高空大型無(wú)人機(jī)下投探空觀(guān)測(cè)資料分析

高 濤，郭 然，劉振宇，孫 夏，王博坤

（1.海南省氣象探測(cè)中心，海南 ?？?570203；2.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100000；3.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570203）

臺(tái)風(fēng)是全球發(fā)生頻率最高、影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，我國(guó)東南沿海地區(qū)飽受臺(tái)風(fēng)襲擾，造成了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失［1-2］.衛(wèi)星、雷達(dá)等傳統(tǒng)的臺(tái)風(fēng)遙感觀(guān)測(cè)技術(shù)，缺乏對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演變的深入認(rèn)識(shí)，是限制臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的主要因素［3-4］.為此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始探索使用飛機(jī)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行抵近觀(guān)測(cè)，通過(guò)下投探空獲取高分辨率的三維溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等觀(guān)測(cè)資料.美國(guó)最早在1943年進(jìn)行了有人飛機(jī)穿越臺(tái)風(fēng)飛行觀(guān)測(cè)［5］，20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始進(jìn)行機(jī)載下投探空臺(tái)風(fēng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，2010年啟用了目前全球最先進(jìn)的高空大型無(wú)人機(jī)“全球鷹（Global Hawk）”，至2018 年“全球鷹”已開(kāi)展47 次觀(guān)測(cè)，投放約2 700 枚下投探空儀［6］，獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的溫濕壓風(fēng)等觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在數(shù)值模式中應(yīng)用，明顯提高了數(shù)值預(yù)報(bào)的精度，美國(guó)目前已建立了較為完善的大型無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)業(yè)務(wù)［7］；中國(guó)臺(tái)灣2003—2012 年實(shí)施了為期10 年的代號(hào)為“追風(fēng)計(jì)劃”的“侵臺(tái)臺(tái)風(fēng)之飛機(jī)偵察及下投探空觀(guān)測(cè)試驗(yàn)（Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillancenear the Taiwan Region，DOTSTAR）”，針對(duì)西北太平洋49個(gè)臺(tái)風(fēng)完成了64航次有人飛行觀(guān)測(cè)任務(wù)，投放1 051 個(gè)下投探空儀［8］，獲取資料同化到數(shù)值模式后對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力有較顯著提升［9］；中國(guó)大陸在2008年首次使用小型無(wú)人機(jī)飛抵距離臺(tái)風(fēng)中心約100 km處進(jìn)行觀(guān)測(cè)并成功回收無(wú)人機(jī)，驗(yàn)證了小型無(wú)人機(jī)具有探測(cè)臺(tái)風(fēng)邊界層氣象要素的能力［10-11］，2009 年首次進(jìn)行了有人飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)，在臺(tái)風(fēng)“莫拉克”和“天鵝”之間云系相對(duì)薄弱的地方飛行并下投探空儀，同化下投探空資料后，0～48 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差比原來(lái)減少18%［12］.

2020 年6—8 月份，中國(guó)氣象局在海南組織實(shí)施海燕計(jì)劃首次試驗(yàn)，成功使用高空大型無(wú)人機(jī)翼龍-10 對(duì)2003 號(hào)臺(tái)風(fēng)"森拉克"進(jìn)行抵近觀(guān)測(cè)，正式翻開(kāi)了我國(guó)使用高空大型無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象觀(guān)測(cè)的篇章.此次試驗(yàn)使用的無(wú)人機(jī)飛行高度大于10 km，飛行速度500 km·h-1，探測(cè)航程大于2 000 km，具備高空、高速、長(zhǎng)航時(shí)氣象探測(cè)能力，搭載了下投探空系統(tǒng)和毫米波測(cè)云雷達(dá)，相對(duì)于小型無(wú)人機(jī)在探測(cè)高度、探測(cè)范圍和探測(cè)能力上具有明顯優(yōu)勢(shì).

下投探空儀在高空、高速環(huán)境下投放在我國(guó)尚屬首次，其探測(cè)性能有待驗(yàn)證.國(guó)內(nèi)海上高分辨率垂直探空資料非常匱乏，與再分析資料的差異性分析結(jié)果有助于海上再分析資料的訂正.本文使用2020 年8月2 日利用高空大型無(wú)人機(jī)對(duì)2003 號(hào)臺(tái)風(fēng)“森拉克”抵近觀(guān)測(cè)獲得的下投探空資料與常規(guī)探空資料以及再分析資料進(jìn)行對(duì)比，以了解高空、高速條件下下投探空資料的可用性及其與海上再分析資料的差異性，并討論可能影響下投探空觀(guān)測(cè)準(zhǔn)確度的因素，為改進(jìn)高空大型無(wú)人機(jī)下投探空觀(guān)測(cè)提供參考.

1 資料與方法

1.1 下投探空資料下投探空資料來(lái)自“海燕計(jì)劃”2020 年8 月2 日在海南進(jìn)行的首次高空大型無(wú)人機(jī)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，由于此次使用的無(wú)人機(jī)尚不具備穩(wěn)定的“繞臺(tái)”“穿臺(tái)”能力，因此選擇在距離臺(tái)風(fēng)中心約400 km 的外圍云系進(jìn)行探測(cè).探空儀投放高度約10 000 m，從投放到落海的時(shí)間大約為15 min.探空儀具有較高的垂直分辨率，每1秒記錄一次環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、氣壓，位勢(shì)高度使用氣壓、溫度和相對(duì)濕度計(jì)算得到，風(fēng)向、風(fēng)速以及經(jīng)緯度、高度使用北斗和GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息計(jì)算得到.溫度、相對(duì)濕度、氣壓基測(cè)最大允許誤差分別為±0.3 ℃、±5 %和±1.5 hPa，定位最大允許誤差水平方向?yàn)? m，垂直方向?yàn)?5 m.使用資料前，參考業(yè)務(wù)探空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)控方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制.此次試驗(yàn)持續(xù)3 小時(shí)58 分，獲得有效探空數(shù)據(jù)27 組，總樣本量13 805 條，圖1 為全部下投探空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)各要素廓線(xiàn)圖.

圖1 下投探空數(shù)據(jù)廓線(xiàn)圖

1.2 常規(guī)探空資料常規(guī)探空資料為試驗(yàn)當(dāng)天鄰近探空站（三亞站）秒級(jí)數(shù)據(jù)，觀(guān)測(cè)要素包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、位勢(shì)高度.三亞站距離下投探空儀投放點(diǎn)最近約41 km，最遠(yuǎn)約256 km，三亞站觀(guān)測(cè)時(shí)間為20：00，下投探空觀(guān)測(cè)時(shí)間為15：35 至18：20.由于常規(guī)探空和下投探空存在時(shí)空差異，下墊面、云層分布等不一致，可能對(duì)對(duì)比結(jié)果產(chǎn)生影響，因此兩種資料的對(duì)比分析結(jié)果僅作為下投探空資料可用性評(píng)估的參考.

1.3 再分析資料再分析資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECWMF）的ERA5 資料，在時(shí)間和空間上與下投探空資料匹配，為了盡可能多地反映兩種資料的細(xì)節(jié)差異，選用了ERA5在300 hPa 至1 000 hPa區(qū)間全部20 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓層（300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、775、800、825、850、875、900、925、950、975、1 000 hPa）的位勢(shì)高度、溫度、濕度、東西風(fēng)速、南北風(fēng)速（東西風(fēng)速和南北風(fēng)速換算成風(fēng)向、風(fēng)速）數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h.

1.4 分析方法下投探空和常規(guī)探空資料按照100 m 的垂直分辨率進(jìn)行線(xiàn)性插值，得到高度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序列；下投探空與ERA5 資料在時(shí)間和空間上進(jìn)行對(duì)應(yīng)：時(shí)間上，使用與下投探空同一小時(shí)的ERA5 資料；空間上，垂直方向使用線(xiàn)性插值方法得到下投探空在20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓層的數(shù)據(jù)，使用三值濾波減小跳變值影響，水平方向使用反向距離權(quán)重法將ERA5資料插值到對(duì)應(yīng)的探空儀位置上，從而得到三維空間上位置匹配的數(shù)據(jù)序列.

對(duì)比分析下投探空和常規(guī)探空以及下投探空和ERA5的一致性，指標(biāo)選用誤差（Bias）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ）比值、相關(guān)系數(shù)（R）.誤差為兩者的差值，反映兩者大小關(guān)系及誤差大??；平均絕對(duì)誤差是兩者絕對(duì)誤差的平均值，可以避免誤差相互抵消的問(wèn)題，能準(zhǔn)確反映兩者誤差的大小，值越小說(shuō)明兩者誤差越??；均方根誤差為誤差的平方與觀(guān)測(cè)次數(shù)比值的平方根，對(duì)異常值反應(yīng)敏感，值越小說(shuō)明兩者誤差越??；標(biāo)準(zhǔn)差比值為標(biāo)準(zhǔn)差的比值，和相關(guān)系數(shù)一起反映了兩者變化趨勢(shì)的相似性，值越接近1 表示兩者相似程度越高.計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，由于風(fēng)向角度的周期性，當(dāng)兩者風(fēng)向差值的絕對(duì)值大于180°時(shí)，較小風(fēng)向需向加360°［13］.

式（1）-（5）中x、y表示參與計(jì)算的兩組數(shù)據(jù)，xi（yi）表示第i次觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù).

泰勒?qǐng)D能夠直觀(guān)反映兩組數(shù)據(jù)之間的一致性程度.基于余弦定理，泰勒?qǐng)D將標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)和均方根誤差三種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示在一張圖中.以其中一組數(shù)據(jù)為觀(guān)測(cè)場(chǎng)，另一組數(shù)據(jù)為模擬場(chǎng).從原點(diǎn)到各點(diǎn)的徑向距離與標(biāo)準(zhǔn)差成正比，方位角給出兩者的相關(guān)系數(shù)，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)的距離表示兩者的均方根誤差.本文中，由于溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速度量單位不同，為了比較兩者不同要素間的一致性水平，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和均方根誤差進(jìn)行無(wú)量綱化處理.無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)差（）為模擬場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差與觀(guān)測(cè)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差的比值，無(wú)量綱均方根誤差（RMSE'）為中心化均方根誤差，需要注意的是，觀(guān)測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差是由其自身歸一化的，因此總是繪制在距離原點(diǎn)一個(gè)單位的位置上［14］.

無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)差定義為：

無(wú)量綱均方根誤差定義為：

式（6）、（7）中x表示觀(guān)測(cè)場(chǎng)，y表示模擬場(chǎng)，xi（yi）表示第i次觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù).

此外，在對(duì)比下投探空和EAR5 的濕度數(shù)據(jù)時(shí)，由于冰過(guò)飽和原因，需要將0 ℃以下的下投探空濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對(duì)于冰相的濕度，轉(zhuǎn)化公式為：

式中RHice表示冰相相對(duì)濕度，RH表示空氣相對(duì)濕度，ew表示水面飽和水氣壓，ei表示冰面飽和水氣壓.ew和ei計(jì)算公式如下：

式中T為絕對(duì)零度，t為溫度.

2 結(jié)果分析

2.1 下投探空與常規(guī)探空對(duì)比分析圖2 為下投探空和常規(guī)探空各要素的泰勒?qǐng)D，常規(guī)探空數(shù)據(jù)為觀(guān)測(cè)場(chǎng)，下投探空數(shù)據(jù)為模擬場(chǎng).可見(jiàn)：下投探空溫度分布集中，相關(guān)系數(shù)均在0.99 以上，標(biāo)準(zhǔn)差比值接近1，距觀(guān)測(cè)點(diǎn)很近，兩者呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性且誤差?。粷穸确植枷鄬?duì)離散，相關(guān)系數(shù)主要集中在0～0.5之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值較接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，兩者呈現(xiàn)弱相關(guān)性，誤差明顯大于溫度；風(fēng)向分布離散，相關(guān)系數(shù)主要介于0.6～0.9 之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較近，兩者呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性，誤差較??；風(fēng)速分布更加離散，相關(guān)系數(shù)主要介于0.8～0.95之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值整體接近1.5，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較近，兩者相關(guān)性較強(qiáng)，誤差水平與風(fēng)向相當(dāng).

圖2 下投探空和常規(guī)探空的泰勒?qǐng)D

圖3 為下投探空和常規(guī)探空平均絕對(duì)誤差廓線(xiàn)圖，能更精確反映出兩者誤差大小情況.溫度平均絕對(duì)誤差小于2 ℃，濕度大部分小于10%，對(duì)流層中上層部分區(qū)間在10%～20%之間，風(fēng)向大部分小于20°，近地面和對(duì)流層上層在20°～60°之間，對(duì)流層上層誤差明顯增大，風(fēng)速整體上小于2 m·s-1，對(duì)流層中層部分區(qū)域在2～6 m·s-1之間.

圖3 下投探空和常規(guī)探空平均絕對(duì)誤差廓線(xiàn)圖

綜合泰勒?qǐng)D（圖2）和廓線(xiàn)圖（圖3）來(lái)看，各組下投探空之間溫度、濕度分布更集中，一致性更好，風(fēng)向、風(fēng)速相對(duì)較差，風(fēng)向有明顯的離群值；下投探空和常規(guī)探空溫度變化趨勢(shì)相似度最高，風(fēng)向、風(fēng)速次之，濕度最低，溫度、濕度、風(fēng)速誤差水平接近WMO《氣象儀器和觀(guān)測(cè)方法的指南》（WMO guide to meteorological instruments and methods of observation，WMO-No.8，the CIMO Guide）［15］的精度要求（溫度0.4～1 ℃，濕度6%～15%，風(fēng)速1～2 m·s-1），風(fēng)向誤差水平在1 700～6 000 m 的高度區(qū)間接近the CIMO Guide 的精度要求（風(fēng)向5°～10°），1 700 m 以下主要受下墊面差異的影響，下投探空的下墊面為海洋，常規(guī)探空的下墊面為陸地，各要素在低海拔高度誤差較大，風(fēng)向風(fēng)速表現(xiàn)明顯；6 000 m 以上主要受探空儀高速下落造成下投探空測(cè)量誤差的影響，這點(diǎn)將在2.3 節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論.此外，由于時(shí)空差異，兩個(gè)觀(guān)測(cè)區(qū)域的云層分布可能不同，云層內(nèi)外水汽含量差異較大，一定程度上造成濕度上的誤差.

2.2 下投探空與ERA5 對(duì)比分析圖4 為下投探空和ERA5 各要素的泰勒?qǐng)D，下投探空數(shù)據(jù)為觀(guān)測(cè)場(chǎng)，ERA5數(shù)據(jù)為模擬場(chǎng).可見(jiàn)：ERA5溫度分布集中，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，標(biāo)準(zhǔn)差比值接近1，距觀(guān)測(cè)點(diǎn)很近，兩者呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性且誤差??；濕度分布相對(duì)離散，相關(guān)系數(shù)主要集中在-0.6～0.4 之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值較接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，兩者呈現(xiàn)弱相關(guān)甚至負(fù)相關(guān)，誤差水平明顯大于溫度；風(fēng)向分布離散，相關(guān)系數(shù)主要介于0.6～0.95之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較近，兩者呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性，誤差較?。伙L(fēng)速分布離散度略好于風(fēng)向，相關(guān)系數(shù)主要介于0.5～0.95 之間，標(biāo)準(zhǔn)差比值整體接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)較近，兩者呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性，誤差水平與風(fēng)向相當(dāng).

圖4 下投探空和ERA5對(duì)比的泰勒?qǐng)D

計(jì)算各組下投探空和對(duì)應(yīng)ERA5 在20 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓層的誤差并取平均，得出平均誤差和平均絕對(duì)誤差，廓線(xiàn)圖如圖5所示.

圖5 下投探空和ERA5平均誤差和平均絕對(duì)誤差廓線(xiàn)

溫度誤差介于-0.4～1.8 ℃之間，大部分絕對(duì)誤差小于1 ℃，在300 hPa達(dá)到最大值，隨高度沒(méi)有明顯變化特征，基本為正誤差，整體上下投探空大于ERA5；濕度誤差介于-38%～7%之間，對(duì)流層中下層絕對(duì)誤差小于7%，在300 hPa 達(dá)到最大值，對(duì)流層下層（1 000～800 hPa）沒(méi)有明顯大小關(guān)系，對(duì)流層中層（775～600 hPa）下投探空略大，對(duì)流層中上層（550～300 hPa）下投探空明顯小于ERA5，整體上誤差大小隨高度增加而增大，對(duì)流層上層探空儀測(cè)量的濕度大部分偏干20%左右；風(fēng)向誤差介于-35°～60°之間，大部分絕對(duì)誤差小于25°，對(duì)流層中下層和上層誤差較大，在300 hPa 達(dá)到最大值，基本為負(fù)誤差，整體上下投探空小于ERA5；風(fēng)速誤差介于在-5.8～2.8 m·s-1之間，除850 hPa外，絕對(duì)誤差均小于5 m·s-1，對(duì)流層中下層誤差較大，基本為負(fù)誤差，整體上下投探空小于ERA5.

綜合泰勒?qǐng)D（圖4）和廓線(xiàn)圖（圖5）來(lái)看，下投探空和ERA5溫度變化趨勢(shì)相似度最高，誤差基本在1 ℃以?xún)?nèi)，整體上下投探空大于ERA5；風(fēng)向、風(fēng)速變化趨勢(shì)次之，對(duì)流層中下層和上層誤差較大，風(fēng)向誤差基本在25°以?xún)?nèi)，風(fēng)速基本在5 m·s-1以?xún)?nèi)，整體上風(fēng)向、風(fēng)速下投探空小于ERA5；濕度變化趨勢(shì)相似度最低，除對(duì)流層上層外誤差基本在7%以?xún)?nèi)，誤差隨高度增加而增大，對(duì)流層上層下投探空明顯小于ERA5.

下投探空和ERA5之間的差異除了受再分析資料本身的估計(jì)偏差影響外（海上觀(guān)測(cè)資料相對(duì)匱乏，海上再分析資料偏差偏大），還受下投探空儀本身測(cè)量準(zhǔn)確度影響，包括探空儀降落速度變化、探空儀環(huán)境突變以及探空儀測(cè)量性能，具體在2.3節(jié)討論.

2.3 下投探空觀(guān)測(cè)準(zhǔn)確性影響因素分析

2.3.1 下落速度圖6 為全部27 個(gè)探空儀下落速度廓線(xiàn)圖，每個(gè)子圖對(duì)應(yīng)1 個(gè)探空儀，橫軸表示下落速度，縱軸表示對(duì)應(yīng)海拔高度.下落速度在30～40 m·s-1左右時(shí)判定為未開(kāi)傘，下落速度減小至10～20 m·s-1時(shí)判定為已開(kāi)傘，通過(guò)對(duì)比開(kāi)傘前后下投探空和ERA5的一致性變化，分析下落速度對(duì)下投探空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響.

圖7 為探空儀開(kāi)傘前后下投探空和ERA5 不同觀(guān)測(cè)要素的泰勒?qǐng)D（相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差取平均值），下投探空為觀(guān)測(cè)場(chǎng)，ERA5 為模擬場(chǎng).可見(jiàn)：溫度分布接近，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，開(kāi)傘前略大，開(kāi)傘后標(biāo)準(zhǔn)差比值更接近于1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)更近，總體上開(kāi)傘后一致性略好；濕度分布較遠(yuǎn)，開(kāi)傘前相關(guān)系數(shù)約為-0.6，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，開(kāi)傘后相關(guān)系數(shù)為0.2 左右，相關(guān)性明顯增強(qiáng)，開(kāi)傘后的標(biāo)準(zhǔn)差比值更接近于1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)更近，開(kāi)傘后一致性明顯更好；風(fēng)向分布相對(duì)較遠(yuǎn)，開(kāi)傘前相關(guān)系數(shù)為0.2左右，呈現(xiàn)弱相關(guān)性，開(kāi)傘后相關(guān)系數(shù)為0.35 左右，相關(guān)性有所增強(qiáng)，開(kāi)傘前標(biāo)準(zhǔn)差比值更接近于1，但開(kāi)傘后到觀(guān)測(cè)點(diǎn)的距離減小明顯，綜合來(lái)看開(kāi)傘后一致性更好；風(fēng)速分布相對(duì)較遠(yuǎn)，開(kāi)傘前相關(guān)系數(shù)約為0.3，呈弱相關(guān)，開(kāi)傘后相關(guān)性明顯增強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)約為0.7，呈強(qiáng)相關(guān)，且開(kāi)傘后標(biāo)準(zhǔn)差比值更接近1，距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)明顯更近，綜合來(lái)看開(kāi)傘后一致性明顯更好.

圖7 開(kāi)傘前后下投探空和ERA5各觀(guān)測(cè)要素泰勒?qǐng)D

進(jìn)一步分析（由于溫度開(kāi)傘前后變化不大，而濕度還受其他因素影響，此處僅進(jìn)一步分析風(fēng)向、風(fēng)速），結(jié)合下落速度廓線(xiàn)（圖6）和誤差廓線(xiàn)（圖5）來(lái)看，1～12組下投探空（含風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)）大部分在6 000 m 左右開(kāi)傘，相應(yīng)的風(fēng)向誤差在6 000 m 以上顯著增大，風(fēng)速?zèng)]有明顯變化；將風(fēng)向進(jìn)行8 方位轉(zhuǎn)化，將風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)力等級(jí)轉(zhuǎn)化，計(jì)算開(kāi)傘前后的一致率，結(jié)果如圖8所示，開(kāi)傘前風(fēng)向、風(fēng)速均有多組數(shù)據(jù)一致率為零，開(kāi)傘后一致率明顯提升，開(kāi)傘前風(fēng)向、風(fēng)速平均一致率均為20%左右，開(kāi)傘后分別提高到45%和35%左右，可見(jiàn)，探空儀以較小速度平穩(wěn)下落時(shí)測(cè)得的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確.以同樣的方法對(duì)比下投探空和常規(guī)探空可以得出相同結(jié)論.

圖8 開(kāi)傘前后下投探空和ERA5風(fēng)向、風(fēng)速一致率對(duì)比

綜上所述，開(kāi)傘后各要素的一致性均優(yōu)于開(kāi)傘前，溫度變化不大，濕度、風(fēng)向、風(fēng)速變化明顯.這種變化與探空儀下落速度有關(guān)：濕度傳感器響應(yīng)速度較慢，測(cè)量存在滯后誤差，高速下落的情況下滯后誤差被放大；風(fēng)向、風(fēng)速由北斗和GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)獲得，高速下落在一定程度上影響了定位精度［16］，從而造成風(fēng)向、風(fēng)速的測(cè)量誤差.

2.3.2 傳感器測(cè)量性能高空（對(duì)流層上層和平流層）濕度觀(guān)測(cè)存在較大誤差，主要與濕度傳感器低溫靈敏度差、易凍結(jié)有關(guān)［17-18］，在穿越云層時(shí)較為明顯.探空儀進(jìn)入云層時(shí)，隨著周?chē)吭黾佣鴿穸仍黾?，出云后濕度傳感器無(wú)法立即脫濕而產(chǎn)生濕滯效應(yīng)，導(dǎo)致出云后短時(shí)間內(nèi)的測(cè)量誤差，高空低溫云內(nèi)結(jié)冰會(huì)加劇誤差.此外，此次試驗(yàn)使用的濕度傳感器測(cè)量范圍為0～100%，對(duì)于大于100%的濕度無(wú)法測(cè)量，而對(duì)流層上層及平流層由于冰過(guò)飽和原因，實(shí)際存在濕度大于100%的情況.因此，在濕度傳感器測(cè)量性能和測(cè)量范圍的雙重影響下，下投探空測(cè)量的濕度顯著偏小，與唐南軍等［19］的研究結(jié)果一致.

2.3.3 環(huán)境溫度突變?yōu)榱朔乐勾娣畔峦短娇諆x的吊艙結(jié)冰，吊艙配備了加熱裝置.探空儀投放高度10 000 m左右，環(huán)境溫度達(dá)到-30 ℃，吊艙溫度10 ℃左右；探空儀投放瞬間環(huán)境溫度從10 ℃突變?yōu)?30 ℃，瞬間變化近40 ℃，可能在一定程度上影響濕度測(cè)量的準(zhǔn)確度，具體影響程度有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

3 結(jié)論

本文利用2020 年大型高空無(wú)人機(jī)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)的下投探空資料和常規(guī)探空資料以及ERA5 再分析資料進(jìn)行對(duì)比，采用誤差、平均絕對(duì)誤差、相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速四種觀(guān)測(cè)要素進(jìn)行了一致性分析，結(jié)果表明：

（1）各組下投探空之間，溫度一致性最好，濕度次之，風(fēng)向、風(fēng)速相對(duì)較差；

（2）下投探空溫度、濕度、風(fēng)速誤差水平接近WMO CIMO 的精度要求，在考慮探空儀下落速度和下墊面差異對(duì)風(fēng)向測(cè)量影響的情況下，風(fēng)向的誤差水平也接近WMO CIMO的精度要求；

（3）ERA5 溫度、中下層濕度與下投探空偏差較小，風(fēng)向相差較大，風(fēng)速在1 000～2 000 m 高度區(qū)間偏差較大，下投探空上層濕度明顯偏干.

（4）下投探空濕度、風(fēng)向、風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確度受探空儀下落速度影響明顯，濕度還可能受傳感器測(cè)量性能、環(huán)境溫度突變影響.后續(xù)試驗(yàn)可通過(guò)縮短開(kāi)傘時(shí)間以降低探空儀高速下落帶來(lái)的測(cè)量誤差.

海上高分辨率垂直觀(guān)測(cè)資料的獲取對(duì)降水分布、臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演變的認(rèn)識(shí)具有重要作用，高空大型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用無(wú)疑在該領(lǐng)域邁出了重要一步.以上結(jié)論僅基于一次試驗(yàn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，樣本量較小，部分結(jié)論還有待系列觀(guān)測(cè)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.