新型數字式電子探空儀故障分析

斯蘭芬,吳 靜,金嘉偉,劉曉玲

(新疆和田市氣象局,和田 848000)

0 引言

作為綜合氣象觀測系統的重要組成部分,探空觀測能夠提供完整的大氣溫度、 氣壓、 濕度、風等信息。近年來隨著探測技術的不斷進步,探空觀測已經轉向更高時空的秒級探測[1]。探空資料是有限區域天氣預報數值模式初始場的重要依據,對對流性天氣短時臨近潛勢預報作用也非常明顯。2020年,探空儀由GTS1和GTS1-1型換為新型的GTS11,GTS12與GTS13數字式電子探空儀后,新型探空儀的性能指標得到明顯的提高。但新型探空儀在實際探測工作中,傳感器變性、信號突失、亂碼等故障頻繁出現,造成探空觀測資料的可用性差,臺站觀測質量因此嚴重下滑,也增大了探測數據質控的難度。

近年來,關于數字式電子探空儀的研究較多,如梁建平等[2]給出了新型探空儀故障的判斷方法;高英杰[3]提出了氣壓傳感器變性的處理辦法。文章通過對新疆2020年探空觀測過程中新型數字式電子探空儀的各種故障現象進行分類總結,針對各類故障提出觀測前檢查儀器、觀測中調整儀器信號及觀測資料處理的方法。

1 3種新型探空儀的常見問題

2020年新疆14個探空站施放3種探空儀的故障情況如表1所示,因故障導致探測高度低于考核高度的占比情況如表2所示。

表1 2020年施放3種探空儀的故障情況

表2 因3種探空儀儀器故障導致探測高度低于考核高度的占比情況

2014年中國氣象局觀測司就探空觀測數據質量指數做了明確的要求,探空平均高度≥28,600 m,測風平均高度≥27,000 m,重放球全年≤6次,且根據遲測時間扣除相應的得分[4]。從表1、表2中可以看出3種探空儀故障發生的頻次較多,不但嚴重影響了探空測報質量,同時對探空資料在各領域的應用也造成了很大影響。

2 3種新型探空儀故障的排除與處理

2.1 施放前對探空儀的檢查

2.1.1 外觀檢查

GTS11,GTS12與GTS13型探空儀從工廠到臺站都經過了較長路程的運輸,運輸途中可能受到碰撞或擠壓,因此使用時應檢查探空儀的外包裝是否完好。目前儀器的測量轉換器和發射機是由廠家固定在泡沫盒內,而溫濕度傳感器則安裝在外露的支架上,在打開外包裝后應仔細檢查溫濕度傳感器是否有斷裂、虛焊,濕度傳感器的防雨罩是否受到擠壓等,同時嚴禁觸碰溫濕度傳感器,防止傳感器損壞與變性。

2.1.2 頻率寬度調整與凹口檢查

3種新型探空儀的載波中心頻率理論上為1675 MHz±3 MHz,測距缺口與欠飽和振幅比不小于30%?；鶞y前連接探空儀電源線與基測箱電源線,打開放球軟件與雷達,將探空儀頻率調整為1665 MHz～1685 MHz,觀測探空儀的頻率寬度。在實際工作中發現,GTS11探空儀的頻率在1670 MHz～1674 MHz時信號最好,測距缺口與欠飽和振幅最好;GTS12探空儀的頻率在1674 MHz～1676 MHz時信號最好,測距缺口與欠飽和振幅最好;GTS13探空儀的頻率在1676 MHz～1679 MHz時信號最好,測距缺口與欠飽和振幅最好。當3種儀器施放前超出上述頻率范圍時,儀器施放后常常會出現信號突然消失、亂碼、變性和測距消失等故障。

2.1.3 電池電源檢查

GTS11和GTS12型探空儀均采用鎂氯化亞銅注水電池組,在配制5%濃度的氯化鈉鹽水溶液時,水溫要保持在35 ℃左右。夏季電池電壓在18.5～19.5 V,電池電流為160 mA左右;冬季電池電壓在20.0～22.0 V,電池電流為180 mA左右即可。GTS13探空儀使用的電池為鋰電池,使用前應當用廠家配備的專用充電器對電池充電,直到電池指示燈變綠為止,鋰電池充電完成后電壓會保持在25 V左右。如果電池電壓超出上述值,儀器施放后可能發生各種故障。

2.2 施放后對故障的判斷與處理

2.2.1 傳感器變性的判斷與處理

判斷傳感器變性最直觀、快速的辦法是通過探空數據處理軟件的圖形顯示功能“探空曲線顯示”進行判斷。傳感器變性后是否需要重放球應根據當時的觀測記錄判斷,若記錄已經超過500 hPa則不需要重放球,記錄終止到氣壓或溫度傳感器變性的前一秒,濕度記錄只整理到有可靠濕度記錄為止,其他照常整理(濕度按1%RH計算);如未超過500 hPa或記錄處在500 hPa左右時,按500 hPa以下的規定進行重放球[5]。

2.2.2 信號突失的判斷與處理

在觀測過程中探空信號突然消失的原因有很多,如電池電源線與探空儀XP2連線相接處斷開;電池電量太高導致電路被擊穿;強對流天氣時遭遇急流、強風、雷擊。因此在實際觀測工作中,觀測人員應根據季節選擇電池電壓;在儀器裝配時,仔細檢查電池電源線與探空儀連線銜接處;如遇強對流天氣,應根據天氣雷達與預報預警適當推遲放球時間[6]。當信號突然消失觀測記錄處在500 hPa左右時,應按高空業務觀測規范規定處理。

3 結束語

GTS11,GTS12與GTS13新型數字式電子探空儀的測量精度雖然較高,但故障的發生率較高。文章通過對探空儀故障的歸類分析給出了相應的解決措施,在臺站進行應用后,新型探空儀在觀測過程中的故障發生率大幅度降低,重放球頻次也明顯減少。這些措施不但降低了器材的損耗,而且提高了臺站的探空測報質量。