第12章高空气压温度和湿度测量

223第12章高空气压、温度和湿度的测量12.1概述12.1.1定义下列定义源自WMO（1981；1992），均与使用无线电探空仪进行高空测量有关。无线电探空仪（Radiosonde）：由气球携带的仪器，装备有用于测量一个或几个气象变量（气压、温度、湿度等）的传感器穿过大气并借助无线电发射机将探测讯号传送给观测站。无线电探空观测(Radiosondeobservation)：通过无线电探空仪在上空大气中观测气象变量，这些变量通常是气压、温度和湿度。注：无线电探空仪可系于一气球下升空或从飞机、火箭上下投（下投探空仪）。无线电探空站(Radiosondestation)：采用电子学方法观测高空的气压、温度和湿度的测站。高空观测(Upperairobservation)：在自由大气中以直接或间接方式进行的气象观测。高空站、高空天气站、探空站(Upperairstation,upperairsynopticstation,aerologicalstation)：进行高空观测的地面站。探空(Sounding)：通过由气球、飞机、风筝、滑翔机等携带的仪器测定一个或几个高空气象变量。本章主要论述无线电探空仪系统。采用特殊的平台，特殊的设备进行探测，或通过遥感方法进行的间接探测，将在本指南第Ⅱ编有关章中讨论。无线电探空系统通常用于探测气压、温度和相对湿度。在大多数业务台站，无线电探空仪器系统也用于高空风探测（见第13章）。另外有些无线电探空随同大气成分，如臭氧浓度或放射性物质的感应系统一起飞升。这些附加的探测项目本章不涉及。12.1.2高空探测中使用的单位无线电探空仪观测使用的气象变量的测量单位分别是气压用百帕，气温用摄氏度以及相对湿度用百分数。相对湿度采用水面上的饱和水汽压的百分数，即使在温度低于0℃也是这样。在高空观测中使用的位势高度单位是标准位势米，定义为0.980665动力米。在对流层中，位势高度近似等于以米表示的几何高度。在无线电探空计算中必须采用WMO选定的物理函数和常数的值（WMO，1988b）。12.1.3气象要求12.1.3.1用于气象业务的无线电探空资料温度和相对湿度的高空探测是作为业务天气预报的数值天气预报模式分析初始化中使用的两个基本测量值。陆地上施放的无线电探空仪提供几乎是实地的温度和相对湿度测量值，而从海洋中远处的岛屿或船舶上施放的无线电探空仪所提供的测值只能覆盖有限洋面。类似于无线电探空仪的温度垂直分辨率可以由飞机在爬升、下降或不同巡航高度飞行时观测获得，飞机观测通常作为无线电探空仪观测的补充，尤其是对海洋上空。温度和水汽分布的卫星观测结果的垂直分辨率低于无线电探空仪或飞机观测。卫星观测在海洋上空和全球那些探空仪和飞机观测结果稀少或缺乏的地区对数值天气预报分析具有重要作用。温度和水汽场的垂直结构的准确测量，对各种类型的天气预报，特别是区域性和局地性天气预报是极端重要的。这些测量结果可以指示垂直方向存在的云或雾层的结构，进而温度和水汽场的垂直结224构决定了大气的稳定度，从而可预报云量和云状。有关此类垂直结构的无线电探空仪观测结果的准确度能充分满足大多数用户的要求，但是在云中无线电探空仪对高湿条件下相对湿度产生负的系统误差，假如这种误差不能补偿，则会在数值天气预报分析中产生问题。对环境污染研究（例如判别大气边界层的厚度）来说，温度和相对湿度垂直结构的高分辨率测量结果是很重要的。为了预报大气对电磁辐射和声波传播的折射效应，垂直方向的高分辨率也是必需具备的。民用航空、炮兵和其它弹道学应用，诸如空间飞行器的发射都对给定的不同气压的空气密度（根据无线电探空的温度和相对湿度测量结果导得）测量结果有相应的业务要求。无线电探空观测结果对高空气候变化的研究是必需的。因此保存该系统用于各个时期测量的、充分的记录以及相应设备使用的操作或修正程序的变更的全部记录是很重要的。为了了解事物的来龙去脉，必须建立自从无线电探空仪作为固定观测项目以来，有关无线电探空仪器和观测实施的历史沿革（参阅例如WMO，1993a）。基于无线电探空仪探测结果的气候研究对无线电探空仪探测结果的系统误差的稳定性的要求极高。但是在早期的无线电探空仪中有些气象变量，特别是相对湿度和气压的探测结果中的误差实在太高，对无线电探空观测提供的所有高度上的资料不能作为长时期的参照。因此必须对无线电探空仪的设计不断地进行改进和变革。而且假如必须广泛地连续使用无线电探空仪进行探测，气象业务方面的经费限制也要求可供消耗的无线电探空仪能维持比较低廉的价格。因此，考虑到无线电探空仪必须在非常宽的气象条件范围下正常地工作：气压从1050至5hPa温度从50至―90℃相对湿度从1%至100%而且该系统还必须在大雨、雷暴附近和强积冰的条件下，仍能保持连续地、可靠地工作，这就要求用户对系统测量准确度的要求和无线电探空仪生产厂家对仪器的上述性能之间不得不达成某些妥协。12.1.3.2卫星和无线电探空仪高空探测结果之间的关系卫星探测系统不能像无线电探空仪或飞机探测系统那样对大气垂直结构的探测具有相同的准确度和可信度。当前的卫星对温度和水汽的探测系统，常采用观测来自二氧化碳或水汽在红外发射的向上辐射，或者氧或水汽在微波频段发射的向上辐射（见第Ⅱ编第8章），经由卫星频道观测的辐射是由大气中一定高度范围内的大气辐射组成的，此范围取决于在相应频段处垂直方向发射气体的分布和大气吸收。卫星温度频段接收的大多数辐射来自接近于至少10km厚气层的平均气层温度，观测的温度频道的辐射的高度分布（权重函数）将在一定程度上随地理位置而变化。这是因为大气的辐射传输性质稍微与其温度有关。发射气体的浓度也稍微与地理位置和云有关，气溶胶和火山灰也会改变辐射热交换。因此，基本的卫星温度探测的观测结果提供了在垂直方向相当厚气层的较好的水平分辨率和全球范围的空间覆盖，但是在任意给定地理位置的上空，难于详细测定所探测的垂直方向大气发射的准确分布。在对流层中，卫星水汽频段观测到的大多数辐射源自4或5km厚的大气层次。大气层中气压对225所观测的辐射的贡献，相应于水汽频段随位置变化的程度远大于相应的温度频段。这是因为观测气层厚度和中心气压强烈地取决于其中垂直方向的水汽分布。例如当对流层上层很干燥时，在给定的水汽频段，所观测的层次将是最低的。水汽频段所观测的辐射决定于水汽的温度，故垂直方向的水汽分布只有在具有合适的垂直温度结构的情况下才能导出。故此为了在数值天气预报模式使用卫星探测信息，必须配合其它观测系统，主要是无线电探空仪和飞机探测的信息。在一给定位置这种信息可包含在对其垂直结构的初值估算中，从预报模式场导出或通过基于无线电探空测量结果的地理位置或气团类型的典型值找出其可能的垂直结构分类。另外无线电探空仪测量结果可用于对不同卫星观测值，或同一给定卫星频段不同视角的观测值的交叉参照。此类比对可直接参照无线电探空观测结果或通过无线电探空观测结果对数值预报场的垂直结构的影响间接地进行。因而，无线电探空仪和卫星探测系统是互为补充的两个观测系统。当一并使用时可以作为更可信的全球观测系统。12.1.3.3无线电探空仪探测的最大高度无线电探空仪观测通常要求测量高度约达35km。但是世界范围内许多探空观测的高度达不到25km以上，因为探空仪向上升至最低气压必须使用较高价格的气球和气体。在许多无线电探空系统中，温度误差在低气压下迅速增大，故有些通用的无线电探空系统不适合在低气压条件下进行观测。在飞升中由于传感器受污染问题以及在低温和低气压下传感器反应时间常数太长，都限制了无线电探空仪对对流层相对湿度测量的可用性。12.1.3.4准确度要求本节和下一节概述无线电探空仪的准确度要求，并将它们同业务性能进行比较。有关性能和误差源的详细讨论放在后面几节。无线电探空仪观测结果的准确度要求已综合成表，列于第一章附录1.C中*，附录12A是对这些要求较详细的实用解说，用于指导日常的操作。WMO（1970）对仪器系统的性能考虑进行了非常有用的探讨，并已应用于有关系统设计参考。这些性能都是以观测到的大气变动特征为基础的，有两种限制定义为：（a）为了各种目的提出超过性能限制的改进措施是不必要的；（b）为了各种目的低于性能限制，其所获得的资料缺乏任何价值。对高空风和无线电探空仪的温度、相对湿度和位势高度的测量结果，由WMO（1970）中导出的性能限制列于附录12B的表1至表4。12.1.3.5温度：要求和性能最现代的无线电探空仪系统测量对流层中的温度，其标准误差在0.2和0.5K之间，这种性能通常限于附录12B表2中建议的最佳性能的3倍以内。不幸的是在热带地区有些无线电探空仪站网仍发现标准误差大于1K的情况。这些探空站的测量结果已位于附录12B的表2中的性能低限之外，即属于上述缺乏任何价值的一类，可不作考虑。*基本系统委员会在其特别会议（1994）上正式通过226在气压高于30hPa的平流层中的一些高度上，最现代的无线电探空仪的测量准确度类似于在对流层中的测量准确度。因此在平流层的这些层次，无线电探空仪的测量误差大约是最佳性能限的2倍。在气压低于30hPa的各层，对很多类型的无线电探空仪来说，其误差将随气压减低而迅速增大，以致在有关情况下误差增至上述规定的不能再有用的一类。这种在很低气压条件下无线电探空仪温度测量误差迅速递增，起因于红外辐射和太阳辐射随高度增加而引起温度测量误差以及由温度测量结果而引起的高度误差的迅速增加。在很低的气压层，即使无线电探空仪中气压测量的相对误差很小，仍将产生大的高度误差，从而影响所报告的温度有大的误差（参见12.1.3.7节）。12.1.3.6相对湿度现代无线电探空仪的相对湿度测量结果的误差，至少是附录12B表3中对流边界层以上的对流层建议的对较高相对湿度最佳性能限的2到3倍。而且无线电探空仪相对湿度测量结果的误差随温度降低而增加。对有些类型的湿度传感器来说当温度低于―40℃时，其测量结果可超出上述提出的无任何价值的性能限制。12.1.3.7位势高度位势高度的误差取决于无线电探空仪的观测结果，不同于按规定的气压层高度或给定的大气温度或相对湿度结构转折点的高度，如对流层顶。在探空仪飞升中在给定时间位势高度的误差，1't101111pppppPTvppTTpdpPPTPPTgRpdpppgRtp（12.1）其中0p是地面气压；1p在时间1t的真实气压，11ppp是探空仪在时间1t时表示的实测气压；pT和pp分别表示探空仪温度和气压测量中的误差，并作为气压的函数，PTV是在气压P处的虚温，R和g分别是由WMO（1988b）给定的气体常数和重力加速度值。对规定的标准气压层，sp在高度计算中积分上限的气压不涉及探空仪气压误差，因而在标准气压层位势高度误差就化为pdpPPTpgRpppPTs10（12.2）表12.1表示典型大气层中因无线电探空仪传感器误差引起的位势高度误差。由表可见给定气压的位势高度值可以探测得非常好，方便于规定等压面的天气分析和数值分析。但是在特性层高度，如对流层顶和其它转折点以及在标准层之间可以计算的层次，可出现大的误差。表12.1位势高度的误差（m）（对给定的温度和气压误差，在规定层或其附近标准层sp和特性层1t的典型误差值，在北半球和南半球各纬度误差值类同）300hPa100hPa30hPa10hPa温度误差KT25.0，气压误差hPap0227标准层和特性层9172634温度误差KT0，气压误差hPap125°N标准层特性层3271272–2211–2465050°N夏季标准层特性层3265721223–2068050°N冬季标准层特性层3265706213–4625在平流层中大的高度误差归因于气压传感器2—3hPa的测量误差，而且在热带进行的常规测量结果中，高度误差最大，因为在热带的平流层中垂直方向的温度梯度常常