新型数字式电子探空仪故障分析

斯兰芬,吴 静,金嘉伟,刘晓玲

(新疆和田市气象局,和田 848000)

0 引言

作为综合气象观测系统的重要组成部分,探空观测能够提供完整的大气温度、 气压、 湿度、风等信息。近年来随着探测技术的不断进步,探空观测已经转向更高时空的秒级探测[1]。探空资料是有限区域天气预报数值模式初始场的重要依据,对对流性天气短时临近潜势预报作用也非常明显。2020年,探空仪由GTS1和GTS1-1型换为新型的GTS11,GTS12与GTS13数字式电子探空仪后,新型探空仪的性能指标得到明显的提高。但新型探空仪在实际探测工作中,传感器变性、信号突失、乱码等故障频繁出现,造成探空观测资料的可用性差,台站观测质量因此严重下滑,也增大了探测数据质控的难度。

近年来,关于数字式电子探空仪的研究较多,如梁建平等[2]给出了新型探空仪故障的判断方法;高英杰[3]提出了气压传感器变性的处理办法。文章通过对新疆2020年探空观测过程中新型数字式电子探空仪的各种故障现象进行分类总结,针对各类故障提出观测前检查仪器、观测中调整仪器信号及观测资料处理的方法。

1 3种新型探空仪的常见问题

2020年新疆14个探空站施放3种探空仪的故障情况如表1所示,因故障导致探测高度低于考核高度的占比情况如表2所示。

表1 2020年施放3种探空仪的故障情况

表2 因3种探空仪仪器故障导致探测高度低于考核高度的占比情况

2014年中国气象局观测司就探空观测数据质量指数做了明确的要求,探空平均高度≥28,600 m,测风平均高度≥27,000 m,重放球全年≤6次,且根据迟测时间扣除相应的得分[4]。从表1、表2中可以看出3种探空仪故障发生的频次较多,不但严重影响了探空测报质量,同时对探空资料在各领域的应用也造成了很大影响。

2 3种新型探空仪故障的排除与处理

2.1 施放前对探空仪的检查

2.1.1 外观检查

GTS11,GTS12与GTS13型探空仪从工厂到台站都经过了较长路程的运输,运输途中可能受到碰撞或挤压,因此使用时应检查探空仪的外包装是否完好。目前仪器的测量转换器和发射机是由厂家固定在泡沫盒内,而温湿度传感器则安装在外露的支架上,在打开外包装后应仔细检查温湿度传感器是否有断裂、虚焊,湿度传感器的防雨罩是否受到挤压等,同时严禁触碰温湿度传感器,防止传感器损坏与变性。

2.1.2 频率宽度调整与凹口检查

3种新型探空仪的载波中心频率理论上为1675 MHz±3 MHz,测距缺口与欠饱和振幅比不小于30%。基测前连接探空仪电源线与基测箱电源线,打开放球软件与雷达,将探空仪频率调整为1665 MHz～1685 MHz,观测探空仪的频率宽度。在实际工作中发现,GTS11探空仪的频率在1670 MHz～1674 MHz时信号最好,测距缺口与欠饱和振幅最好;GTS12探空仪的频率在1674 MHz～1676 MHz时信号最好,测距缺口与欠饱和振幅最好;GTS13探空仪的频率在1676 MHz～1679 MHz时信号最好,测距缺口与欠饱和振幅最好。当3种仪器施放前超出上述频率范围时,仪器施放后常常会出现信号突然消失、乱码、变性和测距消失等故障。

2.1.3 电池电源检查

GTS11和GTS12型探空仪均采用镁氯化亚铜注水电池组,在配制5%浓度的氯化钠盐水溶液时,水温要保持在35 ℃左右。夏季电池电压在18.5～19.5 V,电池电流为160 mA左右;冬季电池电压在20.0～22.0 V,电池电流为180 mA左右即可。GTS13探空仪使用的电池为锂电池,使用前应当用厂家配备的专用充电器对电池充电,直到电池指示灯变绿为止,锂电池充电完成后电压会保持在25 V左右。如果电池电压超出上述值,仪器施放后可能发生各种故障。

2.2 施放后对故障的判断与处理

2.2.1 传感器变性的判断与处理

判断传感器变性最直观、快速的办法是通过探空数据处理软件的图形显示功能“探空曲线显示”进行判断。传感器变性后是否需要重放球应根据当时的观测记录判断,若记录已经超过500 hPa则不需要重放球,记录终止到气压或温度传感器变性的前一秒,湿度记录只整理到有可靠湿度记录为止,其他照常整理(湿度按1%RH计算);如未超过500 hPa或记录处在500 hPa左右时,按500 hPa以下的规定进行重放球[5]。

2.2.2 信号突失的判断与处理

在观测过程中探空信号突然消失的原因有很多,如电池电源线与探空仪XP2连线相接处断开;电池电量太高导致电路被击穿;强对流天气时遭遇急流、强风、雷击。因此在实际观测工作中,观测人员应根据季节选择电池电压;在仪器装配时,仔细检查电池电源线与探空仪连线衔接处;如遇强对流天气,应根据天气雷达与预报预警适当推迟放球时间[6]。当信号突然消失观测记录处在500 hPa左右时,应按高空业务观测规范规定处理。

3 结束语

GTS11,GTS12与GTS13新型数字式电子探空仪的测量精度虽然较高,但故障的发生率较高。文章通过对探空仪故障的归类分析给出了相应的解决措施,在台站进行应用后,新型探空仪在观测过程中的故障发生率大幅度降低,重放球频次也明显减少。这些措施不但降低了器材的损耗,而且提高了台站的探空测报质量。