TK-2GPS人影探空火箭與L波段探空數(shù)據(jù)差異性分析

程鵬 李寶梓 黃穎 陳佩璇 陳祺 羅漢

(1 甘肅省人工影響天氣辦公室,蘭州 730020； 2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京 100081；3 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,蘭州 730000； 4 蘭州區(qū)域氣候中心,蘭州 730020)

引言

中高層大氣探測是開展天氣氣候過程監(jiān)測和分析的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)也是開展天氣預(yù)報、氣候評估和人工影響天氣工作的重要依據(jù)[1-3]。目前國內(nèi)承擔(dān)高空氣象探測業(yè)務(wù)的是L波段高空氣象探測系統(tǒng)(簡稱L波段探空)，能夠獲得精確度較高的高空溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素，但探測的時間僅限于每天兩次的固定時次[4-12]，其時空分辨率較低，遠(yuǎn)不能滿足人影業(yè)務(wù)的需求。近年來，探空火箭作為臨近空間的實地探測工具，受到各國航天技術(shù)和空間科學(xué)研究學(xué)者的重視, 在過去40年間取得了顯著進(jìn)展[13-15]，研制和應(yīng)用了不同高度種類的探空火箭，被廣泛地應(yīng)用于中高層大氣研究、空間天氣預(yù)報等諸多領(lǐng)域。探空火箭是指在近地空間范圍內(nèi)進(jìn)行環(huán)境探測、科學(xué)研究和技術(shù)試驗火箭的總稱[16]；探空火箭作為對臨近空間大氣環(huán)境進(jìn)行原位測量的直接手段，具有操作便捷、成本低、使用靈活等優(yōu)點[17]。正是包括火箭探測在內(nèi)的綜合探測體系的逐步形成,才形成當(dāng)前對中高層大氣結(jié)構(gòu)過程與作用的整體性認(rèn)識[3]。

作業(yè)目標(biāo)區(qū)域中大氣的溫、濕等物理參數(shù)及變化趨勢對開展人工影響天氣作業(yè)非常重要，研究表明，若能實時掌握這些物理參數(shù)的變化趨勢，可提高作業(yè)條件識別，有效提高人工增雨、防雹作業(yè)的科學(xué)性和作業(yè)效果[18-21]。人影探空火箭作為一種新型的觀測設(shè)備，能夠?qū)崟r采集0～8 km高度范圍的大氣物理參數(shù)，獲得人工影響天氣作業(yè)需要關(guān)注的大氣物理參數(shù)信息，可有效彌補L波段探空時間分辨率不夠的問題[1，22]。利用人影探空火箭探測的溫濕等大氣信息，可為作業(yè)人員確定最佳催化位置提供參考依據(jù)，指導(dǎo)作業(yè)人員調(diào)整作業(yè)仰角，將催化劑播撒到最適宜高度，對于提高防雹增雨作業(yè)的科學(xué)水平具有十分重要的意義。人影探空火箭探測性能如何，是實際業(yè)務(wù)應(yīng)用、科學(xué)研究中非常關(guān)心和需要回答的問題。近幾年人影探空火箭在我國陜西、四川、遼寧等人影業(yè)務(wù)中得到了應(yīng)用并取得了較好效果[22-24]，賀文彬等[18]對人影探空火箭數(shù)據(jù)和L波段探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明兩種探測方式探測數(shù)據(jù)非常一致；李金輝等[22]對人影探空火箭的性能進(jìn)行了分析，火箭探空探測的溫、壓、濕等要素數(shù)據(jù)能滿足人影作業(yè)需求；孫寶利等[23]利用人影探空火箭數(shù)據(jù)和雷達(dá)資料，分析并建立了人工增雨作業(yè)技術(shù)指標(biāo)。

隨著探空火箭在人影作業(yè)中的廣泛使用，人影探空火箭采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性及誤差將會是實際業(yè)務(wù)中關(guān)注的問題。民勤地處石羊河流域下游，開展人工增雨作業(yè)，合理開發(fā)空中云水資源對緩解該區(qū)域水資源短缺問題十分重要。因此，本文利用在甘肅民勤開展的TK-2GPS人影探空火箭(簡稱探空火箭)試驗所采集到的個例與L波段探空資料進(jìn)行對比分析，以期為應(yīng)用人影探測火箭進(jìn)行人影作業(yè)和效果評估提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況、資料與方法

民勤縣(101°50′～104°12′E，38°20′～39°27′N，海拔1350 m)位于河西走廊東北部，地處石羊河流域下游(圖1)，其東、西、北3面被騰格里、巴丹吉林兩大沙漠包圍。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，降水稀少，多年平均降水量為113.2 mm，年均蒸發(fā)量2662.7 mm，年均氣溫8.8 ℃，光照充足，日照時數(shù)為3137.9 h。該區(qū)域水資源嚴(yán)重短缺，境內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地占土地面積的94.2%[25]。L波段探空站位于民勤縣氣象局，探空火箭點位于L波段探空站東側(cè)(圖1)，兩者直線距離相距約30 km。

圖1 探空火箭與L波段探空站點分布

TK-2GPS人影探空火箭是一種低空氣象火箭探測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集0～8 km高度范圍內(nèi)的大氣物理參數(shù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、溫度、濕度等要素；該系統(tǒng)主要由地面發(fā)射裝置、TK-2探空火箭、地面接收裝置及數(shù)據(jù)采集處理終端等部分組成[1,18]。其工作原理是當(dāng)探測火箭發(fā)射升空到達(dá)預(yù)定高度時，探空儀彈出與箭體分離，在探空儀下落過程中進(jìn)行大氣探測，降落傘下降速度大概為6 m/s，探測數(shù)據(jù)實時傳回地面供接收處理[18]?，F(xiàn)行高空氣象探測業(yè)務(wù)中探空觀測采用L波段探空，每日探測2次，探測時間固定為每日07：15和19:15(北京時，下同)，探測高度可達(dá)30000 m[4-5]。與L波段探空固定觀測時次不同的是，探空火箭可根據(jù)實際需求隨時發(fā)射，能滿足人影作業(yè)指揮的需求，兩種探測儀器的數(shù)據(jù)間隔均為秒級。

2014年5月、11月和2016年10月，民勤縣人工影響天氣辦公室工作人員在試驗點發(fā)射了13枚探空火箭，開展了人影探測火箭試驗。試驗集中在11:00—19:00之間進(jìn)行，探空火箭的上升高度均在5600 m以上。探空試驗過程共采集到13份探空數(shù)據(jù)，完整有效數(shù)據(jù)有10份(表1)。本文選取與L波段探空時間最接近且數(shù)據(jù)完整的探空火箭數(shù)據(jù)集，共計6組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析；所選時次L波段探空最大探測高度均在25000 m以上，數(shù)據(jù)完整有效。

表1 民勤TK-2GPS人影探空火箭試驗概況

L波段探空實測資料準(zhǔn)確客觀，常用于驗證其他探測儀器的準(zhǔn)確性。為探討探空火箭資料的可靠性，利用L波段探空資料，針對探空火箭資料和L波段探空資料的偏差值，本文選取溫度、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等四個要素，采用平均絕對偏差(BIAS,B)、均方根誤差(RMSE,RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R)等直接對比分析方法進(jìn)行分析，其計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，n為某一高度層的檢驗樣本總數(shù)，ri為某一高度層探空火箭的氣象要素值，ti為對應(yīng)高度層上的L波段探空數(shù)據(jù)值。

2 結(jié)果分析

2.1 差異性分析

采用L波段探空資料為參考值，計算與相近時次同高度的探空火箭資料的平均絕對偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表2所示。從平均絕對偏差來看，相對L波段探空資料，溫度、風(fēng)速的偏差絕對值分別為1.19 ℃和2.91 m/s，偏差較小，相對濕度偏差絕對值達(dá)到了10.27%，偏差較大。溫度、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等要素的均方根誤差分別為1.39 ℃、19.5%、46.9°、3.57 m/s，相對L波段探空資料，探空火箭探測的溫度、風(fēng)速的離散度較小，相對濕度和風(fēng)向離散度較大。從兩種探測方式同要素間的相關(guān)系數(shù)來看，同要素相互間均呈顯著的正相關(guān)，均通過了0.05及以上顯著性檢驗；溫度和風(fēng)速的相關(guān)性最好，分別達(dá)到了1.0、0.91；相對濕度次之，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.67；風(fēng)向相關(guān)性略差，相關(guān)系數(shù)為0.18。可以看出，兩種探測方式的溫度、風(fēng)速平均偏差和離散度較小，相關(guān)性達(dá)到了0.91以上；相對濕度的平均偏差雖大，但相關(guān)性較好；風(fēng)向的離散度最大，相關(guān)性相對較差。

表2 探空火箭與同高度上L波段探空數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 不同高度的差異性分析

為進(jìn)一步了解不同高度兩種探測方式資料的差異性，對所選個例樣本按照高度進(jìn)行了劃分，來分析不同高度層各要素的均方根誤差和相關(guān)系數(shù)。所選個例探空火箭的最大上升高度約為300 hPa，以探空火箭的最大高度為上限，為便于統(tǒng)計分析，進(jìn)行了高度劃分：700 hPa以下到地面為一層，700～300 hPa之間每100 hPa為間隔，共計5層。從表3可以看出，溫度在各高度層的相關(guān)性都非常好，呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)隨高度上升而增加,在700 hPa以上，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.95以上。各高度層均方根誤差在1～1.4 ℃，變化差異不大，400～500 hPa離散度最小。

表3 探空火箭和L波段探空不同高度各要素間的差異性

相對濕度在不同的高度層均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.13～0.53之間，600～400 hPa之間相關(guān)性相對較差，在0.27%以下。各高度層均方根誤差雖然變化不大，但離散度均較大，各高度層均方根誤差大于16.9%。

風(fēng)向在各高度層的相關(guān)性相對較差，700 hPa以下和400～500 hPa呈負(fù)相關(guān)，其他高度層相關(guān)系數(shù)在0.4以下。各高度層的離散度較大，特別是600 hPa以下，達(dá)到了45.5°以上，是各要素中離散度最大的，均方根誤差隨高度上升有所降低。

風(fēng)速在各高度層均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.3～0.6之間，其中400～500 hPa和700 hPa以下相關(guān)性最好。各高度層離散度較小。均方根誤差在2.9～5.0 m/s之間，隨高度上升略有增加。

整體來看，溫度和風(fēng)速在各高度層差異性較小，相關(guān)性較好，探空火箭對溫度和風(fēng)速的探測效果最好。相對濕度雖然離散度較大，但在不同的高度層均呈正相關(guān)，合理訂正后可以使用。風(fēng)向在各高度層的離散度較大，相關(guān)性也相對較差。

2.3 對比分析

為進(jìn)一步驗證探空火箭數(shù)據(jù)的可靠性，選取與L波段探空探測時間較為接近的個例進(jìn)行數(shù)據(jù)的對比分析。L波段探空探測時間為每日07:15和19:15，選取的探空火箭試驗個例時間分別為：2014年11月27日17:30、11月28日16:17和12月4日18:06。

圖2為2014年11月27日探空火箭與L波段探空數(shù)據(jù)的氣溫、相對濕度、風(fēng)向及風(fēng)速垂直廓線對比。各要素整體變化趨勢基本一致，除相對濕度廓線兩者差異較大外，其余廓線差異均較小。溫度廓線中兩種數(shù)據(jù)趨勢變化高度相似，均隨探測高度的上升溫度迅速減??；探空火箭溫度略小于L波段探空，在750 hPa以下更為明顯，兩種觀測數(shù)據(jù)均在800～850 hPa之間出現(xiàn)了明顯的逆溫層。相對濕度廓線中兩種觀測數(shù)據(jù)均隨探測高度的上升而減小，明顯的特征是550 hPa以下L波段探空相對濕度大于探空火箭，550～300 hPa，探空火箭相對濕度大于L波段探空；除近地層外，相對濕度最大值出現(xiàn)在700 hPa。風(fēng)速廓線中兩種數(shù)據(jù)風(fēng)速均隨探測高度上升而波動增大,700 hPa以下，兩者數(shù)據(jù)非常接近；700～500 hPa之間，兩者交替變化，500 hPa以上，L波段探空風(fēng)速大于探空火箭風(fēng)速。風(fēng)向廓線中兩種數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致，750 hPa以下為西南風(fēng)，750 hPa以上兩種數(shù)據(jù)均為偏西風(fēng)。

圖2 2014年11月27日探空火箭與L波段探空相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速垂直廓線對比

圖3為2014年11月28日探空火箭數(shù)據(jù)與L波段探空數(shù)據(jù)的氣溫、相對濕度、風(fēng)向及風(fēng)速垂直廓線對比。由圖可知，溫度廓線中，300 hPa以下兩種數(shù)據(jù)均隨探測高度的增加而迅速降低，300 hPa以上L波段探空數(shù)據(jù)出現(xiàn)逆溫層。相對濕度廓線中，700 hPa以下兩種數(shù)據(jù)均隨探測高度增加而迅速減?。?00～500 hPa兩種數(shù)據(jù)趨勢有一定差異，其中L波段探空數(shù)據(jù)相對濕度隨探測高度增加變化不大(10%左右)，而探空火箭數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出迅速增加后又迅速減小的趨勢；500～300 hPa兩種數(shù)據(jù)趨勢一致，均隨探測高度增加迅速增大后減小，但探空火箭數(shù)據(jù)減小速度快，兩種觀測數(shù)據(jù)均在450 hPa附近出現(xiàn)了相對濕度最大值。風(fēng)速廓線中，兩者交替變化特征明顯，600 hPa以下，L波段探空數(shù)據(jù)隨探測高度先減小后增大，而探空火箭數(shù)據(jù)則隨探測高度增加；600 hPa以上，L波段探空數(shù)據(jù)隨探測高度先減小后增大，而探空火箭數(shù)據(jù)則隨探測高度先增大后減?。辉?00～550 hPa之間，兩者變化趨勢較為一致。風(fēng)向廓線中，兩種數(shù)據(jù)在600 hPa以上變化趨勢基本一致，均為偏西風(fēng)；600 hPa以下風(fēng)向變化略有差異。

圖3 2014年11月28日探空火箭與L波段探空相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速垂直廓線對比

圖4為2014年12月4日探空火箭數(shù)據(jù)與L波段探空數(shù)據(jù)的氣溫、相對濕度、風(fēng)向及風(fēng)速垂直廓線對比。圖中兩種數(shù)據(jù)的溫度、風(fēng)向及風(fēng)速廓線變化趨勢較為一致，且差異較小。溫度廓線中兩種數(shù)據(jù)變化趨勢一致性高，地面至300 hPa均呈減小趨勢，L波段探空數(shù)據(jù)略大。相對濕度廓線中，兩者在750 hPa以下和500 hPa以上，變化趨勢一致。800～700 hPa之間兩種數(shù)據(jù)均呈減小趨勢；700～600 hPa之間，探空火箭數(shù)據(jù)逐漸增大，L波段探空數(shù)據(jù)先減小后增大；600 hPa以上，探空火箭和L波段探空數(shù)據(jù)均呈波動增加趨勢，相對濕度最大值均出現(xiàn)在400 hPa附近。風(fēng)向廓線中兩種數(shù)據(jù)趨勢變化較為一致，800 hPa以下均為偏南風(fēng)，800 hPa以上主要為偏北風(fēng)。風(fēng)速廓線中兩種數(shù)據(jù)的變化趨勢也較為一致，均呈增大趨勢，風(fēng)速大小交替變化。

2.4 偏差原因分析

兩種不同的探測儀器其探測結(jié)果勢必會存在一定差異，究其原因，主要有：①探測原理的不同。L波段探空隨氣球的上升開始探測，是自下而上的探測；而探空火箭正好相反，當(dāng)火箭上升到最大高度后開始下落時探測，是從上而下的探測。②探測時間的差異。兩種探測方式最接近的個例在時間上相差15 min左右，大部分個例相差近2 h以上，大氣的溫、濕各要素隨時間變化明顯，不同的時間氣象要素必然存在差異。③儀器自身造成的差異。探空火箭和探空氣球所攜帶的是不同廠家型號的溫、濕傳感器，不同廠家的儀器之間，在探測精度方面也會存在一定差異。除這些客觀因素外，探測距離及環(huán)境風(fēng)場也會對探測結(jié)果造成差異。兩種儀器雖布設(shè)在同一氣候區(qū)域，但直線距離達(dá)30 km，水平探測距離上的差異也會產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)差異。為進(jìn)一步探討分析探測距離和環(huán)境風(fēng)場對探空火箭探測結(jié)果造成的影響，計算了兩種探測方式同一氣壓高度上的水平距離和平均偏差，平均偏差是探空火箭同L波段探空數(shù)據(jù)的差值。圖5是各要素平均偏差隨探測高度和水平距離的變化，由圖5中可以看出，不同要素平均偏差受探測高度和水平距離的影響特征不同。氣溫平均偏差在高層(750 hPa以上)隨水平距離增加(圖5a)，平均偏差增大，平均偏差的最大值達(dá)到了2.5 ℃；在低層(750 hPa以下)隨水平距離增加偏差減小。相對濕度平均偏差在850 hPa以上受水平距離影響不大(圖5b)，在800～850 hPa之間相對濕度隨水平距離增加平均偏差增大。風(fēng)速的平均偏差范圍在0～3.5 m/s之間(圖5c)，隨水平距離增加偏差略有增加。風(fēng)向的相對偏差在850 hPa以上受水平距離影響不大(圖5d)，850 hPa以下，相對偏差隨水平距離增加而增大。環(huán)境風(fēng)場對氣溫和相對濕度的探測結(jié)果有一定的影響，隨風(fēng)速增大，相對濕度和溫度的偏差增大；風(fēng)向?qū)ο鄬穸群蜏囟鹊挠绊懸?guī)律不明顯。可以看出，氣溫偏差受水平距離的增加偏差值增大，平均偏差最大值為2.5 ℃；相對濕度和風(fēng)向在近地層，隨水平距離增加偏差值增大，但在700 hPa以上平均偏差基本穩(wěn)定；風(fēng)速隨水平距離增加，偏差值略有增加。由于水平探測距離的增大，對探空火箭探測結(jié)果造成了一定的數(shù)據(jù)偏差，對于人影野外作業(yè)需要，溫度、風(fēng)速、風(fēng)向的偏差值是可以接受的；為了更好在科研業(yè)務(wù)中應(yīng)用，探空火箭探測的相對濕度需要進(jìn)行訂正，以提高其數(shù)據(jù)的可用性。

圖4 2014年12月4日探空火箭與L波段探空相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速垂直廓線對比

2.5 相對濕度訂正

由前面分析可知，探空火箭相對濕度雖然平均偏差大，但與L波段探空的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.67。相對濕度表示空氣中的絕對濕度與同溫度下的飽和絕對濕度的比值，是人工影響天氣作業(yè)非常重要的一項指標(biāo)，通過擬合L波段探空相對濕度來訂正探空火箭的探測結(jié)果。通過相關(guān)分析，建立的相對濕度訂正擬合方程為：

RH=2.565+1.116RHT

(4)

式(4)中，RH為訂正后的探空火箭相對濕度，RHT為訂正前的探空火箭相對濕度。擬合方程的R2值為0.71，通過了0.01顯著性水平的檢驗。采取納什效率系數(shù)法[26]對建立的模型進(jìn)行率定，納什效率系數(shù)為0.5，說明訂正后的相對濕度與L波段探空的相對濕度吻合程度較好。圖6為用擬合方程(4)對2014年11月27日、11月28日和12月4日3次探空火箭試驗相對濕度進(jìn)行訂正后的結(jié)果，由圖可以看出，進(jìn)行訂正后偏差有了明顯下降，和L波段探空的相對濕度一致性有了很大提升。擬合方程對探空火箭相對濕度的訂正是有效的。

圖5 探空火箭與L波段探空數(shù)據(jù)相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速平均偏差隨水平距離、探測高度的變化

3 結(jié)論

通過對TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空各要素、不同高度層的均方根誤差、變化特征進(jìn)行對比分析后，得出以下結(jié)論：

(1)兩種探測方式同要素間均呈顯著的正相關(guān)，并通過了0.05顯著性水平的檢驗；溫度、風(fēng)速和相對濕度的相關(guān)性較好，分別達(dá)到了1.0、0.91和0.67；風(fēng)向相關(guān)性略差，相關(guān)系數(shù)為0.18。溫度、風(fēng)速平均偏差和離散度較小，探測效果最好；相對濕度的平均絕對偏差雖大，但相關(guān)性較好；風(fēng)向的離散度最大，相關(guān)性相對較差。

圖6 2014年訂正后的探空火箭與L波段探空相對濕度垂直廓線對比:(a)11月27日,(b)11月28日,(c)12月4日

(2)從同要素不同高度的對比分析來看，溫度和風(fēng)速在各高度層相關(guān)性較好，離散度較?。幌鄬穸仍诓煌叨葘泳收嚓P(guān)，各高度層離散度在16.9%～18.3%之間；風(fēng)向在各高度層的離散度較大，相關(guān)性也較差。

(3)從各要素的垂直廓線對比分析來看，溫度和風(fēng)速廓線的變化趨勢一致性很高，且數(shù)據(jù)差異較小，對大氣溫度和風(fēng)速的測量比較準(zhǔn)確；相對濕度廓線的變化趨勢存在一定差異，前者相對濕度較后者明顯偏小；風(fēng)向廓線在700 hPa以上一致性較高，數(shù)據(jù)差異較小，700 hPa以下一致性較低，數(shù)據(jù)差異較大。

(4)水平探測距離對探空火箭的探測結(jié)果造成了一定的數(shù)據(jù)偏差，氣溫偏差隨水平距離增加而增大，相對濕度和風(fēng)向在近地層隨水平距離增加偏差增大，風(fēng)速隨水平距離增加偏差略有增加。探空火箭探測的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向能夠滿足人影野外作業(yè)需求，而相對濕度則需要進(jìn)行訂正，以提高其可用性。通過相關(guān)分析建立的擬合方程對探空火箭相對濕度進(jìn)行訂正后，數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提升。