獨立放球法在高空氣象探測中的應(yīng)用解析

閔昌紅 吳有恒 周文鈺

摘 要：本文介紹一種基于“L波段（1型）高空氣象探測系統(tǒng)軟件”升級版（V5.0.1）的單人獨立施放探空氣球的技術(shù)方法。結(jié)果表明，短時平均風(fēng)速V≤4m·s-1 ，瞬時風(fēng)速V≤6m·s-1時滿足適合獨立放球的風(fēng)速條件，概率為90.6%。根據(jù)本站輻射霧和鋒面霧的特點，采用定點定位法實現(xiàn)獨立施放。本文給出了使用該方法時出現(xiàn)丟球、旁瓣、斜距不跟蹤、時間設(shè)置錯誤的處理辦法。經(jīng)過總結(jié)近一年在貴陽站的探索經(jīng)驗，對條件限制臺站實現(xiàn)獨立放球提高成功率具有很好的啟示作用。

關(guān)鍵詞：L波段高空氣象探測系統(tǒng)軟件；獨立；放球；解析

中圖分類號：S161 文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430068

引言

高空氣象觀測資料是天氣預(yù)報、氣候變化研究重要的基礎(chǔ)資料。21世紀(jì)初在我國高空站投入使用高分辨率秒級探空觀測系統(tǒng)——L波段高空氣象探測系統(tǒng)。垂直高分辨率探空資料不僅應(yīng)用于天氣預(yù)報和氣候分析等傳統(tǒng)領(lǐng)域，已應(yīng)用于大氣邊界層[1]、湍流[2]等更廣泛的研究。在常規(guī)高空探測中，無論從傳統(tǒng)的59-701探測系統(tǒng)還是已經(jīng)運行于我國現(xiàn)行高空業(yè)務(wù)體制達(dá)十余年之久的L波段高空探測系統(tǒng)，施放技術(shù)始終是高空探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。小場地和氣象因素（例如大風(fēng)、靜風(fēng)、霧、對流天氣）等不利條件造成旁瓣（假定向）丟球、失測，缺測，重放等事故時有發(fā)生。關(guān)于這方向的放球技術(shù)，已有實用可行的經(jīng)驗總結(jié)[3-6]。幾十年來，基于2～3人的室內(nèi)外配合施放探空儀的方式一直為高空探測的主流，這種方法簡便易行，但也由于同步性差配合失敗且會增加人力器材成本等。實現(xiàn)大風(fēng)等不利氣象因素和場地限制下的一人值守或自動放球跟蹤一直是探空觀測的愿景。隨著探測技術(shù)信息化、集約化的發(fā)展和需要，一些自動放球的裝備應(yīng)運而生。例如：“探空氣球自動放球器”[7]結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，“一種可升降大風(fēng)放氣球設(shè)備” [8]可用于解決低仰角丟球的自動放球裝置，但在常規(guī)探測中應(yīng)用不多，“全自動探空裝備”[9]實現(xiàn)了包括自動放球的全自動無人高空大氣探測，但由于造價昂貴，還不能普及至常規(guī)高空站。本文基于“L波段（1型）高空氣象探測系統(tǒng)軟件”（V5.0.1），介紹一人值守獨立施放探空氣球?qū)崿F(xiàn)成功探測的技術(shù)和方法，經(jīng)過近一年運用，取得了較好的效果。

1 L波段（1型）高空氣象探測系統(tǒng)軟件升級的獨立施放功能 L波段高空氣象探測系統(tǒng)軟件是L波段雷達(dá)系統(tǒng)的配套軟件，主要包括數(shù)據(jù)處理軟件和放球軟件兩部分，采用BorlandC++語言，在Windows操作系統(tǒng)下進行編制。若以2002年1月1日在北京觀象臺投入使用第一臺L波段雷達(dá)算起，至今已經(jīng)在常規(guī)高空探測中運行使用達(dá)16a之久，是高空氣象探測網(wǎng)骨干軟件系統(tǒng)[10]。為了適應(yīng)新的探測體制和軟件標(biāo)準(zhǔn)化[11]的要求，該系統(tǒng)軟件設(shè)計研究者在應(yīng)用過程中不斷改進升級，升級的內(nèi)容多。表1僅列舉了軟件各次升級后新增的主要業(yè)務(wù)功能信息。從表中看出，L波段系統(tǒng)軟件由于數(shù)據(jù)采集分辨率達(dá)到秒級，其計算方法有較大變化。如V3.10解決探空儀在10hPa以上氣壓誤差，V3.31增加的“整分球坐標(biāo)使用秒數(shù)據(jù)平均”功能都會帶來歷史資料的某種變化甚至突變，因此在使用探空資料時要充分了解和估計這些影響。2017年6月1日升級使用的版本V5.0.1增加先放球后確定放球時間的功能，這個功能為實現(xiàn)一人值守獨立放球提供了可能，是高空探測作業(yè)方式的一種突破和探索。本文基于此版本軟件討論過程和條件。

2 基于V5.0.1版本獨立放球的實現(xiàn)方法

2.1 V5.0.1的操作技巧

V5.0.1軟件開發(fā)了先放球后確定放球時間的功能。在完成探空儀基測、瞬間觀測后（瞬間觀測也可以延后進行），當(dāng)北京時間過了15min以后就可以直接在放球場將氣球施放，氣球施放后操作員可以在計算機端從容確定放球時間。氣球施放出去后，在軟件探空曲線顯示區(qū)用鼠標(biāo)將水平基準(zhǔn)線移至氣壓發(fā)生變化之前的最后1點（不是發(fā)生變化的第1點），然后按鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置放球開始時間”菜單項并確認(rèn)“是”后，隨后彈出“打開放球開關(guān)”；計算機清除放球前的探空測風(fēng)數(shù)據(jù)，并放入放球前5min內(nèi)；從秒數(shù)據(jù)中重新獲取整分的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)并重新計算量得風(fēng)層；根據(jù)基準(zhǔn)線所指定的放球時刻倒推計算出真實的放球北京時和地方時。單測風(fēng)探測時，設(shè)置放球時間即可在秒數(shù)據(jù)顯示區(qū)也可在全部曲線顯示區(qū)進行，在秒數(shù)據(jù)顯示區(qū)和全部曲線顯示區(qū)通過按鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置放球開始時間”菜單項即可。如果在曲線上不好確定放球時刻，也可以到秒數(shù)據(jù)里找到精確的施放時刻進行。

2.2 實現(xiàn)方法和條件

V5.0.1版本20170601在本站運行后，就1人值守放球的成功與失敗案例進行了分析總結(jié)。找到了適合的方法和條件。

2.2.1 場地條件

根據(jù)地面資料統(tǒng)計貴陽站主流風(fēng)向頻率依次為偏東風(fēng)、偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，占據(jù)93%以上。據(jù)此建立了雷達(dá)下風(fēng)方向的基本放球點，即北面的籃球場外放球點、S—W方向的放球帶。分別距離雷達(dá)60m、40～55m。吳興洋[6]、閔昌紅[12]闡述了本站施放探空氣球的方法技術(shù)，對于一人值守放球，需要作適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改進。主要在于，獨立放球后，要保證雷達(dá)100%能自動跟蹤，一旦丟球，即使以最快的速度回到值班室，也很難在較短的時間內(nèi)找回目標(biāo)。室外無人工指揮，如果出現(xiàn)重放，一人既要充氣又要準(zhǔn)備室內(nèi)基測，必然造成時間推遲較長甚至超過規(guī)定補放時間缺測的事故。故對一人獨立放球的方法要有一個嚴(yán)格執(zhí)行的程序和技術(shù)方案。

2.2.2 風(fēng)速對施放的影響

放球點對風(fēng)速的要求。在離放球時間25～20min內(nèi)，宜將探空儀升空掛在窒外放球點位置，預(yù)留足夠的時間保證施放前探空儀如果有變性等情況可以及時更換。在施放前25min時間內(nèi)，探空儀懸掛在繩長30m的氣球下，如果風(fēng)速過大且持續(xù)的時間長，氣球?qū)粔合?，?yán)重時導(dǎo)致氣球被樹枝掛破探空儀摔壞。另一種情況是，即使僥幸施放出去，由于風(fēng)大仰角低，雷達(dá)不能自動跟蹤造成丟球。這種情況在北面放球點更容易發(fā)生，由于雷達(dá)位于高出北放球點3.5m的觀測場內(nèi)，風(fēng)大時此放球點的初始仰角在-7°～-1°之間，擺動大極易丟球。

通過試驗和計算氣球的風(fēng)壓表明，當(dāng)短時平均風(fēng)速V≤4m·s-1 ，瞬時風(fēng)速V≤6m·s-1且持續(xù)時間很短，在貴陽站特定的條件適合一人值守施放。從表2可以看出，施放時次，本站月平均升速介于1.7～3.4m·s-1之間，各時次2min、10min平均風(fēng)速V <4m·s-1比例在83.3%～95.3%之間，平均90.6%，且2min、10min平均風(fēng)速有很好的一致性，最大風(fēng)速出現(xiàn)在放球時間段的概率極小，風(fēng)也較小。01：00、07：00、19：00分別為0.5%、0、2.7%，風(fēng)速在3.9～6.2 m·s-1之間，最大風(fēng)速幾乎不出現(xiàn)在放球時間點，而且風(fēng)速小，為獨立放球提供了較理想的條件。極大風(fēng)速01：00、07：00、19：00概率分別為0.6%、0、2.2%，風(fēng)速在6.6～11.0 m·s-1之間，各時次出現(xiàn)的概率與最大風(fēng)速相當(dāng)。極大風(fēng)速出現(xiàn)在放球時段內(nèi)時，風(fēng)速大，不適合獨立施放。

2.2.3 霧對施放的影響

霧是由懸浮近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的使水平能見度小于 1 km 的天氣現(xiàn)象。霧的氣候特征具有明顯的地域性。根據(jù)彭科曼[13]統(tǒng)計分析，遷站后貴陽站平均年霧日集中在冬季的輻射霧和鋒面霧占了36.81%，且集中在 06：00—08：00生成的概率比較高，合計出現(xiàn)概率為 45. 0%。貴陽站冬季12月、1月、2月07：00施放時是出現(xiàn)霧的高峰時期。每月2～3次。霧造成雷達(dá)天線中心的攝像頭看不清楚，除此之處，如果霧是由測站上空的云貴靜止鋒面形成，則風(fēng)切變可能造成過頂丟球。但是，測站有霧時，通常風(fēng)速較小，利于室外升空掛球調(diào)試探空儀。在無法觀測到氣球時，采用定點定位法，事先測出掛球點的仰角和方位，如N（0°，5°），SSW（0°，225°），保證放球點仰角為0°分別將探空儀掛在繩子離地5.5m、2.5m即可。將已經(jīng)調(diào)整好頻率的雷達(dá)轉(zhuǎn)動至該位置，將放球軟件“天控”置于“自動”，雷達(dá)即能自動跟蹤。如果放置此位置自動時，雷達(dá)偏離較大位置，則說明未能跟蹤。反復(fù)多次，在波瓣寬度范圍（≤6°）內(nèi)從 “手動”切換“自動”，均能回到初始位置，放球后就不會丟球了。

3 獨立放球法常見問題

3.1 旁瓣丟球

為了提高探測精度，GFE（L）1型雷達(dá)采用了假單脈沖體制。雷達(dá)水平波瓣與垂直波瓣均 ≤6°，天線波瓣較窄。若施放時準(zhǔn)備不充分，容易丟球而造成旁瓣定向，使記錄缺測或失真。例如放球時當(dāng)偏南風(fēng)持續(xù)>7m·s-1，位于雷達(dá)下風(fēng)方向的北面球場施放點探空儀仰角較低，若在瞬間施放時仰角低，超過工作范圍<-6°仰角過低丟球失去跟蹤，偶爾風(fēng)大甚至造成氣球壓低或者平飛儀器摔地?fù)p壞。

3.2 斜距不跟蹤

施放后雷達(dá)能自動跟蹤但斜距自動跟蹤錯誤，這種情況較易出現(xiàn)。多產(chǎn)生8～35s之間斜距都是12m的錯誤情況。如s5781620180205.19放球33s內(nèi)斜距均為12m。主要表現(xiàn)為“回波缺口漂移”。分析原因：L波段雷達(dá)測距測量的是應(yīng)答信號對主波的延時，而時間測量是通過對重復(fù)頻率的脈沖計數(shù)來完成的。L波段雷達(dá)采用了近程和遠(yuǎn)程2個發(fā)射機，2個發(fā)射機的電路形式、器件選擇、安裝結(jié)構(gòu)差異很大，對同一個探空儀相對主波的延時就不一樣，測距就有差別，因而測距標(biāo)定要分別進行而且要準(zhǔn)確。若棄用近程發(fā)射機也會造成測距精度大回波凹口近距離不明顯測距跟蹤難；較強的地物回波使距離凹口信號雜波大，干擾對近地面測距跟蹤，可對雷達(dá)發(fā)射機高壓線進行處理，調(diào)整發(fā)射機頻率至1679MHz；調(diào)整雷達(dá)跟蹤探空儀頻率。L波段雷達(dá)和探空儀回答器工作頻率為1675±6MHz，施放前，根據(jù)貴陽站雷達(dá)工作情況，宜先采用自動頻率對準(zhǔn)室外探空儀，再將調(diào)整自動頻率下調(diào)1～2個頻點，使斜距凹口略深。放球后迅速回到值班室，查看斜距跟蹤狀態(tài)，失去跟蹤迅速手動調(diào)整斜距；凹口回波自動跟蹤時不停左右跳動，則為11-3測距板接觸不良或故障，重新插入或換備用板。

3.3 放球開始時間設(shè)置錯誤造成重放

最容易出現(xiàn)誤把放球開始時間設(shè)置到晚于實際開始時間時，容易產(chǎn)生放球時間訂正錯誤，多次操作造成記錄無法恢復(fù)重放。方法：打開放球軟件“秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)”，牢記下升空仰角變化之前第一點時間，如某次7：00秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)12：08，打開“探空曲線”選項，放大溫壓濕曲線，將鼠標(biāo)移動到氣壓變化之前的最后一點，點鼠標(biāo)右鍵，顯示“設(shè)置放球開始時間”如果與秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)一致，確定即可。此方法穩(wěn)當(dāng)，不會發(fā)生錯誤，建議采納；如果不慎將放球開始時間設(shè)置到晚于實際開始時間時，此時不要慌張，等記錄超過5min，打開數(shù)據(jù)處理軟件，從下拉菜單中“放球前5分鐘每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)查詢”中找到仰角變化之前的最后一個點的時間，例如1：08，用4：59減去1：08秒換算成秒就是遲按的訂正時間。

4 結(jié)語

一個值守的獨立放球法是一種全新的探測工作方式，該功能杜絕由于氣球釋放人員和終端操作人員配合失敗造成的放球失敗或需要修改訂正放球時間的事情發(fā)生，也可以讓放球場地良好的探空站實現(xiàn)1個人值班。提高了工作效率，減輕了勞動強度。規(guī)范要求1a重放不超過6次，對施放的成功率幾乎要求達(dá)到百分之百，所以在使用過程中要慎之又慎，不能心存僥幸心理。在大風(fēng)或者不滿足本站氣象條件等因素下杜絕使用該方法。對天線仰角、方位“鎖死”不動以及雷達(dá)與終端間的通訊傳遞不能及時激活等可能情況也要有充分準(zhǔn)備。作為一種規(guī)范的工作方式，也要保證小概率事件發(fā)生時啟動應(yīng)急的工作程序，作為這種方法的補充。

參考文獻

[1] BashaG，Ratnam M V.Identification of atmospheric boundarylayer height over a tropical station using high-resolution radiosonde ref ractivity profiles： Comparison with GPS radio occultation measurements[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres， 2009. 114（11）： 713-721

[2] Clayson CA，Kantha L.On Turbulence and Mixing in the Free Atmosphere Inferred from High-Resolution Soundings[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2008. 25（6）： 833-852.

[3] 劉旭，宋潔慧.小場地風(fēng)速過大時探空氣球的施放與抓球[J].氣象研究與應(yīng)用.2009，30（1）：75-76.

[4] 李健英.西昌2010年6月8日強對流天氣過程對探空L波段雷達(dá)放球的影響[J].貴州氣象，2011，35（1）：37-39.

[5] 李建平，張建新.大風(fēng)天探空放球點的選擇與分析[J].沙漠與綠洲氣象，2009（3）：37-39.

[6] 吳興洋，周處強，閔昌紅，等. L波段控空雷達(dá)丟球?qū)Σ遊J]. 貴州氣象，2006，30（4）：35-37.

[7] 雷國文.探空氣球自動放球器[P].中國專利：CN201037872，2008-03-19.

[8] 曹駿彥，花俊，李明，等. 一種可升降大風(fēng)放氣球設(shè)備[P].中國專利：CN207096483U，2018-03-13.

[9] 黃江平，任振華，褚啟和，等. 全自動探空裝備[P].中國專利：CN102253429A，2011-11-23.

[10] 李偉，劉鳳，徐磊，等.L波段高空氣象探測系統(tǒng)軟件[J].氣象科技，2008，36（2）：237-239.

[11] 姚雯，鄭國光，郭亞田，等.氣象探空測風(fēng)軟件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2004，15（1）：88-94.

[12] 閔昌紅.貴陽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[J].科技風(fēng)，2016（285）：26-27.

[13] 彭科曼，劉博，陳海鳳，等. 貴陽遷站后霧的氣候特征及預(yù)報模型研究[J].貴州氣象，2017，41（3）：51-55.

作者簡介：閔昌紅，男，（1966-），高級工程師，研究方向：高空氣象觀測。