引言

目前业务上应用的L波段雷达-数字探空仪系统与服役了40多年的59型探空仪-701雷达系统相比，其数据采集率、准确度和系统自动化程度及可靠性都有明显的改善。WMO公布的2004年探空仪测量精度表明：该系统测量精度比59型探空仪-701雷达系统显著提高，与Vaisala公司的RS80探空仪系统测量精度相当^[1]。中国气象事业发展战略中提出兼有GPS测风体制和L波段雷达测风体制功能的集成探空系统的策略表明，L波段雷达-数字探空仪系统在很长时间内还将扮演十分重要的角色。

仪器的标定是大气观测中重要的一环^[2]，为保证探空数据资料的准确度，需要对长期服役的气象仪器定期进行标定。雷达在长期使用后由于瞄准镜的调整螺钉松动等原因引起光轴和机械轴不平行；或由于天线的拆装、电缆电长度的变化等因素使电轴和机械轴不重合，所以需要定期进行光轴、机械轴与电轴一致性的检查和校正。传统的雷达设备标校使用近距离静态目标同步对比法，即利用L波段雷达和双光学经纬仪多次同步探测静态目标物(将探空仪固定于铁塔上)或在静风或微风的白天探测系留气球来检查和校正雷达的测角及测距精度，整个标校过程复杂且受人为因素影响较大，并且高空探测业务中L波段雷达主要用于测风(风向、风速的计算采用相对距离)，并不提供高度数据(注：该高度数据指的是由雷达测得的几何高度)，因而L波段雷达水平标定的效果在实际业务使用中没有验证。

目前国际探空界已普遍肯定定位型GPS探空仪的优良性能。2005年2月7日至25日，世界气象组织(WMO)在毛里求斯举行了探空系统国际对比试验，有芬兰、日本、美国、法国、德国、瑞士的厂商参加，评估GPS探空仪(以下简称GPS)获得的位势高度和几何高度的有效性。通过比对结果表明，从地面至36km高空，参比的GPS探空仪测定的高度差值都在±20m以内。通过GPS探空仪与高质量探空仪气压传感器测高性能的对比分析，在100hPa高度以上GPS的性能都优于气压传感器，而在100hPa高度以下GPS与气压传感器性能相当^[3-6]。因此与探空仪气压反演得到的高度数据相比，GPS高度数据的准确性、稳定性、一致性更高，更适合作为L波段雷达定标的参考标准。本文将探讨利用GPS高度数据作为高空探测业务上充当L波段雷达水平标定的参考标准的可行性。

1 资料来源

L波段雷达-数字探空仪系统在试验考核过程中，曾先后与59型探空仪-701雷达系统和Vaisala RS-80型GPS探空仪进行过对比施放。但由于频率干扰、时间同步不严格、数据处理方法不相同等种种原因，取得的只是一个笼统的对比结果^[7]。为了解决这一问题，我们研制了匹配L波段雷达设备的定位型GPS探空仪。该GPS探空仪是在原L波段数字探空仪上增加了GPS定位模块。探空仪的无线电信号既可以用L波段雷达接收，也可以同时用GPS接收设备接收，可以确保两套接收系统能达到时间同步。由于接收信号来自同一探空仪、时间同步精确，对GPS以及L波段雷达这两套原始跟踪数据的处理计算方法可以尽可能统一一致^[8]，因而可以比较客观地揭示出两个定位系统之间的本质差异。

2006年5月下旬到6月上旬，在上海和南京探空站相继施放了23个带有GPS定位模块的L波段数字探空仪。本文利用GPS高度数据为标准，对这23份L波段雷达获得的高度数据进行分析研究，探讨GPS定位数据作为L波段雷达定标的参考标准的可行性，希望能对下一步改造升级L波段雷达－数字探空仪系统，促进我国探空系统的探测精度发展提供试验数据基础。

2 分析方法

在GPS测高、雷达测高和探空仪气压反演高度三者中，目前已公认GPS的测高精度最高，特别是越到高空，越到远距离时越精确。因此可以利用GPS测定的高度作为参照值来检验雷达测高以及探空仪气压反演高度的准确度。为了解L波段雷达的测高精度，本文统计了L波段雷达测得的高度、探空仪气压反演的高度以及GPS测得的高度三者之间的偏差、平均偏差和标准差，对比分析了L波段雷达高度资料的系统误差，再利用最佳一致逼近法实现对雷达仰角的标定。

最佳一致逼近的方法原理见公式(1)。

$ T = Z + \delta $

(1)

其中：T为GPS测定的高度；Z为雷达测高公式(公式(2))；δ为误差。

球坐标中几何高度计算公式见公式(2)^[9]。

$ Z = R\left( {\sqrt {1 + \frac{{{r^2}}}{{{R^2}}} + \frac{{2r}}{R}\sin E' - 1} } \right) $

(2)

其中：R为地球曲率半径，r为目标物斜距，E＇为准确的目标物仰角。

$ E' = E - \varepsilon $

(3)

其中：E为目标射线在目标高度的仰角，ε为地面仰角零度误差。

以GPS测定的高度作为标准参照值，根据公式(2)将雷达测得的高度数据与之比较，修正 ε值，重复利用公式(1)，直到二者的偏差值趋于最小为止，此时的ε值即为仰角零度误差值。

3 L波段雷达、探空仪气压传感器和GPS测高准确度比较

雷达定位精度与目标离测站距离关系很大，特别是在探空仪飞离测站较远时，雷达的测距误差明显，数据的可靠性较差。同时由于探空仪气压传感器在高空测量精度有限，由其反演的高度越到高空误差越大(100hPa高度以上，1hPa接近100m；15hPa高度以上，1hPa相当于600多米)，所以为了保证数据的可比性，本文重点分析100hPa高度以下探空仪气压反演高度、L波段雷达和GPS测高准确度。

整个分析过程以各份施放记录中GPS测定的高度为标准, 统计相应记录中雷达测得高度以及与GPS测得高度的差值，同时结合实际施放过程中雷达仰角的变化情况，分析其对雷达测高精度的影响。

图 1显示的是两份上海站探空施放记录的分析结果。其中高度差统计的是该站雷达测量的高度以及探空仪气压反演的高度与GPS测定高度的差值，同时图 1中还显示了施放时雷达仰角的变化情况。可以看到，由气压反演的高度与GPS测定高度差值有正(如图 1a)有负(如图 1b)，但趋势都是随着探测高度的升高而差值增大；雷达测量的高度与GPS测定的高度相比总是偏低，而且仰角越低，高度差越大，高度差起伏也越大。上海站的其它记录情况也是如此。

图 2显示的是南京站雷达测量的高度以及探空仪气压反演的高度与GPS测定高度的差值，同时图中也显示了施放时雷达仰角的变化情况，可以看到，由气压反演的高度与GPS测定高度差值也是有正(图 2a)有负(图 2b)并且随高度增加而差值增大，雷达探测的高度与GPS测定的高度相比与上海站获得的结果则相反，都是偏高。南京站的其它记录情况也是如此。

图 3是两个站多份记录统计平均的结果。以GPS测定的高度作为参考，上海站雷达测定的高度整体偏低很多，最大达到235m，南京站雷达测定的高度整体偏高, 最大达到133m。两个站探空仪气压反演高度的平均偏差也是随着高度增加呈增大的趋势，100hPa高度以下探空仪气压反演的高度与GPS高度相当，但100hPa高度以上，越到高空其平均偏差越大(图略)。

由图 1、图 2及图 3可以看出上海站与南京站的雷达的测高误差都带有系统性。上海站L波段雷达测高的系统误差偏负，造成雷达测得的高度总是偏低；南京站则相反，系统误差偏正，因而雷达测量的高度总是偏高。由于目前L波段雷达在台站是作为测风使用的，没有强调测高精度，雷达水平标定精度不高，从而导致雷达设备的系统误差比较大。

4 南京站、上海站雷达系统误差的订正

如何消除或减少系统误差对提高仪器的测量精度是很有意义的。根据上述的分析，发现雷达测高的准确度与雷达的仰角量密切相关，如果利用与GPS定位数据的对比资料使用最佳一致逼近法分析出雷达仰角的系统偏差，加以纠正，可以提高雷达测高的准确度。利用公式(1，2，3)计算雷达仰角零度误差ε值，结果表明：上海站雷达的仰角系统偏低0.15°，南京站雷达则偏高0.25°。经过仰角零度误差系统订正后(此外，每份记录的测距数据也进行了零点订正)，如图 4所示，雷达测得高度的系统偏差大幅度减小，在100hPa高度以下不超过40m，在100hPa高度以上，订正效果也十分明显，最大差值不超过50m，具体数据见表 1。因此试验结果表明，将GPS定位数据用作雷达水平校准的参考标准是可行的。

同时将探空仪反演的高度与GPS的高度差换算成气压差后发现，这批L波段探空仪测定的气压在低空约偏高0.5hPa，中空略偏低，高空明显偏低，到20hPa偏低达到0.7hPa。这一结果与L波段探空仪在1999年底考核时与芬兰GPS探空仪的比对结果(在低空偏高0.9hPa，在高空偏低0.6hPa)基本一致。因此考虑到L波段探空仪气压传感器校准线存在较大温度系数和低气压校准精度有限以及校准线存在存放漂移等实际情况，可以在台站业务中适量施放带GPS定位模块的数字探空仪以监测气压传感器的动态性能，为厂家提高气压探测精度提供可靠依据，从而提高高空站网业务使用的L波段雷达-数字探空仪系统的气压测量精度。

5 结论与讨论

通过23份配备GPS定位功能模块的L波段雷达-数字探空仪在南京、上海不同探空站对比施放结果表明：

(1) 雷达测高误差在这两个站都带有系统性，而且高度差变化与仰角相关，仰角越低，高度差越大，高度差变化也越大。

(2) 利用与GPS定位数据的对比，采用最佳一致逼近法分析出雷达水平调整的系统误差，加以纠正，可以提高雷达测高的准确度。经过误差订正，雷达最大系统误差由原来的235.7m减少到27.4m，平均系统误差在100hPa高度以下不超过40m，减少了一个量级。

(3) 探空站进行雷达设备系统标校时，可以考虑定期施放带GPS定位模块的探空仪获得相关数据，通过与GPS定位数据对比分析即可获得相应的雷达系统误差。该方法简单易用，并且精确度高，能减轻台站对雷达定期维护标校的工作量。

当前高空探测业务上使用的L波段雷达只侧重测风功能，不向用户提供高度数据，雷达的定位能力没有得到充分的体现。利用本文的研究能够充分挖掘L波段雷达系统的潜力，为用户提供可靠的高度资料。但仅靠23份对比施放记录还不能完全代表数据的普遍性，下一步希望通过在不同高空站点，不同时间多次施放自行研制的配有GPS定位模块的L波段雷达-数字探空仪，以获得更多的施放记录来进一步验证本文观点。

致谢：本文探空资料的获取得到了上海宝山探空站、南京小校场探空站的大力协助；在本文完成过程中，中国气象科学研究院吕伟涛博士、马明博士、杨俊博士给出了宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢！