引言

用数值模式做有限区域的天气预报，需要探空资料为数值模式提供初始场^[1]。除了常规北京08时与20时外，14时探空数据对于对流天气短时临近潜势预报作用非常明显^[2]，单站探空资料可用来开展辅助天气服务^[3-4]。无线电探空仪在20世纪20年代后得到快速发展^[5-6]。常规高空气象探测系统主要包括地面探空雷达、探空气球、探空仪三个部分，气象探空采取释放携带探空仪的探空气球，接收探空仪发送回地面的探空信息，再对探空信息进行整理与传输；在高空探测过程中，将探空气球视作随空气流动的质点进行追踪，获取大气中温度、湿度、气压、风向、风速随时间和空间分布的资料。我国主要使用雷达探空体制，从2002年开始，对探空系统进行升级换代，基本上形成了以L波段探空系统为主体的探空体系，L波段探空系统包括GTS1电子探空仪与地面L波段探空雷达，资料的时空密度明显加大，探测精度得到大幅度提升。

世界气象组织认为影响观测数据质量的因素多种多样，包括观测环境、观测仪器、业务规程等，其中特别强调了观测仪器的稳定性与探测精度对于观测数据质量会产生直接的影响^[7]。姚琪从L波段探空系统信噪比角度出发，对L波段探空系统的测量精度提进行分析，得到性能符合指标要求的结论^[8]。陶士伟等利用观测资料减模式背景场差的统计分析技术和贝塞尔函数拟合法分离观测误差技术, 分析了2005年3—5月我国36个L波段探空仪探测的温度误差特性，表明L波段探空仪温度随机误差明显减小^[9]。黄炳勋等利用台站业务换型对比施放数据开展L波段探空系统的探测数据质量分析，表明与59 -701探空系统相比，离散度明显减小，提高了探测数据可靠性^[10]。根据2005年在毛里求斯开展的气象探空国际比对结果，可以看出GPS探空体制具有较大的优势，是未来气象探空的发展方向^[11-12]。芬兰Vaisala公司的探空仪占国际市场的67%，特别是2001年推出了采用GPS体制的数字化RS92探空仪，标志着Vaisala在探空技术上有了全新的发展。

因此，为了全面评估我国的高空气象探测质量，有必要将我国的GTS1探空仪与Vaisala公司RS92探空仪进行对比，找出与国际探空水平的差距。

1 静态指标分析

RS92探空仪与GTS1探空仪的静态指标对比见表 1。

从技术角度分析，RS92探空仪与GTS1探空仪存在以下不同：

(1) RS92探空仪的温度传感器采用变电容丝，辐射特性好，灵敏度高；GTS1探空仪温度传感器使用杆状热敏电阻，理论分析长短波辐射和滞后系数带来的误差很大。

(2) RS92探空仪的湿度传感器采用薄膜电容器, 预加热双-传感器设计，通过交替加热的方法可以较好地消除空气中水汽对传感器表面的污染，湿度测量的灵敏性和准确度较好；GTS1探空仪的湿敏电阻传感器，存在稳定性差、低温特性不一致、滞差环大等因素，会影响测量精度。

(3) GPS导航定位精度要优于二次测风雷达测距测角体制，而GTS1探空仪由于采用二次测风雷达体制，探空仪三维定位精度低于GPS导航定位精度，所以风向风速测量精度技术指标也会存在一定的差距。

(4) 芬兰Vaisala公司采取测量电路与传感器同时放入测试箱体进行标定的方法，因此RS92探空仪标定更为准确；GTS1探空仪只对传感器进行测试，未对测量电路进行检测，会影响测量精度。

(5) RS92探空仪带宽为4.8kHz，带宽窄；GTS1探空仪带宽为3MHz，地面接收系统带宽为6MHz，占用频率范围较宽。

2 动态数据分析

2007年6月，中国气象局气象探测中心在大气探测综合试验基地对国产GTS1探空仪和芬兰Vaisala公司RS92探空仪进行了动态同球施放对比，这次动态对比共施放20次。

2.1 方案设计

(1) 施放方法

这次对比借鉴国际探空仪对比的方法，每次同球施放3个RS92探空仪和1个GTS1探空仪。系挂和施放方法：用两根长2m左右的竹竿固定为十字支架，支架由一个2000g的气球携带，气球与支架相距30m，平均升速控制在5~6m·s^-1左右。3个RS92探空仪和1个GTS1探空仪在施放前分别挂在竹竿端头，系挂探空仪的绳长约0.5m，避免传感器触碰竹竿和天线相互缠绕。相同要素的传感器保持同一高度。

参加这次动态对比的设备为3套Vaisala公司的RS92探空仪和1套GTS1探空仪，编号分别为1~ 4号。

(2) 统计方法

以同球施放的3个RS92探空仪的测量平均值作为标准值，求出每个GTS1探空仪测量值和标准值的差，称为系统差d，对秒数据和各规定层的系统差d进行平均值和标准差的统计。

假设GTS1探空仪的测量值为L，则：

$ d = L-\frac{{{G_1} + {G_2} + {G_3}}}{3} $

2.2 数据分析

温度秒数据对比见图 1，可以看出，在对流层，GTS1探空仪比RS92探空仪的温度偏高，而到了对流层以上，GTS1探空仪低于RS92探空仪；规定层温度对比情况见图 2，GTS1探空仪与RS92探空仪对比，温度的系统差随高度增加而加大，250hPa以上离散性变大，100hPa以上GTS1探空仪温度明显比RS92探空仪偏低。这可能是由于在对流层，温度随高度降低，而到了对流层以上，温度随着高度升高；RS92探空仪温度传感器比GTS1探空仪温度传感器反应灵敏，GTS1探空仪温度传感器反应滞后。

相对湿度秒数据对比见图 3，在对流层，呈现负偏差，在对流层以上，呈现正偏差；相对湿度对比情况见图 4，GTS1探空仪和RS92探空仪对比，湿度的差值和变化范围均较大，200hPa以下平均系统差为负值，200hPa以上迅速增大到正值，与前面的分析一致。

在相对湿度较大的对流层中，由于GTS1探空仪湿度存在过饱和不能及时恢复的问题，而在软件处理时均将其处理成相对湿度2%，因此造成平均系统差为负值；对流层以上，由于相对湿度迅速降低，而GTS1探空仪湿度下降较慢，因此其中一段出现GTS1探空仪湿度图 4相对湿度规定层数据对比与RS92探空仪偏差增大的现象。

气压秒数据对比见图 5，在对流层，GTS1探空仪与RS92探空仪的气压平均系统差约为0.3hPa，随着高度增加，GTS1探空仪的气压低于RS92探空仪，两系统的标准差为0.5hPa。

图 6为2007年6月18日15时3个RS92探空仪和1个GTS1探空仪同球施放在10hPa时气压变化的情况。可以看出，GTS1探空仪先于RS92探空仪达到10hPa的趋势更加明显，到10hPa时最大已超过2分钟。根据以上分析结果，也可以解释GTS1探空仪位势高度大于RS92系统位势高度的现象。

规定层高度对比情况见图 7，GTS1探空仪和RS92探空仪对比，高度测量值呈现出随高度增加而增大的趋势，100hPa后趋势更加明显，这与上面GTS1探空仪达到规定层时间较早的结论一致。

风速风向对比情况见图 8和图 9，可以看出850hPa以下和150hPa以上GTS1探空仪测风与RS92探空仪存在1m·s^-1以内的平均系统差，风速各规定层平均系统差在-1.14~0.28m·s^-1之间，标准差在0.75~3.46m·s^-1之间；风向平均系统差在-10°~12°之间，标准差在6.8°~41.6°之间。

3 小结与讨论

通过GTS1探空仪与RS92探空仪的对比，可以得到如下结论：

(1) 从静态指标来看，与GTS1探空仪相比，RS92探空仪在传感器技术与无线电占用带宽方面具有优势。

(2) GTS1探空仪的温度在200hPa以下高于RS92探空仪，其后逐步减小变为负值，存在滞后误差，温度标准差随高度增大。

(3) GTS1探空仪气压在200hPa以下高于RS92探空仪，其后逐步减小变为负值，高度标准差随高度增大。

(4) 虽然湿度的变化趋势基本一致，但RS92探空仪测量的湿度明显要好于GTS1探空仪，表现在GTS1探空仪在湿度从高湿到低湿反复变化后，灵敏度降低，滞后比较大。

(5)与RS92探空仪对比，850hPa以下和150hPa以上GTS1探空仪测风与RS92探空仪存在1m·s^-1以内的系统差。

(6) 综合总体各项性能指标，RS92探空仪要好于GTS1探空仪。

未来为了进一步提升我国气象探空水平，需要尽快提高传感器性能，特别是湿度传感器。目前业务上使用湿敏电阻湿度传感器测量相对湿度，在低温与高湿测量性能较差，未来建议采用湿敏电容来进行替代；对于温度传感器，目前使用的是体积较大的棒状温度传感器，进一步减小体积是未来的发展趋势，未来建议采用体积较小的珠状电阻或电容进行替代，同时进一步加强辐射订正算法研究；对于风向与风速误差问题，一方面可能是由于地面雷达系统的侧角误差大，另一方面也可能是算法问题；目前采用的是整分钟5点斜距、仰角和方位角平均后计算风向与风速，会造成脉动值较大，已经有研究结果表明采用1分钟滑动平均窗口的矢量风计算方式会大大减小误差。

在此基础上，要进一步提高检测能力，解决传感器与测量电路综合检测问题，提高观测精度；此外无线电频率资源愈加紧张，减小无线电占用带宽也是未来的一个发展方向。