貴陽(yáng)L波段氣象雷達(dá)小風(fēng)條件下探空球施放技術(shù)的探討

閔昌紅

摘要：貴陽(yáng)站受施放場(chǎng)地條件和雷達(dá)性能的影響，小風(fēng)（定義風(fēng)速小于等于1.0 m/s是造成丟球缺測(cè)或重放的主要原因。小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，貴陽(yáng)近距離施放點(diǎn)在施放幾秒內(nèi)由于仰角變化率較高，接近脈沖寬度和波瓣寬度閥值，雷達(dá)跟蹤困難，容易丟球缺測(cè)。通過(guò)計(jì)算分析小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，優(yōu)先選擇距離較遠(yuǎn)點(diǎn)作為施放氣球點(diǎn)，偏北微風(fēng)時(shí)，在該點(diǎn)施放氣球，偏離正北方向適當(dāng)方位角度施放，避開(kāi)氣球向南迅速越過(guò)雷達(dá)天頂。

關(guān)鍵詞：L波段氣象雷達(dá)；丟球；施放技術(shù)

1.引言

L波段高空氣象探測(cè)雷達(dá)由于其測(cè)量精度和自動(dòng)化程度較高，其雷達(dá)脈沖寬度（±0.8μs），波瓣寬度（垂直波瓣≤6°，水平波瓣≤6°）均較窄。要實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)跟蹤和預(yù)防丟球缺測(cè)或者重放，要求有很高的施放條件和技術(shù)。雷達(dá)性能、施放場(chǎng)地、天氣條件、頻率漂移、電磁環(huán)境都可能對(duì)一次施放是否成功產(chǎn)生決定影響。良好的準(zhǔn)備工作和正確的判斷是一次探空球施放成功的關(guān)鍵所在。貴陽(yáng)站受施放場(chǎng)地條件和雷達(dá)性能的影響，霧天小風(fēng)或者靜風(fēng)是造成丟球缺測(cè)或重放的主要原因，本文計(jì)算比較貴陽(yáng)站小風(fēng)條件下（風(fēng)速小于等于1.0 m/s）不同施放點(diǎn)仰角變化率，提出解決地面施放避免丟球的具體方案。

2.方法

探空氣球在飛升過(guò)程中，探空雷達(dá)通過(guò)對(duì)氣球攜帶的探空儀定位（仰角、方位）來(lái)實(shí)現(xiàn)高空風(fēng)等氣象要素的探測(cè)。探空雷達(dá)對(duì)角速度、角加速度的響應(yīng)有一定的滯后性，當(dāng)探空儀角度變化率超過(guò)一定范圍，雷達(dá)可能因此失去跟蹤目標(biāo)造成丟球。所以，可以嘗試?yán)糜^測(cè)實(shí)踐探討角度變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化施放探空儀的技術(shù)方案，從而避免或者減少丟球。

雷達(dá)仰角和探空氣球之間的關(guān)系表示為：

tanδ=hl（1）

式中δ為雷達(dá)觀測(cè)仰角（°），h為氣球高度（m），l（m）為假設(shè)探空氣球鉛直上升水平面投影點(diǎn)距離雷達(dá)的距離。δ和h為觀測(cè)時(shí)間t的函數(shù)，上式兩邊分別對(duì)t求一階導(dǎo)數(shù)得到：

dδdt=cos2δl·dhdt（2）

dδdt（rad/s）為角速度。dhdt為氣球升速（m/s）。探空氣球在假設(shè)內(nèi)外等壓、等溫、不透氣的條件下，凈舉力A=A0=常量[1]。根據(jù)氣球上升運(yùn)動(dòng)方程，施放后短暫幾秒中內(nèi)，凈舉力將與空氣阻力平衡，氣球近似地認(rèn)為等速上升，ω=dhdt=常數(shù)。變化（2）式得到：

dδdt=lωl2+ω2t2（3）

探空觀測(cè)中，通常用角度制，因此上式改寫(xiě)成角度形式dδdt（°/s）：

dδdt=180·lωπ（l2+ω2t2）（4）

一般地，回定探空站根據(jù)常年盛行風(fēng)風(fēng)向和特定地理環(huán)境條件選擇幾個(gè)放球點(diǎn)，貴陽(yáng)探空站的凈舉力在1500克左右，近地層氣球升速平均約為ω≈5.83（m s-1），當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速為靜風(fēng)或小風(fēng)（這里定義風(fēng)速≤1m s-1）時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)（取一分鐘），可以近似地認(rèn)為氣球是鉛直上升的，而丟球大多發(fā)生的這段時(shí)間內(nèi)。于是根據(jù)（3）計(jì)算比較不同放球點(diǎn)仰角的變化率，再結(jié)合實(shí)例，與實(shí)際發(fā)生丟球的仰角變化率進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步得到具體風(fēng)向條件下探空氣球的施放方案。

3.結(jié)果分析

3.1貴陽(yáng)站放地布局點(diǎn)分布圖描述

貴陽(yáng)探空站位于貴陽(yáng)東山山頂。地理位置26°35ˊN，106°44ˊE，海拔1223米，東西長(zhǎng)約150米，南北寬約70米。探空雷達(dá)處于地面基準(zhǔn)站觀測(cè)場(chǎng)中心區(qū)域草坪靠北邊緣，雷達(dá)天線海拔高度為1226米。偏北方向的貴州省專(zhuān)業(yè)氣象計(jì)量站及國(guó)家基準(zhǔn)站位置較低對(duì)施放影響不大，但SSE方向的天氣雷達(dá)主樓及WNW方向約270米位置的貴陽(yáng)電視發(fā)謝塔對(duì)探空氣球施放點(diǎn)的選擇有一定影響。

圖中A、B探空氣球放球區(qū)是依據(jù)臺(tái)站氣象條件（主要是盛行風(fēng)向、地形環(huán)境和規(guī)范要求綜合選擇而定）南北向弧線內(nèi)區(qū)域分別以氣壓室氣壓表位置和百葉箱中心點(diǎn)為圓心、半徑為100m兩圓的交集，說(shuō)明放球區(qū)滿足規(guī)范“施放時(shí)探空儀與瞬間觀測(cè)的儀器應(yīng)處于同一環(huán)境，兩者的水平距離不應(yīng)超過(guò)100米”的規(guī)定。本站L高空氣象探測(cè)雷達(dá)于2003年1月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，是全國(guó)首批投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的5個(gè)高空臺(tái)站之一，積累的GTS1型數(shù)字

3.2.資料及處理

資料選自貴陽(yáng)探空站2010-2012年07時(shí)和19時(shí)探空綜合觀測(cè)記錄。選擇本站常規(guī)施放點(diǎn)A、B、C符合本文篩選和比較條件的記錄共40次。其中A、B各14次觀測(cè)記錄中均有短時(shí)丟球或重放球情況，C點(diǎn)選擇了12次小風(fēng)天氣成功施放的記錄作為比較分析的資料。

下圖給出了貴陽(yáng)站小風(fēng)條件下不同施放點(diǎn)雷達(dá)跟蹤過(guò)程中仰角變化率。

圖表1貴陽(yáng)站小風(fēng)條件下不同施放點(diǎn)雷達(dá)跟蹤仰角變化率

3.3 結(jié)果分析

小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，探空儀仰角變化較大，由于探空雷達(dá)脈沖寬度和波瓣寬度均較窄，其跟蹤對(duì)角度變化靈敏度較高。氣球鉛直升高過(guò)程中，施放點(diǎn)越遠(yuǎn)，則仰角變化率較小，雷達(dá)易于跟蹤，反之，則容易丟球缺測(cè)。

放球點(diǎn)A、B、C距離探空雷達(dá)天線分別為為40米、47米、73米。從圖表1可以看出，氣球施放一分鐘時(shí)間內(nèi)，探空儀仰角變化率逐漸減小，在施放后大約11秒后，仰角變化率基本一致，變化很小，氣球飛升穩(wěn)定，不易丟球。施放11秒內(nèi)，仰角變化率大，A、B、C分別為8.4-2.3（°/s）、7.1-3.2（°/s）、4.6-30（°/s），距離越遠(yuǎn)，則變化率越小，雷達(dá)容易跟蹤。

統(tǒng)計(jì)表明，2003-2012年貴陽(yáng)站丟球AB兩施放點(diǎn)共占總次數(shù)的87%，原因是盛行風(fēng)向偏北偏東風(fēng)時(shí)，探空員按照常規(guī)大多選擇在下風(fēng)方向施放氣球，而在小風(fēng)條件下，偏北風(fēng)時(shí)選擇下風(fēng)方向的AB兩點(diǎn)施放，在施放幾秒內(nèi)由于仰角變化率較高，接近脈沖寬度和波瓣寬度閥值，雷達(dá)跟蹤困難，這是造成丟球的一個(gè)重要原因。

因此，小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇距離較遠(yuǎn)的C點(diǎn)作為施放氣球點(diǎn)，偏北微風(fēng)時(shí)，在該點(diǎn)施放氣球，偏離正北方向適當(dāng)方位角度施放，避開(kāi)氣球向南迅速越過(guò)雷達(dá)天頂。

4. 結(jié)論

4.1 小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，貴陽(yáng)近距離施放點(diǎn)AB，在施放幾秒內(nèi)由于仰角變化率較高，接近脈沖寬度和波瓣寬度閥值，雷達(dá)跟蹤困難，容易丟球缺測(cè)。

4.2 小風(fēng)和靜風(fēng)條件下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇距離較遠(yuǎn)的C點(diǎn)作為施放氣球點(diǎn)，偏北微風(fēng)時(shí)，在該點(diǎn)施放氣球，偏離正北方向適當(dāng)方位角度施放，避開(kāi)氣球向南迅速越過(guò)雷達(dá)天頂。

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