《Polar Science》：Correction of temperature data obtained from super-pressure balloon observations in the lower stratosphere over Antarctica
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LODEWAVE项目旨在利用超压（SP）气球观测南极下平流层大气重力波（GWs）引起的动量输送水平分布。SP气球保持恒定浮力，能够沿等密度面漂移长达一个月。SP气球平飞期间通风几乎为零。因此，热敏电阻易受太阳辐射加热，导致实际气温显著高估。迄今为止，在两次LO
LODEWAVE项目旨在利用超压（SP）气球观测南极下平流层大气重力波（GWs）引起的动量输送水平分布。SP气球保持恒定浮力，能够沿等密度面漂移长达一个月。SP气球平飞期间通风几乎为零。因此，热敏电阻易受太阳辐射加热，导致实际气温显著高估。迄今为止，在两次LODEWAVE观测试验中均观测到类似的辐射效应。除太阳加热外，温度数据还受到来自载荷热流的影响，导致精度降低。由于精确的温度测量对于GW分析和数值模式数据同化至关重要，研究人员对太阳辐射和热流效应均进行了校正。校正采用考虑通风效应的校正公式完成。校正后，与ERA5的偏差减小，表明太阳辐射和热流的影响已成功降低。此外，校正后的数据揭示了飞行期间下垫面条件的依赖性。
论文解读：南极下平流层超压气球观测温度数据的校正研究
一、研究背景与科学问题
大气重力波（GWs）是以浮力为恢复力、具有动量输运特征的大气波动，其通过动量输运改变背景风场，驱动全球尺度经向环流，因此理解GW动量输运的时空结构对认识中层大气具有重要意义。LODEWAVE（Long-Duration Balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica）项目旨在利用超压（SP）气球观测南极下平流层GW动量通量的水平分布。与传统零压气球不同，SP气球通过密封气体并维持内部压力高于周围大气压力，抑制了昼夜浮力波动，能够沿等密度面随环境空气长时间漂移，飞行时长可达一个月以上。
然而，SP气球在平飞期间通风几乎为零，这导致温度传感器中的热敏电阻易受太阳辐射加热，造成气温显著高估。此外，来自气球载荷的热流也会影响温度数据精度。现有适用于无线电探空仪的太阳辐射校正参数因通风条件差异而无法直接应用于SP气球观测。气象观测数据同化到数值天气预报（NWP）模式中，高空温度数据精度直接影响预报效果，因此提高SP气球温度数据精度对GW分析和数据同化均至关重要。
二、研究内容与发现
研究人员针对第一次LODEWAVE观测试验（2022年1-2月，昭和站，3个SP气球）中发现的温度测量问题，在第二次试验（2024年1-2月，2个SP气球）中实施了改进措施，并对获取的温度数据进行了系统校正。
原始温度数据存在两类主要误差：一是准昼夜变化的太阳辐射加热效应，局部正午时段观测温度超出ERA5再分析数据约10 K以上；二是来自载荷热流引起的短期热尖峰波动，周期约数分钟或更短。为抑制热传导，第二次试验采用了新型温度传感器设计，将热敏电阻与电缆部分通过细铁丝分离，并集成无线电探空仪以估算通风。同时将温度记录方法改为取30次测量中第二和第三最低值的平均。改进后，温度数据质量显著提升，但仍未达到数据同化所需的约0.1 K精度和GW分析所需的约0.01 K精度要求。
三、关键技术方法
研究人员采用基于Dirksen等（2014）经验公式并加入常数项修正的太阳辐射加热模型，结合SP气球实测气压、基于无线电探空仪和ERA5计算的通风速度、以及考虑直射太阳辐射的作用光谱通量，对LODEWAVE04和05号气球温度数据进行校正。校正流程包括：利用高速滤波提取摆动物理运动计算通风、以600秒区间最小值提取去除热尖峰、对低通滤波后的温度差进行最小二乘拟合确定校正参数、最终将经验太阳加热量从原始数据中扣除。研究以ERA5再分析数据作为校正参考基准。
四、研究结果
（一）校正参数与日变化抑制
通过拟合得到各飞行对应的校正参数。校正后的温度数据与ERA5的偏差显著减小，均方根误差（RMSE）明显下降。LODEWAVE04的RMSE降低了0.61 K，LODEWAVE05降低了1.65 K，表明太阳辐射影响得到有效抑制。频谱分析显示，校正后昼夜周期附近的功率显著降低。
（二）短周期波动信号保留
校正后数据中保留了ERA5未能捕捉的短周期（数小时）分量，这些分量可能来源于GW和湍流等大气运动。利用校正后的温度和气压扰动估计势能（PE）谱，在GW相关频率范围内，温度导出PE呈现约-2幂律依赖，量级与气压导出PE相当，表明校正后的温度数据保留了GW相关频段的波动信息。
（三）下垫面条件依赖性
LODEWAVE04前半程飞越南极大陆、后半程飞越南极海洋，而LODEWAVE05全程飞越大陆。将LODEWAVE04数据按陆地和海洋分别分析发现，陆地（雪面覆盖）上空的温度差异显著大于海洋上空，表明低通风条件下地表反照率（特别是雪面高反照率）对辐射校正的影响无法完全由常数项表征。
五、讨论与结论
研究人员指出，LODEWAVE试验中太阳辐射校正幅度（约3-4 K）大于CNES先前SP气球观测结果（最大约2 K），可能归因于使用的热敏电阻直径较大（430 μm vs. 250 μm），较大热敏电阻对太阳辐射更敏感。校正参数在两次飞行间的差异提示辐射校正存在表面条件依赖性。
研究结论表明，通过考虑通风效应的经验校正公式，SP气球温度数据中太阳辐射和载荷热流的影响大部分被消除。校正后数据适用于周期大于约10分钟且小于惯性周期的GW分量分析，但无法分辨Brunt–V?is?l?周期至约10分钟之间的更短周期GW。ERA5在昼夜及以上时间尺度上被视为足够精确，但在更短时间尺度上的准确性尚未定量评估。
未来研究计划包括：针对第三次试验（2027年2-10月）进一步改进温度传感器结构和布局；通过更多观测案例验证校正参数；最终建立不依赖ERA5的独立校正方法。此外，考虑云辐射效应以及地表类型变化对辐射校正的影响，将有助于实现更高精度的SP气球温度观测。
