L波段高空探測系統(tǒng)的時差及其測量不確定度

梁靜舒 王海深 胡姮

(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引言

高空氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)之一，是天氣預(yù)報、氣候分析、科學(xué)研究和國際交換氣象情報和資料的主要來源[1]。L波段高空探測系統(tǒng)是高空氣象觀測的重要組成部分，也是我國自主研制的新一代探空系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)字探空儀和二次測風(fēng)雷達(dá)構(gòu)成，具有探測精度高、采樣速率快、使用方便等特點，實現(xiàn)了高空氣象探測儀器的數(shù)字化和自動化[2-3]。試驗結(jié)果表明，L波段高空探測系統(tǒng)較59-701高空探測系統(tǒng)所測的溫度、高度資料更穩(wěn)定、離散率更小，對提高預(yù)報準(zhǔn)確率有利[2]；在溫度較低的對流層上層，GTS1型電子探空儀測定的濕度數(shù)據(jù)較59型探空儀更加精確[3]。

L波段高空探測系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)越性, 但在探測精度方面仍有一定局限性，尤其是在氣壓和高度方面[4-5]。研究表明，L波段電子探空儀氣壓值一直較RS92型探空儀偏低，系統(tǒng)差絕對值在低層要高于高層[6]；L波段高空探測系統(tǒng)所反映出的測高偏差隨探測高度的增加而不斷變大；L波段雷達(dá)和GTS1型探空儀測量高度差值隨探空儀的升高而逐漸增大[5]；還有研究對L波段高空探測系統(tǒng)的測風(fēng)算法提出了改進(jìn)方法[7-8]。

探空儀需要在運動狀態(tài)中測量氣象要素，若地面計算機(jī)軟件賦予探空儀測量要素的時間與測量元件感應(yīng)的時間不一致，其測量結(jié)果就無法正確地反映氣象要素的實際變化，并由此造成測量誤差。

分析L波段GTS1型探空儀和地面數(shù)據(jù)處理軟件的時序安排發(fā)現(xiàn)，探空儀和地面數(shù)據(jù)處理軟件都有測量與賦時不同步的問題，該問題也通過GTS1型探空儀與芬蘭RS92型探空儀的同球比對施放試驗得到了證明。通過進(jìn)一步分析計算確認(rèn)，L波段雷達(dá)高空探測系統(tǒng)由于測量與賦時不同步造成的氣象要素測量結(jié)果不確定度是不可忽視的，亟需改進(jìn)探空儀及其數(shù)據(jù)處理軟件。針對北斗-GPS雙模式探空測風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，本文提出了該問題的改進(jìn)方法。

1 L波段高空探測系統(tǒng)的時序設(shè)計

L波段高空探測系統(tǒng)的時序設(shè)計包括探空儀和探空數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，下面分別對上述兩部分的時序設(shè)計進(jìn)行分析。

1.1 探空儀

探空儀的時序設(shè)計，主要考慮探測敏感元件感應(yīng)氣象要素的時間與發(fā)射機(jī)發(fā)出的時間之間是否有時間差。目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的L波段探空儀主要是GTS1型探空儀，廠方發(fā)布的電路圖如圖1所示。

圖1 GTS1型電子探空儀的電路原理

可以看出，4個測量元件經(jīng)三路電阻-電壓轉(zhuǎn)換，一路電壓-電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)“多路開關(guān)”的排序進(jìn)入“模數(shù)轉(zhuǎn)換”，將電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，然后進(jìn)入“微處理器”(即單片計算機(jī))，顯然采用的是串行體制，必須經(jīng)過一段時間才能將四路氣象信號傳入微處理器。此后在微處理器中設(shè)置了1個“更新單元”，即1個數(shù)據(jù)儲存器，探空儀測量電路的輸出，周期性地推向這個儲存器，使儲存器中的數(shù)據(jù)始終是最新的一組。GTS1型探空儀更新單元的更新周期為1.2 s。

探空儀的信號發(fā)射由單片計算機(jī)的程序控制，其時間分配為0.2 s發(fā)送氣象數(shù)據(jù)，0.8 s用于雷達(dá)測距，1 s為1個重復(fù)周期。在發(fā)送氣象數(shù)據(jù)時從“更新單元”中取出氣象數(shù)據(jù)，以發(fā)射機(jī)的調(diào)制信號發(fā)出。

由于氣象數(shù)據(jù)的“更新單元”1.2 s更新1次。而取出數(shù)據(jù)發(fā)射的時刻，由單片計算機(jī)軟件給出的時標(biāo)確定，為1 s 1次。這樣，在不考慮測量傳感器本身滯后的情況下，探空儀這種時序安排就使得氣象要素的感應(yīng)時間與實際發(fā)出的時間之間產(chǎn)生了在0～1.2 s變化的時間差。

1.2 數(shù)據(jù)處理軟件

L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件在時序安排上，采用了探空儀的做法，同樣設(shè)計了一個“更新單元”，其更新周期同樣為1.2 s。L波段軟件從氣象信號的接收到賦時的基本流程是：探空信號由接收機(jī)接收、變換后輸入探空儀廠家提供的“軟件包”(即解碼單元)變?yōu)闅庀笮盘?，然后存入“更新單元”等待讀取。數(shù)據(jù)處理計算機(jī)產(chǎn)生連續(xù)不斷的秒間隔信號，到“更新單元”中去取氣象數(shù)據(jù)，取來后賦予計算機(jī)的時間，分辨力為1 s。

地面軟件的設(shè)計采用了與探空儀相同的方式。不論軟件是否讀取數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)在“更新單元”中每間隔1.2 s更新1次，與讀取的時間無關(guān)。這樣，顯然又造成了在0～1.2 s變化的時間差。

由于更新單元為1.2 s更新1次，數(shù)據(jù)處理軟件1秒取1次數(shù)據(jù)，這就不可避免地會出現(xiàn)在1個周期內(nèi)取2次相等數(shù)據(jù)的情況，由于只有0.2 s之差，發(fā)生這種情況的概率并不大。但在探空信號受到干擾，每組的標(biāo)志碼不能檢出時，“更新單元”中的數(shù)據(jù)就不會變化了。這就是業(yè)務(wù)探空中，氣象要素曲線出現(xiàn)直線(不變)的原因。

2 時差所致探空測量結(jié)果隨機(jī)變化

由于探空儀敏感元件感應(yīng)氣象參數(shù)的時間與賦予的時間之間存在誤差，而該時差在0～2.4 s之間隨機(jī)變化，必然引起探測數(shù)據(jù)的起伏。在業(yè)務(wù)探測時，因為沒有標(biāo)準(zhǔn)值，這種情況很容易被忽略。

2013年12月，中國氣象局在廣東陽江進(jìn)行了北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀與芬蘭RS92型探空儀的比對試驗，業(yè)務(wù)L波段雷達(dá)-GTS1型電子探空儀探測系統(tǒng)也參加了試驗。采用同球施放的方法得到了2種探空系統(tǒng)之間的比對試驗結(jié)果。

以RS92型探空系統(tǒng)的測量結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)值，計算L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)所測溫度、氣壓和濕度的誤差。為便于分析和研究,將L波段探測系統(tǒng)探空儀測量至軟件賦時的時間差造成數(shù)據(jù)隨機(jī)波動的情況放大，只取每次施放從地面至升空后90 s的比對結(jié)果，制作L波段高空探測系統(tǒng)與RS92型探測系統(tǒng)間的誤差曲線分布。同球施放共40次，溫度、氣壓和濕度的誤差分布如圖2所示。

圖2 2013年12月廣東陽江GTS1型探空儀與RS92型探空儀同球施放比對試驗溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

可以看出，各次施放溫度誤差隨施放時間成折線變化，各次施放間有較大系統(tǒng)差異，但誤差隨施放時間的變化是基本相同的，2 s間的誤差變量通常在0～0.4 ℃之間；氣壓誤差隨施放時間的變化情況與溫度基本相同，2 s間的誤差變量多數(shù)在0～1 hPa之間；相對濕度在2 s間的誤差變量多數(shù)在0～2%之間。

由于本次試驗1次只施放了1個RS92型探空儀，無法得到其本身2個之間誤差的變化情況。這里取2008年7月錫林浩特國產(chǎn)GPS探空儀選型試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該試驗中每次都同球施放了3個RS92型探空儀，共進(jìn)行26次施放。用其中2個RS92型探空儀的施放結(jié)果，求得它們之間的相互差值，制作與圖2相同的誤差分布曲線。為便于比較，采用了與圖2相同的時間和各氣象要素誤差坐標(biāo)尺度。RS92型探空儀溫度、氣壓和濕度誤差分布曲線如圖3所示。

圖3 2008年7月錫林浩特RS92型探空儀同球施放26次自比對試驗溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

RS92型探空儀誤差分布最明顯的特征是，溫度、氣壓和濕度的誤差均存在明顯的“邊界”，即限制在一定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。各次施放，間隔2 s的誤差變化，溫度最大為0.1 ℃，氣壓最大為0.2 hPa，相對濕度最大為1%，通常為相應(yīng)氣象要素的一個分辨力。由于RS92型的誤差散布較小，可以說明用圖2表示GTS1型探空儀的誤差數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

由此可以得出，由L波段高空探測系統(tǒng)的時序設(shè)計造成的測量元件感應(yīng)氣象要素至地面設(shè)備計算機(jī)軟件賦時之間的時間差，造成了測量結(jié)果的隨機(jī)波動是確定無疑的。對于探空儀，發(fā)射機(jī)發(fā)出氣象信息，讀取“更新單元”中的數(shù)據(jù)時，氣象數(shù)據(jù)可能剛更新過，也可能已經(jīng)維持了1.2 s以內(nèi)的一段時間。與測量元件感應(yīng)氣象要素的時間相比，發(fā)射機(jī)發(fā)出的時間總是延遲的，其誤差的變化是隨機(jī)的。地面數(shù)據(jù)處理軟件與探空儀造成的時間誤差分布與探空儀相同。

3 L波段探空系統(tǒng)時差造成的測量結(jié)果不確定度

時間差的增加相當(dāng)于改變了測量傳感器的時間常數(shù)，而作為一階測量系統(tǒng)的溫度、氣壓和濕度傳感器，其時間常數(shù)可以造成被測量值隨時間實際變化的幅度衰減和相位滯后，是不能忽略的。時間差造成的測量結(jié)果不確定度，可用施放時各氣象要素隨高度變化的速率和時差對應(yīng)的高度計算。0.98 s的時間差所造成溫度、氣壓和濕度測量的不確定度主要取決于施放時氣球上升的速度和氣象要素的變化率。以中國氣象局2010年發(fā)布的《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》[10](以下簡稱“《規(guī)范》”)規(guī)定的氣球標(biāo)準(zhǔn)升速計算，氣球平均升速為6.7 m/s，則在0.98 s的時間內(nèi)探空儀上升的高度約為6.6 m?！兑?guī)范》提供了單位高度氣壓訂正值，在原表基礎(chǔ)上列出時差對應(yīng)高度可能引起的氣壓的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(表1)。

表1 時差對應(yīng)高度可能引起的氣壓標(biāo)準(zhǔn)不確定度

《規(guī)范》沒有列出氣壓小于480 hPa的數(shù)據(jù)，但可以估計，時差造成氣壓的不確定度隨氣壓降低而減小。在對流層頂高度以下，大氣溫度的平均遞減率為每上升100 m降低0.65 ℃，由時差0.98 s對應(yīng)6.6 m高度計算，其對應(yīng)的溫度誤差約為0.04 ℃，對于探空儀的誤差來說可以忽略。濕度隨高度的變化與施放時的天氣條件有關(guān)，在探空儀出云入云時，有在1 s時間內(nèi)相對濕度變化超過10%的記錄。在這種情況下，時差的主要作用是對濕度變化幅度的衰減和相位滯后，相當(dāng)于濕度測量元件時間常數(shù)的增加或減小所引起的濕度誤差變化。由于情況復(fù)雜，本文不作討論。

可以得出的初步結(jié)論是，L波段探空系統(tǒng)總體的時差對氣壓測量影響較大，對溫度的影響較小，對濕度的影響較為復(fù)雜。目前業(yè)務(wù)中，由于探空業(yè)務(wù)應(yīng)用文件對大氣的分層主要是氣壓和位勢高度，而位勢高度又主要取決于氣壓，因此，由時差造成的氣壓不確定性，將對探空應(yīng)用文件的準(zhǔn)確性造成一定影響。從時差形成的機(jī)理可知，相對于測量元件的感應(yīng)時間總是延遲的，其總體散布中心為測量元件感應(yīng)氣象要素后1.2 s，時差散布的擴(kuò)展不確定度為0.98 s，氣壓誤差最大可達(dá)0.86 hPa。

4 探空儀及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的時序設(shè)計

為保證探空儀測量數(shù)據(jù)的瞬時性，使探空儀的測量結(jié)果能夠正確反映大氣要素的實際變化，避免測量元件感應(yīng)氣象要素的時間與數(shù)據(jù)處理賦予時間之間產(chǎn)生時間差是非常必要的。即將在業(yè)務(wù)中推廣的北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀，其設(shè)計就采用了消除時差的方法，大大減小了測量結(jié)果的隨機(jī)誤差，且在2013年12月中國氣象局陽江試驗中效果良好。試驗所用的2個探空儀25次自比對結(jié)果，按照圖3對RS92型探空儀自比較誤差的處理方法，所得誤差曲線分布如圖4所示。

圖4 2013年12月廣東陽江北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀25次同球施放自比對試驗溫度(a)、氣壓(b)、相對濕度(c)誤差分布

可以看出，該探空儀的溫度誤差散布小于芬蘭RS92型探空儀，氣壓與RS92型相當(dāng)，而濕度稍差，基本達(dá)到了芬蘭RS92型探測系統(tǒng)的水平。與RS92型比較，我國探空儀的誤差曲線沒有明顯的邊界，即仍然處于一個隨機(jī)變量的影響之下。

該探空儀采用的時序設(shè)計見圖5所示。其總體思路是，將所有的測量元件和標(biāo)準(zhǔn)器件通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷盒盘枺缓笸ㄟ^A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器件)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并行連接在單片計算機(jī)上。目前的單片計算機(jī)通常有很多A/D轉(zhuǎn)換接口，也可以直接采用單片計算機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器以簡化電路。

圖5 北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀時序設(shè)計

由于該探空儀測風(fēng)系統(tǒng)由衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收處理膜片產(chǎn)生衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和時間，并于1 s間隔產(chǎn)生信號使發(fā)射機(jī)發(fā)送信息，這樣在發(fā)射衛(wèi)星定位信息后立即可對氣象信息進(jìn)行掃描，使氣象數(shù)據(jù)緊跟在定位信息之后，形成一組包括衛(wèi)星定位信息和氣象溫度、氣壓和濕度的數(shù)據(jù)組，其時間放在最前面，是由導(dǎo)航衛(wèi)星賦予的，與地面數(shù)據(jù)處理計算機(jī)無關(guān)。該方案解決了L波段探測系統(tǒng)將測風(fēng)和探空數(shù)據(jù)分為2個文件，致使探空和測風(fēng)數(shù)據(jù)不同步的問題。同時，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程在10 ms左右，而順序掃描所有A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的時間也在毫秒量級，這樣造成的時間差是很小的。

綜上所述，即將在業(yè)務(wù)中推廣的北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀的改進(jìn)方案將顯著提升我國的探空系統(tǒng)水平、提高探空業(yè)務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

探空儀是在運動中測量氣象信息的，其時間差不但可以使探測數(shù)據(jù)產(chǎn)生隨機(jī)波動，同時還相當(dāng)于增加了測量傳感器的時間常數(shù)，使氣象要素的實際變化造成幅度衰減和相位滯后，而進(jìn)一步產(chǎn)生誤差。因此，探空系統(tǒng)的時序設(shè)計是一個特別值得注意的問題。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，L波段探空系統(tǒng)總體時差對氣壓測量影響較大，對溫度的影響較小，對濕度的影響較為復(fù)雜；相對于測量元件的感應(yīng)時間總是延遲的，其總體散布中心為測量元件感應(yīng)氣象要素后1.2 s，時差散布的擴(kuò)展不確定度為0.98 s，氣壓誤差最大可達(dá)0.86 hPa。目前北斗-GPS雙模式導(dǎo)航測風(fēng)探空儀的設(shè)計中采用了消除時差的方法，大大減小了測量結(jié)果的隨機(jī)誤差，為該問題提出了改進(jìn)方法。