TK-2GPS人影探空火箭与L波段探空数据差异性分析

程鹏 李宝梓 黄颖 陈佩璇 陈祺 罗汉

(1 甘肃省人工影响天气办公室,兰州 730020； 2 中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081；3 兰州大学大气科学学院,兰州 730000； 4 兰州区域气候中心,兰州 730020)

引言

中高层大气探测是开展天气气候过程监测和分析的基础，其数据也是开展天气预报、气候评估和人工影响天气工作的重要依据[1-3]。目前国内承担高空气象探测业务的是L波段高空气象探测系统(简称L波段探空)，能够获得精确度较高的高空温、压、湿、风等气象要素，但探测的时间仅限于每天两次的固定时次[4-12]，其时空分辨率较低，远不能满足人影业务的需求。近年来，探空火箭作为临近空间的实地探测工具，受到各国航天技术和空间科学研究学者的重视, 在过去40年间取得了显著进展[13-15]，研制和应用了不同高度种类的探空火箭，被广泛地应用于中高层大气研究、空间天气预报等诸多领域。探空火箭是指在近地空间范围内进行环境探测、科学研究和技术试验火箭的总称[16]；探空火箭作为对临近空间大气环境进行原位测量的直接手段，具有操作便捷、成本低、使用灵活等优点[17]。正是包括火箭探测在内的综合探测体系的逐步形成,才形成当前对中高层大气结构过程与作用的整体性认识[3]。

作业目标区域中大气的温、湿等物理参数及变化趋势对开展人工影响天气作业非常重要，研究表明，若能实时掌握这些物理参数的变化趋势，可提高作业条件识别，有效提高人工增雨、防雹作业的科学性和作业效果[18-21]。人影探空火箭作为一种新型的观测设备，能够实时采集0～8 km高度范围的大气物理参数，获得人工影响天气作业需要关注的大气物理参数信息，可有效弥补L波段探空时间分辨率不够的问题[1，22]。利用人影探空火箭探测的温湿等大气信息，可为作业人员确定最佳催化位置提供参考依据，指导作业人员调整作业仰角，将催化剂播撒到最适宜高度，对于提高防雹增雨作业的科学水平具有十分重要的意义。人影探空火箭探测性能如何，是实际业务应用、科学研究中非常关心和需要回答的问题。近几年人影探空火箭在我国陕西、四川、辽宁等人影业务中得到了应用并取得了较好效果[22-24]，贺文彬等[18]对人影探空火箭数据和L波段探空数据进行了对比分析，结果表明两种探测方式探测数据非常一致；李金辉等[22]对人影探空火箭的性能进行了分析，火箭探空探测的温、压、湿等要素数据能满足人影作业需求；孙宝利等[23]利用人影探空火箭数据和雷达资料，分析并建立了人工增雨作业技术指标。

随着探空火箭在人影作业中的广泛使用，人影探空火箭采集的数据精准性及误差将会是实际业务中关注的问题。民勤地处石羊河流域下游，开展人工增雨作业，合理开发空中云水资源对缓解该区域水资源短缺问题十分重要。因此，本文利用在甘肃民勤开展的TK-2GPS人影探空火箭(简称探空火箭)试验所采集到的个例与L波段探空资料进行对比分析，以期为应用人影探测火箭进行人影作业和效果评估提供参考依据。

1 试验区概况、资料与方法

民勤县(101°50′～104°12′E，38°20′～39°27′N，海拔1350 m)位于河西走廊东北部，地处石羊河流域下游(图1)，其东、西、北3面被腾格里、巴丹吉林两大沙漠包围。该地区属温带大陆性干旱气候区，降水稀少，多年平均降水量为113.2 mm，年均蒸发量2662.7 mm，年均气温8.8 ℃，光照充足，日照时数为3137.9 h。该区域水资源严重短缺，境内沙漠、戈壁、盐碱滩地占土地面积的94.2%[25]。L波段探空站位于民勤县气象局，探空火箭点位于L波段探空站东侧(图1)，两者直线距离相距约30 km。

图1 探空火箭与L波段探空站点分布

TK-2GPS人影探空火箭是一种低空气象火箭探测系统，能够实时采集0～8 km高度范围内的大气物理参数，包括风向、风速、气压、温度、湿度等要素；该系统主要由地面发射装置、TK-2探空火箭、地面接收装置及数据采集处理终端等部分组成[1,18]。其工作原理是当探测火箭发射升空到达预定高度时，探空仪弹出与箭体分离，在探空仪下落过程中进行大气探测，降落伞下降速度大概为6 m/s，探测数据实时传回地面供接收处理[18]。现行高空气象探测业务中探空观测采用L波段探空，每日探测2次，探测时间固定为每日07：15和19:15(北京时，下同)，探测高度可达30000 m[4-5]。与L波段探空固定观测时次不同的是，探空火箭可根据实际需求随时发射，能满足人影作业指挥的需求，两种探测仪器的数据间隔均为秒级。

2014年5月、11月和2016年10月，民勤县人工影响天气办公室工作人员在试验点发射了13枚探空火箭，开展了人影探测火箭试验。试验集中在11:00—19:00之间进行，探空火箭的上升高度均在5600 m以上。探空试验过程共采集到13份探空数据，完整有效数据有10份(表1)。本文选取与L波段探空时间最接近且数据完整的探空火箭数据集，共计6组数据进行对比分析；所选时次L波段探空最大探测高度均在25000 m以上，数据完整有效。

表1 民勤TK-2GPS人影探空火箭试验概况

L波段探空实测资料准确客观，常用于验证其他探测仪器的准确性。为探讨探空火箭资料的可靠性，利用L波段探空资料，针对探空火箭资料和L波段探空资料的偏差值，本文选取温度、相对湿度、风向和风速等四个要素，采用平均绝对偏差(BIAS,B)、均方根误差(RMSE,RMSE)和相关系数(R)等直接对比分析方法进行分析，其计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，n为某一高度层的检验样本总数，ri为某一高度层探空火箭的气象要素值，ti为对应高度层上的L波段探空数据值。

2 结果分析

2.1 差异性分析

采用L波段探空资料为参考值，计算与相近时次同高度的探空火箭资料的平均绝对偏差、均方根误差和相关系数，结果如表2所示。从平均绝对偏差来看，相对L波段探空资料，温度、风速的偏差绝对值分别为1.19 ℃和2.91 m/s，偏差较小，相对湿度偏差绝对值达到了10.27%，偏差较大。温度、相对湿度、风向和风速等要素的均方根误差分别为1.39 ℃、19.5%、46.9°、3.57 m/s，相对L波段探空资料，探空火箭探测的温度、风速的离散度较小，相对湿度和风向离散度较大。从两种探测方式同要素间的相关系数来看，同要素相互间均呈显著的正相关，均通过了0.05及以上显著性检验；温度和风速的相关性最好，分别达到了1.0、0.91；相对湿度次之，相关系数达到了0.67；风向相关性略差，相关系数为0.18。可以看出，两种探测方式的温度、风速平均偏差和离散度较小，相关性达到了0.91以上；相对湿度的平均偏差虽大，但相关性较好；风向的离散度最大，相关性相对较差。

表2 探空火箭与同高度上L波段探空数据统计

2.2 不同高度的差异性分析

为进一步了解不同高度两种探测方式资料的差异性，对所选个例样本按照高度进行了划分，来分析不同高度层各要素的均方根误差和相关系数。所选个例探空火箭的最大上升高度约为300 hPa，以探空火箭的最大高度为上限，为便于统计分析，进行了高度划分：700 hPa以下到地面为一层，700～300 hPa之间每100 hPa为间隔，共计5层。从表3可以看出，温度在各高度层的相关性都非常好，呈正相关，相关系数随高度上升而增加,在700 hPa以上，相关系数达到了0.95以上。各高度层均方根误差在1～1.4 ℃，变化差异不大，400～500 hPa离散度最小。

表3 探空火箭和L波段探空不同高度各要素间的差异性

相对湿度在不同的高度层均呈正相关，相关系数在0.13～0.53之间，600～400 hPa之间相关性相对较差，在0.27%以下。各高度层均方根误差虽然变化不大，但离散度均较大，各高度层均方根误差大于16.9%。

风向在各高度层的相关性相对较差，700 hPa以下和400～500 hPa呈负相关，其他高度层相关系数在0.4以下。各高度层的离散度较大，特别是600 hPa以下，达到了45.5°以上，是各要素中离散度最大的，均方根误差随高度上升有所降低。

风速在各高度层均呈正相关，相关系数在0.3～0.6之间，其中400～500 hPa和700 hPa以下相关性最好。各高度层离散度较小。均方根误差在2.9～5.0 m/s之间，随高度上升略有增加。

整体来看，温度和风速在各高度层差异性较小，相关性较好，探空火箭对温度和风速的探测效果最好。相对湿度虽然离散度较大，但在不同的高度层均呈正相关，合理订正后可以使用。风向在各高度层的离散度较大，相关性也相对较差。

2.3 对比分析

为进一步验证探空火箭数据的可靠性，选取与L波段探空探测时间较为接近的个例进行数据的对比分析。L波段探空探测时间为每日07:15和19:15，选取的探空火箭试验个例时间分别为：2014年11月27日17:30、11月28日16:17和12月4日18:06。

图2为2014年11月27日探空火箭与L波段探空数据的气温、相对湿度、风向及风速垂直廓线对比。各要素整体变化趋势基本一致，除相对湿度廓线两者差异较大外，其余廓线差异均较小。温度廓线中两种数据趋势变化高度相似，均随探测高度的上升温度迅速减小；探空火箭温度略小于L波段探空，在750 hPa以下更为明显，两种观测数据均在800～850 hPa之间出现了明显的逆温层。相对湿度廓线中两种观测数据均随探测高度的上升而减小，明显的特征是550 hPa以下L波段探空相对湿度大于探空火箭，550～300 hPa，探空火箭相对湿度大于L波段探空；除近地层外，相对湿度最大值出现在700 hPa。风速廓线中两种数据风速均随探测高度上升而波动增大,700 hPa以下，两者数据非常接近；700～500 hPa之间，两者交替变化，500 hPa以上，L波段探空风速大于探空火箭风速。风向廓线中两种数据变化趋势较为一致，750 hPa以下为西南风，750 hPa以上两种数据均为偏西风。

图2 2014年11月27日探空火箭与L波段探空相对湿度、温度、风向、风速垂直廓线对比

图3为2014年11月28日探空火箭数据与L波段探空数据的气温、相对湿度、风向及风速垂直廓线对比。由图可知，温度廓线中，300 hPa以下两种数据均随探测高度的增加而迅速降低，300 hPa以上L波段探空数据出现逆温层。相对湿度廓线中，700 hPa以下两种数据均随探测高度增加而迅速减小；700～500 hPa两种数据趋势有一定差异，其中L波段探空数据相对湿度随探测高度增加变化不大(10%左右)，而探空火箭数据则呈现出迅速增加后又迅速减小的趋势；500～300 hPa两种数据趋势一致，均随探测高度增加迅速增大后减小，但探空火箭数据减小速度快，两种观测数据均在450 hPa附近出现了相对湿度最大值。风速廓线中，两者交替变化特征明显，600 hPa以下，L波段探空数据随探测高度先减小后增大，而探空火箭数据则随探测高度增加；600 hPa以上，L波段探空数据随探测高度先减小后增大，而探空火箭数据则随探测高度先增大后减小；在700～550 hPa之间，两者变化趋势较为一致。风向廓线中，两种数据在600 hPa以上变化趋势基本一致，均为偏西风；600 hPa以下风向变化略有差异。

图3 2014年11月28日探空火箭与L波段探空相对湿度、温度、风向、风速垂直廓线对比

图4为2014年12月4日探空火箭数据与L波段探空数据的气温、相对湿度、风向及风速垂直廓线对比。图中两种数据的温度、风向及风速廓线变化趋势较为一致，且差异较小。温度廓线中两种数据变化趋势一致性高，地面至300 hPa均呈减小趋势，L波段探空数据略大。相对湿度廓线中，两者在750 hPa以下和500 hPa以上，变化趋势一致。800～700 hPa之间两种数据均呈减小趋势；700～600 hPa之间，探空火箭数据逐渐增大，L波段探空数据先减小后增大；600 hPa以上，探空火箭和L波段探空数据均呈波动增加趋势，相对湿度最大值均出现在400 hPa附近。风向廓线中两种数据趋势变化较为一致，800 hPa以下均为偏南风，800 hPa以上主要为偏北风。风速廓线中两种数据的变化趋势也较为一致，均呈增大趋势，风速大小交替变化。

2.4 偏差原因分析

两种不同的探测仪器其探测结果势必会存在一定差异，究其原因，主要有：①探测原理的不同。L波段探空随气球的上升开始探测，是自下而上的探测；而探空火箭正好相反，当火箭上升到最大高度后开始下落时探测，是从上而下的探测。②探测时间的差异。两种探测方式最接近的个例在时间上相差15 min左右，大部分个例相差近2 h以上，大气的温、湿各要素随时间变化明显，不同的时间气象要素必然存在差异。③仪器自身造成的差异。探空火箭和探空气球所携带的是不同厂家型号的温、湿传感器，不同厂家的仪器之间，在探测精度方面也会存在一定差异。除这些客观因素外，探测距离及环境风场也会对探测结果造成差异。两种仪器虽布设在同一气候区域，但直线距离达30 km，水平探测距离上的差异也会产生一定的数据差异。为进一步探讨分析探测距离和环境风场对探空火箭探测结果造成的影响，计算了两种探测方式同一气压高度上的水平距离和平均偏差，平均偏差是探空火箭同L波段探空数据的差值。图5是各要素平均偏差随探测高度和水平距离的变化，由图5中可以看出，不同要素平均偏差受探测高度和水平距离的影响特征不同。气温平均偏差在高层(750 hPa以上)随水平距离增加(图5a)，平均偏差增大，平均偏差的最大值达到了2.5 ℃；在低层(750 hPa以下)随水平距离增加偏差减小。相对湿度平均偏差在850 hPa以上受水平距离影响不大(图5b)，在800～850 hPa之间相对湿度随水平距离增加平均偏差增大。风速的平均偏差范围在0～3.5 m/s之间(图5c)，随水平距离增加偏差略有增加。风向的相对偏差在850 hPa以上受水平距离影响不大(图5d)，850 hPa以下，相对偏差随水平距离增加而增大。环境风场对气温和相对湿度的探测结果有一定的影响，随风速增大，相对湿度和温度的偏差增大；风向对相对湿度和温度的影响规律不明显。可以看出，气温偏差受水平距离的增加偏差值增大，平均偏差最大值为2.5 ℃；相对湿度和风向在近地层，随水平距离增加偏差值增大，但在700 hPa以上平均偏差基本稳定；风速随水平距离增加，偏差值略有增加。由于水平探测距离的增大，对探空火箭探测结果造成了一定的数据偏差，对于人影野外作业需要，温度、风速、风向的偏差值是可以接受的；为了更好在科研业务中应用，探空火箭探测的相对湿度需要进行订正，以提高其数据的可用性。

图4 2014年12月4日探空火箭与L波段探空相对湿度、温度、风向、风速垂直廓线对比

2.5 相对湿度订正

由前面分析可知，探空火箭相对湿度虽然平均偏差大，但与L波段探空的相关性较好，相关系数达到了0.67。相对湿度表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，是人工影响天气作业非常重要的一项指标，通过拟合L波段探空相对湿度来订正探空火箭的探测结果。通过相关分析，建立的相对湿度订正拟合方程为：

RH=2.565+1.116RHT

(4)

式(4)中，RH为订正后的探空火箭相对湿度，RHT为订正前的探空火箭相对湿度。拟合方程的R2值为0.71，通过了0.01显著性水平的检验。采取纳什效率系数法[26]对建立的模型进行率定，纳什效率系数为0.5，说明订正后的相对湿度与L波段探空的相对湿度吻合程度较好。图6为用拟合方程(4)对2014年11月27日、11月28日和12月4日3次探空火箭试验相对湿度进行订正后的结果，由图可以看出，进行订正后偏差有了明显下降，和L波段探空的相对湿度一致性有了很大提升。拟合方程对探空火箭相对湿度的订正是有效的。

图5 探空火箭与L波段探空数据相对湿度、温度、风向、风速平均偏差随水平距离、探测高度的变化

3 结论

通过对TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空各要素、不同高度层的均方根误差、变化特征进行对比分析后，得出以下结论：

(1)两种探测方式同要素间均呈显著的正相关，并通过了0.05显著性水平的检验；温度、风速和相对湿度的相关性较好，分别达到了1.0、0.91和0.67；风向相关性略差，相关系数为0.18。温度、风速平均偏差和离散度较小，探测效果最好；相对湿度的平均绝对偏差虽大，但相关性较好；风向的离散度最大，相关性相对较差。

图6 2014年订正后的探空火箭与L波段探空相对湿度垂直廓线对比:(a)11月27日,(b)11月28日,(c)12月4日

(2)从同要素不同高度的对比分析来看，温度和风速在各高度层相关性较好，离散度较小；相对湿度在不同高度层均呈正相关，各高度层离散度在16.9%～18.3%之间；风向在各高度层的离散度较大，相关性也较差。

(3)从各要素的垂直廓线对比分析来看，温度和风速廓线的变化趋势一致性很高，且数据差异较小，对大气温度和风速的测量比较准确；相对湿度廓线的变化趋势存在一定差异，前者相对湿度较后者明显偏小；风向廓线在700 hPa以上一致性较高，数据差异较小，700 hPa以下一致性较低，数据差异较大。

(4)水平探测距离对探空火箭的探测结果造成了一定的数据偏差，气温偏差随水平距离增加而增大，相对湿度和风向在近地层随水平距离增加偏差增大，风速随水平距离增加偏差略有增加。探空火箭探测的温度、风速、风向能够满足人影野外作业需求，而相对湿度则需要进行订正，以提高其可用性。通过相关分析建立的拟合方程对探空火箭相对湿度进行订正后，数据质量有明显提升。