L波段高空探测数据偏差分析

论文核心提示:

对南京站L波段高空探测系统GTS1型探空仪地面基测气压变量的统计分析表明,气压传感器在地面稳定的环境下感应的数值与标准气压数值相比偏低;在实时探测过程中,气压相差1 hPa时,L波段高空探测系统所反映出的测高偏差随探测高度的增加而不断变大;对L波段雷达和GTS1探空仪测量高度的差值进行比较,所得的高度差随探空仪的升高而逐渐增大,探测高度到达36 000 m时,高度差约为1 600 m。   关键词L波段高空探测;气压;高度;数据偏差

高空气象观测是气象业务的基础,是天气预报、气候分析、科学研究和国际交换气象情报和资料的主要来源[1]。随着高空气象业务的不断发展,高空气象探测系统必须具有更高的性能,满足更高的要求。L波段高空气象探测系统是我国高空气象探测业务现代化建设的重要举措,它取代了59-701探测系统,是高空气象探测发展的必然趋势。与59-701探测系统相比,L波段高空气象探测系统的探空温度和高度的月平均差、均方差较小[2],高空记录的离散性较小[3],系统软件稳定正常,操作方便,用户界面友好,功能完善[4],不仅提高了我国高空气象探测的质量和精度,提高了探测信息的空间与时间密度,而且基本实现了探测数据和集成的自动化[5]。L波段高空气象探测系统虽然具有很多优越性,但在气压和高度的探测精度方面仍然有一定的局限性。例如,随探测高度的增加,探空仪测量的高度与实际空间高度相比差值越来越大,主要表现在探空仪气压传感器测量误差使等压面高度的计算值与实际空间高度形成偏差。研究L 波段高空气象探测系统和GTS1型探空仪的气压探测精度,对于高空台站开展5 hPa探测业务具有重要意义。本文取2007—2008年7:00和19:00南京探空站(区站号:58238)的实时高空探测资料进行分析,现将资料分析情况详述如下。
  1L波段GTS1型探空仪地面基测气压变量统计分析
  对南京探空站2007年以来L 波段高空气象探测系统GTS1型探空仪地面基测变量进行统计分析结果表明:温度变量为-0.4 ℃≤Δt≤0.4 ℃,Δt的平均值为-0.12 ℃,这说明温度传感器的测量误差很小,测量精度高;施放探空仪的气压基测变量合格标准是-2.0 hPa≤Δp≤2.0 hPa[5],而2007—2008年所施放的GTS1型探空仪气压基测变量的频次基本分布在-0.2~1.9 hPa,集中出现在0~1.9 hPa,说明GTS1型探空仪气压传感器感应的气压值偏小于标准气压值。对气压基测变量数据进行平均统计,平均值为1.13 hPa,说明GTS1型探空仪气压传感器在地面的平均测量偏差约为1.13 hPa。如果探测升空过程中探空仪的气压传感器感应数值呈线性偏低,则L波段高空气象探测系统探测的各等压面的位势高度比空间大气的实际等压面的位势高度偏高。
  2等压面间气压相差1 hPa时位势高度变化量
  取南京站L波段高空气象探测系统探测资料中2006年1月、4月、7月、10月的所有探测数据,统计等压面间气压相差1 hPa时位势高度平均差值的变化情况(表1)。从表1可以看出,如果500 hPa等压面与600 hPa等压面之间气压相差1 hPa,则位势高度相差约12 m;100 hPa与150 hPa等压面之间,如果气压相差1 hPa,则位势高度相差约45 m;到达5 hPa等压面,气压相差1 hPa,则位势高度的差值达到1 017 m。
  如果以地面气压基测变量平均偏低1.13 hPa计算GTS1型探空仪在升空过程中气压传感器的测量偏差,那么探空仪在500 hPa、100 hPa、5 hPa时测得的位势高度与实际大气的位势高度分别相差约10、37、950 m。
  3L波段雷达探测高度与GTS1 型探空仪探测高度对比分析
  在高空气象探测过程中,L波段雷达定位探空仪用仰角和斜距加上地球曲率订正,利用三角公式可以计算出每秒钟探空仪在空间的高度值;GTS1型探空仪用其压、温、湿传感器探测的数据,代入大气静力学公式也可以探测出每秒钟探空仪在空间的高度值,并且2种测量值在时间和空间上是完全同步的,这样就可以用同一时刻的观测数据分别计算出雷达探测高度值和探空仪探测高度值,对2种高度值进行分析比较。具体计算方法是用规定高度层最接近的观测时间的仰角和斜距,代入公式(1)[5]计算几何高度,再用公式(2)[5]将几何高度换算成位势高度:
  Z拔=Z0+(R+Z0)·-1(1)
  式(1)中,Z拔为目标海拔几何高度(m);Z0为测站海拔几何高度(m);R为地球平均半径(m),为与数值分析网格点计算方法一致,取值6 371 000;r为目标物斜距(m);E为目标物仰角(°)。
 

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