L波段雷达探空系统气压测量值与气压反算气压值的误差分析

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稳定牙靠的气象观测设备运行是获取稳定连续的高质量探测数据的重要保障 。高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，不仅要满足天气分析和数值预报的需要，还要满足气候变化监测的需要 。 。高空气象观测资料在天气预报和气候监测中发挥着重要作用，同时在大气遥感观测真实性检验和校准检验中发挥着无可替代的的基准作用 。大气中各个高度上的收稿 日期：2012-10-22。

基金项目：气象关键技术与应用项目(CMAaJ2011Z19)和气象行业专项(GYHY20110605401)作者简介：郭启云(1980-)，男 ，硕士，工程师.主要从事高空气象探测业务与技术研究。

· 1O · 气 象 水 文 海 洋 仪 器气压、温度、湿度、风向、风速随时间和空间分布的资料是研究大气热力及动力过程和天气分析及预报 的最基础资料5]。

我国主要使用雷达探空体制6]。我国高空探测以L波段二次测风雷达 GTS1电子探空仪系统为主，逐步取代 了59-701”系统 ，它具有较高的精度和自动化程度，大大提高了高空探测数据处理质量和工作效率 ]。到 2010年底，中国气象局完全实现了全国 120个探空站 I 波段雷达业务使用，明显加大了资料的时空密度，大幅度提升了探测精度 ]，在天气预报和气象专业服务等方 面发挥着十分重要 的作用g]。

L波段雷达探空系统的GTS1型探空仪为-次性消耗性器材，在满足探测业务要求的情况下 ，尽量降低探空仪成本是气象工作者不断追求的目标。L波段高空探测系统获得探空仪随施放时间或高度变化的气压值有两种方法：用气压传感器直接测量和用雷达对探空仪的定位信息计算。目前采用的是用探空仪气压传感器直接测量的方法。用雷达的定位信息，结合探空仪探测的温度与湿度测量结果进行气压反算。国内许多学者都开展了这方面 的研究 工作 ]。用雷 达的定位信息气压反算的准确度若能满足业务应用需求，就可以在探空仪上去掉气压传感器，进而降低探空仪成本。同时 L波段雷达高空探测系统，可以同时得到雷达测量的探空仪和用气压计算的两个高度，这两个高度的关系及如何相互 比较 、监测也是值得研究的问题 。

本文以芬兰 VAISALA公司的 RS92探空系统为参考标准，考虑以 L波段雷达高空探测系统的雷达定位信息和探空仪测量的温度和湿度，进行气压反算，并比较其与探空仪直接测量气压值两者之间的误差，进而研究气压反算的可行性。

1 方案设计2008-06-21～28和 2009-01-14～19，分别在锡林浩特探空站(GCOS基准探空站)和南京探空站进行了 26次和 2O次探空仪的有效动态同球施放比对试验；为了保证比对试验数据可靠，比对前 ，对锡林浩特 和南京探空站的 L波段雷达进行了标定。比对参考标准采用芬兰维萨拉公司的RS92GPS导航测风探空系统 。

比对试验采用每次 同球施放 3个 RS92探空仪和-个 GTS1探空仪的方法；用 2根长 1.5 m左右的竹竿固定为十”字型支架，在其顶端分别悬挂 4个探空仪，气球与支架相距 30 m，由 1 600 g的气球携带升空，平均升速控制在 300 m/min400 m/min。

以同球施放的 3个 RS92探空仪的测量平均值作为参考标准值，求出每个 GTS1探空仪相同时间的差值 d，假设 GTS1探空仪的测量结果为L，3个 RS92探空仪的测量结果分别为 G 、G。、G3，则 ：d L-G-1--G z--Ga (1)5由于 RS92提供数据的时间间隔为 2 S，也将CST1的数据处理 为相对应 的 2 S间隔，在得到CTS1探空仪探测和雷达计算的气压和高度的各次差值以后，按照规定等压面分层计算各层的系统误差和标准偏差。

2 计算方法由于用气压、温度和湿度计算的高度是处于地心坐标系的位势高度，在用雷达坐标数据反算气压之前 ，需通过计算得到与气压高度相 同量纲的数据。应用雷达探测的斜距离计算为地心坐标高度，而该高度为几何高度(m)，因此，还要将其变换为位势高度(gpm)才能用于反算气压。

由于雷达测距的电磁波要通过不均匀大气，上层空气密度小，下层空气密度大，雷达测得的仰角要大于目标的实际视仰角。而由于电磁波的路径弯曲，目标的实际距离会小于用雷达发射与接收之间的时间差乘以光速所得距离，因此，在计算雷达所测 目标的地心坐标高度 以前 ，应进行雷达所测仰角和距离的修正[1 。

具体计算方法如下 ：雷达所测探空仪在站心坐标的高度采用下式计算：z- 、 - R (2)式中：Z为 目标在地心坐标系中的几何高度 ；R为地球半径，取 6 371 229 m；L为经距离修正后的目标斜距离 为经折射修正后的目标仰角。

用下式将几何高度 Z换算为位势高度 H：H - . (3)十 g式中：R。为当地海平面的地球半径标定值；g。为当地海平面的重力加速度；g为重力加速度 的标称值，取 9.806 65 m/s 。

第1期 郭启云，等：L波段雷达探空系统气压测量值与气压反算气压值的误差分析 ·11·地球半径标定值为：2go3.085462× 10 2.27×10 cos29当地海平面的重力加速度为：go -9·80620(1- 0.0026642cos290.0000058cos。29)式 中： 为当地的地理纬度 o)。

度与 GPS卫星定位高度整体上表现为正值，最大， 误差在 500 gpm左右，有随高度误差逐渐增大的趋势。从随机误差考虑，锡林浩特探空站的雷达高度与GPS卫星定位高度的的误差散布在 300 gpm以内，而南京探空站达到了 500 gpm。

(5)- -雷达高度.--气压高度：- GPs高度高度反算气压从地面开始采用 2 S间隔的数据逐层计算，地面气压采用探空站的气压表测量，向上采用高度计算。设下层气压为 P ，上层气压为 P ，下层气压已知，上层气压用下式计算： P2：P1×10△H/(18410.01/ ) (6)式中：△H 为上层气压和下层气压 间的高度差(gpm)；Tv为上层与下层空气的平均虚温(K)，平均虚温用下式计算：Tv- T(10.378 ) (7)式中：T-273.15 t，为气 层 问 的热力 学 温度(K)；t为摄 氏温度(℃)； 为气层 间的平均水汽压 ，用上层和下层实际探测所得温度和相对湿度平均值用下式计算：- E ·U/100 (8)式中： 为平均温度 对应的饱和水汽压，采用世界气象组织推荐的简化公式计算：6.112exp( ) (9)由于采用 2 S钟间隔数据，温度 和湿度 的平均值可以用上层和下层的测量结果相加除以2求得，气压可以直接采用下层测量或计算结果作为平均值 。 ，3 对比研究3.1 高度反算与 L波段雷达测高比对按照上述计算方法，对用 L波段高空探测系统的雷达定位信息计算的位势高度(简称雷达高度)和用探空仪测量气压、温度和湿度计算的位势高度(简称气压高度)分别与 GPS导航卫星对探空仪的定位高度比较，按照不同等压面分层制造比对曲线，锡林浩特探空站的比对结果如图 l所示，南京探空站的比对结果如图 2所示。

从图 1和图 2可以看出，锡林浩特探空站的雷达高度与 GPS卫星定位高度间的系统误差在整个测量范围都qltJ，，从地面到球炸各层的系统误差保持 100 gpm以内。南京探空站的雷达高232嘉。1誊萋萋薹羹耋耋羹耋耋羹羹萋彗 旧 8 8星8 8 8 8 导昌：鞫 、。 n 0 0 0 0 0分层/hPa- -雷达高度：--气压高度：-GPs高度8 g 8 8 8 8 星 宾导是高2.ik 鲁09.塞塞薹喜喜霎茎奏塞塞萋喜 萼.n.nn H 0 0 0 00 0 旧 昌8 g害 导罱蜀苫訇 ∞ .n n H 0 0 0 0 0 分层/hPa锡林浩特站位势高度随机误差-标准偏差图 1 锡林浩特探 空站位势高度 比对- -雷达高度： 压高度：- GPs高度20001 500oo。

50008 g g 8星 8 昌 导 是 岛 2蟥备塞 堇圣量茎 垂夏薹墨墨喜蓦善萼 竖萎善童善誊量蠡蚕墨墨巷萤詈量萤茎分层n1P0(a)南京站位势高度系统误差-平均偏差- -雷达高度： 压高度：- GPs高度易 星8 8 g 星 g呈 导是罱2 .n9 0 000.n 0 0 .n m 备基蚤堇堇誊 蚤 堇星量喜量善萼 l且 8 昌8g 8 8 宾导鬲高訇 o。 .n n H 0 0 0 0 0 ； 。

分层/hPa南京站位势高度随机误差-标准偏差图 2 南京探空站位势高度比对分析曲线4 3 2 1 1 l 目Id8制 《 制· 12 · 气 象 水 文 海 洋 仪 器3.2 气压反算与气压测量研究分析按照上述计算方法，用雷达高度反算气压值(简称高度反算气压)。用 GTS1型探空仪实际测量的气压值(简称 GTS1气压)和雷达高度反算的气压值 ，分别与 RS92导航测风探空仪测量的气压值(简称 GPS气压)进行 比对。锡林浩特探空站的比对曲线如图 3所示 ，南京探空站 比对 曲线如图 4所示 。

- G 气压 ：- 高度反算气压 ：-GPs气压呈喇8∞ 6呈42O0 0 0 0 0 0 0 0 0 n 0 0 0 0 0 .n 0 n ∞ -n n 旧 8 g 星 g 8 雾 8目 ∞ r、 n m 分层/hPag 窝导罱高2 量童童童重莹至莓 00 0 0 0 0 02 譬 錾 窨 鲁 2- G 1气压 ：--高度反算气压：-GPs气压2。

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分层 /hPa锡林浩特站气压随机误差-标准偏差图 3 锡林浩特探空站气压比对分析曲线- G l气压 ：- 高度反算气压 ：-GPs气压8 g 8 g星景星景g 宾导是高2 誊童室童童童塞莹堇量童童董塞室蚕莓 l l J I l - l 蠡善 量量萤弱蕊萎量善萤 善萤兰。。 r、 .n n H 0 0 0 0 0 - G l气压 ：- 高度反算气压：-GPs气压军 导 早 肆 军 雩 辱：荽 旧 g 88 88 8 8 导罱高苫冒 、。 。 。 。 。 。

分层/1OaCo) 南京站气压随机误差啼 §偏差图4 锡林浩特探空站气压比对分析曲线可以看出，锡林浩特探空站的高度反算气压与 GPS气压间的系统误差整体上表现为正值 ，在300 hPa以下气压层误差较大，在 850～700 hPa出现误差极大值 3 hPa；这极可能与气压对 于高度的分辨力在近地层 较大有关 ，300 hPa以上 的气压层 ，误差均小于 1 hPa。在球炸时，系统误差已趋近于零。高度反算气压的随机误差即误差的散布也是低层大高层校而 GTS1型探空仪的实际测量结果 ，无论是系统误差还是随机误差都小于高度反算气压的结果。

南京探空站用雷达高度反算 的气压值与GPS气压值比较，系统误差整体上表现为负值，0～150 hPa等压面的误差最大 ，达到 7 hPa，而系统误差最大处的随机误差也大。无论是系统误差还是随机误差，都有随高度增加而减小的趋势，在接近球炸时，系统误差和随机误差度逐渐趋于零。

GTS1实际测量的气压与GPS气压比较，系统误差和随机误差在整个施放过程的变化都很小 。用雷达高度反算气压与 GST1实际测量的气压比较，雷达高度反算的气压值，无论系统误差和随机误差都 比 GTS1探空仪测量 的气压误差大，而在30 hPa以上高度的气压反算 和实际测量 的误差都有逐渐减小的趋势。

锡林浩特和南京两个探空站在 40 hPa等压面高度以下由雷达高度计算的位势高度测量误差与由气压计算的结果处于同-准确度等级 。而在40 hPa等压面高度以上由雷达定位坐标计算的位势高度要比用气压计算的结果误差小，尤其是在接近球炸时要小得多 。

锡林浩特和南京两个探空站，在 50 hPa等压面高度以下，用高度反算的气压要比用探空仪气压传感 器 实 际测 量 的结 果 误 差 大得 多 。而 在50 hPa等压面高度以上，用高度反算的气压值的误差逐渐趋于-致。用雷达探测高度反算的气压值，最大值可达 5～7 hPa，而用探空仪实际的测量结果的误差通常在 2 hPa以内且变化平稳 。

4 结束语在锡林浩特和南京两个探空站，用雷达定位信息计算的位势高度和用气压计算的位势高度与GPS导航测风探空仪所测位势高度比较；用雷达高度反算的气压值和GTS1型探空仪用气压传感器直接测量的气压值 与 GPS导航测风探空仪测量的气压值比较，结果表明：第 1期 郭启云，等 ：L波段 雷达探空系统气压测量值与气压反算气压值的误差分析 。13(1)用雷达定位信息计算的位势高度代替用探空仪探测的温度、气压和湿度计算位势高度是可行的，尤其是在 40 hPa等压面高度以上可以明显减小位势高度的误差 。

(2)用雷达定位信息反算的气压值代替用探空仪实际测量的气压值，其误差在 40 hPa等压面高度以下是不可行的，但在该等压面高度以上是可行的，两者的误差相当。

考虑到以上结论，在高空探测业务中，在气压高度缺测或不正常时，可以用雷达的定位信息计算位势高度，替代用气压计算的位势高度。

对于用雷达高度反算气压值的应用需进-步开展试验验证工作，但在目前可以考虑在 40 hPa等压面高度以上实施雷达高度反算气压，以对探空仪实际测量的气压值进行监测，在探空仪气压测量结果明显偏离用高度反算的气压值时，可以考虑用高度反算的气压值替代。

锡林浩特和南京探空站用雷达高度反算的气压值与 GPS探空仪所测气压间的系统误差，其方向在大多数情况下相反且数值较大，说 明，用高度反算气压可能受雷达状态和探测地域的影响，若在高空气象探测网中实行高度反算气压，在目前用 L波段雷达的情况下，将使高空探测网的数据失去可 比较性。

因此，要进-步开展用高度反算气压的研究工作，以确定反算气压体制下，对雷达状态、地域影响以及不同天气和雷达不 同工作状态和所测参数的修正问题。