GTS1-2與GTS11探空儀三亞觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

梁正鵬，黃 平，馬鳳娓，黃誠(chéng)輝

(三亞市氣象局，海南三亞 572000)

高空氣象觀測(cè)是綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是氣象預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、氣象服務(wù)、科學(xué)試驗(yàn)和相關(guān)行業(yè)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)性技術(shù)支撐[1]。無(wú)線電探空儀是當(dāng)前科研和氣象領(lǐng)域廣泛使用的一種高空氣象探測(cè)設(shè)備[2]。目前，三亞地區(qū)主要使用南京大橋機(jī)器有限公司生產(chǎn)的GTS1-2型數(shù)字探空儀配套GFE(L)1型二次雷達(dá)及L波段(1型)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)展高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)。隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)的不斷深化，對(duì)高空氣象觀測(cè)資料要求越來(lái)越高[3]。為了適應(yīng)新時(shí)代氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展，提高高空觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，由中國(guó)氣象局組織，三亞氣象局六道嶺觀測(cè)站執(zhí)行，2020年1月和7月在三亞開(kāi)展高空氣象平行觀測(cè)。

高空氣象觀測(cè)常用來(lái)表征大氣物理狀態(tài)的相對(duì)真值，描述高空大氣的天氣和氣候變化[4]。在地面臺(tái)站固定的情況下，位勢(shì)高度由氣壓、平均溫度和平均相對(duì)濕度決定[5]，但主要和氣壓相關(guān)[6]。以溫度、相對(duì)濕度和位勢(shì)高度作為考察對(duì)象，分析此次平行觀測(cè)期間，在正常工作條件下GTS1-2型和GTS11型數(shù)字探空儀在溫度、相對(duì)濕度和氣壓上的質(zhì)量差異，為進(jìn)一步提高探空儀質(zhì)量和高空觀測(cè)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支撐和改進(jìn)思路。

1 主要器材和方法

1.1 平行觀測(cè)主要器材

平行觀測(cè)期間數(shù)據(jù)接收和處理軟件為L(zhǎng)波段(1型)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件(V6.0.0.20200101)，基測(cè)箱為JKZ3-1型電子探空儀基測(cè)箱。探空儀為南京大橋機(jī)器有限公司生產(chǎn)的GTS1-2型和GTS11型數(shù)字探空儀。二者均采用L波段雷達(dá)二次測(cè)風(fēng)原理，且在電器件構(gòu)造方面差異不大。二者在傳感器方面的差異有三方面。①GTS1-2探空儀溫度傳感器為涂白漆棒狀熱敏電阻；GTS11型探空儀為真空鍍鋁涂層珠狀熱敏電阻，對(duì)短波反射率更高，達(dá)90%以上，對(duì)紅外長(zhǎng)波可忽略不計(jì)，同時(shí)完善熱平衡方程對(duì)溫度短波輻射誤差修正算法。②GTS1-2型探空儀濕度傳感器為中科院研制的HS02型濕敏電容。GTS11型探空儀采用E+E公司生產(chǎn)的HC103M2型濕敏電容，時(shí)間常數(shù)和濕滯回差小，量程寬，線性度好，靈敏度高，溫度系數(shù)更低；同時(shí)還采用直徑更大的防雨罩代替GTS1-2型探空儀的長(zhǎng)條細(xì)柱狀防雨罩，使得防雨罩內(nèi)能更好地與外界空氣流通。③GTS1-2型探空儀的氣壓傳感器為國(guó)產(chǎn)膜盒電容；GTS11型探空儀采用壓阻式硅壓力傳感器，線性度良好，靈敏度高。

1.2 平行觀測(cè)試驗(yàn)方法

采用GTS11型數(shù)字探空儀與GTS1-2型探空儀進(jìn)行比較觀測(cè)，每天1次，20時(shí)和08時(shí)交替進(jìn)行，為期20天，共進(jìn)行20次有效平行觀測(cè)。具體方法如下：將兩個(gè)探空儀綁在同一根繩子上下位置，相距1 m左右，同球升空，認(rèn)為同一觀測(cè)時(shí)次兩個(gè)探空儀所經(jīng)歷的高空氣象環(huán)境相同。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

對(duì)925、850、700、600、500 hPa共 5個(gè)規(guī)定等壓面上的溫度、相對(duì)濕度和位勢(shì)高度進(jìn)行對(duì)比分析。分析方法如下：①計(jì)算各時(shí)次各規(guī)定等壓面上兩種探空儀收集到的溫度(T)、相對(duì)濕度(HR)和位勢(shì)高度(h)的差值(GTS1-2減去GTS11)，得到對(duì)應(yīng)的溫度差(ΔT)、相對(duì)濕度差(ΔHR)和高度差(Δh)；②采用Ryan-Joiner方法[7]對(duì)各類差值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，以檢查所得數(shù)據(jù)的可用性；③采用Levene方法[8]對(duì)滿足進(jìn)一步分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，并依據(jù)方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果選取合適的方差分析方法(方差齊性時(shí)使用等方差單因素方差分析，方差非齊時(shí)采用Welch方法單因素方差分析[9])，并依據(jù)方差分析顯著性結(jié)果進(jìn)行多重比較[10](方差分析結(jié)果顯著前提下，若方差齊性，則使用Tukey檢驗(yàn)；若方差非齊，則選用Games-Howell檢驗(yàn)。若方差分析結(jié)果不顯著，則不進(jìn)行多重比較)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘分析。

2 探空數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1 數(shù)據(jù)差異正態(tài)性檢驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)符合正態(tài)性假設(shè)時(shí)，P值大于0.1；而當(dāng)數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性假設(shè)時(shí)，P值小于等于0.1。用Ryan-Joiner方法對(duì)所獲樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)(ΔT和ΔHR的樣本每層各19份，Δh每層樣本20份)，結(jié)果顯示P值均大于0.1，因此，可認(rèn)為以上樣本在統(tǒng)計(jì)學(xué)上反映了GTS1-2型和GTS11型探空儀在正常工作情況下獲取溫度、相對(duì)濕度和位勢(shì)高度上的差異。

2.2 數(shù)據(jù)方差齊性檢驗(yàn)

分別對(duì)ΔT、ΔHR和Δh的樣本進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)(Levene方法)，結(jié)果顯示：ΔT和ΔHR方差齊性良好，P值分別為為0.669和0.253，采用等方差單因素方差分析進(jìn)一步對(duì)比分析；Δh方差非齊性，P值為0.000，選取Welch方法單因素方差分析進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 規(guī)定等壓面溫度差異

以ΔT為響應(yīng)，5個(gè)規(guī)定等壓面為因子水平，進(jìn)行等方差單因素方差分析(圖1)。原假設(shè)為所有均值相等；備擇假設(shè)并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結(jié)果顯示F=13.07，P=0.000，表明各等壓面ΔT間具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 三亞平行觀測(cè)期間各等壓面上ΔT均值及其95%置信區(qū)間(用組合標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算區(qū)間)

為了進(jìn)一步明確各等壓面間的差異情況，同時(shí)由于ΔT方差齊性，選取 Tukey 檢驗(yàn)來(lái)進(jìn)行多重比較(表1)。結(jié)果顯示，ΔT在925 hPa上與850～500 hPa 上差異顯著。

表1 三亞平行觀測(cè)期間各等壓面上 ΔT的Tukey檢驗(yàn)(95%置信度)

以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，兩種型號(hào)探空儀測(cè)溫工作性能穩(wěn)定，但是ΔT均值和對(duì)應(yīng)的95%置信區(qū)間從925～500 hPa均存在穩(wěn)步上升偏移的現(xiàn)象。在700～500 hPa等壓面上，ΔT=0已不在對(duì)應(yīng)的95%置信區(qū)間中(圖1)，兩種型號(hào)探空儀在此區(qū)間獲取的高空溫度已經(jīng)出現(xiàn)了顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。前人研究[11-12]顯示，溫度傳感器上的真空鍍鋁涂層對(duì)大氣長(zhǎng)波輻射和短波輻射的反射率都比白漆要好，能很大程度減小輻射對(duì)溫度傳感器的影響。此次對(duì)比中ΔT的這種偏移可能主要是兩種型號(hào)探空儀的溫度傳感器涂層不同，導(dǎo)致隨著探空儀的升高，GTS1-2型探空儀受大氣輻射影響越來(lái)越嚴(yán)重，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)越來(lái)越偏大，從而使得ΔT隨著等壓面的升高越來(lái)越大。

2.4 各規(guī)定等壓面上相對(duì)濕度差異

以ΔHR為響應(yīng)，5個(gè)規(guī)定等壓面為因子水平，進(jìn)行等方差單因素方差分析(圖2)。原假設(shè)為所有均值相等；備擇假設(shè)并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結(jié)果顯示，F(xiàn)=6.29，P=0.000，表明各等壓面上ΔHR間具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖2 三亞平行觀測(cè)期間各等壓面上ΔHR均值及其95%置信區(qū)間(用組合標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算區(qū)間)

用 Tukey 檢驗(yàn)(表2)進(jìn)行多重比較后發(fā)現(xiàn)：700 hPa 上 ΔHR是一個(gè)突變點(diǎn)，與925和850 hPa上差異顯著。

表2 三亞平行觀測(cè)期間各等壓面上 ΔHR的Tukey檢驗(yàn)(95%置信度)

以上分析顯示，ΔHR在各等壓面上具有較一致的95%置信區(qū)間幅度，表明兩種型號(hào)探空儀工作性能都比較穩(wěn)定；但在700 hPa上ΔHR均值和95%置信區(qū)間突然下降，明顯偏離零值，之后緩慢回升。對(duì)兩種型號(hào)探空儀在平行觀測(cè)期間的探空曲線和秒數(shù)據(jù)(圖3)分析發(fā)現(xiàn)：GTS1-2型探空儀較GTS11型探空儀，在相對(duì)濕度測(cè)定方面總體偏低，且當(dāng)GTS1-2型探空儀表現(xiàn)為處于檢測(cè)下限(2%)時(shí)，GTS11型探空儀還可檢測(cè)到豐富的濕度數(shù)據(jù)，這與前人研究結(jié)果[11-13]相似。同時(shí)，冒曉莉等[14-16]研究發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)輻射造成的濕度傳感器基底等溫度上升會(huì)使感濕膜周圍空氣溫度上升，導(dǎo)致相對(duì)濕度出現(xiàn)顯著偏干現(xiàn)象，而且在對(duì)流層環(huán)境中，偏干程度與溫度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。GTS11型探空儀采用溫度系數(shù)更低的濕敏電容和空氣交換更好的防雨罩，弱化了溫度的影響，降低了濕度偏干現(xiàn)象的程度，同時(shí)由于采用的濕敏電容靈敏度更高，量程更寬，總體使得GTS11型探空儀獲得更多的濕度數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

圖3 三亞平行觀測(cè)期間兩種型號(hào)探空儀相對(duì)濕度秒數(shù)據(jù)對(duì)比(以2020年1月1日為例)

2.5 各規(guī)定等壓面上位勢(shì)高度差異

以Δh為響應(yīng)，5個(gè)規(guī)定等壓面為因子水平，采用Welch方法單因素方差分析(圖4)。原假設(shè)為所有均值相等；備擇假設(shè)并非所有均值相等，顯著性水平α=0.05。結(jié)果顯示，F(xiàn)=0.60，P=0.665，表明各等壓面上Δh間無(wú)顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，從925～500 hPa，Δh的95%置信區(qū)間逐漸增加，與顏國(guó)跑等人[17]的研究結(jié)果相似。通過(guò)對(duì)比原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)位勢(shì)高度差存在累加效應(yīng)，這與位勢(shì)高度的計(jì)算方式有關(guān)，比如某規(guī)定等壓面位勢(shì)高度由該規(guī)定等壓面以下的各規(guī)定等壓面間厚度累加，而各等壓面間厚度又是由氣壓、等壓面間平均溫度和平均相對(duì)濕度決定，因而導(dǎo)致從925～500 hPa隨著厚度層的累加，兩種型號(hào)探空儀Δh的95%置信區(qū)間逐漸加大。但整體來(lái)說(shuō)，兩型探空儀在位勢(shì)高度上還是具有較好的一致性。

圖4 三亞平行觀測(cè)期間各等壓面Δh均值及其95%置信區(qū)間(用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算區(qū)間)

3 結(jié)論與討論

(1)兩種型號(hào)探空儀測(cè)溫性能穩(wěn)定，所測(cè)溫度差異隨氣壓降低逐漸偏移。整體上GTS11型探空儀所測(cè)溫度值低于GTS1-2型探空儀。

(2)兩種型號(hào)探空儀測(cè)濕性能穩(wěn)定，但GTS11型探空儀能獲取更豐富的濕度數(shù)據(jù)，且整體上所測(cè)濕度值高于GTS1-2型探空儀。

(3)兩種型號(hào)探空儀所測(cè)位勢(shì)高度差在整體上具有較好的一致性。

(4)受試驗(yàn)手段限制，僅對(duì)兩種型號(hào)探空儀在925～500 hPa規(guī)定等壓面上的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合兩種型號(hào)探空儀器件的材料和前人研究結(jié)果對(duì)造成探空數(shù)據(jù)差異的原因進(jìn)行了初步討論，具體的差異原因還有待更精細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和深入的實(shí)驗(yàn)室研究。