齊齊哈爾四種數(shù)字探空儀觀測數(shù)據(jù)對比分析

王 蕊，袁湘玲*，趙 遴，劉春芳，王 娜，朱春祥

（1.齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾161006；2.依蘭縣氣象局，黑龍江 依蘭154800）

氣象觀測資料是開展天氣預(yù)警預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測預(yù)估、氣象服務(wù)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是推動氣象科學(xué)發(fā)展的動力[1]。高空氣象觀測系統(tǒng)作為綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分，在天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測和氣候變化研究中發(fā)揮著重要作用[2]。自1984年開始，世界氣象組織儀器與觀測方法委員會（CIMO）針對高空氣象業(yè)務(wù)上存在的諸多問題，定期與不定期地組織氣象儀器進(jìn)行國際比對試驗(yàn)[3-4]。各種探空系統(tǒng)的比對試驗(yàn)是提高探空的探測精度和一致性的主要手段，為改善訂正方法，提高探空儀溫度、氣壓和相對濕度測量精度提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐[5-9]。

齊齊哈爾國家基本氣象站位于123°55′25″E、47°22′34″N，海拔高度為147.6 m，觀測始于1901年7月1日。2018年被世界氣象組織認(rèn)定為百年氣象站。齊齊哈爾高空觀測始于1949年，采用經(jīng)緯儀觀測，每日01、07、19時進(jìn)行3次小球高空測風(fēng)。1979年10月1日，改為701型雷達(dá)配套59型探空儀綜合觀測，每日07、19時進(jìn)行2次觀測。2009年1月1日正式換型為L波段雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)探空儀數(shù)字化改造，采用GTS1型數(shù)字探空儀，每日07、19時進(jìn)行2次觀測[10-11]，積累了極為珍貴歷史資料。不同類型的探空儀器感應(yīng)元件和觀測原理不同，會造成觀測值的差異[12]，因此，有效修正探空儀換型對觀測數(shù)據(jù)的影響，保證換型前后數(shù)據(jù)序列的均一性尤為重要。

2020年1月由中國氣象局組織對數(shù)字探空儀進(jìn)行了換型，采用GTS11、GTS12和GTS13型3種數(shù)字探空儀交替觀測，分別在1和7月開展了高空氣象平行觀測。本研究以GTS1為參考標(biāo)準(zhǔn)，GTS11、GTS12、GTS13為比較對象，分析了4種數(shù)字探空儀在溫度、相對濕度和氣壓測量上的差異，以期為探空資料數(shù)據(jù)均一性處理提供參考依據(jù)，為氣象科學(xué)研究提供更加精密的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用4種數(shù)字式探空儀包括：上海長望氣象科技股份有限公司生產(chǎn)的GTS1型、GTS12型、南京大橋機(jī)器有限公司GTS11型和太原無線電一廠有限公司生產(chǎn)的GTS13型。GTS1探空儀溫度傳感器采用棒狀熱敏電阻，氣壓傳感器采用硅阻固態(tài)壓力傳感器，氣壓附溫測量采用GPW3型棒狀熱敏電阻，濕度傳感器采用碳膜濕敏電阻[13]。GTS11、GTS12、GTS13型探空儀溫度傳感器均采用珠狀熱敏電阻，與GTS1探空儀的棒狀熱敏電阻相比，具有響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，濕度傳感器采用高分子聚合物濕敏電容，具有測濕范圍廣、滯差環(huán)小、滯后系數(shù)小、響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、靈敏度高、溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，氣壓傳感器采用集成數(shù)字式硅阻固態(tài)壓力傳感器，帶自動測溫，采用全溫區(qū)擬合補(bǔ)償，具有靈敏度高、體積小、橫向效應(yīng)小、滯后和蠕變小等特點(diǎn)[14-17]。

基測箱采用JKZ1和JKZ1-1型電子探空儀基測箱。采用L波段二次測風(fēng)雷達(dá)，接收機(jī)為GTC2型L波段探空數(shù)據(jù)接收機(jī)。數(shù)據(jù)接收和處理軟件為L波段（1型）高空氣象探測系統(tǒng)軟件（V6.0.0.20200101）。

最后，采用GTS1型數(shù)字探空儀2009—2019年1和7月溫度、氣壓和相對濕度等歷史探空觀測數(shù)據(jù)，對GTS1型探空儀自身觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)方法

齊齊哈爾國家基本氣象站于2020年1和7月開展高空氣象平行觀測，每日1次，20時和08時交替進(jìn)行。每月1—10日采用GTS11與GTS1型探空儀進(jìn)行對比觀測，共獲取19次有效平行觀測；每月11—20日采用GTS12與GTS1型探空儀進(jìn)行對比觀測，共獲取19次有效平行觀測；每月21—31日采用GTS13與GTS1型探空儀進(jìn)行對比觀測，共獲取20次有效平行觀測。將2個探空儀采用同球串聯(lián)施放的方式進(jìn)行對比觀測，其中，用作參考標(biāo)準(zhǔn)的探空儀位于上方，對比探空儀位于下方，兩者相距1 m，同時施放以降低施放誤差。

1.2.2數(shù)據(jù)分析方法

采用平均偏差（MBE）、絕對偏差（MAE）、均方根誤差（RMSE）和相對誤差（RBE）作為對比分析的評估指標(biāo)[18,21]，對每組兩個探空儀在925、850、700、600和500 hPa 5個規(guī)定等壓面上的溫度、相對濕度和位勢高度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。值越小，表明兩者一致性越好。上述指標(biāo)計(jì)算方法為：

式中，MBE為平均偏差，MAE為絕對偏差，RMSE為均方根誤差，RBE為相對誤差，Pi和Oi分別表示第i次試驗(yàn)對比探空儀測量值和作參考標(biāo)準(zhǔn)探空儀測量值，N為統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)。

1.2.3檢驗(yàn)方法

采用Ryan-Joiner方法[22-24]對差值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，以檢查所得數(shù)據(jù)的可用性。若樣本呈正態(tài)分布或是趨近于正態(tài)分布，則表明樣本在統(tǒng)計(jì)學(xué)上反映了兩者的差異。Ryan-Joiner檢驗(yàn)通過計(jì)算樣本數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的正態(tài)分值之間的相關(guān)性來評估正態(tài)性，如果相關(guān)系數(shù)接近1，則說明樣本數(shù)據(jù)總體很有可能呈正態(tài)分布，如果相關(guān)系數(shù)小于相應(yīng)的臨界值，則否定正態(tài)性假設(shè)。其步驟如下：

首先，假設(shè)某樣本集服從正態(tài)分布，將該樣本數(shù)據(jù)按照從小到大的順序進(jìn)行排序，并設(shè)置對應(yīng)的編號，如第i個數(shù)據(jù)對應(yīng)的樣本值為Xi，然后按式（5）對樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

式中，bi表示樣本Xi標(biāo)準(zhǔn)化后的值，Xi表示樣本數(shù)據(jù)中的第i個樣本值，M為所有樣本數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，S為所有樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

第二，按式（6）計(jì)算相關(guān)系數(shù)R值。

式中，N為樣本總數(shù)，i為樣本序號。

最后，查《Ryan-Joiner檢驗(yàn)臨界值表》，得到臨界值R（N，α），其中，α為給定的顯著性水平。若R≥R（N，α），則說明樣本服從或趨于正態(tài)分布；反之，則不服從正態(tài)分布。如R（20，0.05）=0.9504，若R≥R（20，0.05），則表示在0.05顯著性水平上，20個樣本服從正態(tài)分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)差異正態(tài)性檢驗(yàn)

分別計(jì)算GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀各時次在5個規(guī)定等壓面上的溫度差、位勢高度差和相對濕度差，得到GTS1與GTS11、GTS12對比樣本各19份，與GTS13對比樣本各20份。采用Ryan-Joiner方法對上述樣本進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示R值均大于對應(yīng)的臨界值R（20，0.05）=0.950 4和R（19，0.05）=0.948 4，服從正態(tài)分布。表明，上述樣本數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上反映了GTS1與GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀在正常工作情況下測量溫度、位勢高度和相對濕度上的差異。

2.2 溫度對比

圖1給出了GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在925～500 hPa各規(guī)定等壓面上溫度觀測數(shù)據(jù)的平均偏差、絕對偏差和均方根誤差曲線。從圖1a中可知，3組比對樣本平均偏差均為負(fù)值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的溫度觀測值均低于GTS1型探空儀。GTS11、GTS12、GTS13型探空儀溫度傳感器采用珠狀熱敏電阻，與GTS1型探空儀的棒狀熱敏電阻相比，溫度傳感器上的真空鍍鋁涂層對大氣長波輻射和短波輻射的反射率均優(yōu)于白漆，能夠更有效地減小輻射對溫度傳感器的影響，響應(yīng)速度更快、測量準(zhǔn)確性更高[6-9]。GTS11型平均偏差隨氣壓降低無明顯變化，差值介于-0.09～-0.14℃，700 hPa平均偏差最大為-0.14℃，600 hPa平均偏差最小為-0.09℃。GTS12型平均偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于-0.21～-0.31℃，700 hPa平均偏差最小，為-0.21℃，500 hPa平均偏差最大，為-0.31℃。GTS13型平均偏差隨氣壓降低無明顯變化，差值介于-0.11～-0.16℃，800 hPa平均偏差最大，為-0.16℃，在500 hPa處平均偏差最小，為-0.11℃。

由圖1b可知，GTS11型絕對偏差隨氣壓降低而略有減小，差值介于0.14～0.24℃，變化幅度為0.1℃，850 hPa絕對偏差最大，為0.24℃，在其他等壓面間差異較小，為0.14～0.17℃。GTS12型絕對偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于0.24～0.32℃，變化幅度為0.08℃，925 hPa絕對偏差最小，為0.24℃，500 hPa絕對偏差最大，為0.32℃；GTS13型絕對偏差隨氣壓降低而略有增大，差值介于0.15～0.23℃，變化幅度為0.08℃，925 hPa平均偏差最小，為0.15℃，500 hPa絕對偏差最大，為0.23℃。

由圖1c可知，GTS11型均方根誤差介于0.18～0.32℃，變化幅度為0.14℃，925～850 hPa呈增大趨勢，850 hPa均方根誤差最大，為0.32℃，之后隨氣壓降低呈減小趨勢；GTS12型均方根誤差隨氣壓降低而略有增大，介于0.28～0.37℃，變化幅度為0.09℃；GTS13型均方根誤差隨氣壓降低而增大，介于0.17～0.37℃，變化幅度為0.2℃。

圖1 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀溫度觀測差異

綜上所述，3組比對樣本在925～500 hPa各等壓面上的溫度差變化幅度微小，具有較好的一致性。

2.3 位勢高度對比

對GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在925～500 hPa各規(guī)定等壓面上位勢高度的平均偏差、絕對偏差、均方根誤差開展分析，得到圖2a～2c，可以得出，平均偏差均為負(fù)值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的位勢高度測量值均低于GTS1型探空儀；平均偏差、絕對偏差和均方根誤差均隨著高度增高而增大。進(jìn)一步分析位勢高度的相對誤差，得到圖2d。GTS11型位勢高度相對誤差在-0.04%～-0.07%，GTS12型相對誤差在5個規(guī)定等壓面上均為-0.08%，GTS13型相對誤差均為-0.01%。結(jié)果表明：比對樣本位勢高度差存在累加效應(yīng)，這與梁正鵬等[6]和顏國跑等[25]的研究結(jié)果相似，某規(guī)定等壓面位勢高度是由該等壓面以下的各等壓面間厚度累加，而兩個相鄰等壓面間厚度由氣壓、平均溫度和平均相對濕度決定[13]，因而導(dǎo)致隨著厚度層的累加，平均偏差、絕對偏差和均方根誤差逐漸增大。而相對誤差隨高度增高基本保持不變，4種型號探空儀在位勢高度上具有良好的一致性。

圖2 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀位勢高度觀測差異

2.4 相對濕度對比

對GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀在5個規(guī)定等壓面上相對濕度觀測數(shù)據(jù)的平均偏差、絕對偏差和均方根誤差進(jìn)行研究（圖3）。由圖3a可知，平均偏差均為正值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀的相對濕度觀測值均高于GTS1型探空儀，即與GTS1相比，3種類型探空儀測得的相對濕度值均表現(xiàn)為偏濕。GTS11型相對濕度平均偏差隨高度增高而減小，介于2.7%～5.3%，925 hPa處最大，為5.3%，500hPa最小，為2.7%，變化幅度為2.4%；GTS12型相對濕度平均偏差隨高度增加呈增大趨勢，介于3.7%～8.5%，在925 hPa處最小，為3.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值8.5%，之后隨高度增加而減少；GTS13型相對濕度平均偏差隨高度增高呈增大趨勢，介于1.5%～4.1%，在925 hPa處最小，為1.5%，在700 hPa處最大，為4.1%。

從圖3b中可知，GTS11型相對濕度絕對偏差隨高度增高而減小，介于5.5%～7.7%，925 hPa處最大，為7.7%，500 hPa最小，為5.5%；GTS12、GTS13型相對濕度絕對偏差隨高度增高呈增大趨勢，925 hPa處最小，分別為5.6%和7.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，分別為8.5%和8.8%，之后隨高度增高而略有減少。

從圖3c中可知，GTS11型相對濕度均方根誤差隨高度增高而減小，介于6.5%～10.6%，925 hPa處最大，為10.6%，在500 hPa最小，為6.5%；GTS12、GTS13型相對濕度均方根誤差隨高度增高呈增大趨勢，分別介于5.0%～9.6%和7.7%～10.9%，925 hPa處最小，分別為5.0%和7.7%，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，分別為9.6%和10.9%，之后隨高度增高而略有減少。

圖3 GTS11、GTS12、GTS13與GTS1型探空儀濕度觀測差異

GTS11、GTS12、GTS13型3種探空儀測量相對濕度均較GTS1型探空儀偏濕，GTS12、GTS13型測量值隨高度增高偏濕程度呈增大趨勢。冒曉莉等[26-27]研究表明，太陽輻射引起濕度傳感器感濕膜周圍空氣溫度上升，導(dǎo)致相對濕度出現(xiàn)顯著偏干現(xiàn)象，對GTS1型濕度測量的偏干影響仍較顯著，溫度誤差隨海拔高度的升高明顯增大。而GTS11、GTS12、GTS13型探空儀采用溫度系數(shù)更低的高分子濕敏電容，減弱了溫度的影響，降低了濕度偏干程度。

2.5 GTS1型探空儀1和7月歷史觀測數(shù)據(jù)對比

利用2009—2019年1和7月GTS1型數(shù)字探空儀觀測得到的溫度、氣壓和相對濕度，分析溫度、位勢高度和相對濕度11 a旬平均值在5個規(guī)定等壓面上的變化特征（圖4）。1和7月各旬溫度的旬平均值隨高度升高均呈下降趨勢，變化幅度基本一致，1和7月整體溫度變化趨勢基本一致（圖4a）。1和7月各旬位勢高度的旬平均值在5個規(guī)定等壓面上的變化趨勢基本一致，1和7月整體位勢高度隨氣壓下降略有差異，從地面到850 hPa，相同等壓面上的位勢高度7月略低于1月，氣壓降至850 hPa以下后，相同等壓面上的位勢高度7月略高于1月，且隨著氣壓下降差異略有增大（圖4b）。1和7月各旬相對濕度的旬平均值在5個規(guī)定等壓面上的變化趨勢大體一致，1和7月整體相對濕度隨高度增加均呈下降趨勢（圖4c）。1和7月GTS1型探空儀對溫度、位勢高度和相對濕度的測量值，在5個規(guī)定等壓面上變化趨勢基本一致。

圖4 GTS1型探空儀2009—2019年1月和7月觀測數(shù)據(jù)旬平均值變化曲線

3 結(jié)論與討論

（1）GTS11、GTS12、GTS13型 數(shù) 字 探 空 儀 在925～500 hPa各等壓面上測得的溫度低于GTS1型探空儀，隨氣壓降低溫度差變化幅度微小，具有較好的一致性。對比分析GTS1型探空儀自身歷史觀測數(shù)據(jù)，其在1和7月對溫度、位勢高度和相對濕度的測量值，在5個規(guī)定等壓面上變化趨勢基本一致。

（2）GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀位勢高度測量值均低于GTS1型探空儀，平均偏差、絕對偏差和均方根誤差均隨著高度增高而增大，進(jìn)一步分析相對誤差，發(fā)現(xiàn)與GTS1型相比，在5個規(guī)定等壓面處，GTS11型位勢高度相對誤差介于-0.04%～-0.07%，變化幅度微?。籊TS12型相對誤差均為-0.08%，GTS13型相對誤差均為-0.01%。相對誤差隨著高度增高基本保持不變，4種型號探空儀在位勢高度測量上具有良好的一致性。

（3）GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀相對濕度測量值較GTS1型探空儀偏濕，GTS12、GTS13型在925～600 hPa各等壓面處測量值隨高度增高偏濕程度呈增大趨勢，600 hPa處為突變點(diǎn)，達(dá)到最大差值，之后差值隨高度增高而減小。

（4）受試驗(yàn)手段限制，本研究僅針對925～500 hPa各等壓面處的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。因在高度過400 hPa之后，GTS11、GTS12、GTS13型數(shù)字探空儀搭載濕敏電容傳感器出現(xiàn)濕度觀測異常偏干的試驗(yàn)次數(shù)較多，不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映高空的大氣狀態(tài)，需要進(jìn)一步訂正，而GTS1型數(shù)字探空儀搭載濕敏電阻傳感器相對濕度測量效果相對較好，差別原因有待于相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開展進(jìn)一步研究。