L波段測風(fēng)雷達與北斗探空系統(tǒng)測風(fēng)數(shù)據(jù)對比分析

官海嘯 李佰春 李 瑤 祝正君

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心西昌觀測站 四川·西昌 615000）

0 引言

高空測風(fēng)有多種方式，主要分為有球測風(fēng)和無球測風(fēng)兩種。有球測風(fēng)主要以常規(guī)氣球測風(fēng)為主，為滿足一些特殊業(yè)務(wù)和科研需求，目前高空風(fēng)探測的還有下投式探空儀探測與自由漂浮、平飄和系留氣球探測等；在高空風(fēng)的無球探測方面，風(fēng)廓線雷達、激光雷達、與聲雷達是典型的代表。但是目前最常用的高空風(fēng)探測手段還是常規(guī)氣球測風(fēng)，時間最長的高空風(fēng)觀測記錄就是通過全球觀測網(wǎng)絡(luò)，每天施放無線電探空儀獲取，這種探測方法已經(jīng)提供自20世紀30年代以來的高空氣象變量的數(shù)據(jù)庫。

對于有球探測測風(fēng)技術(shù)，目前全球可以分為4種類型：高空氣象探測雷達-探空儀系統(tǒng)、GPS測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)、導(dǎo)航測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)和無線電經(jīng)緯儀測風(fēng)-探空儀系統(tǒng)。目前國際上都在發(fā)展GPS測風(fēng)探空系統(tǒng)，而中國主要使用雷達測風(fēng)體制，從2002年開始，對探空系統(tǒng)進行了升級換代，基本形成了以L波段雷達-電子探空儀為主體的探測體系；對于地面二次雷達，影響測量精度的因子復(fù)雜，包括方位角、仰角和距離的測量誤差，風(fēng)速大小以及計算方法等，甚至與地面雷達本身的維護與標定都有很大的關(guān)系。對于GPS測風(fēng)，其測量誤差僅取決于GPS芯片的信號處理與采用的平滑算法，2005年毛里求斯開展的氣象探空國際結(jié)果對比，所有GPS測風(fēng)在全量程范圍內(nèi)都已經(jīng)提供了足夠高度的測量精度，能滿足氣候觀測需求。因此GPS測風(fēng)體制具有較大的優(yōu)越性，衛(wèi)星導(dǎo)航測風(fēng)是未來氣象探空的發(fā)展方向，隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與成熟，中國探空業(yè)務(wù)將從二次雷達測風(fēng)過渡到衛(wèi)星導(dǎo)航測風(fēng)系統(tǒng)。

1 資料來源

取自西昌市某氣象臺站2020年6月1日～30日09：00時L波段雷達一電子探空儀系統(tǒng)（以下簡稱L波段雷達）與北斗探空系統(tǒng)的同步對比觀測資料。

2 數(shù)據(jù)對比分析

2.1 位勢高度、溫度同步對比

位勢高度是高空氣象探測的重要指標，通過標準等壓面上的平均溫度、平均濕度，利用公式計算得到位勢高度，其精確性對高空氣象探測的數(shù)據(jù)意義重大。由于標準等壓面上的溫度、濕度都是利用傳感器得到，因此傳感器的質(zhì)量高低影響溫度、濕度的數(shù)據(jù)精度，測風(fēng)雷達和北斗測風(fēng)系統(tǒng)的地面接收機通過接收高空氣象探測儀的數(shù)據(jù)，利用后端計算機程序直接計算得到位勢高度的數(shù)據(jù)，因此兩者計算的結(jié)果主要是受溫濕度的精度影響。

為了對比L波段測風(fēng)雷達和北斗探空系統(tǒng)位勢高度數(shù)據(jù)的差異性，選定了15個相同等壓面進行計算，西昌地區(qū)近地面高度約為844hPa，探空氣球飛行的高度大約到20hPa附近。表1、表2分別給出L波段雷達與北斗探空系統(tǒng)同步施放探空氣球?qū)Ρ全@取的各規(guī)定等壓面上位勢高度、溫度差值，數(shù)據(jù)為30天內(nèi)每天同一時間放球數(shù)據(jù)，各規(guī)定等壓面的位勢高度是用各層的平均溫度和平均濕度累計計算。可以看到，兩者位勢高度差的離散度隨高度增加而增加；溫度差也有一定的離散性，標準差小于1.5℃；溫度和高度的平均差很小，其中溫度平均差小于0.5℃，高度平均差約為13 m。

表1：規(guī)定等壓面（hPa）上位勢高度差 m

表2：規(guī)定等壓面（hPa）上溫度差 ℃

2.2 相對濕度同步對比

高空氣象探測中，大氣濕度的測量主要是指對流層以下的大氣相對濕度，由于對流層頂以上，一方面大氣水汽含量極少，對天氣現(xiàn)象幾乎沒有影響，另外濕度傳感器受溫度的影響較大，對流層以上相對濕度的測量數(shù)據(jù)準確性較低，一般沒有實際參考價值。本文選定的是30天內(nèi)每天L波段雷達與北斗探空系統(tǒng)同時放球數(shù)據(jù)，高度為西昌地區(qū)近地面至對流層頂附近，共選定11個等壓面進行比較。表3是L波段雷達與北斗探空系統(tǒng)在各規(guī)定等壓面上相對濕度的平均差。可以看到，兩者的相對濕度差隨高度增加而增加，在100hPa(對流層頂附近溫度接近-80℃)，L波段雷達測定的相對濕度比北斗探空系統(tǒng)約低35%。

表3：規(guī)定等壓面（hPa）上濕度差 %

2.3 風(fēng)向、風(fēng)速同步對比

高空風(fēng)向、風(fēng)速的測量是通過探空氣球攜帶的探空儀在空間中的位置變化計算得到，二次測風(fēng)雷達的測角、測距精度決定了風(fēng)向、風(fēng)速測量的準確性，相比于衛(wèi)星導(dǎo)航測量，二次測風(fēng)雷達受設(shè)備準確性、操作人員水平和環(huán)境影響較大。表4、表5給出了規(guī)定等壓面上風(fēng)向和風(fēng)速同步對比觀測的平均差值隨高度變化的情況。700 hPa以下近地面層，風(fēng)速平均差較大，在記錄較多的700～50hPa，平均風(fēng)向差小于5°，風(fēng)速差小于1m／s。雖然L波段雷達為二次測風(fēng)雷達，北斗探空系統(tǒng)通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位，兩者數(shù)據(jù)處理過程中計算方式不一樣，而且在近地面層計算量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速稍有差異。但從探測4分鐘、高度達到3000m后，兩臺設(shè)備的風(fēng)向、風(fēng)速對比觀測平均差較小。在同步施放過程中，氣球升速存在差異、施放時間不同步、探空儀捆綁位置差距大均可造成測風(fēng)結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，因此同步觀測時盡量選擇同球施放，探空儀位置要平行放置。

表4：規(guī)定等壓面（hPa）上風(fēng)向平均差 °

表5：規(guī)定等壓面（hPa）上風(fēng)速平均差 m/s

3 結(jié)論

通過30天內(nèi)同一地點、同時放球得到的規(guī)定等壓面上的位勢高度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）兩臺設(shè)備在各規(guī)定等壓面上溫度和高度的平均差值很小，溫度和高度沒有產(chǎn)生明顯的跳變。（2）兩臺設(shè)備的相對濕度差隨高度增加而增加，在溫度較低的對流層上層，L波段測定的相對濕度偏高，北斗探空系統(tǒng)測定的濕度數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。北斗探空系統(tǒng)資料的可靠性，還需與其他的標準探空系統(tǒng)進行大量的比較研究，需改進傳感器的性能和精度來提高穩(wěn)定性；同時通過軟硬件結(jié)合的方式，減小太陽輻射、滯后等誤差。

出現(xiàn)以上情況，表現(xiàn)為北斗探空系統(tǒng)較L波段雷達觀測數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，主要原因為：（1）北斗探空儀結(jié)構(gòu)設(shè)計上加寬加長溫濕度傳感器支架，從探空儀側(cè)面向上延伸，減少殼體及支架對溫度輻射影響；（2）北斗探空儀的性能改善，溫度傳感器采用真空鍍鋁珠狀熱敏電阻，技術(shù)更加先進。增加硅壓阻氣壓傳感器，全程氣壓采用導(dǎo)航衛(wèi)星提供的定位高度計算和氣壓傳感器直接探測兩種方式的聯(lián)合測量，位勢高度采用導(dǎo)航衛(wèi)星定位高度計算。（3）北斗探空系統(tǒng)通過對北斗導(dǎo)航芯片的跟蹤，利用衛(wèi)星定位技術(shù)對風(fēng)向、風(fēng)速進行測量，相比于發(fā)射無線電波的雷達設(shè)備更加可靠。