GPZ2型自动探空系统动态性能测试与评估_李艳.pdf

2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象33文章编号 1005-8656（2022）03-0033-05GPZ2 型自动探空系统动态性能测试与评估李艳，赵晓英（锡林浩特国家气候观象台，内蒙古 锡林浩特 026000）摘要 文章通过 GPZ2 型自动探空系统在锡林浩特国家气候观象台开展为期 94 d 的动态性能测试试验工作为基础，在试验期间，对自动探空系统在台站选址、安装测试、业务稳定性测试及大风天气下自动探空系统的自动释放能力进行测试和评估。并且对瞬时值（0.0 s）及同一时间自动气象站气温、气压、相对湿度和探空仪放飞后（0.1 s）的气温、气压、相对湿度值进行对比分析。试验结果表明：其在北方寒冷风大地区能正常运行，自动放球成功率达到 98.9%，探空仪状态识别率 100%，满足技术指标要求。试验过程中 0.0 s 和 0.1 s 气温、气压、相对湿度差值相较与正常变率较大，探空仪上升速率与气压随高度实际变率不符，放球前后气温、湿度差值较大，不符合温、湿度变化规律。并且对仪器设备出现的问题进行总结，对气温、气压、相对湿度 0.0 s 和 0.1 s差值较大问题提出合理建议，为今后自动探空系统业务化运行提供科学依据。关键词 GPZ2 型；自动探空系统；测试；评估中图分类号 P414 文献标识码 Adoi:10.14174/ki.nmqx.2022.03.0070 引言 常规高空气象观测是指气球携带无线电探空仪，以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间的大气气象要素（气压、气温、湿度）和运动状态（风向、风速）等的变化进行观测、收集、处理的活动和工作过程1,为天气预报、气候分析、科学研究和国际交换提供及时、准确的高空气象资料。气象观测设备稳定运行是获取连续的高质量探测数据的重要保障2。高空气象观测作为空基观测的重要组成部分，不仅要满足天气分析和数值预报的需要3，还要满足气候变化监测的需要4，同时还是风廓线、GPS MET 水汽观测等高空遥感设备的相对比对参考标准5-6。国内专家学者7-8基于地面气象观测做了大量研究工作，为探空技术自动化发展提供了良好的试验基础。郭启云等9对 20122013 年在新疆克拉玛依、西藏拉萨、湖南长沙开展的自动探空系统进行功能性试验评估，并在广东阳江进行自动探空系统的探空子系统（国产 GPS 探空系统）准确性试验评估，得出自动探空系统具有良好的未来业务应用前景。鉴于前期对自动探空系统试验的评估，为了系统更稳定、环境适应性更强、业务稳定性更安全可靠，中国气象局气象探测中心于 2020 年 1 月1 日至 4 月 3 日，每日 07 时和 19 时（常规放球后）在内蒙古锡林浩特国家气候观象台开展自动探空放球试验。自动探空系统的投入运行有助于实现在特定无人区或艰苦地区的高空气象观测，提高常规高空气象观测的时空密度，还能减少或免除台站人员的劳动强度，对填补我国边远、艰苦地区高空气象观测的空白具有重要意义。1 试验内容和测试方法 根据自动探空测试评估大纲，业务化试验主要内容有：台站选址、安装测试、业务化测试等。通过这些测试检验系统是否满足自动探空系统功能规格需求书10常规高空气象观测业务规范 北斗GPS 导航卫星高空气象观测系统功能需求书11的需求。1.1 台站选址 为进行业务化试验，主要在地理环境、电磁环境、空域环境、安全环境等方面进行了考察、论证及遴选。1.1.1 地理环境 自动探空系统架设场地符合常规高空气象观测业务规范的要求，位于锡林浩特国家气候观象台院内，地势平坦、开阔，无排水不畅的低洼地，在半径50 m 范围内平坦空旷，四周无架空电线、建筑、林木等障碍物。障碍物对观测系统天线形成的遮挡仰角不得高于 5，下风方向 120 范围遮挡仰角不得高于 2。西北侧围栏距西办公楼 50 m 以上，自动制氢系统距现用制氢房 50 m 以上。1.1.2 电磁环境 北斗探空系统（工作频率为 400.15 406 MHz）、无线网桥(工作频率为5.8 GHz频段)均能正常工作，未发现干扰源。内 蒙 古 气 象342022 年第 3 期1.1.3 空域环境 自动探空系统测试运行时间在每日 07、19 时两个时次进行观测，为保障自动探空系统业务化试验工作正常进行，勘察了本站所在位置远离空军、民航飞机空中航线，本站高空业务已正常运行多年，探空气球的施放不受空域限制，已取得相关部门的空域使用许可。1.1.4 安全环境 远端站建在观测区域内，四周建有隔离栅栏并装有安保设施，以防止无关人员进入。远端站隔离栅栏四周显著位置处安装“严禁烟火”的警示标志，同时安装视频监控设施，配备有消防器材。台站试验场地因不具备气源舱的安装条件，采用建筑物方式。建筑物方式符合气源舱功能及指标需求。采用建筑物方式均符合 GB49622008 中氢气安全要求。现场安全环境经第三方现场评估，自动探空系统与氢气相关的设备、设施安全控制措施符合相关国家标准，与氢气相关的设备、设施安全、可靠。1.2 安装测试 2019 年 11 月 26 日至 12 月 11 日，由锡林浩特国家气候观象台、南京大桥机器有限公司等有关单位的专家和技术人员完成自动探空系统安装，并进行标定、通电检查。完成了整个系统的安装调试工作，并对观象台的观测人员进行了自动探空系统的操作培训。2019 年 12 月 1215 日，中国气象局气象探测中心组织中国气象局上海物资管理处、锡林浩特国家气候观象台、福建省气象台、长沙市国家综合气象观测试验基地等有关单位的专家在内蒙古锡林浩特国家气候观象台对南京大桥机器有限公司研制的自动探空系统进行了现场安装测试。2019 年 12 月 16 日，由江苏国恒安全评价咨询服务有限公司（具有国家甲级资质）对锡林浩特自动探空系统进行安全性检测评估并现场测试评审。2020 年 1 月 1 日锡林浩特国家气候观象台开始进行功能性试验评估。1.3 业务稳定性测试 在试验期间模拟高空业务进行不少于 3 个月的业务量试验（180 次），系统自动施放探空仪并接收和处理探测数据，通过较长时间的业务化运行，考核系统完成常规高空观测业务的能力，重点是检验系统在恶劣环境和无人条件下的业务稳定性、环境适应性、安全性、可靠性和维护性，并同时对探空业务适用性进行测试考核。表 1 2020 年 1 月 1 日4 月 3 日锡林浩特国家高空气象观测站 07、19 时业务化试验测试结果统计测试内容项目指标结果是否合格业务稳定性测试自动充气后气球平均升速300 420/（mmin-1）378/（mmin-1）是自动放球成功率 95%98.9%是探空仪状态识别率100%100%是自动放球子系统复位率异常状态 5%1.1%是探空仪存储环境进行复测，应全部合格全部复测合格是异常故障的分类和处置根据故障分类列表，进行故障检查和处置1 次 II 级一般是人工充气和探空仪施放提供风速 9.0 ms-1时报告符合系统可靠性、维修性可靠度 0.95平均故障维修时间 30 min20 min是地面接收系统及数据处理软件可靠性和维修性平均故障间隔次数 20 次是平均故障维修时间 30 min是环境适应性测试系统高低温、高湿、防沙尘能力低温环境温度低至-40 时工作正常防沙尘符合要求是系统大风放球能力10 次最大风速放球记录符合要求是安全性测试氢气泄漏自动断电成功率100%（0/0）100%是安全事故率0无事故是业务适用性满足测试大纲要求满足自动探空系统功能规格需求书第 2.1 节要求符合要求是2 抗风功能验证 为验证自动探空系统在大风天气下能否顺利释放气球的功能需求，根据业务化测试要求，需提供锡林浩特业务化试验放球期间 10 次最大风速统计值。自动探空系统在实验室测试期间，对系统在 17.0 ms-1及以上大风放球功能已进行软件模拟验证。此次按测试大纲要求进行功能性试验，最大风速情况见表 2，于试验是在 1 月 1 日至 4 月 3 日进行，此时间段很少出现 17.0 ms-1以上大风，因此，选取试验期间出现的 10 次最大风速时间，整个试验期间系统能够正常运行，设备运行和气球施放未受水平风影响，测试满足大纲要求。此功能的实现可解决基层台站在恶劣天气情况下（特别是在大风天气）放球难的问题。2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象353 放球瞬时气象要素存在差异分析 通过对 2020 年 1 月 1 日4 月 3 日，每日 07 时25 分和 19 时 25 分放球时的气象仪瞬时值（0.0 s）及同一时间自动气象站观测的气温、气压、相对湿度和探空仪放飞后（0.1 s）的气温、气压、相对湿度值进行比较分析，通过比较分析发现问题并进行原因分析。3.1 气象仪观测瞬时值与同一时间自动气象站观测值 比较 气象仪瞬时值（0.0 s）及同一时间自动气象站气温、气压、相对湿度差别很小，自动气象站气温、相对湿度是观测场百叶箱里观测的数据，气温和相对湿度传感器距地 1.5 m，气压传感器在采集器箱内，距地 1.2 m。气象仪瞬时值（0.0 s）数据是安装在自动探空系统方舱顶部的地面自动气象站观测的数据。两个自动气象站仪器相距 100 m 左右，通过对两个自动气象站仪器 07、19 时放球时观测的瞬时值进行比较，发现气温差值在01.3 ；相对湿度差值在0%5%；气压差值在 0.3 1.7 hPa,说明自动探空系统方舱顶部的地面自动气象站观测的数据准确，仪器性能良好。3.2 气象仪观测瞬时值(0.0 s)与探空仪放飞后 （0.1 s）观测值比较 气象仪观测瞬时值（0.0 s）和探空仪放飞后（0.1 s）的气温、气压、相对湿度值进行比较分析差值很大，其中，07 时气温 1 月 6 日相差-4.7（夜间有降水）、1 月17 日相差-3.8、2 月6 日相差-3.4 （夜间有降水）、2 月 27 日相差-6.7（夜间有降水）（见图 1a）；19 时气温 1 月 30 日相差-3.8、3 月31 日相差-4.6，其余时间气温 3.0（见图1b）；相对湿度差值较大，最小相差 4%，最大相差44%，其余均在 10%40%（见图 2a、图 2b）；气压差值最大，最小相差 0.2 hPa，最大相差 33.3 hPa。07时差值10.0 hPa有6 d，差值2.0 hPa有46 d（见图 3a）。19 时差值 10.0 hPa 有 9 d，差值 2.0 hPa有 45 d（见图 3b）。根据 L 波段多年数据审核分析判断，0.0 s 和 0.1 s 气温相差一般在 2.0 以内，如果有逆温层相差较大，相对湿度在 10.0%以内，气压在2.7 hPa以内，如果有天气系统则过境则相差较大。3.3 原因分析 试验过程中 0.0 s 和 0.1 s 气温、气压、相对湿度差值相比较与正常变率较大，具体原因可能为：在放球方舱内气球与探空仪通过大风放球器连接，在放球绳未完全展开前，探空仪上升速率与气压随高度实际变率不符。人工放球前把基测合格的探空仪放到室外感应气温、相对湿度、气压，放球前后探空仪在同一环境下，故放球前后温度相差不大（逆温层例外）。而自动放球系统探空仪在方舱内，方舱内气温较高，相对湿度较低，因此放球前后气温、相对湿度差值较大，不符合气温、相对湿度变化规律。另外，气温、气压、相对湿度差值过大的有可能是探空仪的原因，此次主要是考核自动放球系统的稳定性，探空仪性能在后期试验进行考核分析。-35-30-25-20-15-10-50510152020/1/22020/1/72020/1/122020/1/172020/1/222020/1/272020/2/12020/2/62020/2/112020/2/162020/2/212020/2/262020/3/22020/3/72020/3/122020/3/172020/3/222020/3/272020/4/1气温/日期气温0.0 s气温0.1 s气温-30-25-20-15-10-5051015202020/1/12020/1/62020/1/112020/1/162020/1/212020/1/262