球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

摘要基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验，建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求，两者一致性较好；下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平，下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制；下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当，除了球炸初期外，基本上接近WMO的测量要求，此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言，球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密，在空间上可以增加1个区域的探测，并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据，具有良好的应用前景.关键词

球载下投；北斗测风；探测准确度

中图分类号P41223

文献标志码A

0引言

高空气象观测作为综合气象观测的重要组成部分，常描述高空大气的气候变化，不仅要满足天气分析和数值预报的需要[1]，还要满足气候变化监测的需要[2]，同时还可作为风廓线、GNSS/MET水汽观测等遥感设备的参考标准和真实性检验要求[34].目前，世界上最常用的高空风探测手段还是气球携带探空仪升空和地基设备跟踪实现测风.对于常规探空测风技术，全球范围主要有3种类型：高空气象探测雷达探空仪系统、导航测风探空系统和无线电经纬仪测风探空系统.20世纪80年代以来，随着导航技术发展，相继出现了奥米伽、罗兰C、GPS等导航测风系统[5].目前，全球定位系统（GPS）由于其技术相对成熟，被广泛用于测风定位系统中[6].我国从2002年开始对探空系统进行了升级换代，基本形成了以L波段雷达电子探空仪为主体的探测体系[7].国内学者基于地面气象观测做了大量研究工作，这为我国探空技术发展提供了良好的试验基础[810].GPS探空技术以其优越的定位准确度而成为未来高空气象探测系统的发展方向[11].

随着北斗卫星导航系统的发展以及考虑探空经济成本和加密观测的进一步需求，我国探空业务将从二次雷达测风逐步过渡到衛星导航测风，而球载式下投探空观测为未来业务发展带来了新的发展思路.下投探空利用某种平台下投探空仪实现对温度、压力、湿度和风速风向等测量[12]，可以有效弥补常规探空在时间和空间上的不足[13]，它与QuikSCAT散射计资料[14]结合可以弥补恶劣天气条件下和广阔洋面上气象资料匮乏的空白[15].我国现有高空站网整体分布不均，有资料空白区，而每年的加密探空需求呈增加趋势，因此，本文利用2017年中国气象局气象探测中心（简称探测中心）在长沙组织的下投探空试验数据，对球载式下投国产北斗探空仪测风性能进行综合分析，为探空业务发展提供技术基础.

1试验仪器介绍

2017年3月3—5日，探测中心在长沙探空站进行了芬兰维萨拉RS92探空仪（简称RS92探空仪）、国产BD探空仪（简称BD探空仪）带降落伞开展下投式（简称球载式下投探空）同球双施放测风比对试验.其中RS92探空仪是目前世界上测量性能较好的探空仪之一，以GPS对探空仪定位实现定位测风，常作为比对试验中的参考标准；BD

探空仪是由国内探空仪厂家研制生产的，测风技术采用BDGPS联合导航体制，定位模块采用国内厂家自主研制，专为GNSS高空气象探空仪所定制的导航定位模块，该模块所采用的HD8020芯片具有高性能和低功耗的特点，性能良好的导航定位服务（水平定位误差≤±10m、垂直定位误差≤±15m）能最大程度地降低对空间和电源的要求，易于集成和使用；气象气球采用中国气象局业务用气球作为上升段的载体，降落伞采用国际主流专用于探空仪下投的国产型号作为下降段的载体.

2试验情况及评估方法

21试验情况

施放地点长沙探空站位于长江流域附近，属亚热带季风气候，年平均气温172℃，年均降水量13616mm.球载式下投探空测风有效施放10次，天气情况全为阴.每次气球爆炸后降落伞均能打开负载探空仪下落，其中有1次是BD传感器发生故障，1次是RS92在高空23km失效，地面无接收数据，记为仪器故障.施放具体情况如表1所示.

上升过程根据配重在地面充灌适当氢气，将气球平均升速控制在6～7m/s.整体而言，球炸平均高度为29km.下降时由于气球爆破降落伞刚打开，空气稀薄，重力起主要作用，下降速度在30m/s左右，下降至对流层顶（16km）附近时约为7～10m/s；下降至8km左右时，斜距达到220km左右，由于低仰角（约1°）遮挡受限，接收机信号减弱直至消失.此外，上升段RS92、BD的试验样本随高度增加，总体呈逐渐减小的趋势，下降段RS9、BD随着高度减少，总体呈现逐渐减小的趋势.

22评估内容

评估分析主要侧重于风这个气象要素，以风的南北分量、东西分量来体现.具体包括以下3个方面：1）以上升段RS92为参考标准，评估同球上升的BD测量性能；2）以上升段的RS92为参考标准，评估同一RS92数据在下降段的准确性；3）以下降段的RS92为参考标准，评估同降落伞下降BD的可用性.

23统计方法

以同球施放上升（同一探空仪在不同上下段或者同降落伞下降）参考标准的测量值为约定真值，求出被评估测风秒数据和参考标准的差，记为di，对di以秒为时间单位进行平均（直接）偏差和标准偏差的计算，并以观测业务规范[16]约定的高度分层显示.具体计算方法如下：

1）平均偏差：

=∑ni=1（Xpi-Xbi）n，（1）

表示评估对象（上升段BD、下降段RS92、下降段BD，以Xpi标识）与参考标准（上升段RS92、下降段RS92，以Xbi标识）的平均偏差，n代表总探空数据量.

2）标准偏差：

σ=∑ni=1（Xpi-Xbi-）2n-1.（2）

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