L波段探空系统高空风平滑计算方法探讨

在分析现行业务L波段探空系统测风原理的基础上,提出改进高空测风数据的平滑计算方法.首先比较了业务分钟风与滑动平均风两种高空测风数据的平滑计算办法,并与GPS RS92测风数据进行了对比分析和批统计处理,特别是对业务L波段雷达在1～21、22～42和43分钟及以后采取不同的时间隔计算风的规定给出了分时段以及低仰角、远距离和小风速的统计分析.结果显示,滑动平均法在选取合适的滑动平均窗口的条件下,其计算的高空风与GPS RS92测风结果一致性更好且动态误差小.建议未来改进业务L波段探空系统的高空风平滑计算方法时,采用窗口为1分钟的滑动平均方式或者前20分钟采用30秒,以后采用1分钟的分段滑动平均方法.     

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。     

我国探空测湿传感器的温、湿特性试验与分析

通过改进湿度传感器温湿特性实验室测试方法,对国产GPS探空系统和RS92探空仪湿度传感器的温湿特性进行了测试分析.结果表明:国产电子探空仪的湿度传感器在低温状态下探测滞后性明显,给高空湿度的动态测量带来了较大误差,尤其是在低温升湿过程测量比低温降湿过程更为显著.试验还表明环境空气流量的变化会对湿度的测量造成明显的影响,结果有助于改进探空仪湿度传感器测湿算法和防雨帽工艺设计,提高高空湿度测量能力.     

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.     

L波段高空探测系统的时差及其测量不确定度

通过分析L波段高空探测系统的时序设计原理,进行GTS1型探空仪与RS92型探空仪的同球比对施放试验验证,确定了由L波段高空探测系统的时序设计造成的测量元件感应气象要素至地面设备计算机软件赋时之间的时间差,会造成测量结果的随机波动。L波段探空系统总体时差对气压测量影响较大,对温度的影响较小,对湿度的影响较为复杂;由此造成的气压不确定性,将影响探空应用文件的准确性。相对于测量元件的感应时间总是延迟的,其总体散布中心为测量元件感应气象要素后1.2s,时差散布的扩展不确定度为0.98s,气压误差最大可达0.86hPa。北斗-GPS双模式导航测风探空仪的设计中采用了消除时差的方法,大大减小了测量结果的随机误差,并且在2013年12月中国气象局阳江试验中效果良好,为该问题提出了改进方法。     

基于地心坐标系的卫星导航测风平滑算法

本文从高空风探测原理出发，提出可业务化运行的卫星导航探空系统高空风平滑计算方法。该算法首先根据北斗〖CD*2〗GPS（Global Positioning System）双模式探空仪提供的大地坐标秒间隔数据，基于地心坐标系计算原始高空风；然后，采用矢量滑动平均法对原始数据进行平滑处理。通过与同球施放的芬兰RS92探空系统做比对分析得出，滑动平均窗口在0～32 km高度范围内设置为34 s、在32 km高度以上设置为60 s条件下，卫星导航探空系统与RS92探空系统高空风测量结果吻合较好。该算法计算结果同基于站心坐标系计算的30 s滑动平均风基本相同，但其风速分量误差范围在32 km高度以下略优、在32 km高度以上减小明显，升空全程误差范围更为稳定。     

用GPS定位数据研究L波段雷达数字探空仪系统的测高误差

我国高空站网已普遍推广L波段雷达-数字探空仪系统,但业务上作为测风使用的L波段雷达设备的探测精度只经过了近距离静态目标的标定,缺乏相关的动态检验.为了解该系统的动态探测性能,作者在数字探空仪上增加了GPS定位模块,以获得的GPS高度数据作标准,分析了2006年5月至6月上海和南京探空站23份施放记录,结果表明: L波段雷达设备由于水平标定精度不够,造成测高误差较大,100hPa高度以下最大系统误差达到几百米,而且每个站的误差带有系统性,但利用GPS高度数据与雷达测得高度的对比分析结果,来修正雷达仰角参数后,大幅度提高了L波段雷达的测高准确度,系统误差在100hPa高度以下不超过40m.因此在高空探测业务上以GPS定位资料作为L波段雷达定标的参考标准具有可行性.     

L波段高空气象探测系统气压、高度观测数据分析

对甘肃省民勤站L波段高空探测系统GTS1型探空仪地面基测气压变量的统计分析表明,气压传感器在地面稳定的环境下感应的数值与标准气压数值相比偏低;在实时探测过程中,气压相差1hPa时,L波段高空探测系统所反映出的测高偏差随探测高度的增加而不断变大;对L波段雷达和GTS1探空仪测量高度的差值进行比较,所得的高度差随探空仪的升高而逐渐增大,探测高度到达36000gpm时,高度差约为1700gpm。     

风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析

为了解风廓线雷达探测的准确性,对北京南郊大气探测试验基地2006-2008年3年的观测资料与常规高空探测资料即L波段雷达探空测风数据进行了对比,计算并分析了不同高度、不同时次、不同风速条件下的对比结果,进行了相关性分析,计算了平均差和标准差。结果表明,二者测风结果有较好的一致性,半小时平均水平风u、v分量的标准差在2.3m/s左右,为风廓线雷达和L波段雷达探空共同的测量误差及不同采样空间和时间的水平风的差异。     

高空气象观测规范改进及雷达元数据应用

对我国高空气象观测业务规范存在的纰漏和现行业务软件算法对观测秒数据利用率不高,导致计算结果精度不足等问题进行了分析,并就如何扩展应用L波段雷达〖CD*2〗GTS1电子探空仪系统元数据来解决相关问题进行了探讨。结果表明：测风秒数据的最大利用价值在于优化和调整量得风层的计算厚度（时间间隔）,可将L波段系统测风精度提高到与RS92 GPS探空系统同一数量级,基本满足业务部门对高空风的观测精度要求;通过对气球下沉记录处理流程的调整改进可实现相关记录数据段的妥善保存;引入探空和测风秒数据的野值综合判别、自动剔除和拟合补缺算法,可在提高秒数据利用率的同时进一步提升业务系统的智能化、自动化水平。上述新技术、新方法的采用,都须以对现行高空气象观测规范中的相关业务规定进行调整、改进作为前提。     

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。     

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.     

气球携带探空仪上升和降落伞携带探空仪下降的全程探空对比分析

开展气球携带探空仪上升和降落伞携带探空仪下降的探空仪观测试验,建立针对下投式的温度、湿度和气压试验评估方法。试验结果表明上升段的北斗温度、气压测量准确度与RS92基本相当,湿度差于RS92双加热湿度传感器;下降段的北斗温度测量准确度与下降段的RS92基本相当,气压由于快速下降对定位有一定影响从而导致气压误差较大,相对湿度误差基本上在5%以内,符合WMO的测量要求;与风廓线雷达进行时空匹配,上升段北斗风向测量准确度差于RS92,风速测量准确度明显优于RS92。试验同时还验证了气球携带探空仪上升和降落伞携带探空仪下降全程2次探空观测模式具有很好的应用前景,可以实现高空站网的时空加密。     

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.     

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。     

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

L波段高空气象探测系统测风算法改进探讨

对我国高空气象观测业务中的平均风计算方法及其存在的问题进行了分析和探讨,提出了完全采用矢量平均风算法来求取高空规定层风的业务流程改进方案;用锡林浩特站和阳江站同球施放的RS92GPS探空仪与L波段雷达-GTS1探空仪的对比观测数据集,对20~200s时间窗口下的各种矢量平均风计算方案及其规定风层计算结果进行了分析比对,提出未来改进的L波段高空气象观测系统可以测试使用时间窗口为30~45s的矢量平均风、使得计算风层达到每150~350m高程一个,以便进一步提高与GPS测风结果的一致性、更好地满足预报服务部门对高空风垂直分辨率的应用需求。