球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

郭启云 杨加春 杨荣康 钱媛 曹晓钟

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）

此外，上升段、下升段的风计算均来自BDGPS导航定位，计算方法遵照WMO《气象仪器和观测方法》[17].但由于球和降落伞的分离模式采用的是球自然爆炸后分离，因此，在球炸后会由于上升骤停导致剧烈抖动以及降落伞未有效打开使得降速很大.根据观测业务规范要求将升速和降速控制在6～7m/s时的数据纳入计算，其他数据视为无效数据.

3试验结果分析

31上升RS92评估同球上升BD

311风东西分量

BD与RS92探空仪的风东西分量一致性好，风的变化细微结构均能得到较好的体现，其在10～14km的大风区（65～70m/s）也有较好的跟随性（图1a）.从单个样本来看，BD与RS92探空仪的风东西分量偏差有一定的差异，但变化较小，整体上在±10m/s以内（图1b）.

1）标准偏差（图2a）：整体而言，BD与RS92的上升段整体合成误差在10m/s左右.30km到球炸，BD上升风东西分量与RS92上升段的标准偏差在08m/s左右；30～20km，两者的标准偏差在10m/s以内；对流层附近，两者的标准偏差较小，在07m/s以内；对流层以下，标准偏差减少，在05m/s左右.

2）平均（直接）偏差（图2b）：整体而言，BD与RS92的上升段风东西分量平均偏差合成在±03m/s以内；整体上表现为有正有负，低层为正偏差，中层为负偏差，高层以正偏差为主；在顶层30km以上正偏差较大，说明BD的定位风东西分量是大于RS92的.

312风南北分量

与风东西分量一样，BD与RS92探空仪的风南北分量一致性也非常好，风的变化细微结构均能得到较好的体现，同时两者风的大小均明显小于东西方向的（图3a），这与我国处于西风带影响区域有直接关系.从单个样本来看，BD与RS92探空仪的风南北分量偏差差异较小，整体上在±10m/s以内（图3b）.

1）标准偏差（图4a）：整体而言，BD与RS92的上升段整体合成误差在10m/s左右.30km到球炸，BD上升风南北分量与RS92上升段的标准偏差在12m/s左右；30～20km，两者的标准偏差在10m/s以内；在对流层附近，两者的标准偏差也较小在10m/s以内；对流层以下，标准偏差减少，在05m/s左右.

2）平均（直接）偏差（图4b）：整体而言，BD与RS92的上升段风南北分量平均偏差合成在±03m/s以内；整体上表现为有正有负，没有明显规律，呈现左右摆动趋势；在顶层30km以上偏差最大，说明BD在顶层附近的测风误差较大，这与此时气球在南北方向风速较小情况下频繁摆动有直接关系.

313小结

从风东西分量、风南北分量两个方面以上升RS92为参考标准评估同球上升BD，结果表明上升段BD的风东西分量、风南北分量的误差（标准偏差≤10m/s，平均偏差：±10m/s）接近RS92的探测准确度要求（±10m/s，95%的置信区间）.由于是以RS92为标准，因此误差是两者间的综合结果，未去

上升段探测是以气球为载体，下降段探测是以降落伞为载体的，同一探空仪由于发生漂移，探测环境相对发生了改变.假设大气气流流动均匀，以上升的RS92為参考标准，评估同一RS92探空仪在下降段的测风准确性.

321风东西分量

RS92下降段风东西分量与RS92上升段风东西分量整体上一致性较好，在大风区域（65～70m/s）附近也有较好跟随性，但下降段的风东西分量的细微结构没有上升段明显（图5a）.从单个样本来看，RS92下降段与RS92上升段的风东西分量偏差有较大的差异，整体上在±30m/s左右（图5b）.

1）标准偏差（图6a）：RS92下降段与RS92上升段的风东西分量相比，整体上合成误差在25m/s左右.球炸到30km，RS92下降段与RS92上升段的风东西分量标准偏差在30～60m/s；30～20km，两者的标准偏差在15～3m/s；在对流层附近，两者的标准偏差不大，在40m/s左右；对流层以下，标准偏差先减少再增大，在10km附近，标准偏差较大，达70m/s.从探测原始数据来看，由于此时探测距离远、仰角低，接收机接收的信号存在较多误码，数据采取了线性插值处理，未能反映出实际的风速变化.

2）平均（直接）偏差（图6b）：RS92下降段与RS92上升段的风东西分量相比，除10km以外，整体上合成误差在±20m/s以内.对流层以上，表现为正偏差为主；对流层以下（10km除外），表现为负偏差为主.在10km附近，存在负偏差的最大值，可达-60m/s，与标准偏差有对应关系，说明此时因探测距离较远信号受低仰角遮挡无法正常接收.

322风南北分量

与风东西分量相比，RS92下降段风南北分量与RS92上升段风南北分量整体上一致性略差，20km以上，跟随性相对较好，20km以下，跟随性不好（图7a）.从单个样本来看，RS92下降段与RS92上升段的风南北分量偏差有较大的差异，整体上在-10～60m/s（图7b）.

1）标准偏差（图8a）：RS92下降段与RS92上升段的风南北分量相比，整体上合成误差在30m/s左右.球炸到30km，RS92下降段与RS92上升段的风南北分量标准偏差波动范围较大，在10～50m/s，说明与此时球炸以后抖动有直接关系.30～20km，两者的标准偏差在20～50m/s；在对流层附近，两者的标准偏差较大，在70m/s左右；对流层以下，标准偏差逐步减少.

2）平均（直接）偏差（图8b）：RS92下降段与RS92上升段的风南北分量相比，除10km和球炸高层附近以外，整体上合成误差在±20m/s以内.球炸高层附近，平均偏差较大，在-100m/s以上.整体上，偏差没有明显规律，呈现正负交替分布出现；对流层以下（10km除外），表现为负偏差为主.在10km

在气球爆破刚结束时，由于RS92探空仪所处环境的空气密度小，降落伞没有完全打开，存在类似“自由落体”的现象，前期降落约为45m/s左右，对定位有一定影响，从而影响下降段测风数据质量，造成测风的细微结构较难捕获，因此使用该段数据时，要做预处理或者有效控制；随着降落伞的逐步打开以及空气密度变大，净浮力起到一定的效果，降速逐步减小；直到18km时，下降速度减小到10m/s左右，降落伞在垂直方面起到支撑作用，可以实现对风的有效测量，再往后面至10km时，由于电池供电以及远距离对接收机低仰角遮挡影响，地面很难再接收到数据（图9）.

324小结

从风东西分量、风南北分量两个方面以气球作为载体的上升RS92为参考标准评估以降落伞为载体的下降同一RS92，结果表明上升段的RS92风东西分量、风南北分量与下降段的误差基本上与上升段的处于同一量级（标准偏差≤30m/s，平均偏差：±20m/s），说明有良好的应用前景.同时，下降初期由于空气密度小，降落伞没有完全打开，存在类似“自由落体”的现象，影响下降段测风数据质量，使用时需要进行预处理或者有效控制；直到18km时，数据可用性基本

33下降RS92评估同降落伞下降BD

在下降段，RS92、BD探空仪以降落伞为同一载体进行同步观测，探测环境相对上升、下降对比分析是保持一致的.BD探空仪下投10次中有2次在下投阶段发生定位信号丢失，不参与统计分析.

331风东西分量

BD下降段的风东西分量与RS92下降段的整体一致性略差，在顶层球炸附近由于降速非常快，其数据基本上不可用.18km时，其与RS92下降段的一致性较好，在大风区域（65～70m/s）附近也有较好跟随性，但BD下降段的风东西分量的细微结构没有RS92下降段明显（图10a）.从单个样本来看，BD下降段与RS92下降段的风东西分量偏差有较大的差异变化，整体上在±50m/s左右（图10b）.

1）标准偏差（图11a）：BD下降段的风东西分量与RS92下降段的风东西分量相比，整体上合成误差在15m/s以内.球炸到30km，BD下降段的风东西分量基本上不可以用，不参与统计分析.30～20km，两者的标准偏差呈现“之”变化，在05～25m/s.20km到对流层顶附近，两者的标准偏差逐渐增大，由05m/s逐渐增大到25m/s.在对流层附近14km左右，两者的标准偏差最大，在3m/s以内；14km以下，又呈现反“之”变化，在13～35m/s，到10km以下，两者受低仰角遮挡影响均没有信号.

2）平均（直接）偏差（图11b）：BD下降段的风东西分量与RS92下降段的整体上合成误差在±15m/s以内.对流层顶附近存在负偏差最大值-28m/s.对流层以上（30km除外），表现为负偏差为主；对流层以下，表现为正偏差为主.在8km左右时，存在正偏差的最大值，可达15m/s，与标准偏差有对应关系.

332风南北分量

BD下降段的风南北分量与RS92下降段的整体一致性略差，与风的东西分量一致，其在顶层球炸附近由于降速非常快，数据可用性受影响.18km时，其与RS92下降段的一致性较好，BD下降段的风东西分量的细微结构没有RS92下降段明顯（图12a）.从单个样本来看，BD下降段与RS92下降段的风东西分量偏差有较大的差异，整体上在±30m/s左右（图12b）.

1）标准偏差（图13a）：BD下降段的风南北分量与RS92下降段的风南北分量相比，整体上合成误差在25m/s以内.球炸到30km，BD下降段的风南北分量基本上不可以用，不参与统计分析.30～20km，两者的标准偏在2～3m/s.20km到对流层顶附近，两者的标准偏差在2～45m/s.对流层附近呈现“之”形变化，两者的标准偏差最大值超过6m/s.14～10km，两者的标准偏差又减小，在4m/s以内；10km以下，又呈现“之”形变化，在1～45m/s.

2）平均（直接）偏差（图13b）：BD下降段的风南北分量与RS92下降段的整体上合成误差在±15m/s左右.顶层存在负偏差最大值，可到9m/s，与高速下降有直接关系.10km附近存在正偏差最大值，可到7m/s，与低仰角有直接关系.对流层以上（30km除外），表现为负偏差为主；对流层以下，表现为“之”形变化，变化为-2～6m/s.

333降速对测风的影响

在气球刚爆破时，由于BD探空仪与RS92探空仪所处环境的空气密度小，降落伞没有完全打开，存在类似“自由落体”的现象，前期降落在45m/s左右，对定位有一定影响，从而影响下降段测风数据质量，同时下降度BD测风的细微结构没有RS92明显，因此与RS92下降一样，在使用BD该段数据时，要做预处理或者有效控制；随着降落伞的逐步打开以及空气密度变大，净浮力起到一定的效果，降速逐步减小；直到18km时，下降速度减小到10m/s左右，降落伞在垂直方面起到支撑作用，可以实现对风的有效测量，至8km时，由于远距离对接收机低仰角遮挡影响，地面很难再接收到数据（图14）.

334小结

从风东西分量、风南北分量两个方面以下降RS92为参考标准评估同降落伞下降BD，结果表明下降段BD风东西分量、

风南北分量的误差（标准偏差≤25m/s，平均偏差：±15m/s）与下降段的RS92测量相当，接近WMO的测量要求（±10m/s）.下降段BD测风前期数据没有RS92细微，且在使用时，要做预处理或者有效控制；后期数据可用性与业务要求接近.同时，急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求，对下降段的速度控制方法也有待进一步改善.

4结论与讨论

在长沙开展的球载式下投探空观测试验针对测风以风东西分量、风南北分量为两个评估要素，从上升RS92评估同球上升BD、上升RS92评估下降同一RS92和下降RS92评估同降落伞下降BD等3个方面进行结果分析，具体结论如下：

1）以上升RS92评估同球上升的BD，表明上升段BD的风东西分量、风南北分量的准确度接近RS92的探测准确度要求，具有较好的业务使用价值.此外，在上升段球炸处附近两者平均偏差和标准偏差较大，根据实际数据反查，这种现象与气球频繁摆动以及球炸后晃动有直接关系.

2）以上升RS92评估下降的同一RS92，表明下降段RS92的风东西分量、风南北分量与上升段的误差处于同一量级，有较好的应用前景.下降初期由于空气密度小，降落伞没有完全打开，存在类似“自由落体”的现象，影响下降段测风数据质量，使用时需要做预处理或者有效控制；直到18km时，数据可用性与业务要求接近.降至10km左右时，因探测距离较远，信号受低仰角遮挡影响无法有效跟踪，数据缺测较多，这对异地布设接收机提出了要求.

3）以下降RS92评估同降落伞下降BD，表明下降段BD的风东西分量、风南北分量的误差与下降段的RS92的基本相当，比较接近WMO的测量要求，下降段BD测风前期数据没有RS92细微，在使用时，要做预处理或者有效控制；后期数据的可用性与业务要求接近.同时，急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求，对下降段的速度控制方法也有待进一步改善.

在长沙开展的球载式下投探空观测试验表明基于上升段以球为载体、下降段以伞为载体的往返式探空观测模式具有诸多优势：首先在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密；其次通过载体漂移控制下降点可以实现原站施放、多站接收的观测模式，有利于对现有探空站网分布进行合理优化；最后往返式测风应用会对导航定位提出更高的技术要求.整体而言，该技术应用符合气象综合观测从人工定性观测向自动化遥感遥测、定量观测转变的迫切需求，具有良好的应用前景.

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