2016年唐山世界園藝博覽會(huì)氣象保障綜合探測系統(tǒng)分析

司方坤++郭麗霞++劉光河

摘要 通過對(duì)2016年唐山世界園藝博覽會(huì)氣象探測要素需求的分析，在現(xiàn)有的常規(guī)探測手段的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地建設(shè)新型探測設(shè)備，提出并分析了以雷達(dá)聯(lián)測系統(tǒng)、氣象自動(dòng)站網(wǎng)系統(tǒng)、農(nóng)氣觀測系統(tǒng)、大氣成分探測系統(tǒng)、雷電監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急探測系統(tǒng)為主要組成的唐山世園會(huì)綜合探測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 2016年唐山世界園藝博覽會(huì)；氣象保障；綜合探測系統(tǒng)；河北唐山

中圖分類號(hào) P451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）24-0214-02

“2016年唐山世界園藝博覽會(huì)”（以下簡稱唐山世園會(huì)）是由國家林業(yè)局、中國貿(mào)促會(huì)、中國花卉協(xié)會(huì)、河北省政府共同主辦，唐山市政府承辦的又一重大國際性盛會(huì)。此次盛會(huì)以“都市與自然、鳳凰涅磐”為主題，園址位于唐山南湖風(fēng)景區(qū)，核心區(qū)總用地5.4 km2，規(guī)劃8個(gè)園區(qū)、108個(gè)展園。唐山世園會(huì)會(huì)期為4月29日至10月16日，會(huì)展期間天氣情況復(fù)雜，對(duì)世園會(huì)氣象服務(wù)保障工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。唐山市氣象局借鑒近年來召開的奧運(yùn)會(huì)[1]、世博會(huì)、世園會(huì)[2-3]的經(jīng)驗(yàn)，開展了探測系統(tǒng)構(gòu)建、預(yù)報(bào)平臺(tái)及服務(wù)平臺(tái)開發(fā)等一系列的氣象保障準(zhǔn)備工作。在現(xiàn)有的常規(guī)探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)世園會(huì)氣象探測要素需求進(jìn)行分析，有針對(duì)性地建設(shè)新型探測設(shè)備，提出以雷達(dá)聯(lián)測系統(tǒng)、氣象自動(dòng)站網(wǎng)系統(tǒng)、農(nóng)氣觀測系統(tǒng)、大氣成分探測系統(tǒng)、雷電監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急探測系統(tǒng)為主要組成的唐山世園會(huì)綜合探測系統(tǒng)。

1 世園會(huì)氣象探測需求

世園會(huì)氣象探測要素的需求主要分為3個(gè)方面，即常規(guī)要素、特種要素和專業(yè)要素。

1.1 常規(guī)要素

常規(guī)要素是天氣預(yù)報(bào)等必需的最基本氣象要素，其涵蓋了6個(gè)基本要素，包括降雨量、濕度、溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。

1.2 特種要素

特種要素包括PM2.5、PM10、負(fù)氧離子、能見度、雷電等要素。由于特種要素與人民生產(chǎn)、生活密切相關(guān)[4]，越來越受到人們的重視，所以開展特種要素的探測十分必要。

1.3 專業(yè)要素

專業(yè)要素指花卉生長必需的基本要素，通常包括光、溫、水、氣、肥、二氧化碳濃度等，這些要素直接影響花卉根系生長[5]、土壤水分和肥料吸收、光合作用等，對(duì)花卉的品質(zhì)和生長有較大的影響。

2 綜合探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過借鑒北京、上海、西安等城市舉辦的國際性重大活動(dòng)氣象服務(wù)保障的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合唐山本地氣候特征及世園會(huì)對(duì)氣象服務(wù)的需求，唐山世園會(huì)綜合探測系統(tǒng)主要由6個(gè)子系統(tǒng)組成（圖1）。

2.1 雷達(dá)聯(lián)測系統(tǒng)

在唐山出現(xiàn)的天氣系統(tǒng)90%以上都是從周邊區(qū)域移入的，為了對(duì)快速移動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測跟蹤，警戒區(qū)域半徑需300 km以上，單基雷達(dá)由于探測距離、地球曲率、地物遮擋等因素難以滿足監(jiān)測需求，需要使用多基雷達(dá)聯(lián)測。

2.2 氣象自動(dòng)站網(wǎng)系統(tǒng)

氣象自動(dòng)站網(wǎng)系統(tǒng)為實(shí)時(shí)監(jiān)測局地暴雨、雷暴、颮線等空間尺度小、發(fā)展迅速、生命史短的中小尺度天氣系統(tǒng)演變提供了精細(xì)觀測資料。

2.3 農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)

針對(duì)唐山世園會(huì)展出的花卉對(duì)氣象要素的需求，建設(shè)農(nóng)氣觀測系統(tǒng)，為花卉的生長提供實(shí)時(shí)的氣象要素探測數(shù)據(jù)。

2.4 大氣成分探測系統(tǒng)

使用大氣成分探測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為政府提供決策服務(wù)材料、為公眾提供公眾服務(wù)。

2.5 雷電監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)測雷電發(fā)生、發(fā)展趨勢、消失過程，提前發(fā)出警報(bào)，減少雷電可能造成的破壞。

2.6 應(yīng)急探測系統(tǒng)

應(yīng)急探測系統(tǒng)是固定氣象探測系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，能在時(shí)空尺度上進(jìn)行加密精確監(jiān)測，可對(duì)現(xiàn)場的實(shí)況以及各種氣象要素進(jìn)行采集并快速傳輸。

3 綜合探測系統(tǒng)的建設(shè)方案

3.1 雷達(dá)聯(lián)測系統(tǒng)

唐山世園會(huì)雷達(dá)系統(tǒng)采用天津、北京、秦皇島3部CINRAD/SA S波段多普勒天氣雷達(dá)和豐南、豐潤、遵化3部TWR01型X波段局地天氣雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多基雷達(dá)聯(lián)測。CINRAD/SA雷達(dá)具有大功率、高靈敏度、全相參的特點(diǎn)，其基本和導(dǎo)出的產(chǎn)品能描繪出降雨量、風(fēng)和風(fēng)切變、龍卷風(fēng)、中尺度氣旋、雷暴雨、湍流、冰雹和晴天現(xiàn)象[6]，已在國內(nèi)多次重大氣象保障活動(dòng)中成功使用。然而，由于地形影響等原因，CINRAD/SA天氣雷達(dá)存在掃描需要時(shí)間長、存在盲區(qū)且數(shù)據(jù)需經(jīng)過處理才能辨識(shí)等缺點(diǎn)，不能有效監(jiān)測短時(shí)突發(fā)的局地性天氣過程。TWR01型天氣雷達(dá)使用X波段、全數(shù)字化及總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，使用了3 cm波長，可探測到S波段雷達(dá)探測不到的較弱的降水云，很適用于對(duì)中、小尺度天氣過程的預(yù)測預(yù)警觀測[7]。其雖然不能替代CINRAD/SA天氣雷達(dá)，但是可以彌補(bǔ)大型雷達(dá)對(duì)局地天氣特征探測的不足。因此，6部雷達(dá)組成的多基雷達(dá)聯(lián)測系統(tǒng)提高了探測效率和預(yù)報(bào)能力。同時(shí)，選取唐山市10個(gè)稱重式雨量觀測站用于提高雷達(dá)區(qū)域氣象觀測站反演降水（QPE）精度。

3.2 氣象自動(dòng)站網(wǎng)系統(tǒng)

氣象自動(dòng)站網(wǎng)包括11個(gè)國家級(jí)地面氣象觀測站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、地溫、能見度）、3個(gè)國家級(jí)無人自動(dòng)站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量）、194個(gè)兩要素區(qū)域站（觀測要素包括溫度、雨量）、87個(gè)暴雨站（觀測要素為雨量）、23個(gè)四要素站（觀測要素包括溫度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速）、1個(gè)世園會(huì)站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、日照、能見度、二氧化碳濃度、負(fù)氧離子濃度）、1個(gè)海洋氣象大浮標(biāo)站、3個(gè)海島自動(dòng)站。各類自動(dòng)氣象觀測站共323個(gè)，平均空間分辨率5 km，時(shí)間分辨率5 min；其中在世園會(huì)園區(qū)15 km范圍內(nèi)有氣象觀測站37個(gè)，平均空間分辨率2 km，時(shí)間分辨率5 min，為及時(shí)掌握各種天氣地面結(jié)構(gòu)及演變特征、開展精細(xì)天氣分析和短時(shí)預(yù)報(bào)提供更加精細(xì)化的觀測資料[8]。

3.3 農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)

溫度、濕度、地溫由常規(guī)自動(dòng)氣象站即可探測，而對(duì)土壤水分、日照、二氧化碳的探測則需使用專用的探測設(shè)備。

3.3.1 土壤水分含量。唐山有14套DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測儀，其中在世園會(huì)園區(qū)建設(shè)1套。該土壤水分觀測儀是利用電磁波檢測土壤水分含量，可自動(dòng)測量5、10、20、40、80 cm深度的土壤水分含量[9]。

3.3.2 日照時(shí)數(shù)。FS-RZ1日照時(shí)數(shù)傳感器用于自動(dòng)測量日照時(shí)數(shù)。該設(shè)備是依據(jù)傳感器上輸出的電平判斷輻照度，以120 W/m2為界，輻照度高的時(shí)候輸出高電平，低的時(shí)候輸出低電平，統(tǒng)計(jì)輸出電平為1 V（高電平）的時(shí)間從而可以統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)。

3.3.3 二氧化碳監(jiān)測。GMM222是全天候工作的二氧化碳傳感器，利用二氧化碳?xì)怏w光吸收的特性，對(duì)二氧化碳值進(jìn)行記錄。

3.4 大氣成分探測系統(tǒng)

大氣成分探測系統(tǒng)由1個(gè)環(huán)境空氣顆粒物自動(dòng)監(jiān)測儀、1個(gè)負(fù)氧離子監(jiān)測儀、16個(gè)能見度觀測儀組成。

3.4.1 環(huán)境空氣顆粒物。環(huán)境空氣顆粒物自動(dòng)監(jiān)測儀包括LGH-01B型PM10監(jiān)測儀和LGH-01E型PM2.5監(jiān)測儀，采用β射線法原理，根據(jù)采樣體積換算為單位體積空氣中懸浮顆粒的濃度[10]。該儀器位于唐山市氣象觀測站內(nèi)，用來測定環(huán)境空氣顆粒物。

3.4.2 空氣負(fù)氧離子。YH系列空氣負(fù)氧離子監(jiān)測儀用于測定空氣本底值及各種空氣離子發(fā)生器所產(chǎn)生的各種正、負(fù)極性的大、中、小離子[11]。利用采集到的負(fù)離子負(fù)電荷量經(jīng)過采集器的處理，即可獲得負(fù)離子的電荷濃度值。該儀器安裝在世園會(huì)園區(qū)，供世園會(huì)期間測定負(fù)離子濃度。

3.4.3 能見度。HY-V35型能見度儀是基于大氣中的顆粒物（氣溶膠和細(xì)小水顆粒等）的前向散射原理而設(shè)計(jì)的，是繼透射式能見度儀后發(fā)展起來的新一代氣象能見度監(jiān)測設(shè)備[12]。通過測量小體積空氣對(duì)光的散射系數(shù)，得到采樣氣體的消光系數(shù)，再得出氣象光學(xué)能見度。能見度儀安裝在唐山市氣象觀測站、世園會(huì)園區(qū)及10個(gè)縣市區(qū)。

3.5 雷電監(jiān)測系統(tǒng)

雷電監(jiān)測系統(tǒng)由5個(gè)ADTD閃電定位儀和7個(gè)DNDY地面電場儀組成。ADTD閃電定位儀由中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究所中心研制，主要用于探測云地閃[13]。探測儀通過多個(gè)探測子站同時(shí)測量云地閃回?fù)綦娏鬏椛涞膹?qiáng)電磁脈沖，采用到達(dá)時(shí)間法和定向時(shí)差聯(lián)合法對(duì)雷電進(jìn)行定位。閃電定位系統(tǒng)探測雷電的定位準(zhǔn)確率>80%，定位精度在500 m以內(nèi)。單個(gè)閃電定位儀的探測距離約為150 km，多個(gè)閃電定位儀組網(wǎng)形成閃電定位系統(tǒng)，可有效捕捉雷暴云團(tuán)的移動(dòng)。唐山地區(qū)5個(gè)閃電定位儀安裝于曹妃甸、樂亭、遵化、遷安和唐山市區(qū)，探測范圍覆蓋全市及周邊地區(qū)。DNDY地面電場儀通過感應(yīng)測得雷雨云中電荷產(chǎn)生的靜電場強(qiáng)度以及電場的極性和連續(xù)變化，從而得到雷雨云中強(qiáng)電荷中心的演變信息，其有效范圍約為15 km[14]。將多個(gè)大氣電場測量進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測地面電場，能提供監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地面電場的分布以及雷暴移動(dòng)路徑。唐山7個(gè)地面電場儀安裝于灤縣、遷西、遵化、遷安、曹妃甸、豐南和唐山市區(qū)，探測范圍覆蓋全市。

3.6 應(yīng)急探測系統(tǒng)

唐山世園會(huì)應(yīng)急探測系統(tǒng)包括3部應(yīng)急移動(dòng)監(jiān)測車和1部多普勒天氣雷達(dá)車。應(yīng)急移動(dòng)監(jiān)測車配備多要素自動(dòng)氣象站（探測要素包括溫度、濕度、雨量、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速）、綜合信息加工處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信（GPRS、衛(wèi)星2種方式）、可視化現(xiàn)場會(huì)商及指揮聯(lián)絡(luò)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測發(fā)送和現(xiàn)場應(yīng)急指揮；多普勒天氣雷達(dá)車配備724XD型X波段天氣雷達(dá)，能夠探測降水云高、云厚、云底高、云內(nèi)含水量、降水云中流場徑向分量及風(fēng)暴中氣流和湍流的活動(dòng)區(qū)，生成的各種氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)可通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。多普勒天氣雷達(dá)車機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，彌補(bǔ)了固定雷達(dá)存在探測盲區(qū)的缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過有機(jī)整合不同的探測系統(tǒng)，形成了一個(gè)高效的氣象服務(wù)體系。該體系獲得的數(shù)據(jù)可以通過無線或有線的傳輸方式匯總到唐山市氣象局中心數(shù)據(jù)庫，通過剔除可疑數(shù)據(jù)后，即可供唐山世園會(huì)使用。利用專門為世園會(huì)服務(wù)的綜合氣象探測系統(tǒng)軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)天氣情況和預(yù)警，對(duì)保障世園會(huì)順利召開提供了有力的氣象保障。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 梁豐，陳明軒，王玉彬.近兩屆奧運(yùn)會(huì)氣象服務(wù)保障綜述[J].氣象，2002，28（10）：3-8.

[2] 金麗娜，王建鵬，孟小絨，等.西安世界園藝博覽會(huì)會(huì)期高影響天氣氣候特征分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（3）：60-64.

[3] 馬曉琳，馬中元，黃水林，等. 廬山重大社會(huì)活動(dòng)氣象保障服務(wù)的實(shí)踐與思考[J].氣象水文海洋儀器，2010（3）：117-124.

[4] 謝付瑩，王自發(fā)，王喜全.2008年奧運(yùn)會(huì)期間北京地區(qū)PM10污染天氣形勢和氣象條件特征研究[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15（5）：584-594.

[5] 曹冬梅，吳淑芳，康黎芳，等.日光溫室微環(huán)境變化對(duì)盆栽花卉基質(zhì)影響的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008（10）：285-389.

[6] 王建國，汪應(yīng)瓊.CINRAD/SA雷達(dá)產(chǎn)品在冰雹預(yù)警中的適用性分析[J].暴雨災(zāi)害，2008，27（3）：268-272.

[7] 鄒書平，張芳鈞.TWR_01型天氣雷達(dá)回波特征參數(shù)的提取和應(yīng)用[J].氣象，2011，37（4）：481-488.

[8] 李欣，龔佃利，盛日鋒.自動(dòng)氣象站觀測資料的中尺度分析及業(yè)務(wù)應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2009，29（1）：121-125.

[9] 劉曉英.DZN2（GStar-I）C型自動(dòng)土壤水分觀測儀常見故障分析及處理[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2015（17）：256-258.

[10] 梅建鳴.LGH_01型空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)常見故障及維修[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2006，18（2）：46-47.

[11] 周德平，佟維華，溫日紅，等.閭山國家級(jí)森林公園負(fù)氧離子觀測及其空氣質(zhì)量分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（3）：181-187.

[12] 柳紅.前向散射能見度儀工作原理及維修維護(hù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（9）：213-214.

[13] 秦建峰，劉夢雨，吳昊.ADTD雷電探測系統(tǒng)典型故障分析[J].氣象科技，2012，40（2）：180-184.

[14] 王杰，彭濤，鄭偉，等.基于DNDY大氣電場儀的雷電監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)[J].氣象水文海洋儀器，2013（4）：76-78.