高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，在天气预报和气候监测中发挥着重要作用^[1]，同时，高空气象观测资料对大气遥感真实性检验和校准的基准作用无可替代。世界气象组织认为影响观测数据质量的因素多种多样，包括观测环境、观测仪器、业务规程等，特别强调了观测仪器的稳定性和探测精度对于观测数据质量会产生直接影响^[2]。各种不同探空系统之间的国际比对是提高全球高空气象探测准确度和一致性的重要手段之一，为了提高探空仪质量，世界气象组织根据探测技术发展，定期或者不定期举办国际探空比对试验。通过国际比对，一方面评估各国业务探空仪的水平，另一方面针对探空新技术与新设备进行测试与评估，为探空业务发展奠定技术基础。1984年在英国举行了第1届国际探空比对，之后陆续在1985年美国、1989年哈萨克斯坦、1993年日本、2001年巴西、2005年毛里求斯、2010年中国举办了6届国际探空比对，期间还举办了一些特殊目的的国际比对，例如1995—1997年俄罗斯，以及1995年美国分别举行了国际探空湿度传感器比对^[3-10]。对于比对方法，一直沿用了同球施放的方法，但是在比对数据评估方法方面一直处于发展变化中。在第1届和第2届国际比对，采用气压高度对齐进行数据评估，但是这首先要假设气压是精确的，实际上这个假设前提很难满足，影响了数据评估，在以后的比对中改变了这种方式，代之以气球飞行时间对齐进行数据评估，保证了比对评估是针对同一观测对象；为了保证国际比对数据的可比较性，采用关联探空仪的方法，即在不同的探空比对中采用相同类型的探空仪，其比较结果可以将不同的探空比对数据与分析结果关联起来，实现探空比对的可比较性；在国际比对过程中，逐渐将比对方式与比对评估方法标准化，在此基础上，还发展了一套国际比对标准分析软件RSKOMP，这套软件在1990—2000年世界上许多探空仪比对中得到应用，并且从2005年毛里求斯国际探空比对开始，被世界气象组织指定为官方标准数据处理与产品生成软件，实现了比对数据分析标准化。

从历届国际探空比对结果来看，一些高质量探空仪的温度观测已经非常接近满足气候观测需求，也就是温度精度达到0.1~0.2 K^[11-13]；虽然湿度也有了长足的进步，但是湿度仍然是一个挑战性的课题，特别反映在对流层中层与高层的低温性能^[14]；虽然气压传感器的测量精度也在不断提高，但是在气压小于10 hPa时，仍不能提供可靠的位势高度资料；令人鼓舞的是，现代GPS技术开始应用到气象探空领域，从1993年日本、2001年巴西、2005年毛里求斯，一直到2010年中国举办的国际探空比对，GPS探空系统逐渐成为技术主流。探空仪的温、压、湿和经纬度、高度等数据经地面接收系统接收，并由相应的处理软件处理^[15]，高空风是利用探空仪在相邻时刻的水平位置变化量计算^[16]，经对比分析证明，GPS探空系统与地面雷达测风系统相比，能够保证全量程的精度^[17]。GPS定位不仅能够提供全量程高精度位势高度与测风数据，而且可以用来开展气压反算，2005年毛里求斯国际探空比对结果显示，在16 km高度以上，反算气压精度高于气压传感器，16 km高度以下，两者精度相当。

GPS探空体制具有较大优势，针对GPS技术在气象探空中的应用，国内很早就开始这方面的研究。20世纪90年代开始，国内许多学者就开始关注GPS定位技术在气象上的应用^[18-21]；21世纪初，国内逐步开展了GPS探空仪原理样机的设计^[22]，马舒庆等最早研制了GPS探空仪并通过中国气象局试验考核^[23]，特别是在2008—2010年，中国气象局组织了专门的国产GPS探空系统试验比对，国内有多个科研院所与厂家参加，最后遴选了两个型号的国产GPS探空系统参加了阳江国际探空比对。目前中国气象局已经完成了基于L波段二次测风雷达的电子探空仪换型工作，采用芬兰Vaisala公司RS92探空仪作为比对参考标准，对比结果显示中国的温度与气压观测结果表现相对较好，湿度、位势高度与风观测还存在较大的系统偏差^[24]。由于考虑到国家安全、业务稳定使用，以及价格等多方面因素，GPS探空系统在中国虽然发展很早，也受到多方面关注，目前仍未进入中国业务应用，但是不可否认，卫星导航系统在探空位势高度计算、测风以及气压反算等方面都具有明显优势，未来随着中国北斗卫星导航系统的发展与成熟，中国探空业务必将过渡到卫星导航测风体制。

芬兰Vaisala公司的探空仪占国际市场的67%，特别是2001年推出了采用GPS体制的数字化RS92探空仪，标志着芬兰Vaisala公司在探空技术上有了全新的发展^[25]，李伟等对于芬兰Vaisala公司RS92探空仪性能开展评估，证明其可靠性高，一致性非常好^[26]。而本次比对中，根据世界气象组织初步分析结果，芬兰Vaisala探空仪性能稳定，探测准确性与可靠性均较好，因此在本文中主要选用芬兰Vaisala探空仪作为参考标准开展分析。

通过本文分析结果，期望为未来卫星导航测风系统发展提供借鉴。

2010年7月12日—8月1日，世界气象组织在我国广东阳江组织了第8届国际探空仪比对试验，共施放气球72次，主要目的是通过热带/亚热带高湿度条件下的高质量业务探空仪和研究型探空仪性能对比，为一些国家的区域基本气候网/区域基本天气网、高空基准观测站选用高质量业务探空仪提供参考。

该次比对，有来自中国、美国、德国、芬兰、南非、法国、瑞士、日本、韩国9个国家16种型号探空仪参与此次比对试验，其中瑞士Snowwhite露点式湿度仪、美国CFH霜点式湿度仪、美国Multi-thermistor多温度传感器探空仪，以及日本MEISIE温度参考探空仪、芬兰Vaisala湿度参考探空仪也参与了比对试验。参加比对的探空仪系统中，南京大桥机器有限公司的GTS1-2型L波段电子探空仪系统、航天科工集团第23研究所和中国华云技术开发公司的国产GPS探空仪系统参加了国际比对, 除中国南京大桥机器有限公司的GTS1-2型L波段电子探空仪系统使用的是地面二次测风雷达外，其他探空仪系统都是基于卫星导航的探空仪系统。此外，全球观测系统 (GCOS) 委员会也首次派出专家参与此次比对试验。

在国际比对中，采取多个探空仪同球施放方式，气球采用中国化工橡胶株洲研究设计院研制生产的2000 g探空气球，支架使用柔韧性较好、长度3 m的竹竿交叉捆绑，探空仪悬挂距支架高度为80 cm，气球绳长为30 m。

航天科工集团第23研究所国产探空仪 (下文中简称为长峰) 与中国华云技术开发公司的国产GPS探空仪 (下文中简称为华云) 均采用珠状温度传感器与湿敏电容湿度传感器，其中长峰探空仪温度传感器型号为MF51MP (直径为0.8 mm)，湿度传感器型号为XC06(感应面积为3.8 mm×5 mm)，华云探空仪温度传感器型号为MFB822-3470(直径为0.8 mm)，湿度传感器型号为HC103M2(感应面积为5.85 mm×2.85 mm)，均采取GPS高度反算气压与GPS定位测风。

共参与了其中30次比对，分别与其他国家探空仪进行同球对比施放。采用世界气象组织国际比对标准分析软件RSKOMP对比对数据进行分析，由于世界气象组织国际探空比对资料政策要求，本文仅对两个型号国产GPS探空仪性能开展分析，对于国外其他探空仪性能不做定量评述，待世界气象组织正式比对分析报告出版后，再做进一步分析。

中国长峰探空仪、中国华云探空仪和芬兰Vaisala探空仪采取白天与晚上交替同球施放，共30次，其中中国长峰探空仪在2010年7月15日夜间放球在2 km以上发生信号突失，予以剔除，故有效同球对比施放为29次，其中21次飞行高度超过30 km，气球平均升速达6 m/s，每2 s接收一组探空数据。

在进行资料分析前，世界气象组织比对专家组对于比对资料进行了预处理，由于各参与比对厂家的地面接收系统不同，因此首先在RSKOMP软件中，根据温度对流层顶的变化特征，对于地面时间进行了校准处理，保证资料时间一致性。其次，对由于信号传输错误或者系统不稳定等原因造成的异常资料值进行剔除，以免影响统计结果。在进行上述资料预处理后，通过RSKOMP软件形成资料集元数据信息，之后再利用RSKOMP软件进行数据显示与统计分析。

本文采用芬兰Vaisala探空仪作为参考标准，结合典型个例，对于长峰探空仪与华云探空仪的系统偏差与标准偏差进行统计分析，在数据预处理的基础上，采取时间对齐的方式，按照Vaisala探空仪高度进行分析。

表 1列出了芬兰Vaisala探空仪、中国长峰探空仪与中国华云探空仪的温度测量在不同统计高度层次上的样本数，可以看出, 样本数随高度增加, 总体上呈逐渐下降趋势。

表 1

表 1 各高度层温度统计样本数 Table 1 The temperature sample amount at different heights 分析高度/km Vaisala 长峰 华云 2 6196 6195 6196 4 6035 6035 6035 6 5673 5673 5673 8 5413 5413 5413 10 5274 5274 5274 12 5058 5058 5058 14 4959 4959 4959 16 4660 4660 4660 18 5278 5278 5278 20 6317 6317 6317 22 5303 5303 5303 24 4684 6683 4683 26 4050 4050 4048 28 3643 3387 3435 30 3570 3290 3179 32 3302 3215 2970 34 3132 3132 2508 36 1891 1891 1117 38 280 280 40

表 1 各高度层温度统计样本数 Table 1 The temperature sample amount at different heights

图 1中不同的颜色代表不同型号的探空仪温度统计结果，图 1a为长峰探空仪和华云探空仪与Vaisala探空仪的系统偏差，图 1b为标准偏差。

图 1

图 1. 温度系统偏差 (a) 与标准偏差统计 (b) Fig 1. Systematic errors (a) and standard deviations (b) of temperature statistics

由图 1可见，与Vaisala探空仪温度观测结果相比，总体上除了2~5 km范围温度偏低外，长峰探空仪与华云探空仪温度观测结果偏高，并且长峰探空仪在系统偏差与标准偏差方面均好于华云探空仪。长峰探空仪整体相对系统偏差在0.4℃之内，30 km高度以下系统偏差在0.2℃之内，表现比较稳定；华云探空仪在26 km高度以下系统偏差在0.2℃之内，30 km高度以下系统偏差在0.4℃之内，但是30 km高度以上系统偏差明显增大，最大可达1.1℃。对于温度标准偏差，均呈随高度变大趋势，长峰探空仪整体在0.7℃之内，变化较小，表现比较稳定，而华云探空仪30 km高度以下在0.7℃之内，30 km高度以上华云探空仪标准偏差变大，达到1.5℃以上。

此外在比对施放中还发现长峰探空仪与华云探空仪均存在低层温度传感器水污染问题，在整个比对期间出现了6次，这可能是导致低层统计结果偏低的原因。

图 2为中国长峰探空仪、中国华云探空仪和芬兰Vaisala探空仪同球施放的细微结构放大温度与湿度曲线，不同的颜色代表不同型号探空仪的探测结果。

图 2

图 2. 2010年7月16日08：35(北京时, 下同) 第11次施放低层细微结构放大温湿比对 Fig 2. Fine temperature and humidity structures of the 11th flight at low level at 08:35 16 July 2010

由图 2个例可见，根据探空湿度曲线分析，在6~7 km湿度达85%以上，有云存在，因此可以判断，长峰探空仪与华云探空仪穿过此云层后，温度传感器表面沾水，过云后蒸发带走温度传感器热量，造成温度传感器急剧降温，因此需要改进温度表面防水涂层。另外, 根据湿度曲线，可以发现Vaisala探空仪湿度探测结果明显可能超过100%，被软件强行截断为100%，这也提醒Vaisala探空仪仅为一个参考标准，要有分析地使用。

表 2列出了芬兰Vaisala探空仪、中国长峰探空仪与中国华云探空仪的湿度测量在不同统计高度层次上的样本数，可以看出, 样本数随高度增加, 总体上呈逐渐下降趋势。

表 2

表 2 各高度层湿度统计样本数 Table 2 The humidity sample amount at different heights 分析高度/km Vaisala 长峰 华云 2 5850 5849 5850 4 5700 5700 5700 6 5352 5352 5352 8 5114 5114 5114 10 4072 4072 4072 12 4775 4775 4775 14 4862 4862 4862 16 4366 4366 4366 18 4990 4990 4990 20 5976 5976 5976 22 4956 4956 4956 24 4380 4379 4379 26 3770 3770 3768 28 3374 3118 3374 30 3202 3002 3202 32 2000 2934 2000 34 3240 3240 3240 36 1877 1877 1877 38 240 240 240

表 2 各高度层湿度统计样本数 Table 2 The humidity sample amount at different heights

图 3中不同的颜色代表不同型号的探空仪湿度统计结果，图 3a为长峰探空仪和华云探空仪与Vaisala探空仪的系统偏差，图 3b为标准偏差。

图 3

图 3. 湿度系统偏差 (a) 与标准偏差 (b) 统计 Fig 3. Systematic errors (a) and standard deviations (b) of humidity statistics

由图 3可见，长峰探空仪与华云探空仪湿度探测性能总体相当。对流层顶以下，与Vaisala探空仪观测结果相比，长峰探空仪湿度探测结果除距地面2~5 km外基本呈偏干状态，14 km高度以下系统偏差在4%之内，14 km以上明显变大，可达12%；在12 km高度以下，华云探空仪湿度探测结果除在2 km高度以下外，基本呈偏湿状态，14 km高度以下系统偏差在6%之内，14 km高度以上明显变大，可达20%；对于标准偏差，长峰探空仪与华云探空仪从地面至对流层顶，逐渐呈增大趋势，从地面2%~3%以内一直增大到14%~17%，其中长峰探空仪较华云探空仪标准偏差略小。湿度系统偏差与标准偏差从地面到对流层顶逐渐偏大，可以归结为湿度元件本身稳定性不高，随着温度下降，性能变差。而对流层顶以上，湿度探测结果准确度已经很差，因此可以不予对比分析。

为了进一步了解长峰探空仪和华云探空仪湿度传感器的温度特性，下面选取典型个例进行分析。

图 4为中国长峰探空仪、中国华云探空仪和芬兰Vaisala探空仪同球施放的温度与湿度廓线，不同颜色代表不同型号探空仪的探测结果。

图 4

图 4. 2010年7月14日08:00第1次同球施放温湿比对 Fig 4. Temperature and humidity profiles of the 1st flight at 08:00 14 July 2010

由图 4可见，长峰探空仪在外界测量环境温度-60℃以下与Vaisala探空仪湿度探测结果一致性很好，之后反应逐渐变慢；华云探空仪在外界测量环境温度-40℃以下与Vaisala探空仪湿度探测结果一致性很好，之后反应逐渐变慢；对流层顶以上，湿度探测结果已经明显变差。

由于芬兰Vaisala探空仪、中国长峰探空仪和中国华云探空仪均采取GPS高度反算的方式进行气压探测，因此气压测量结果主要取决于GPS定位精度与GPS高度气压反算算法，而中国长峰探空仪和中国华云探空仪使用相同的气压反算公式，因此气压测量结果就主要依赖于GPS定位精度。

表 3列出了芬兰Vaisala探空仪、中国长峰探空仪与中国华云探空仪的气压测量在不同统计高度层次上的样本数，可以看出，样本数随高度增加，总体上呈逐渐下降趋势。

表 3

表 3 各高度层气压统计样本数 Table 3 The pressure sample amount at different heights 分析高度/km Vaisala 长峰 华云 2 6196 6195 6196 4 6035 6035 6035 6 5873 5873 5873 8 5413 5413 5413 10 5274 5274 5274 12 5058 5058 5058 14 4059 4059 4059 16 4660 4660 4660 18 5278 5278 5278 20 6317 6317 6317 22 5303 5303 5303 24 4684 4683 4683 26 4050 4050 4048 28 3643 3388 3643 30 3570 3290 3570 32 3302 3246 3302 34 3514 3514 3514 36 2203 2203 2203 38 280 280 280

表 3 各高度层气压统计样本数 Table 3 The pressure sample amount at different heights

图 5中不同的颜色代表不同型号的探空仪气压统计结果，图 5a为长峰探空仪和华云探空仪与Vaisala探空仪的系统偏差，图 5b为标准偏差。

图 5

图 5. 气压高度反算系统偏差 (a) 与标准偏差 (b) 统计 Fig 5. Systematic errors (a) and standard deviations (b) of pressure retrieved from GPS height statistics

由图 5可见，与Vaisala探空仪气压反算结果相比，长峰探空仪好于华云探空仪。长峰探空仪与华云探空仪均呈低层气压系统偏差为负值，高层为正值的趋势，整体上系统偏差均较小，正负最大绝对误差值不超过1 hPa，其中长峰探空仪结果略小；对于标准偏差，从地面到高空呈递减趋势，最大标准偏差为地面点的1.2 hPa，其中长峰探空仪标准偏差略小。

表 4列出了芬兰Vaisala探空仪、中国长峰探空仪与中国华云探空仪的风测量在不同统计高度层次上的样本数，可以看出，样本数随高度增加，总体上呈逐渐下降趋势。

表 4

表 4 各高度层风统计样本数 Table 4 The wind sample amount at different heights 分析高度/km Vaisala 长峰 华云 2 6196 6195 6196 4 6035 6035 6035 6 5873 5873 5873 8 5413 5413 5413 10 5274 5274 5274 12 5058 5058 5058 14 4059 4059 4059 16 4660 4660 4660 18 5278 5278 5278 20 6317 6317 6317 22 5303 5303 5303 24 4684 4683 4683 26 4050 4050 4048 28 3643 3388 3643 30 3570 3570 3570 32 3302 3302 3302 34 3514 3514 3514 36 2203 2203 2203 38 280 280 280

表 4 各高度层风统计样本数 Table 4 The wind sample amount at different heights

图 6中不同的颜色代表不同型号的探空仪南北风分量统计结果，图 6a为长峰探空仪和华云探空仪与Vaisala探空仪的系统偏差，图 6b为标准偏差。图 7类似, 但为东西风分量。

图 6

图 6. 南北风分量系统偏差 (a) 与标准偏差 (b) 统计 Fig 6. Systematic errors (a) and standard deviations (b) of north-south wind component statistics

图 7

图 7. 东西风分量系统偏差 (a) 与标准偏差 (b) 统计 Fig 7. ystematic errors (a) and standard deviations (b) of west-east wind component statistics

由图 6可见，相较Vaisala探空仪，长峰探空仪与华云探空仪南北风分量系统偏差较小，华云探空仪最系统偏差为0.3 m·s^-1，长峰探空仪最大系统偏差为0.4 m·s^-1，华云探空仪略好。此外，南北风分量整体偏大，并且从低层到高层呈增大趋势；对于标准偏差，华云探空仪表现较为稳定，为0.2~0.6 m·s^-1，而长峰探空仪则整体波动稍大，为0.2~1 m·s^-1。

对于东西风分量，由图 7可见，长峰探空仪与华云探空仪系统偏差均较小，均在0.2 m·s^-1之内，华云探空仪整体偏负，而长峰探空仪在22 km高度以上整体也偏负；对于标准偏差，介于0.2~0.6 m·s^-1，24 km高度以下长峰探空仪标准偏差较小，24 km高度以上华云探空仪标准偏差较小。

1) 对于温度探测，中国长峰探空仪和中国华云探空仪温度探测结果与芬兰Vaisala探空仪较为一致，整体系统偏差在0.4℃之内，表明我国探空仪温度传感器性能较好，但在高空30 km高度以上，需进一步提高准确性；此外，温度传感器还存在表面沾水问题，需要改进表面涂层工艺。

2) 对于湿度探测，从目前比对的结果来看，中国长峰探空仪和中国华云探空仪系统与其他国家有一定的差距，具体表现在低温探测性能较差。

3) 对于气压探测，中国长峰探空仪和中国华云探空仪与芬兰Vaisala探空仪系统结果比较接近，正负最大绝对系统偏差不超过1 hPa，表明我国探空系统位势高度定位计算及气压反算性能优异。

4) 对于风的观测，与芬兰Vaisala探空仪结果比较，中国长峰探空仪和中国华云探空仪系统偏差与标准偏差相比均较小，表明我国GPS探空仪系统定位功能优异，风处理算法准确。

通过国际比对，今后将借鉴国外探空仪的经验，重点改进30 km高度以上温度测量精度以及温度传感器表面防水涂层设计；对于湿度元件进行进一步性能测试，开展与高性能瑞士露点式湿度探空仪的比对，以期从算法方面改进湿度探测结果；此外将有关GPS相关算法进行固化，以备为今后业务定型以及未来北斗探空仪的研制进行技术储备。