淺談L波段高空氣象探測業(yè)務(wù)常見問題的應(yīng)急處理

胡曉亞 劉一萍 何敏發(fā)

安慶市氣象局 安徽 安慶 246000

引言

高空氣象觀測數(shù)據(jù)是最重要的氣象觀測數(shù)據(jù)之一，它可以提供溫度、氣壓、濕度和風(fēng)力、風(fēng)向等氣象要素在垂直方向上的分布情況。L波段雷達(dá)是我國自主研發(fā)的新型探測系統(tǒng)，可提供高質(zhì)量、高分辨率的高空探測數(shù)據(jù)。由于L波段雷達(dá)系統(tǒng)的元器件對環(huán)境較為敏感，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易受到各種干擾而發(fā)生故障，造成高空氣象觀測質(zhì)量差。結(jié)合筆者在安慶市探空站的高空氣象探測業(yè)務(wù)開展經(jīng)驗，對L波段雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，并給出處理方式及日常維修維護(hù)建議，為L波段雷達(dá)在復(fù)雜天氣或惡劣環(huán)境的正常運(yùn)行提供經(jīng)驗。

1 L段波高空氣象探測內(nèi)涵分析

在實際研究機(jī)制建立后，主要是對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行細(xì)化分析和綜合性管理，L波段高空氣象探測項目中，指的是GFE型雷達(dá)控制的GTS1型數(shù)字式電子探空儀，在實際工作操作過程中，會形成高空氣象探測系統(tǒng)，這個系統(tǒng)內(nèi)的基本內(nèi)容統(tǒng)稱為L波段高空氣象探測系統(tǒng)，正是基于此，在實際應(yīng)用測量和管理過程中，也要對相關(guān)信息進(jìn)行有效處理和綜合性檢測，并對相關(guān)信息和控制模型展開有效分析，從而保證整個處理效果符合標(biāo)準(zhǔn)。相較于59-701雷達(dá)探測系統(tǒng)，L波段高空氣象探測系統(tǒng)不僅基值測定方式非常的快捷化，其操作流程的自動化也十分關(guān)鍵，運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率也具有一定的優(yōu)勢，正是基于其實際的特征和優(yōu)勢，在管理模型中，能形成有效的互動。從根本上提高了工作人員的工作效率，也有效減少了探測數(shù)據(jù)的出錯率。這對于整體管理機(jī)制的優(yōu)化具有非常深遠(yuǎn)的意義，然而，其運(yùn)行機(jī)制建立后，也要面臨一些問題，要想從根本上提高L波段高空氣象探測資料整體質(zhì)量，就要結(jié)合實際需求和控制措施，確保相關(guān)信息完整度和管理效果的最優(yōu)化，也能為氣象防災(zāi)減災(zāi)及社會各部門提供準(zhǔn)確、權(quán)威的氣象信息，從而確保相關(guān)工作有序開展[1]。

2 L波段高空氣象探測系統(tǒng)及基本工作原理

L波段高空氣象探測系統(tǒng)是由我國自主研發(fā)的新一代探空系統(tǒng)，由二次測風(fēng)雷達(dá)和電子探空儀配合，主要對高空中的風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等要素進(jìn)行

綜合或單獨(dú)探測，具有探測密度高、采樣速度快、經(jīng)濟(jì)便捷等特點(diǎn)，實現(xiàn)了高空氣象探測的數(shù)字化和自動化。“L”代表的是雷達(dá)波段：1～2GHz，GFE(L)1型二次測風(fēng)雷達(dá)使用的頻率是1.675GHz，簡稱為L波段雷達(dá)[2]。

3 L波段高空氣象探測業(yè)務(wù)常見問題以及處理措施

3.1 雷達(dá)探空儀操作問題

3.1.1 天線抖動。引起雷達(dá)天線抖動的主要原因是電壓不穩(wěn)定和啟動速度過快。雷達(dá)抖動的頻繁發(fā)生會導(dǎo)致天線電纜接觸不良。如果不及時、準(zhǔn)確地處理該故障，將影響高空探測的準(zhǔn)確性。為避免天線抖動，應(yīng)遵循以下步驟:

3.1.1.1 開機(jī)時，先打開主機(jī)電源；

3.1.1.2 打開主控箱開關(guān)，接通雷達(dá)外部電源；

3.1.1.3 打開示波器電源；

3.1.1.4 接通驅(qū)動箱電源；

3.1.1.5 預(yù)熱半小時左右后，打開發(fā)射機(jī)開關(guān)。

為了讓驅(qū)動電源在啟動時留有充足的預(yù)熱時間，應(yīng)按照順序啟動雷達(dá)，以避免在先驅(qū)動電源造成其他設(shè)備電源在打開瞬間突然發(fā)生電壓不穩(wěn)的狀況，確保雷達(dá)探測設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，還有一個原因?qū)е绿炀€抖動，就是雷達(dá)天線在氣球中處于自動跟蹤狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)處于低仰角時，天線抖動對低層大氣數(shù)據(jù)采集質(zhì)量造成影響，在嚴(yán)重時不能跟蹤上探空儀。因此，在雷達(dá)主電源接通后，驅(qū)動箱電源接通之前，需要手動操作放球軟件界面上的天空控制開關(guān)，手動操作完成后，將其設(shè)置為自動操作。

3.1.2 天線 “死位”。為了確保雷達(dá)信號，雷達(dá)天線應(yīng)有天線罩保護(hù)， 以免在長期使用的過程中造成匯流環(huán)變臟，導(dǎo)致雷達(dá)天線仰角、方位被“鎖死”，電機(jī)驅(qū)動箱仰角燈和方位綠指示燈兩個指示燈不亮、而紅指示燈和界面報警燈兩個指示燈亮為操作平臺的主要表現(xiàn)。這種情況的處理步驟為：

3.1.2.1 快速重啟電機(jī)；

3.1.2.2 重啟電機(jī)驅(qū)動箱開關(guān)。

為避免這一問題的發(fā)生，應(yīng)定期用酒精清洗雷達(dá)匯流環(huán)，特別是在冬季大風(fēng)季節(jié)，應(yīng)增加清洗次數(shù)。為了保證放球探測過程中的數(shù)據(jù)觀測誤差降到最低，應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，并盡快進(jìn)行處理。面對工作過程中存在的問題，要及時發(fā)現(xiàn)并有效解決問題，將放球探測中的觀測誤差降到最低。

3.1.3 接收機(jī)信號狀態(tài)。施放L波段高空氣球時，隨著氣球的上升和高度值的變化使接收機(jī)的增益也隨之變化，因此，應(yīng)隨時根據(jù)接收機(jī)的增益數(shù)據(jù)對雷達(dá)進(jìn)行控制，以保證L波段雷達(dá)能夠良好跟蹤高空氣球接收到的信號。對于值班的工作人員，要做好各項工作，特別是要隨時做好增益的調(diào)整，參照示波器顯示出的角度方式，用開關(guān)的兩個小按鈕來調(diào)節(jié)接收機(jī)增益； 增益的最適值為增益數(shù)值最小時，同時示波器的4條亮線達(dá)到飽和，在這個時候接收機(jī)增益值為30dB至50dB。

另外，為了保證信號達(dá)到最佳狀態(tài)，需要同步調(diào)整天線頻率和接收機(jī)增益，可以采用以下兩種處理模式:

3.1.3.1 將頻率開關(guān)保持在手動狀態(tài)，頻率數(shù)值調(diào)整在1675.0±6MHz后，在放到自動狀態(tài)。

3.1.3.2 小發(fā)射機(jī)在工作的狀態(tài)下，示波器顯示的4條亮處于距離方式，另外凹口深度位于1/3-2/3，為了實現(xiàn)探測資料數(shù)據(jù)的正常傳輸， 接收的信號保持最好狀態(tài)，需要將接收機(jī)增益與頻率都調(diào)整為最佳狀態(tài)，同時隨時對調(diào)節(jié)進(jìn)行觀察[3]。

3.2 觀測記錄問題

3.2.1 施放前的探空儀基值測定。濕度片做老化，讀R0、T0。同時去確定儀器序列號（檢查儀器信號是否好， 手動調(diào)節(jié)增益到30 dB-50dB， 調(diào)好后再放到自動擋，中心頻率為1675.0±6MHz，） 讀氣壓、將濕度片插入儀器做基測讀T、 U，浸泡電池記下電壓

（夏天16-17伏，冬天18-21伏），電壓的高低直接影響儀器信號的好壞，對記錄有直接的影響。打開基測按鈕輸入所讀的數(shù)據(jù)合格后關(guān)閉基測按鈕，不能再打開這個按鈕否則會丟掉前面的數(shù)據(jù)導(dǎo)致序列號亂不能正常接收信號或?qū)е率┓挪缓细駜x器。

3.2.2 地面瞬間觀測。瞬時觀測在施放氣球前后5分鐘內(nèi)登記地面氣象要素數(shù)據(jù)，值班人員需要根據(jù)地面氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)讀取地面氣壓、 附溫、干球溫度和濕球溫度等相關(guān)的地面氣象因素，同時把數(shù)據(jù)輸入到L波段觀測平臺，避免輸入的錯誤，將整份高空氣象探測記錄出現(xiàn)系統(tǒng)性錯誤的可能性降至最低，甚至是不發(fā)生差錯。

3.2.3 探空記錄資料處理。L波段雷達(dá)自動化程度高，采集的記錄數(shù)據(jù)的特征為頻次密集、數(shù)據(jù)量大，所以飛點(diǎn)發(fā)生的概率較高，通過分析研究，處理溫度、濕度、氣壓三要素的飛點(diǎn)。每年的4-9月是安慶的汛期，在汛期間降雨量較多，且降雨持續(xù)時間長，相對濕度高，飛點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大；特別是在夏季觀測時常出現(xiàn)的強(qiáng)對流天氣對濕度觀測的影響更嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)難以判斷的紊亂訊號，面對這種情形時，值班測員需要識別不準(zhǔn)確、錯誤的記錄。

3.3 測風(fēng)記錄異常

測風(fēng)記錄上某個時次的數(shù)據(jù)突跳問題的出現(xiàn)，會對量得風(fēng)層、高度和等壓面風(fēng)的計算產(chǎn)生影響，從而使得雷達(dá)數(shù)據(jù)的正常發(fā)報和報表制作受到影響。當(dāng)觀測人員在處理這種情況時，采取如下措施：

3.3.1 當(dāng)某分鐘測風(fēng)數(shù)據(jù)異常，可將該分鐘數(shù)據(jù)作缺測處理。

3.3.2 若為斜距跳變，就用高度代替斜距，通常要代替幾分鐘的斜距數(shù)據(jù)，比如在2到5分鐘之間，這樣計算出的數(shù)據(jù)差值就會降到最低。

3.3.3 如果出現(xiàn)整份記錄斜距有誤，應(yīng)采用綜合探測無斜距測風(fēng)[4]。

3.4 旁瓣跟蹤分辨問題

在能見度較差時，比如強(qiáng)降水等天氣的影響下，無法清楚地觀察和追蹤氣球軌跡，而產(chǎn)生旁瓣跟蹤問題。當(dāng)系統(tǒng)長時間出現(xiàn)旁瓣跟蹤問題，會造成數(shù)據(jù)缺測，情況嚴(yán)重時需要重新放球，否則會導(dǎo)致觀測事故。因此，清除旁瓣問題對高空觀測業(yè)務(wù)十分重要。判斷旁瓣有以下的方法：

3.4.1 利用4 條亮線輔助判斷；

3.4.2 利用高度和氣高進(jìn)行判斷。旁瓣跟蹤的增益值一般在 150～160 db之間， 在這種情況下， 高度值和氣高之間的差值是較高的。若有旁瓣跟蹤，首先調(diào)整仰角， 抬升仰角大約升10°；其次扇掃天線，以實現(xiàn)根據(jù)高度與氣高的差值進(jìn)行及時的修正。

4 應(yīng)對復(fù)雜天氣、特殊事件的應(yīng)急處理

4.1 信號混亂

L 波段系統(tǒng)的抗干擾性能較差，遇到強(qiáng)對流天氣，訊號絮亂無法判斷其變化趨勢，這種情況給值班管理人員整理資料帶來很大問題，建議臺站將資料結(jié)合探測規(guī)范的壓、溫等數(shù)據(jù)連續(xù)缺測或可信度差處理，缺失測量處理在當(dāng)天時間內(nèi)完成[5]。

4.2 特殊天氣

在高空探測的過程中還可能會出現(xiàn)大雪、強(qiáng)降水、雷暴、大風(fēng)等復(fù)雜的天氣狀況，在一定程度上影響著氣球的正常升速。為保證氣球正常升空，工作人員可以依據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)丶哟髿錃馇虻某錃饬?。如果，受天氣現(xiàn)象的影響，使探空儀不能正常工作，就需要根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)匕褮馇虻氖┓艜r間推遲。如果在探測的過程中出現(xiàn)探空儀遭受雷擊或者是傳感器變性的情況，就需要立即重放球，但是需要注意的是重放球的時間必須是在規(guī)定的時間范圍內(nèi)。 當(dāng)在距地3000m以下進(jìn)行的測風(fēng)記錄缺測時，應(yīng)該想辦法進(jìn)行補(bǔ)測。當(dāng)氣球的施放受惡劣天氣狀況（臺風(fēng)、沙塵暴等）的影響時，必須采取人工輔助的方式，保證氣球的正常施放，同時還要保證氣球施放后的順利跟蹤。放球點(diǎn)的位置應(yīng)該選擇在天線的下風(fēng)方向，時刻跟蹤氣球施放后的運(yùn)動軌跡，便于發(fā)生特殊狀況使自動抓球失敗后可以順利進(jìn)行手動抓球。放球人員在放球之后需要跟蹤并觀察氣球一段時間，還需要注意在施放氣球的同時按下“確定”按鈕，及時與施放的氣球進(jìn)行信號、方位等跟蹤與溝通，確保施球工作在復(fù)雜多變天氣情況下順利進(jìn)行。還必須在探測前1h預(yù)計可能出現(xiàn)的天氣狀況，并想出其應(yīng)對措施，以便在情況發(fā)生時能夠熟練準(zhǔn)確地解決問題[6]。

5 結(jié)束語

總之，L波段高空氣象觀測業(yè)務(wù)顯著提高了高空氣象觀測數(shù)據(jù)的精度，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和處理，提高了氣象觀測的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，減少了誤差，很大程度上避免了一些問題的出現(xiàn)。L波段高空探測是一個新時代的探測方法，它提高了氣象探測質(zhì)量；同時在自動化程度不斷提高的同時，與此同時也面臨著許多突發(fā)事件和問題，因此，需要采取對策和方案解決 L 波段氣象探測過程中出現(xiàn)的問題， 并嚴(yán)格按照業(yè)務(wù)規(guī)范進(jìn)行操作，以提高氣象觀測的質(zhì)量，確保 L 波段高空氣象探測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。