GNSS与Graw探空仪的比对实验结果分析_王炜.pdf

Application 创新应用176 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月摘要：阐述一种新型GNSS探空仪，并将GNSS探空仪与德国Graw探空仪进行了4次同球施放比对实验，探讨研究背景、实验过程、结果与讨论，包括廓线比对分析、误差修正、修正结果分析。关键词：探空仪，比对实验，误差订正。中图分类号：TP212.11，P412文章编号：1000-0755(2023)04-0176-02 文献引用格式：王炜，李樾凌，姜海梅，严家德.GNSS与Graw探空仪的比对实验结果分析J.电子技术,2023,52(04):176-177.2 实验过程为了评估GNSS探空仪的性能，本研究将GNSS探空仪与Graw探空仪进行了4次同球施放。实验地点位于南京信息工程大学观测场，实验时间分别在2020年12月17日的10时16分、14时43分、19时18分，12月23日21时22分。数据处理。GNSS探空仪和Graw探空仪获得的原始观测数据均存在随机误差，采用拉依达准则3将可疑数据剔除。如式（1）所示。（1）式中，xd为可疑数据，X为平均值，为标准差。将剔除完异常值的GNSS探空仪原始数据进行线性插值，再进行5s平均处理，获得与Graw探空仪相同频率数据。分析GNSS与Graw相对系统误差时，以德国Graw探空仪数据为参考标准，计算两种型号探空仪数据的平均偏差。3 结果与讨论廓线比对分析。图2、图3分别为下午14点和夜间21点的GNSS与Graw同球比对实验结果。GNSS探空仪测量的各气象要素垂直廓线的变化趋势与Graw探空仪基本一致；白天GNSS探空仪测量的温度较Graw探空仪偏大3左右，夜间偏差较小稳定维持在-0.20.2之间；GNSS探空仪测量的相对湿度偏差整体偏大，14点维持在7%左右，而21时偏差波动超过20%；GNSS的风速偏差很稳定，实验中GNSS0 引言大气边界层垂直结构的探测是大气边界层理论和大气环境研究的重要基础1。施放探空气球是大气边界层探测的重要手段。现有应用广泛的探空仪成本较高，垂直分辨率较低，限制了其在边界层研究中的应用。南信大自主研发了GNSS探空仪，其设计探测高度5km，成本较低，能满足大气边界层探测需求2。本研究通过将GNSS探空仪与Graw探空仪进行同球施放比对实验来评估GNSS探空仪性能。1 研究背景GNSS探空仪由测风小球、GNSS探空仪和地面接收设备组成，其中GNSS探空仪由GPS定位模块、气象传感器、数据传输模块及中央核心运算单元组成。GNSS探空仪尺寸仅为11224mm，重量约100g，组成结构如图1所示。测风小球所需灌充的氦气体积不足0.3m3，根据灌充氦气体积控制小球上升速度为23m/s时。GNSS与Graw探空仪的比对实验结果分析王炜，李樾凌，姜海梅，严家德（南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 210044）Abstract This paper expounds a new type of GNSS sounding instrument,and conducts four experiments comparing the GNSS sounding instrument with the German Gray sounding instrument.The research background,experimental process,results,and discussion are discussed,including profile comparison analysis,error correction,and correction result analysis.Index Terms sounding instrument,comparative experiment,error correction.Analysis of Comparison Experiment Results between GNSS and Gray Sounding InstrumentWANG Wei,LI Yueling,JIANG Haimei,YAN Jiade(School of Atmospheric Physics,information engineering University,Jiangsu 210044,China.)作者简介：王炜，南京信息工程大学大气物理学院；研究方向：大气边界层观测。通信作者:姜海梅，南京信息工程大学大气物理学院，副教授；研究方向：大气边界层物理与大气湍流。收稿日期：2023-03-06；修回日期：2023-04-12。图1 GNSS探空仪组成结构Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 177测定的风速较Graw略偏小。误差修正。（1）温度辐射误差分析。太阳辐射误差对GNSS探空仪温度的测量的准确性影响最为显著4，本文参考孙星等5提出的采用基于计算流体力学（CFD）的方法先算得珠状热敏电阻的辐射误差，接着使用准牛顿法模拟数据得到对太阳辐射误差进行修正的方程进行修正，如式（2）。（2）式中，T为太阳辐射误差，x为海拔高度，y为太阳高度角，p1=0.14342；p2=0.00612；p3=-0.00145；p4=-0.03251；p5=0.00026；p6=-0.001；p7=0.00005。（2）相对湿度辐射误差订正。太阳辐射使得传感器表面感湿膜的温度上升，导致相对湿度测量值偏干6，引起辐射偏干误差。应用Yoneyama等7提出的探空湿度观测偏差订正方法，对高湿条件下数据进行辐射偏干误差订正。如式（3）式（5）所示。（3）（4）（5）式中，RHdif为相对湿度观测偏差，P为测站气压，为观测时的太阳高度角，m为测站太阳高度角的平均值，C为订正廓线多重系数（夜间的数值为0），RHcor为探相对湿度修正数值、RHobs为相对湿度原始观测数值。修正结果。修正后的GNSS探空仪大气边界层垂直廓线与Graw探空仪有较好的一致性（图4），与Graw探空仪观测值的偏差减小，并且能够清晰地反映出大气边界层的垂直结构特征，表明以上辐射误差订正算法对于GNSS探空仪是适用的。4 结语本研究通过GNSS探空仪和Graw探空仪的4次同球施放实验比对分析，得到以下结论：（1）与Graw探空仪相比较，白天GNSS探空仪测定的温度偏高3左右，且偏差随着高度增加而增加，夜间偏差的绝对值小于0.2；相对湿度的观测结果在低湿条件下偏高，高湿条件下偏低；风速、风向的测量结果与Graw探空仪较一致；（2）对温度和相对湿度分别进行辐射误差订正后，GNSS探空仪的观测数据质量得到明显提升，与Graw探空仪观测数据一致性显著提高，能够更好地反映出边界层结构特征。参考文献1 盛裴轩.大气物理学M.北京:北京大学出版社,2010.2 韩彦霞,王成刚,严家德,李兴宇.新型边界层气象探空系统的开发与应用J.气象科技,2017,45(05):804-810.3 张敏,袁辉.拉依达(PauTa)准则与异常值剔除J.郑州工业大学学报,1997(01):87-91.4 李伟.国产珠状温度传感器对比分析J.南京信息工程大学学报(自然科学版),2011,3(04):346-353.5 孙星,刘清惓,戴伟,李东升,吕鸣晨.探空温度传感器的太阳辐射误差修正方法研究J.仪表技术与传感器,2018(11):118-122.6 冒晓莉,肖韶荣,张加宏,刘清惓,杨杰,戴伟.探空湿度测量太阳辐射误差时空分布特征研究J.科学技术与工程,2015,15(10):1-9.7 Yoneyama K,Fujita M,Sato N,et al.Correction for radiation dry bias found in RS92 radiosonde data during the MISMO field experimentJ.SOLA,2008(4):13-16.图3 2020-12-23 21:22:57GNSS与Graw的同球施放实验结果图2 2020-12-17 14:43:37GNSS与Graw的同球施放实验结果图4 2020-12-17 14:43:37GNSS订正后与Graw的比对实验结果