高空气象探测得到的高空温度、气压、相对湿度和风等资料不但是大中尺度天气分析和预报的重要依据，也是气候分析和预测的必要资料。随着现代天气分析预报技术的不断提高，用户在各阶段对探空仪提出了不同的精度要求，而且希望高空站网上的探空仪精度在空间和时间上尽可能达到一致^[1-5]。

20世纪50年代以来，我国高空观测网使用的探空仪已经历了3代：第1代主要是仿制苏联的49型探空仪，使用毛发湿度元件测量相对湿度；第2代为自主研制的59型探空仪，使用肠衣湿度元件；而目前使用的第3代L波段雷达-GTS1型电子探空仪系统 (简称L波段探空系统) 使用GTS1型电子探空仪 (以下称GTS1型探空仪)，其湿度传感器是碳湿敏电阻。随着探空设备的更新换代，探空数据的获取率、精度和可靠性均有显著提高，但观测仪器的更新换代、观测和计算 (包括误差订正) 方法的改进也带来了探空历史资料不一致的问题。目前在气候分析时已发现近50年我国高空探测的资料时间序列中有许多断点，但在对资料进行质量控制时，未曾对更换仪器等引起的不连续性进行系统检验和订正^[6-8]。因此，有必要对因仪器更新换代等因素造成的历史资料中非气候变化量进行分析，得到可靠的参考值。

59型探空仪的肠衣湿度元件由于条件限制，湿度元件校准线仅使用湿度上升过程中测定的校准线，且其他诸如时间常数 (滞后) 等参数只进行过粗略的测试。如果湿度从100%下降到70%，则风速为5 m·s^-1时滞后系数为12 s，风速为2 m·s^-1时滞后系数为25 s，滞后系数随通风速度减小而增大。如果湿度从20%上升到70%，则风速在2~6 m·s^-1范围内的滞后系数均为5 s，与通风速度大小无关。但风速过小时，其滞后系数会相应增大。测试过程仅在地面考虑到通风速度变化，未涉及外界温度的变化, 但探空仪在实际施放过程中外界环境除湿度变化外，温度和空气密度等相关因素均在变化。黄炳勋1966年用探空仪升空的实况数据测定湿度传感器的时间常数与环境 (空气温度、气压、升速或通风量) 的关系，得到肠衣湿度元件的时间常数随探空高度增高和温度降低而明显增大。

碳湿敏电阻是20世纪70年代由中国气象科学研究院和上海无线电23厂 (今上海长望气象科技有限公司，以下简称上海厂) 开始研制并不断改进提高。钟志武^[9]指出碳湿敏电阻在滞后和温度系数等方面明显优于肠衣湿度元件，肠衣湿度元件在低温下相对湿度偏差达到15%~20%，而碳湿敏电阻低温下的相对湿度偏差小于5%。姚玉琴等^[10]和Ivanov等^[11]对比观测资料表明：与碳湿敏电阻相比，肠衣湿度元件从低湿层上升至高湿层时反应偏干，再转入低湿层时反应偏湿；越到上层低温区，偏差越大。赵柏林等^[12]指出外界湿度变化方向的不同，也使肠衣长度的变化量不同。这是指肠衣湿度元件对湿度增加和湿度下降的响应时间各不相同，以致肠衣湿度元件在湿度上升与下降时的特性曲线不重合，构成一个回形曲线，即湿滞回线。徐文静等^[13]与姚雯等^[14]利用温湿控制设备测定了GTS1型探空仪碳湿敏电阻从30℃到-30℃之间5个温度环境下的校准线，表明碳湿敏电阻也存在湿滞回线现象，但湿滞回线引起的相对湿度偏差较小，在低温下偏差小于5%。在滞后系数方面，20℃时，碳湿敏电阻滞后系数为0.3 s，肠衣湿度元件滞后系数为6 s；-20℃时，碳湿敏电阻滞后系数为7 s，而肠衣湿度元件滞后系数则达到100 s^[15]，表明肠衣湿度元件滞后系数随温度的降低而增大，低温时的测湿误差大。

换型前后仪器的同步对比观测是确定设备换型引起的系统差的最直接、最有效的方法^[16]。2002年L波段探空系统进入站网时，中国气象局安排了每个换型站在正式换型前进行1个月对比观测试验，规定各站在换型前利用60个GTS1型探空仪与台站正常业务施放的59型探空仪进行同步对比观测，以统计换型前后高空观测记录的系统偏差。马颖等^[17]利用全国探空系统换型时获取的70个高空站的对比观测资料针对温度和位势高度进行了比较全面深入的统计分析，苑跃等^[18]、张立功等^[19]分别利用四川省及甘肃省探空系统换型时的对比资料对L波段探空系统与59-701探空系统观测资料差异进行了评估, 李柏等^[20]、郭启云等^[21]与王英等^[22]等针对不同的探空仪对湿度测量的影响进行了相关研究。本文针对换型站中的相对湿度对比观测记录进行深入分析，统计两种探空仪湿度传感器之间的系统偏差，分析探空系统换型对于相对湿度资料一致性的影响，并探讨引起差异的相关因素。

2002年L波段探空系统开始进入站网以来，各个高空站先后开展了换型工作，目前全国有120个高空站使用L波段探空系统，但在换型过程中，前期有70个站直接使用南京大桥机器有限公司研制的L波段探空雷达配套上海厂生产的GTS1型电子探空仪形成L波段探空系统，其余的50个高空站则由P波段雷达-电子探空仪系统逐步升级为L波段探空系统。由于这50个站的换型过程复杂，换型时获取的对比资料不符合本文统计的范围，所以未统计在内，因此，选取前期的70个高空站的探空资料进行仪器换型前后资料差异分析。

我国业务使用的59型探空仪主要来自上海厂、太原无线电一厂 (以下简称太原厂) 和青海证信公司 (以下简称青海厂)。本文将70个站的探空资料按照59型探空仪生产厂家以及施放的季节和时间分类进行甄别，剔除两个不同厂家混用以及未明确注明厂家的高空站资料，最终参与本文统计分析的高空站共59个，其中上海厂43个，太原厂16个；5—8月 (夏季) 对比的有30个高空站，10月—次年2月 (冬季) 对比的有29个高空站，见图 1。这59个高空站遍布全国，具有较大的代表性。

图1

图1 用于相对湿度对比分析的L波段探空系统与59-701探空系统分布 Fig.1 Distribution of sounding stations of compared relative humidity data between L-band and 59-701 systems

分析选择59个高空站换型前1个月每日00:00, 12:00 (世界时，下同) 对比观测获取的各规定等压面相对湿度观测记录，以59-701探空系统相对湿度观测资料为基准，通过计算GTS1型探空仪与59型探空仪相对湿度的差异分析探空系统换型对相对湿度一致性的影响。由于不同厂家的探空仪在制作工艺上存在差异，并且在不同的施放地区、季节和时间，大气的温度、湿度层结廓线不同，会引起探空仪湿度传感器由于外界环境温度变化、滞后以及湿滞回线现象等引起的误差随高度的变化，因此，在进行资料分析时，考虑以上原因将各站资料按对比施放时间、季节、地理位置分类进行对比分析。

为了总体了解L波段探空系统与59-701探空系统相对湿度的系统差异，本文以59型探空仪相对湿度观测资料为基准，将参与统计的全国59个高空站的GTS1型探空仪相对于59型探空仪相对湿度的差值进行平均，获取两种探空系统相对湿度的整体差异，见图 2。

图2

图2 全国59个高空站L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值 Fig.2 Average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems of 59 sounding stations in China

由图 2可见，L波段探空系统相对于59-701探空系统的相对湿度观测数据的差值为负偏差，即L波段探空系统的相对湿度明显比59-701探空系统低，且差值随高度增加，在近地层两种探空系统相对湿度的平均差值低于5%，200 hPa高度超过20%，比王英等^[22]的统计结果偏大。本文采用的是换型前后1个月实时对比观测获得的相对湿度资料，王英等^[22]采用的是换型前后3年露点温度和气温测值计算得到的相对湿度，两种统计结果代表性不同。

早期业务用探空仪 (参与对比的59型探空仪以及前期的70个高空站使用的GTS1型探空仪) 的湿度元件校准线通过湿度传感器在湿度上升过程中选取3~7测试点，且为了减少静态测试元件反应滞后 (时间常数) 的影响，在每个测试点经过稳定相当长时间后再进行检定获取 (目前厂家对湿度元件校准线的测量设备以及检定方法都进行了改进)。但如果在探空过程中环境湿度由高湿转为低湿，且降湿幅度很大，则到达低湿区域时由于使用的仍然是湿度上升过程的校准线，得出的湿度值会比实际偏高。湿滞回线现象越严重，偏高越多，且由于在低温环境下的湿度元件面临滞后加大的问题，如果湿度元件滞后严重，在大气湿度从高湿端向低湿端转换的过程中，获得的相对湿度也比实际偏高。从产生误差的结果看，在降湿过程中湿滞回线与滞后都导致相对湿度测值偏高。由图 2可以看到，与GTS1型探空仪相比，59型探空仪相对湿度测值偏高，且越到上层低湿区，偏差越大。即肠衣湿度元件具有湿滞回线效应以及与温度关系密切的较大的滞后系数。前人研究结果也已表明，59型探空仪湿滞回线效应引起的误差大于GTS1型探空仪，肠衣湿度元件的湿滞现象随外界湿度降低变得显著，且肠衣湿度元件的滞后随探空高度增高和温度降低也明显增大。这也解释了L波段探空系统相对于59-701探空系统的相对湿度的平均差值随高度增加明显的原因。

为了分析L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差异与季节的关系，将全国59个高空站两种探空系统相对湿度按冬夏两季分别统计, 结果见图 3。

图3

图3 冬夏两季L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值 Fig.3 Average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems in winter and summer

冬季L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值明显大于夏季，且差值随高度的分布冬夏两季明显不同。夏季对流强，中高层的湿度明显比冬季高，两种探空系统相对湿度的差值从地面到600 hPa高度变化不大，L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度偏低，差值低于5%，600 hPa高度以上，夏季L波段探空系统相对于59-701探空系统的相对湿度差异变化较快，200 hPa高度偏低达到20%；冬季对流弱，中高层的湿度明显比夏季低，从850 hPa到600 hPa相对湿度降低较快，L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值达到-13%，600 hPa以上变化相对变缓，但200 hPa高度差值低于-20%。冬季探空仪施放过程中外界环境温度明显低于夏季，可见两种探空系统相对湿度差值随高度的变化趋势除了与仪器施放过程中外界湿度变化幅度有关，也与外界温度的变化趋势密切相关。特别是在低温环境下湿度元件存在滞后，但滞后的大小与温度高低以及外界湿度变化的趋势和幅度密切相关，冬夏两季探空仪施放过程中外界的温度与湿度变化趋势不尽相同，造成冬夏两季L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差异随高度的分布存在差异。

统计全国两种探空系统冬夏两季相对湿度差异发现，有两个地区的相对湿度的平均差值偏离全国的平均值 (图 3) 较多，夏季西藏的拉萨站和那曲站 (以拉萨站为例) 以及新疆的阿勒泰站偏离较多；冬季东北的索伦站、哈尔滨站和延吉3站 (以索伦站为例) 以及云南的腾冲站和昆明站 (以腾冲站为例) 偏离较多。本文从这些特殊高空站的相对湿度观测记录入手，详细分析L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度差异与环境温度和湿度的关系。

由图 4可以看到，拉萨站200~600 hPa高度间的温度和湿度比新疆北部的阿勒泰站高，而L波段探空系统与59-701探空系统相对湿度的平均差值比阿勒泰站的偏小幅度大，其原因除温度差别大以外，可能还与所处的地理环境和遇到的湿度环境变化差异有关。拉萨站 (海拔为3650 m) 地势高，夏季对流旺盛，其高湿层主要位于400~600 hPa，从600到500 hPa高度的相对湿度增高了20%左右，且温度处于0℃以上 (图 4b)。虽然59型探空仪低温环境下滞后以及其湿滞回线影响大于GTS1型探空仪，但环境湿度整体是从低湿到高湿变化，此时L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值由-4%变化到3% (图 4a)。而阿勒泰站地势相对低得多 (海拔为737 m)，高湿层位于600~850 hPa。从600 hPa到500 hPa高度的环境湿度是从高湿到低湿变化，环境湿度下降了20%左右，且温度处于0℃以下，相应高度处的L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值从-4%变化到-16% (图 4a)。可见，L波段探空系统与59-701探空系统相对湿度的平均差值的大小与环境湿度变化的趋势以及环境温度关系密切。

图4

图4 夏季拉萨站和与阿勒泰站L波段探空系统与59-701探空系统在规定等压面上的探空记录 (a) L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值, (b) L波段探空系统的平均温度和平均相对湿度廓线 Fig.4 Sounding records of Lhasa and Aletai in specified isobaric surfaces in summer (a) average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems, (b) average temperature and relative humidity of L-band systems

冬季东北的索伦、哈尔滨和延吉3站以及云南的腾冲和昆明2个站，其L波段探空系统与59-701探空系统相对湿度的平均差值偏离全国的平均值较大。由图 5可以看到，冬季南方对流也比较弱，环境湿度整体由高湿向低湿转换。腾冲站700 hPa到500 hPa环境湿度从50%左右下降到5%以下，但其温度处在0℃上下，L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值仅-10%左右。200~500 hPa环境湿度一直维持在10%上下，L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值也一直维持在-10%左右。而冬季索伦站，近地层的温度已低于-15℃，环境湿度从75%左右至200 hPa时仍未达到10%，但其L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度差则远大于腾冲站，200 hPa处达到了-27%。冬季索伦站的温度比腾冲站整体偏低近20℃，前人研究表明：在环境温度低的情况下探空仪滞后及湿滞现象引起的误差明显，本文分析结果进一步表明，探空仪相对湿度的滞后和湿滞回线误差受温度的影响较大。

图5

图5 冬季索伦站和腾冲站L波段探空系统与59-701探空系统在规定等压面上的探空记录 (a) L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值，(b) L波段探空系统的平均温度和平均相对湿度廓线 Fig.5 Sounding records of Suolun and Tengchong in specified isobaric surfaces in winter (a) average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems, (b) average temperature and relative humidity of L-band systems

马颖等^[17]针对不同探空仪生产厂家获取的探空温度和位势高度进行统计分析，结果表明:上海厂与太原厂59型探空仪的温度和位势高度在对流层没有明显差异，但在对流层以上的高空差异明显。本文对上海厂与太原厂的59型探空仪获取的相对湿度数据进行分析，以便了解不同生产厂家湿度传感器的性能差异。图 6给出了L波段探空系统相对于的59-701探空系统相对湿度的平均差值，其中使用上海厂59型探空仪的高空站43个，使用太原厂59型探空仪的高空站16个。

图6

图6 L波段探空系统相对于上海厂与太原厂59型探空仪相对湿度的平均差值 Fig.6 Average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems of type 59 radiosondes from Shanghai and Taiyuan

由图 6可知，L波段探空系统与上海厂和太原厂的59型探空仪探空系统相对湿度的平均差值均随高度增大，但略有差异。除近地层外，700 hPa以上，太原厂59型探空仪偏差随高度升高较上海厂偏大1%~3%，两者在上升过程中环境温度廓线基本一致，但太原厂59型探空仪上升过程中的湿度廓线变化幅度比上海厂略大 (图略)，其滞后和湿滞回线产生的误差也略大。因此，根据图 6的结果可以判断，在200 hPa以下高度太原厂59型探空仪的湿度传感器的性能与上海厂59型探空仪的性能差异不明显，两者相对湿度偏差在5%以内。

L波段探空系统和59-701探空系统都对湿度传感器采取了防太阳辐射措施。但采取防太阳辐射措施后的效果究竟如何，存在多少残余太阳辐射误差，目前鲜见报道。王英等^[22]利用全国98个探空站露点温度和气温测值计算得到相对湿度在L波段探空系统换型前后3年的差异进行了统计分析，结果表明：与探空系统换型的前3年相比，后3年的相对湿度观测值显著降低，表现为明显的干偏差，且随高度增加而增大，白天甚于夜间。针对造成该现象是否由于探空仪的湿度传感器受到太阳辐射的影响问题，本文选取东南部地区进行换型对比的6个高空站 (其中夏季为阳江站、梧州站、长沙站，冬季为厦门站、福州站、南昌站)，由于这6个站00：00与12：00的外界环境温度和湿度廓线基本一致，这样可以最大限度排除环境温度、滞后及湿滞回线的影响差异, 见图 7。上述高空站除850 hPa以下近地层的温度及湿度有些微差异外，00：00(白天) 与12：00(夜间) 的环境温度与湿度廓线无明显差异，且L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的平均差值也无明显差异。这说明L波段探空系统与59-701探空系统的两种湿度传感器在白天受太阳辐射的残余影响即使有差异也不明显。

图7

图7 东南部地区L波段探空系统与59-701探空系统相对湿度的平均差值 Fig.7 Average relative humidity difference between L-band and 59-701 systems

我国自2002年1月开始陆续将原有的59-701探空系统升级为L波段雷达-GTS1型电子探空系统，本文对全国59个高空站相对湿度观测资料在换型前后的差异进行分析，探讨探空系统换型对于相对湿度一致性的影响。结果表明：

1) 在不区分换型前后探空仪的对比施放季节、地区、时间和探空仪生产厂家的情况下，L波段探空系统相对于59-701探空系统的相对湿度观测数据的差值为负偏差，即L波段探空系统测得的相对湿度明显比59-701探空系统偏低。

2) 换型前后冬季L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值明显大于夏季，但差值随高度分布冬夏两季明显不同。夏季地面到600 hPa L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值不足-5%，200 hPa高度达到-20%；冬季从850 hPa到600 hPa, L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值达到-13%，在200 hPa高度，差值低于-20%。

3) 无论是冬季还是夏季，换型前后均有局部地区的L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值偏离整体平均值较多。冬季东北的索伦、哈尔滨和延吉3个站在200 hPa高度时两种探空系统相对湿度差值超过27%，西南的腾冲和昆明2个站L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值从地面到高空一直维持在-10%左右；而夏季地处西藏拉萨和那曲2个站的环境温度比新疆阿勒泰站高15℃左右，且两地高空站的海拔高度差大，两种探空系统相对湿度差在两地高空站的差异达到20%左右。这充分体现了温度传感器有滞后和湿滞回线效应，相对湿度差值与仪器施放过程中的外界环境温度和相对湿度变化幅度密切相关。

4) 根据换型前后相对湿度对比情况看，尚不能确切判断太原厂59型探空仪的湿度传感器的性能与上海厂59型探空仪的性能是否存在差异，但可以判断的是即使存在差异，差异也不明显。分布在东南部地区的6个高空站，除850 hPa以下近地层的些微差异外，00：00(白天) 与12：00(夜间) 的外界环境温度与湿度廓线无明显差异，且L波段探空系统相对于59-701探空系统相对湿度的差值也无明显差异。说明L波段探空系统与59型探空系统的两种湿度传感器在白天受太阳辐射的残余影响即使存在差异也不明显。

本文基于全国早期59个探空站换型前后L波段探空系统的碳湿敏电阻与59-701探空系统的肠衣湿度元件对相对湿度测量结果的差异进行分析，指出了换型前后59-701探空系统与L波段探空系统相对湿度观测值的差异与59型探空仪生产厂家的关系不大，且L波段探空系统与59-701探空系统湿度元件均受到环境温度、滞后以及湿滞回线效应的影响，但在各种具体情况下误差差异的定量分析还有待进一步研究，本文对于换型前后探空历史资料的统计以及差异原因的分析，可为仪器换型前后探空相对湿度的订正、减少系统误差提供参考。