新型探空儀常見問題分析

梁建平，郭 凱，譚 婓，韋麗英，李 江

(1.桂林市氣象局，桂林 541001；2.廣西區(qū)氣象局信息中心，南寧530022；3.百色市氣象局，百色 533000)

0 引言

為進一步提升國家高空氣象觀測水平，中國氣象局綜合觀測司組織開展了探空儀換型工作，2020-01-01T08：00，高空氣象觀測站正式采用新型探空儀作為業(yè)務(wù)使用探空儀。換型后的儀器分別是南京大橋機器有限公司生產(chǎn)的GTS11型、上海長望氣象科技股份有限公司生產(chǎn)的GTS12型和太原無線電一廠有限公司生產(chǎn)的GTS13型探空儀。與之配套的基測箱型號有JKZ1-1、JKZ2-1、JKZ3-1和JKZ4-1，廣西6個高空探測站均使用JKZ1-1型基測箱。從中國氣象局觀測司發(fā)布的技術(shù)指標(biāo)可以看出(表1)，3個廠家生產(chǎn)的新型探空儀性能指標(biāo)比2020年以前業(yè)務(wù)用探空儀(GTS1、GTS1-1、GTS1-2)的各項性能指標(biāo)均有較大幅度提升，業(yè)務(wù)穩(wěn)定性指標(biāo)均能滿足業(yè)務(wù)需求[1]。為了解目前各個型號探空儀之間的系統(tǒng)差異，文章對2556個探測時次的施放情況進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)各種型號的新型探空儀故障率均高于換型前的GTS1型，可見新型探空儀在基層臺站實際使用過程中，仍存在一些有待完善的問題，文章將對觀測站發(fā)現(xiàn)的相關(guān)問題進行探討并提出解決意見。

表1 改進前后各型號探空儀標(biāo)準(zhǔn)偏差對比

1 新型探空儀常見問題

文章通過對廣西6個臺站新型探空儀半年多的施放情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)放球前的主要故障為基測不合格或儀器無信號、施放前溫度傳感器易斷、濕度傳感器保護套脫落；氣球施放后的主要故障為傳感器變性(以溫度和濕度最為頻繁)或突失、傳感器變性或突失導(dǎo)致的重放球。

在2020年1月、7月完成的冬夏兩個階段的探空儀平行觀測期間，依照中國氣象局的規(guī)定，上、中、下旬分別使用GTS11型、GTS12型、GTS13型探空儀與GTS1進行比對。通過對該階段的統(tǒng)計，GTS13型施放前不合格或無信號故障率最高，達(dá)到155.3‰；GTS12型施放后變性或突失和施放后導(dǎo)致重放故障率最高，分別為45.8‰和20.8‰。

2-6月，6個臺站隨機使用3種型號探空儀進行探測，由此對1-7月探空儀使用情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)兩種方法統(tǒng)計的新型探空儀故障率均高于換型前的GTS1型。就廣西6個高空探測站而言，2019年1-7月與2020年同期相比，GTS1、GTS11、GTS12和GTS13施放前不合格或無信號等故障率分別為15‰、33.6‰、60.9‰、89.6‰；施放后突失或變性等故障率分別為28‰、42.9‰、35.3‰、24.9‰；施放后導(dǎo)致重放的故障率分別為6‰、9.3‰、4.8‰、11.2‰，新型探空儀施放前后故障率與重放氣球率均偏高，部分廠家儀器故障率比中國氣象局考核指標(biāo)極值8‰還要高。

2 施放后儀器故障判斷

2.1 溫度變性的判斷

當(dāng)溫度傳感器飛升進入較冷空氣中，若傳感器上粘附的降水未能及時排干，其凍結(jié)施放的潛熱將使氣溫升至0 ℃附近，產(chǎn)生虛假的“0 ℃等溫層”現(xiàn)象[2]，工作中最常見的是溫度曲線突變?yōu)?90 ℃并保持不變，即僵值。僵值是指探測過程中出現(xiàn)探測要素值恒定不變的異常情況[3，4]。出現(xiàn)僵值時觀測員比較容易識別，可以直觀判斷為儀器故障。而有些觀測時次溫度只是在某個高度層開始變化，偏離規(guī)定等壓面的溫度值，如57957測站2020-05-17T20：00觀測到儀器溫度變性情況(表2)，變性記錄從700 hPa后溫度開始偏低，與之前探測時次的相同高度層相比，600～200 hPa規(guī)定等壓面與正常記錄(表3)溫度偏差值達(dá)-17.5～-10.9 ℃，與溫度相關(guān)的要素如平均溫度、溫度露點差均出現(xiàn)較大偏差。

表2 變性記錄等壓面溫度相關(guān)要素值

表3 正常記錄等壓面溫度相關(guān)要素值

2.2 濕度變性的判斷

濕度變性通常表現(xiàn)為濕度值出現(xiàn)僵值。國產(chǎn)探空濕度元件由于性能問題，在對流層高層低溫環(huán)境下易被凍結(jié)導(dǎo)致測濕元件癱瘓，所測相對濕度降低至2%以下，并僵持不變；而在對流層低層，濕度元件從高飽和度到低飽和度轉(zhuǎn)換過程中無法及時恢復(fù)也會出現(xiàn)濕度僵值。在實際工作中，濕度變性發(fā)生頻率較高的時次通常在降水天氣，如57957測站在2020-07-27T08：00探測過程中遭遇持續(xù)降水且風(fēng)速達(dá)4 m/s的天氣現(xiàn)象，儀器施放1 min后，濕度值達(dá)到100%RH成為僵值，探空曲線顯示濕度曲線為直線。59211測站2020-08-10T20：00探測遭遇雷暴天氣，在施放高度700 hPa附近，濕度變成100%RH的僵值。與濕度相關(guān)的要素如平均濕度、露點、溫度與露點差均出現(xiàn)較大偏差，疑似濕度變性。

2.3 信號突失判斷

探測過程中，氣溫、氣壓和濕度信號突然消失，導(dǎo)致探測未達(dá)500 hPa，通常有幾種原因：一是探測系統(tǒng)不能在大雨、雷暴附近和強積冰的條件下持續(xù)可靠工作；二是儀器遭雷擊或電路板沾水等原因；三是電池電壓未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓值以上。

3 故障原因分析及處理

3.1 對出箱儀器作外觀檢查

新型探空儀主體部分由溫度傳感元件、濕度傳感元件、氣壓傳感元件、測量轉(zhuǎn)換器和發(fā)射機等構(gòu)成。開箱后檢查儀器的包裝和各感應(yīng)元器件完好程度，如溫度感應(yīng)器是否斷裂，濕度傳感器的保護套是否松動，電路板接口間是否連接緊密。值得注意的是，無論使用哪種型號的探空儀，均禁止用手觸摸溫濕度傳感器，防止損壞傳感器，引起溫濕度變性。

3.2 對基測不合格和無信號儀器進行原因分析

統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)基測遇到的溫濕度不合格率占比遠(yuǎn)高于無信號故障率占比，除了儀器自身故障，還要考慮是否存在環(huán)境因素。

3.2.1 濕度不合格

不同地區(qū)的臺站，根據(jù)當(dāng)?shù)靥綔y環(huán)境，配置不同百分比的恒濕鹽，在基測過程中則要考量濕度基測值與恒濕鹽百分比的差值。如果因差值過大造成多個儀器在相同環(huán)境下濕度不合格，可以考慮將儀器放在自然穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中，觀察儀器的濕度基測值與儀器值的差值范圍是否在合格范圍內(nèi)，若合格，則可以放棄恒濕鹽環(huán)境進行基值測定。出現(xiàn)濕度值偏大或為100%RH時，應(yīng)檢查紗布是否套緊，紗布盒內(nèi)是否有純凈水，紗布條是否浸泡其中。工作中發(fā)現(xiàn)JKZ1-1型基測箱包裹感應(yīng)器部分的紗布經(jīng)常處于干燥狀態(tài)，這是導(dǎo)致濕度不合格的重要原因之一，觀測員不應(yīng)以此判斷濕度變性而報廢探空儀。

3.2.2 施放前無信號或信號異常

儀器到臺站后信號異常為：1)常見問題是探空通道信號不暢，放球軟件的“終端-雷達(dá)通訊指示”只有雷達(dá)發(fā)送給終端信號指示。此時觀測員不應(yīng)急于報廢儀器，而應(yīng)檢查基測箱電源開關(guān)是否打開，儀器與連接線的插口是否緊實，判斷儀器是否已經(jīng)通電，雷達(dá)頻率和儀器型號是否正確。2)溫壓濕信號跳變到基測前狀態(tài)(溫度-50 ℃，濕度100%RH，氣壓1050 hPa)。此時應(yīng)將儀器升空，用雷達(dá)天線自動跟蹤儀器，并且將頻率調(diào)到合適的位置，若信號依然沒有恢復(fù)正常，則考慮儀器出現(xiàn)故障，并更換儀器。

3.3 電池使用注意事項

理想的無線電探空儀的電池應(yīng)具有充足的容量，WMO要求電池在15 ℃溫度條件下，要有長達(dá)3 h工作的電流且輸出電壓不能低于要求值的5%；當(dāng)溫度從15 ℃降至-10 ℃時，輸出電壓不應(yīng)低于要求值的10%。GTS13型探空儀使用的是干電池，相對來說干電池在釋放電量期間輸出電壓的變化比浸水活化電池要大，因此在裝配時需測量電池電壓，確保測量的電壓符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電壓低于22 V時應(yīng)先充電再使用。GTS11、GTS12型探空儀使用的是浸水活化型電池，它比干電池輕，在釋放電能期間的電壓變化遠(yuǎn)小于干電池，因此在地面準(zhǔn)備時，要在使用前1 h拆封，在施放前 30 min將電池根據(jù)配方規(guī)定注入電液，電池浸入電液 3～5 min后取出，滴去余水，放入保溫盒內(nèi)。浸入電液的時間切勿過長，否則影響使用效果。切勿擠壓水或用力甩水，否則電池內(nèi)含水過少，影響使用時間。

對于GTS12型探空儀，要求將其電池插頭通過連接線與基測箱后面板的電池插座連接，以檢測電池電壓是否滿足探空儀使用，當(dāng)電壓上升到規(guī)定的電壓值(18～22 V)時，取下電池插頭，備用。對GTS11型探空儀使用的電池，進行電池賦能時不可用其他廠家賦能設(shè)備，必須使用南京廠生產(chǎn)的電池賦能盒對GTS11電池賦能。

3.4 探空儀使用注意事項

在地面準(zhǔn)備儀器時不可用手扳動銀色溫濕度傳感器支架，操作時避免觸碰溫濕度傳感器，避免引起溫濕度變性。對于GTS13型探空儀，裝配時上推支撐泡沫塊動作要平緩，溫濕感應(yīng)器支架要保持一定彎曲弧度，遇有泡沫塊吻合度小的，要用膠布繞緊，否則易造成支架松動和引線折斷，從而導(dǎo)致溫濕度變性。GTS12 型數(shù)字探空儀在雨天要用防水膠布將溫濕感應(yīng)器支架伸出部位與包裝盒銜接處空口密封，以防雨水滲入導(dǎo)致電路板短路。GTS11施放時，探空儀溫度和濕度測量元件的支撐臂應(yīng)向上彎曲，當(dāng)探空儀天線向下時，使支撐臂與水平面的夾角為15°～45°，以防止雨水通過傳感器桿進入儀器艙內(nèi)。

3.5 溫濕感應(yīng)器相關(guān)注意事項

當(dāng)遇到臺風(fēng)過境、大風(fēng)、暴雨、暴風(fēng)雪等天氣時，儀器在升空等待施放的過程中容易出現(xiàn)溫度傳感器斷裂、濕度保護套掉落等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致新型探空儀溫濕度變性。處理方法是將GTS13、GTS12型探空儀的溫濕度感應(yīng)器保護套(GTS11型的保護支架)在升球前取下，基測結(jié)束后重新套上，避免在移動或裝配的過程中不小心觸碰導(dǎo)致溫度傳感器斷裂。如果遇到大風(fēng)天氣，應(yīng)該使用大風(fēng)放球器，在繩與儀器連接的時候把保護套取下，防止由于大風(fēng)造成溫感斷裂和濕度保護套脫落導(dǎo)致的遲測。多次觀測發(fā)現(xiàn)，未取下溫濕感應(yīng)器保護套會帶來高空的溫濕度信號波動，尤其是溫度曲線，鋸齒狀明顯。實際工作中遇到強降水天氣時，應(yīng)保護相對濕度傳感器不受雨或冰的影響，避免將其完全暴露于環(huán)境空氣中。

4 結(jié)束語

溫度和水汽場垂直結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測量，對各種類型的天氣預(yù)報，尤其是區(qū)域性和局地性天氣預(yù)報是極為重要的。頻繁更換和報廢儀器不僅會造成人力和財力的浪費，還會給觀測資料的實時獲取和探測精度帶來影響。中國共有120個高空探測站，大部分是全球高空資料交換站，對新型探空儀使用情況進行分析研究并找出存在的問題，能夠為廠家改進儀器、提高儀器性能提供直接的參考依據(jù)。