L波段探空仪器换型对高空湿度资料的影响

王 英熊安元

1）（内蒙古自治区气象局气象信息中心，呼和浩特010051）2）（国家气象信息中心，北京100081）

L波段探空仪器换型对高空湿度资料的影响

王 英1）熊安元2）*

1）（内蒙古自治区气象局气象信息中心，呼和浩特010051）2）（国家气象信息中心，北京100081）

2002—2010年我国高空探测系统逐步完成了由原来的59-701型探空系统升级为L波段雷达-电子探空仪系统的工作，湿度传感器由原来的肠衣更换为碳湿敏电阻。该文对全国98个高空站相对湿度探测值在换型前后的差异进行了统计分析。结果表明：探空系统换型后，相对湿度探测值较换型前显著降低，表现为明显的干偏差，且随着高度的增加而增大，200，500 hPa和850 hPa相对湿度分别偏低14.6%，8.3%和5.3%。受太阳辐射的影响，这种干偏差在白天甚于夜间；换型前后相对湿度的概率分布也发生了明显变化，整个对流层相对湿度低于20%的低值出现频率明显高于换型前，200 hPa相对湿度小于20%的出现频率由换型前的10%增加到换型后的53%。最明显的变化是相对湿度为3%以下的出现频率，换型前各高度层出现频率均接近于0，但换型后200，500 h Pa和850 hPa出现频率分别达到16.2%，9.9%和2.2%。

探空系统；仪器换型；相对湿度

引 言

气球探空湿度资料是序列最长、最重要的大气湿度廓线资料，是数值天气预报、全球气候变化研究、大气资料再分析最关键的数据来源。研究表明，全球变暖将导致大气中水汽含量增加［1-3］，数值模拟和卫星观测结果均证实大气绝对湿度随全球变暖而增加［4-7］。气球探空资料一般作为表征大气物理状态的相对真值，描述高空大气的气候变化，并作为评估卫星反演的大气温湿度廓线的基准应用于卫星资料的检验［8-10］。随着探空仪研发技术的不断进步，探空仪不断更新，在获得更高探测精度资料的同时，也导致观测序列在时间上的不连续，大量研究发现全球探空资料时间序列存在不均一的问题［11-17］。我国高空温度和湿度序列也由于历史上探空仪的多次更新或者辐射误差订正技术的变化而导致不连续［13-18］。探空资料序列的不连续将严重影响气候变化事实的分析结果。

与高空温度探测相比，高空湿度的精确探测难度更高，全球绝大部分探空业务用湿度传感器均存在干偏差问题。Soden等［19］通过比较TIROS（Television and Infrared Obseration Satellite）卫星的业务用垂直探测仪（TOVS）获得的湿度资料和全球Vaisala RS80-A探空仪观测的湿度资料，发现探空湿度存在明显的干偏差。Nakamura等［20］发现，Vaisala RS80-15G探空仪观测的大气可降水量较GPS（Global Positioning System）遥测大气可降水量偏低3～4 mm（4%～6%）。Turner等［21］比较分析了美国大气辐射计划（ARM）布设的地面微波辐射计和探空水汽资料，发现RS80-H探空仪观测的大气水汽存在近5%的干偏差。

与卫星观测到的大气湿度相比，我国业务用探空仪观测的湿度同样存在干偏差。Wang等［22］利用全球探空资料数据集（IGRA），以地基GPS／MET的大气可降水量为参照，通过对北京站（54511）的资料分析发现，由于该站2002年更新为湿敏电阻探空仪，导致了探空大气可降水量由原来的湿偏差变为干偏差，湿度记录不连续，这种现象在白天甚于夜间。与国际上广泛使用的一些探空仪相比，我国业务用的探空仪（59-701型雷达探空系统的机械式探空仪和L波段雷达-电子探空仪系统的GTS1电子探空仪）同样存在一定偏差。Bian等［23］根据2009年8月在昆明进行的GTS1电子探空仪，Vaisala RS80探空仪和CFH霜点式露点仪的对比观测也得出GTS1电子探空仪存在干偏差的结论，且温度越低，干偏差越大。

阳江第8次国际探空系统比对试验［24］结果表明，在高空相对湿度探测方面，存在着明显的不足，不同探空系统对湿度探测结果差别很大，在温度小于－40℃情况下，湿度传感器测量性能受到较大影响。郭启云等［25］通过南京探空站冬季3个月的采用碳膜湿敏电阻传感器的GTS1型、GTS1-1型电子探空仪、采用国产湿敏电容传感器的GTS1-2型电子探空仪与芬兰Vaisala RS92型探空仪的对比试验表明：GTS1型、GTS1-1型电子探空仪的相对湿度探测值在300 hPa以下较芬兰Vaisala RS92型探空仪明显偏小，300 hPa以上较Vaisala RS92型探空仪偏大，而采用湿敏电容传感器的GTS1-2型电子探空仪探测值与Vaisala RS92型探空仪较为接近。

2002年以来，我国高空探测系统逐步由59-701型探空系统更新为L波段雷达-电子探空仪系统，温湿度探空仪器随之由59型机械式探空仪更新为电子探空仪，探测仪测湿元件由原来的肠衣更换为湿敏电阻。肠衣元件在高湿和低湿环境下具有非常高的时间常数，滞后误差很大，相对于肠衣元件而言，湿敏电阻具有更宽的湿度测量范围和小得多的时间常数，因而应获得精度更高的湿度探测结果［26-27］。但仪器的更换无论是提高还是降低了探测精度，都可能导致观测资料在仪器变更前后的系统偏差。张立功等［28］在酒泉高空站L波段雷达-电子探空仪系统与59-701型探空系统1个月的同步探测结果表明：两者的相对湿度差随高度增加而增加，L波段雷达-电子探空仪系统探测的相对湿度较59-701型探空系统系统性偏低，200 hPa L波段雷达-电子探空仪系统探测的相对湿度比59-701型探空系统约偏低35% 。

单站的研究结果证实，2002年以来，我国探空系统升级对湿度资料已产生影响，但上述结果是否适用于我国其他探空站，高空站湿度探测仪更换对我国高空湿度探测资料造成的影响如何，本文将利用全国98个高空站探测资料进行分析，获得上述问题的答案。

1 资 料

资料源于国家气象信息中心存档的1951—2010年全国120个高空站的探测资料数据集的气温和露点温度资料，并经过了基本质量控制。在进行仪器换型前后资料差异分析时，选取各站换型前后各3年的资料。对2008年以后换型的高空站未进行统计，则共选取98个高空站。

相对湿度可根据露点温度和气温测值计算得到［29］。换型后的L波段雷达-电子探空仪系统业务观测规范规定的露点温度计算公式，与59-701型探空系统观测规范给出的露点温度计算稍有差别。经计算，两者差别很小，气温越低差别越大，如气温低于－40℃时，不同露点温度条件下相对湿度最大差异约为0.57%；气温高于2℃时，最大差异不超过0.2%。因此，本文不考虑由于相对湿度与露点温度计算公式的变化导致的差异。

2 探空系统换型情况

全国目前运行126个高空站，其中5个为单测风站，另外，福建龙岩（58927）为4—6月探空观测，因此未进行分析。2002年1月开始，我国高空探测系统从59-701型探空系统逐步更新为L波段雷达-电子探空系统，温湿度探空仪器随之由59型机械式探空仪更新为电子探空仪，探测仪测湿元件更换为湿敏电阻。图1给出了2002年1月以来探空仪更换的时间及站数，自2002年1月北京站第1个更换探空系统后，大规模的换型主要集中在2005—2007年，至2010年底全国高空站基本更新为L波段雷达-电子探空系统。

图1 2002年1月以来全国探空仪换型时间及站数Fig.1 Dates and number of stations for radiosonde system changing since January of 2002

3 换型前后平均相对湿度的差异

3.1 对流层各高度的差异

计算各站各高度层探空仪换型前后各3年平均相对湿度差值。图2给出了对流层上层（200 hPa）、中层（500 hPa）和低层（850 hPa）的平均相对湿度差值分布。由图2可见，探空仪换型后的相对湿度观测值在整个对流层均较换型前偏小，表现为偏干趋势，这种偏干现象随着高度增加愈加明显。在200 hPa高度，换型后的相对湿度探测值较换型前平均偏小14.63%（表1），换型前后的差异几乎所有站均达到0.1显著性水平；在500 hPa高度，除了西北地区极少数站表现为小的正偏差外，全国75%以上的站为负偏差，换型后的相对湿度探测较换型前平均偏小8.31%（表1），换型后的偏干现象东部较西部明显。在850 h Pa高度，换型前后的差异没有对流层中高层明显，但绝大部分站换型后较换型前偏干，且54.4% 的站达到0.1显著性水平，换型后的相对湿度观测值较换型前平均偏小5.32%（表1）。

图2 换型前后200 h Pa，500 h Pa，850 h Pa平均相对湿度差值（单位：%）（实心圆表示差值达到0.1显著性水平，空心圆圈表示未达到0.1显著性水平）Fig.2 Differences of relative humidity between pre-change and post-change of sensor at 200 hPa，500 hPa and 850 hPa（uint：%）（the solid circle denotes passing the test of 0.1 level，hollow circle denotes no significance）

续图2

表1 各层换型前后相对湿度差异的全国平均值（单位：%）Table 1 Mean differences of relative humidity between pre-change and past-change of sensor（uint：%）

可见，我国探空湿度仪自2002年以来陆续更新后导致的湿度干偏差现象并不只是存在于之前研究指出的个别站［22，25-26］，而是具有普遍性。

换型前后相对湿度的差值随高度的变化通过北京站和武汉站（57494）（图3）可更直观地看到，差值随高度增加而增加，00：00（世界时，下同）和12：00均如此。

在我国探空系统由59型机械式探空仪更换为GTS1电子探空仪时，湿度传感器和温度传感器同时改变。马颖等［30］对我国70个高空站1个月的对比观测分析表明，100 hPa高度以下，59型机械式探空仪与GTS1电子探空仪的温度探测值没有系统性差异。因此可以推测，换型后对流层大气的绝对湿度也将同样存在干偏差问题。

图4给出了1981—2010年北京站各高度年平均相对湿度和年平均温度变化曲线。北京站在2002年1月将59-701型探空系统更换为L波段雷达-电子探空仪系统后，相对湿度出现了明显的不连续下降，200 h Pa高度年平均相对湿度较换型前约偏低20%，但温度探测值变化不明显。

图3 北京站和武汉站换型前后相对湿度的平均差值随高度变化Fig.3 Variation with heights for relative humidity difference between pre-change and post-change of sensor at Beijing Station and Wuhan Station

图4 北京站各高度年平均相对湿度和年平均温度Fig.4 Time series of annual mean relative humidity and annual mean temperature at Beijing Station

续图4

3.2 差异的日变化

由于太阳辐射对湿度传感器的加热作用，探空湿度的干偏差问题存在于全球大多数业务上使用的湿度传感器上，导致湿度的干偏差在白天比夜间明显得多［22，31-32］。Wang等［33］研究表明，太阳辐射导致Vaisala RS92型探空仪探测的相对湿度存在明显的干偏差，且是Vaisala RS92型探空仪湿度探测偏差的主要组成部分。

我国探空使用的59型机械式探空仪的温湿传感器均有防辐射罩，GTS1电子探空仪的湿度传感器有防辐射罩，温度传感器有防太阳辐射的涂层但没有防辐射罩，大大减少了温湿度探测受太阳辐射的影响程度。但这种防辐射作用是有限的，因此，各探空仪生产厂家均在探空系统资料处理软件中对温度进行了辐射订正，但未对湿度进行订正。对温度的辐射订正是否有效，需要通过大量探测资料的精确分析才能得出结论。显然，如果对温度的辐射订正不适当，就会影响到饱和水汽压的计算结果，进而影响空气绝对湿度值。

图5 换型前后不同高度层00：00和12：00相对湿度差值散点分布Fig.5 Scatter diagram for relative humidity difference of different heights between pre-change and post-change of sensor at 0000 UTC and 1200 UTC

为了分析我国探空仪器换型前后湿度探测值差异是否受太阳辐射影响，选取110°E以东的45个高空站，确保这些站在探测时次00：00观测期间的绝大部分时段为白天，在观测时次12：00探测期间绝大部分时段为夜间。图5给出了45个站换型前后3个高度00：00（代表白天）和12：00（代表夜间）相对湿度差值的散点分布。可见，绝大部分台站在白天的差值大于夜间，在对流层的3个高度均如此。因此，太阳辐射对湿度观测有影响，使我国2002年之后使用的L波段雷达-电子探空仪系统的湿度系统性偏低更加明显。由图3给出的北京站和武汉站也可清楚地看到，00：00的相对湿度差值高于12：00。

续图5

4 换型前后相对湿度概率分布的差异

图6 换型前后不同高度相对湿度出现频率分布Fig.6 The probability distribution of relative humidity between pre-change and post-change of sensor

概率分布是气象要素的重要统计特征。为了分析探空仪器换型对湿度概率分布特征的影响，计算全国各高空站探空仪换型前后6—8月各高度层相对湿度出现频率分布（图6）。仪器换型前，各高度层的相对湿度分布均表现为单峰型的偏态分布，但换型后的分布明显偏离正态，且相对湿度低值出现频率明显增加。在对流层高层（200 h Pa），换型前，相对湿度出现频率最高的区间位于20%～60%，换型后，高频区为0%～30%，相对湿度小值出现概率明显增大。而相对湿度在60%以上的出现频率由换型前的15%下降为换型后的不到3%。在对流层中层（500 hPa），相对湿度20%以下的低值区出现频率在换型前为9.5%，换型后增加到26%，相对湿度在20%以上的各值域段除80%～90%外，换型后的出现频率均明显减少，如相对湿度为20%～70%的出现频率由换型前的52%减少到换型后的39.7%，但相对湿度为80%～90%的出现频率在换型后明显增加。在对流层低层（850 hPa），换型前后相对湿度出现频率的变化与500 hPa类似，相对湿度在20%以下的低值区出现频率在换型后增加，相对湿度为20%～90%的高值区出现频率在换型后减少，但90%以上的高湿频率在换型后有所增加，只是变化的幅度较500 hPa和200 hPa偏小。

换型前后变化最明显是相对湿度在3%以下的出现频率，换型前各高度层出现频率均接近于0，但换型后各层均出现较高频率，200 hPa，500 hPa，850 hPa层出现频率分别为16.2%，9.9%和2.2%。造成该现象的原因尚不完全清楚，但探测数据处理的两种方法可能与此有关：①当测量的相对湿度低于0%时，软件系统自动将其订正为2%［34］。我国高空探测要求碳湿敏电阻在施放前要在基测箱内进行基测，以确定相对湿度为零时的阻值（输出频率），尽管规范要求高空站经常烘烤基测箱内的干燥剂以确保箱内相对湿度为零，但实际不能达到，其结果必然使高空探测到的接近0%的相对湿度变为负值；②GTS1型电子探空仪穿越对流层云中过饱和高湿环境，在出云后不能及时恢复，这时传感器有时失效，业务软件自动将湿度赋值为2%［35］。

5 结论与讨论

本文对全国98个探空站相对湿度探测值在探空系统换型前后的差异进行统计分析。结果表明：

1）探空系统换型后，大气对流层相对湿度观测值较换型前显著降低，表现为明显的干偏差，且随着高度的增加而增大，200，500 h Pa和850 hPa相对湿度分别较换型前偏低14.6%，8.3%和5.3%。

2）仪器换型造成的干偏差在00：00大于12：00，即白天甚于夜间，与太阳辐射有关。

3）换型前后相对湿度的概率分布发生了明显变化，整个对流层相对湿度低于20%的低值出现频率明显高于换型前，200 hPa小于20%相对湿度出现频率由换型前的10%增加到换型后的53%，换型前各高度层相对湿度在3%以下的出现频率均接近于0，但换型后200，500 h Pa和850 hPa出现频率分别达16.2%，9.9%和2.2%。

本文仅通过对观测资料的分析得到由于探空仪更新导致我国高空探测相对湿度出现系统性偏干结果，但对其原因的分析仍然十分粗浅，需深入探究。探空仪的测湿元件肠衣或湿敏电阻对湿度的测量偏差、太阳辐射影响、仪器的稳定性、数据处理方法等各种因素都可能是造成该现象的原因。太阳辐射对温度和湿度观测值的影响是高空观测误差的重要原因之一，本文研究表明：湿度仪器换型前后相对湿度的差异在白天大于夜间，间接证实了太阳辐射对湿度观测值的影响，且在仪器换型前和换型后的影响不同。太阳辐射对温度和湿度测量值均有影响，最终会造成大气湿度观测值的误差。这种误差的形成和订正需要通过对探空系统和大量资料的仔细分析才能确定。目前，尚未见到我国探空业务系统中不同厂家辐射订正的公开资料，这也给探空温湿度资料的订正带来了困难。

探空湿度资料的误差将对基于观测资料的高空气候和气候变化研究结果以及数值预报模式同化分析结果的准确性造成影响，应引起足够重视。由于碳湿敏元件在不同环境温度下感湿特性曲线不相同，我国业务探测中探空仪器生产厂家根据实验室试验数据并参考国外情况对相对湿度探测量进行了订正处理，实验室静态测试数据分析结果表明订正效果并不十分理想，并提出了效果更佳的订正方法［34，36］。进一步的研究工作除了实验室研究外，还应重点分析仪器换型前后资料系统性差异产生的原因以及观测到的大气湿度与真实大气湿度间的偏差，消除资料的系统误差。

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Effects of Radiosonde System Changing to L-band Radar Digital Radiosonde on Humidity Measurements in China

Wang Ying1）Xiong Anyuan2）

1）（Inner Mongolia Meteorological Information Center，Hohhot010051）
2）（National Meteorological Information Center，Beijing100081）

The radiosonde sounding is a major tool for measuring the vertical structure of atmospheric variables.Accurate monitoring of water vapor is vital for numerical weather prediction and climatic change assessment.The radiosonde sounding system in China begins upgrading to L-band radar digital radiosonde system from 59-701 system since 2002 and completes in 2011，and the sensor for humidity measurement is changed from goldbeater’s skin to a carbon hygristor.These changes may result in discontinuity of radiosonde observation series.

In order to determine the observational bias brought by the upgrade，comparative analysis of relative humidity（RH）measurement between pre-change and post-change of the system is made using radiosonde humidity observations.98 radiosonde stations out of 120 stations in China are selected to analyze differences between 3 pre-change years and 3 post-change years.Results show that RH after changing the sensor has a significant dry bias.There are statistically significant dry bias in almost all selected stations at 200 hPa，and in 75%and 54%stations at 500 hPa and 850 hPa，respectively.RH dry biases increase with height in troposphere，with values of 14.6%，8.3%and 5.3%at 200 hPa，500 hPa and 850 hPa，respectively.There are more dry biases during daytime than nighttime due to impacts of solar radiation.The probability distribution of relative humidity after the system upgrading has a significant shift comparing to pre-upgrading.The occurrence frequency of RH with the value less than 20%after system change is much higher than that during pre-change，which are 53%vs 10%at 200 hPa.The frequency of RH with the value less than or equal to 3%are 16.2%，9.9%and 2.2%on 200 h Pa，500 hPa and 850 hPa after system upgrading，but that is nearly 0 at three levels before upgrading.Causes of these dry biases and biases between actual value and the observation will be further studied.Also，methods for correcting the bias should be developed.

radiosonde；sensor change；relative humidity

王英，熊安元.L波段探空仪器换型对高空湿度资料的影响.应用气象学报，2015，26（1）：76-86.

10.11898／1001-7313.20150108

2014-03-31收到，2014-10-11收到再改稿。

国家重点基础研究发展计划（2010CB951600），公益性行业（气象）科研专项（GYHY200906014）

* 通信作者，email：xay＠cma.gov.cn