高空氣象觀測丟球原因分析及對策

摘 要：結(jié)合L波段雷達在實際工作中的應用情況，分析造成高空氣象觀測丟球原因，將其進行統(tǒng)計分類，并根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，從實際工作應用做為切入點，詳細介紹如何預防丟球現(xiàn)象的發(fā)生和常見的幾種丟球原因的應急操作方法。通過總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，在高空探測的實際應用中，充分做好放球前的準備工作，嚴密監(jiān)視觀測過程中雷達的工作狀態(tài)，當發(fā)生異常情況及時進行應急，是做好高空探測工作的前提，也是日常工作中避免和減少丟球的主要舉措。

關鍵詞：L波段雷達；高空觀測；丟球原因；對策

中圖分類號：P403 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032060

我國一共有120個探空站，高空探測系統(tǒng)在2010年由原來的701系統(tǒng)全部改為L波段雷達探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的具有國際先進水平的新一代高空氣象探測系統(tǒng)，它具有數(shù)據(jù)采集快、觀測精度高和自動跟蹤能力等特點，其中L波段雷達的水平、垂直波瓣寬度為≤6°均較窄[1]，在提高測角精度的同時，卻影響了雷達的定向和自動跟蹤性能，在日常工作中常出現(xiàn)丟球的現(xiàn)象，對L波段探空雷達的丟球原因進行分析和分類，并結(jié)合實際應用對不同原因造成的丟球處理方法進行歸納總結(jié)[2-10]，為今后更好地開展高空氣象探測，不斷提高探測精度和高度，最終為天氣預報、人工影響天氣及氣候預測等方面發(fā)揮更大的作用提供參考。

1 丟球原因

一般L波段雷達丟球主要是由于值班員操作失誤或粗心大意，在放球前沒有做好充分的準備工作，或因環(huán)境因素和雷達故障造成丟球現(xiàn)象的發(fā)生，在日常工作里常見的情況主要有以下5種。

1.1 未選擇合理的放球點

在氣球施放前操作人員未能根據(jù)自動觀測站或其它測風設備測定的近地面的風向、風速選擇合理的氣球施放點，導致施放瞬間（1min內(nèi)）氣球出現(xiàn)過頂現(xiàn)象發(fā)生丟球。

1.2 近地面跟蹤異常

這類問題主要有3種情況：放球前未能將雷達天線對準探空儀或回答器；在氣球施放瞬間，氣球高仰角過頂后雷達跟蹤異常，值班員未能及時發(fā)現(xiàn)；內(nèi)外操作員配合不當造成氣球延遲或提前施放，使L波段雷達非正常跟蹤而丟球的現(xiàn)象。

1.3 L波段雷達性能下降或故障

L波段雷達是一種體制較新、自動化程度也相對較高的新型雷達。為了充分發(fā)揮其性能，延長使用壽命，在業(yè)務使用過程中，除了正常使用操作外，還必須有良好的維護。在長期的使用中如果未按規(guī)定進行維護或維護不當會使雷達的性能下降或故障，造成跟蹤異常導致丟球[11]。

常見的雷達故障導致丟球的情況主要有以下幾種：

雷達天線座的匯流環(huán)有問題、驅(qū)動箱內(nèi)編碼器的插頭接觸不良、發(fā)射機對方位角驅(qū)動電機的編碼器信號產(chǎn)生干擾使天線在自動跟蹤過程中出現(xiàn)方位或仰角死位現(xiàn)象發(fā)生丟球。

主控箱內(nèi)11-6板產(chǎn)生的程序方波出現(xiàn)問題、程序方波送達至和差箱里的開關管套（包括其本身和二極管VK05）故障、饋線插頭漏水造成每路下來的增益信號不一樣，使信號兩兩不齊，造成起始位置容易丟球。

某根饋源極化方向不對或WT9線纜中程序方波傳輸芯線或12V電源傳輸芯線在天線高仰角時接觸不良造成高仰角雷達高仰角過頂丟球。

1.4 頻率飄移

L波段雷達在工作過程中，其頻率為1675±5MHz，在探空氣球自由升空的過程里，氣溫的變化>120℃，遇到施放的探空儀自身的性能不穩(wěn)定，就會發(fā)生回答器的載波頻率產(chǎn)生飄移，當頻率變化超過雷達的工作頻率幅度，其接收頻率和探空儀的發(fā)射頻率就會處于飄移狀態(tài)，極易使雷達出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

1.5 環(huán)境因素

L波段雷達已實現(xiàn)自動跟蹤功能，但在非常惡劣的天氣條件下容易發(fā)生起始抓球失敗從而丟球，在這里惡劣天氣是指大風（風速達14m/s以上）、暴雨、大雪、濃霧等。

在探空氣球施放周圍存在電磁信號的干擾，使探空儀的載波頻率發(fā)生飄移，在遇到強雷雨天氣時，雷達中的強電磁干擾信號進入接收機，將主信號中數(shù)據(jù)信息淹沒，使雷達天線突然拉偏到某一方位上等失控情況的發(fā)生，造成雷達在自動跟蹤狀態(tài)下與探空儀之間信號聯(lián)系中斷異常，最終發(fā)生丟球現(xiàn)象。

在北方寒冷季節(jié)氣溫較低時，雷達設備連接線容易被凍住，使雷達天線轉(zhuǎn)動滯后，放球起始位置跟蹤異?；蚣俣ㄏ虬l(fā)生丟球。

2 預防和避免丟球的要點

2.1 充分做好放球前的準備工作

在探空氣球施放前要根據(jù)探空信號對雷達的接收機增益和頻率進行認真的調(diào)整，增益30～50dB之間為宜，頻率在1675MHz左右，對準探空儀后一定要仔細檢查雷達自動跟蹤情況（特別是濃霧等特殊天氣），使雷達處于最佳的工作狀態(tài)。

2.2 選擇合理的施放點

高空探測工作中氣球施放點的選擇是決定雷達能否正常跟球的關鍵，臺站一般會根據(jù)實際的探測環(huán)境設定2～3個不同的放球點，值班員在施放前應根據(jù)自動站或其它測風設備測定的瞬間風向選擇合理的施放點，所謂合理就是盡量將施放點選在雷達的下風方向，以確保起始放球時雷達自動抓球成功。如因臺站場地條件的限制，下風方?jīng)]有合適的放球點則一定要選擇在雷達的側(cè)面進行放球，并且使放球點與雷達的距離盡量遠些。

2.3 對氣球的運動軌跡做到心中有數(shù)

放球前仔細觀察近地面的風向、風速，并參考最近一次測風記錄，分析推測氣球在低空的運動軌跡，對本次氣球施放后的初始運動軌跡做到心中有數(shù)，以便在丟球后能夠快速追回。有風廓線雷達的臺站可通過直觀的了解近地面2km高度風向的變化，為本次的探測做好充分的準備工作。

2.4 做好惡劣天氣的應急準備工作

當探測時遇有大風、能見度低等惡劣天氣時，一定要將雷達天線對準探空儀并反復檢查，讓雷達能夠自動跟蹤探空儀。對于可能出現(xiàn)的情況做好充分的準備工作，防止雷達在氣球出手的瞬間仰角卡死的現(xiàn)象發(fā)生。氣溫較低的季節(jié)還應在放球前將雷達的方位緩慢轉(zhuǎn)動一圈，仰角也要從低到高勻速轉(zhuǎn)動，以防天線轉(zhuǎn)動不靈活影響跟蹤。

2.5 做好雷達的日常維護工作

由于雷達故障造成的丟球現(xiàn)象，一般很難有及時解決的辦法，臺站的機務人員嚴格按照規(guī)范要求做好日常保養(yǎng)、檢查維護等工作，減少重大故障的發(fā)生是防止丟球和提高高空氣象觀測的保障。

負責機務人員應根據(jù)臺站的具體情況組織人員做好定期維護保養(yǎng)工作，主要是清潔工作為主，對于重要部件重點保養(yǎng)，檢查所有電纜接頭及各接插元件的安裝情況，天線是否轉(zhuǎn)動靈活，每年固定月份在晴天用經(jīng)緯儀進行對比觀測，檢查雷達的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理解決。

3 不同原因丟球的處理方法

在日常的高空探測工作中丟球的原因有很多，處理方法也不盡相同，由于雷達故障造成的丟球一般是無法在短時間內(nèi)得到解決的，只能啟用備份設備：即探空接收機和電子式光學經(jīng)緯儀相配合完成該次高空探測，此處不再贅述。只對最為典型的放球瞬間過頂丟球和高空丟球后的對策以及假定向的判定和處理進行闡述說明。

3.1 放球瞬間過頂丟球的處理方法

在高空站由于地面施放氣球瞬間過頂丟球是普遍存在的現(xiàn)象，這是由于L波段雷達波瓣窄，所跟蹤的探空儀在近地面方位、仰角變換很大，一旦過頂丟球不容易找回，即使找回也容易發(fā)生旁瓣跟蹤。此時由于探空儀器距離雷達較近，旁瓣和主瓣跟蹤的差別不是很大，值班人員不易識別，當發(fā)現(xiàn)是假定向時，一般探測過程已經(jīng)過去了數(shù)十分鐘，此時還需要根據(jù)天氣條件補放小球進行測風計算，所以在丟球后重新搜索到信號后一定要謹慎判斷是否為假定向。

在高空探測過程中當放球瞬間雷達的工作仰角達到85°以上時，放球軟件就會報警，一般當方位變化較快的情況下，仰角增大的速度就會減慢，只要不是1min內(nèi)短時過頂，即使雷達仰角達到92°也不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。

氣球施放初期（1～2min）內(nèi)，天空狀況良好的情況下，氣球施放員放球后應馬上到雷達上連續(xù)觀察氣球的運動軌跡，當發(fā)現(xiàn)方位變化緩慢，仰角不斷快速增大至92°左右時（仰角卡位的可能性非常大），馬上指揮室內(nèi)操作員天線控制開關由自動轉(zhuǎn)為手動，進行手動抓球，盡量在2min內(nèi)找回目標，并迅速將天控自動打開使雷達自動跟蹤。

當天空有云或能見度非常低的情況下，室內(nèi)值班員只能根據(jù)前1～2d的高空測風資料，了解雷達的仰角、方位變化情況，密切觀察雷達方位、仰角的變化趨勢，，此時，值班員一定要注意力高度集中，將距離跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)換為角度跟蹤，達到限位附近時，如發(fā)現(xiàn)示波器上方位兩條線已經(jīng)明顯不齊，立刻將天線控制開關由自動轉(zhuǎn)為手動，根據(jù)四條亮線的變換情況進行手動跟蹤，當方位、仰角四條亮線對齊后迅速將天線控制開關轉(zhuǎn)為自動。在操作時盡量使用天線控制盒進行天控的手/自動轉(zhuǎn)換，這比在放球軟件上操作要快很多。

當雷達重新跟蹤正常后一定要仔細觀察并與上一時次的記錄進行比較分析，發(fā)現(xiàn)旁瓣跟蹤后利用軟件的“扇掃”功能及時處理，當測風數(shù)據(jù)連續(xù)缺測≥2min時，還應補放小球進行測風觀測；當探空數(shù)據(jù)連續(xù)缺測≥5min時，只能進行重放球操作。

3.2 高空丟球的處理方法

在觀測過程中發(fā)現(xiàn)丟球要根據(jù)具體情況進行判斷，視具體情況進行處理。

3.2.1 頻率飄移

當發(fā)現(xiàn)頻率超出工作頻率，及時將“頻率”在手動狀態(tài)下進行調(diào)整，一般設為1672～1675左右，再觀察示波器上四條亮線是否對齊，如果對齊則再檢查距離跟蹤和探空數(shù)據(jù)接收情況，一般均正常說明氣球已追回，雷達跟蹤恢復正常，否則應在調(diào)整頻率后參考球坐標秒數(shù)中最后一組正確的方位、仰角數(shù)據(jù)，將雷達天線手動搖至該位置附近查看示波器4條亮線情況，不齊時根據(jù)上下左右4條線，對應哪條線短就向哪邊調(diào)的原則進行調(diào)整，當4條亮線對齊后馬上調(diào)成“天控”自動狀態(tài)，并使用“扇掃”功能鍵檢查跟蹤情況，扇掃前后的方位、仰角均無明顯變化時則說明恢復正常。否則再重復以上步驟繼續(xù)調(diào)整尋找，直至恢復信號的正常跟蹤為止。

3.2.2 高差報警

當雷達出現(xiàn)高差報警后檢查發(fā)現(xiàn)斜距跟蹤異?；虿桓鷷r，檢查示波器4條亮線是否對齊，若對齊則再距離跟蹤狀態(tài)下查看“凹口”是否飄移，此時值班員應判斷是方位或仰角卡死還是儀器原因。如果是方位或仰角卡死則迅速將驅(qū)動箱電源進行關開操作，并檢查跟蹤情況，跟蹤不正常時需要值班員參考球坐標秒數(shù)中最后一組正確的方位、仰角數(shù)據(jù)，將雷達天線手動搖至該位置附近查看示波器4條亮線情況，調(diào)整亮線使其對齊后調(diào)成“天控”自動狀態(tài)，使用“扇掃”功能鍵檢查跟蹤情況，扇掃前后的方位、仰角均無明顯變化時則說明恢復正常。否則就重復以上步驟繼續(xù)調(diào)整查找，直至恢復信號的正常跟蹤為止。

儀器原因的判別一般分為2項，在距離跟蹤狀態(tài)下根據(jù)示波器上的亮點來調(diào)整凹口，一般會出現(xiàn)短時調(diào)整好后又不跟的情況；查看球坐標秒數(shù)據(jù)曲線圖，方位和仰角呈規(guī)律性變化，只有斜距變化異常。符合以上2項則基本可以判定為探空儀器問題，此時無需進行距離跟蹤的調(diào)整，在數(shù)據(jù)處理軟件中將該次探測的測風方式改為“無斜距”方式。

3.3 假定向的判斷與處理

雷達天線波瓣除了主瓣，還有旁瓣，目標被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向則叫假定向[1]。在日常觀測工作中當出現(xiàn)丟球又被找回等特殊情況后，一定要進行判斷，避免假定向現(xiàn)象的發(fā)生。一般發(fā)生假定向時具有以下特點。

3.3.1 高差緩慢變大

由于雷達此時未能對準目標，方位角、仰角均有誤，隨著距離的不斷加大，測角誤差可達8°以上，高差也會越來越大，一直報警。

3.3.2 增益突增

探測初期增益應在30～50dB并緩慢增大，正常情況下接收增益一般指示值為100dB左右，旁瓣抓球，大約在150～160dB之間[12]。

3.3.3 信號逐漸減弱

隨著氣球飄移距離的不斷增大，雷達的探測距離明顯縮短，威力大幅下降，信號減弱，此時探空溫、壓、濕數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量亂碼。

探測過程中懷疑假定向時，可以使用放球軟件提供的 “扇掃”功能鍵進行重新搜索目標，根據(jù)扇掃前后雷達天線的方位、仰角變化進行判斷，若無明顯變化則說明是真定向，此時適當調(diào)整頻率使數(shù)據(jù)接收處于最佳狀態(tài)即可。若前后變化較大，說明是假定向，則需要再一次使用“扇掃”操作進行處理。若使用如上方式仍舊未能實現(xiàn)真定向，則需要手動進行抓球的辦法進行操作了[13]。

4 結(jié)束語

在高空氣象探測過程中，發(fā)生丟球等異常跟蹤情況時，值班員和室外雷達指揮人員一定要根據(jù)L波段雷達丟球的原因采取合理的應急處理辦法，在處理過程中要默契配合，沉著應對，短時間內(nèi)將氣球追回，并根據(jù)特殊規(guī)定進行相應的數(shù)據(jù)處理和做好補救措施。

隨著高空氣象探測技術自動化程度的不斷提高，有效地使業(yè)務值班員在正常情況下減少了工作量。而丟球現(xiàn)象的發(fā)生既有客觀因素，也存在主觀因素。在面對各類突發(fā)現(xiàn)象時，探測人員能夠及時、正確的進行操作處理，不但需要熟悉和掌握L波段雷達的性能及各項操作規(guī)程，還要將日常的經(jīng)驗和處理方法的總結(jié)作為一個長期連續(xù)的工作來做，才能保證高空氣象觀測質(zhì)量的穩(wěn)步提高和探測資料的準確性。

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作者簡介：柴巖紅（1978-），女，工程師，從事氣象綜合業(yè)務研究和管理工作，研究方向：大氣探測方面。