一致,均呈现出12月、1月较低,4月、5月较高的特点;混合层高度具有明显的日变化特征:上午混合层高度迅速增高,午后增长速度减慢并发展到最大高度,日落后迅速降低;混合层内相对湿度的增加、残留层的存在是导致激光雷达反演混合层高度时产生较大误差的原因之一。     

L波段雷达-电子探空仪系统对比观测分析

利用酒泉高空站L波段雷达-GTS1电子探空仪系统与“59-701”系统1个月的同步观测资料,对该站使用L波段探空系统后高空探测资料变化情况进行分析评估。通过直接对比、与国家气象中心数值预报6 h初估场比较和相关性检验分析,得到各规定等压面上位势高度、温度、湿度、风向、风速等的偏差和均一性检验结果。结果表明,酒泉站使用L波段雷达系统后,温度、高度、风向、风速记录平均而言未产生跳变,对流层上层湿度记录离散性小,新老系统的相对湿度差随高度增加而增加,记录准确率有明显的改善。在温度较低的对流层上层,59型探空仪测定的相对湿度偏高,GTS1型电子探空仪测定的湿度数据更接近国际上比较先进的探空仪。