新技術(shù)在氣象探測中的應用

宮 軍，劉曉磊，石菊紅，荀家寶，張婷婷

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏大氣探測技術(shù)保障中心，銀川 750002)

0 引言

近年來隨著通信技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被廣泛應用到各行各業(yè)。氣象探測作為獲取氣象數(shù)據(jù)的主要手段，更應充分運用新技術(shù)為氣象預報預測、科學研究和氣象服務提供可靠、高效的觀測數(shù)據(jù)。

1 氣象探測已投入使用的新型技術(shù)

“十三五”以來氣象探測技術(shù)飛速發(fā)展，GPS技術(shù)、光纖傳輸和紅外測量技術(shù)已在氣象探測業(yè)務中得到了廣泛應用。

1.1 GPS技術(shù)及應用

GPS系統(tǒng)由24顆GPS衛(wèi)星和5個地面監(jiān)控臺站組成，能夠提供導航、測量和授時功能。其工作原理是通過測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)即可得出接收機的具體位置[1]。20世紀80年代GPS被引入氣象學中，成為了一門新學科——GPS氣象學(GPS/MET)。

GPS氣象學最早研究的是水汽，因為GPS系統(tǒng)工作時水汽是影響其精密測量的主要因素之一。水汽是大氣中一個重要的參量，其總量、分布和變化情況能夠直接影響天氣的穩(wěn)定性，造成災害性天氣。除此，水汽還會影響大氣輻射和太陽輻射，進而影響氣候系統(tǒng)的水循環(huán)。

利用GPS技術(shù)探測水汽的主要原理：當GPS衛(wèi)星發(fā)送的電波信號穿過地球大氣到達地面接收機時，地球大氣的各個部分都要與水汽發(fā)生相互作用。把各個部分相互作用的延遲量引入解算模型中，并逐項考慮誤差的來源和消除辦法，對高精度的大氣延遲量(毫米量級)與定位參數(shù)一起求解。然后通過雙頻技術(shù)訂正電離層延遲到毫米量級，通過地面氣壓觀測量訂正干空氣的延遲到毫米量級，最后得到毫米量級的濕空氣延遲，由此提取大氣柱的總水汽含量[2]。利用GPS技術(shù)估算大氣水汽總量相比無線電測量、水汽微波輻射計測量和氣象衛(wèi)星觀測具有覆蓋面廣、造價成本低和不受云層影響等特點，是目前水汽觀測的主流方法。

在應用中，中國氣象局與中國地震局聯(lián)合開發(fā)了中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠?qū)χ袊刭|(zhì)巖石圈、水圈和大氣圈等構(gòu)造環(huán)境變化進行實時監(jiān)測，能夠明顯提高對暴雨、冰雹、雷雨和大風等水平尺度在幾百千米左右、歷時僅幾小時的中小尺度災害性天氣的預報預警能力，同時對氣候變化和人工影響天氣等領(lǐng)域的研究起到重要推進作用[3]。

GPS技術(shù)還充分利用其定位原理達到更準確地測量風速、風向等觀測要素[4]的目的。在提高觀測數(shù)據(jù)準確性的基礎上，降低地面接收系統(tǒng)的投入成本，提高氣象探空業(yè)務的自動化程度。

1.2 光纖傳輸

隨著通信技術(shù)的飛躍式發(fā)展和氣象傳感器種類的不斷豐富，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式亟需改變。目前國家級臺站自動氣象站主要分為早期集中控制式結(jié)構(gòu)的自動氣象站和近幾年逐步普及的分布式結(jié)構(gòu)新型自動氣象站。自動氣象站數(shù)據(jù)采集通道均以串口通信為主，但因其傳輸距離短、傳輸速率小和只能單點傳輸?shù)热秉c，造成了數(shù)據(jù)備份、維護維修、遠程控制等不便捷的后果，而且采用RS-232通信方式的自動氣象站在夏季時存在大量雷電感應隱患。目前主流的以太網(wǎng)通信具備傳輸速度快和傳輸距離遠等優(yōu)點，能夠有效解決傳統(tǒng)通信方式帶來的隱患和問題。

串口聯(lián)網(wǎng)服務器是將自動氣象站通信方式由傳統(tǒng)的RS-232改成TCP/IP方式，實現(xiàn)RS-232/485/422串口與TCP/IP網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)雙向傳輸。改進后，國家級氣象站觀測場與值班室間僅使用1根光纖通信，節(jié)省了建站時的布線時間。同時隔離了室內(nèi)外設備的電路連接，大大降低了夏季雷擊風險。

數(shù)據(jù)傳輸時，自動氣象站主控計算機將數(shù)據(jù)采集命令通過網(wǎng)絡發(fā)送至所需的串口服務器指定端口，串口服務器將數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至自動氣象站數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器按照接收指令進行數(shù)據(jù)采集和處理，并將處理結(jié)果回傳給串口服務器，串口服務器在接收到數(shù)據(jù)后進行格式轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化成TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)流返回自動氣象站計算機[5]。主控計算機通過安裝的虛擬串口軟件，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的多地備份。

1.3 紅外測量技術(shù)

紅外技術(shù)至今已有兩百多年的歷史，目前廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學和交通等各個行業(yè)和部門。用途更是覆蓋了紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外報警和紅外遙感等方面。根據(jù)業(yè)務發(fā)展需求和氣象服務的需要，特別是交通氣象站和農(nóng)業(yè)氣象站被廣泛推廣后，紅外測量傳感器已經(jīng)廣泛應用于自動氣象站，其具備檢測準確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。在交通自動氣象站中，采用紅外探測技術(shù)的遙感式路面溫度傳感器具備安裝時不需破壞路面、監(jiān)測區(qū)域可任意挑選等優(yōu)點[6]。在農(nóng)業(yè)自動氣象站中，它可以對傳統(tǒng)溫度傳感器難以測量的冠層葉溫進行高精度測量。但紅外遙感傳感器目前也存在造價偏高、安裝復雜等缺點，同時在建設時還需對紅外線角度和自我修正系數(shù)進行不斷調(diào)整，才能保證觀測資料的準確性。

2 即將投入氣象探測使用的新型技術(shù)

隨著近年無人機、海洋漂浮浮標、高度集成化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類氣象探測設備也迎來了新的發(fā)展高潮，為解決傳統(tǒng)測量時間和地點局限性提供了多種解決辦法。

2.1 無人機氣象觀測

近幾年，中國無人機技術(shù)不論在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，都得到了廣泛應用。而且據(jù)資料統(tǒng)計，中國已成為世界上無人機出口最多的國家，表明中國的無人機技術(shù)得到了世界各國的認可。在氣象領(lǐng)域，由于現(xiàn)有各種氣象觀測手段的局限性，無人機機載氣象探測系統(tǒng)具有廣泛的應用范圍和較強的補充性。

目前氣象用無人機垂直飛行高度最大可以達到3 km左右，可以有效地補充地面觀測和高空探測之間(尤其是0～3 km)的觀測空白；同時擺脫了固定或車載的束縛，1次飛行就可以對半徑為3～5 km的區(qū)域進行快速地氣象觀測；在觀測要素方面，無人機不僅能完成傳統(tǒng)氣象要素如風速、風向、溫度、濕度和氣壓的觀測，還能攜帶各類生態(tài)觀測設備，開展對氣體污染物、PM2.5和PM10顆粒物、地面紅外溫度逼感等要素的觀測。

氣象無人機觀測具備可移動測量、測量時間和地點可控、巡航距高遠和操作簡便直觀等特點，同時能夠快速應急響應，并進入人員無法到達或者存在人身安全的環(huán)境中進行觀測，是未來氣象和其他領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

2.2 海洋浮標觀測

中國領(lǐng)海總面積約300萬平方千米，海岸線長達18，000 km。氣象行業(yè)作為基礎性、公益性服務行業(yè)，更應該深入了解中國海洋氣候和海水變化情況，提供高效、準確的氣象服務資料，保障和促進其他行業(yè)發(fā)展。由于海洋環(huán)境的特殊性，目前海洋觀測遠不及陸地觀測技術(shù)成熟，其中浮標技術(shù)就是一項重要的制約因素。

浮標是為傳感器、數(shù)據(jù)采集及通信等設備在海上的搭載平臺，其相對于傳統(tǒng)的船只觀測具備無人值守、環(huán)境適應性強和觀測數(shù)據(jù)準確等優(yōu)點。自2003年青海湖浮標氣象站投入使用[7]，到2018年黃海北部海域首個浮標氣象站投放運行，氣象浮標已經(jīng)可以做成直徑為10 m、高度大于10 m的大型浮標，可以搭載多種海洋水文氣象的自動監(jiān)測設備[8]，能夠在海上實時獲取風向、風速、氣溫、氣壓、能見度、水溫、海水密度和含鹽度等氣象資料。資料通過國家自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)進行傳輸，在實現(xiàn)實時通信的同時，也保證了高敏感海域和重要海域的觀測數(shù)據(jù)安全性。太陽能供電則保證了浮標氣象站能夠長期、穩(wěn)定工作。浮標氣象站的大量應用，不但能提高海洋氣象服務和災害性天氣預報預警能力，而且能在漁業(yè)生產(chǎn)、海洋資源開發(fā)利用及海洋避險救助等方面發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)束語

隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)應用到了工業(yè)生產(chǎn)中，從而推動了各行各業(yè)的快速發(fā)展。氣象探測產(chǎn)品也將在“中國智造”的過程中不斷推陳出新，推動測量技術(shù)和測量精度的不斷提升，逐步實現(xiàn)智能化觀測，提供更好的氣象服務產(chǎn)品。