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    氣象探空觀測的技術(shù)發(fā)展與未來展望

    2022-11-30 07:47:52曹曉鐘夏元彩羅皓文劉立輝劉銀鋒劉振宇李欣郭然郭啟云
    關(guān)鍵詞:探空儀探空氣球

    曹曉鐘 夏元彩 羅皓文 劉立輝, 劉銀鋒 劉振宇 李欣 郭然 郭啟云

    (1 中國氣象局氣象探測中心,北京 100081;2 邢臺(tái)市氣象局,邢臺(tái) 054000)

    0 引言

    綜合氣象觀測是基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合,多學(xué)科交叉融合的獨(dú)立學(xué)科,處于大氣科學(xué)發(fā)展的前沿[1],其數(shù)據(jù)是開展天氣預(yù)警預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測預(yù)估及氣象服務(wù)、科學(xué)研究的基礎(chǔ),是推動(dòng)氣象科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。常規(guī)高空氣象觀測(簡稱“氣象探空觀測”)是指采用氣球攜帶無線電探空儀以自由升空方式(或利用飛機(jī)、飛艇和火箭等各種新型技術(shù)載體平臺(tái)的方式)對(duì)大氣中各個(gè)高度的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素進(jìn)行直接接觸式探測。氣象探空觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分,可獲取地面至30 km高空的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素[2],在數(shù)值預(yù)報(bào)、天氣分析、短時(shí)臨近潛勢預(yù)報(bào)、遙感設(shè)備比對(duì)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[3]。世界氣象組織(WMO)和全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)對(duì)氣象探空觀測的準(zhǔn)確度提出了更高要求,因此,各國不斷進(jìn)行新技術(shù)攻克與方法研究,以提高氣象探空觀測的準(zhǔn)確度及其資料質(zhì)量[4]。

    1 氣象探空觀測發(fā)展歷程

    1.1 氣象探空觀測歷史發(fā)展

    1749年,英國氣象學(xué)家將溫度計(jì)捆綁在風(fēng)箏上進(jìn)行最低層大氣溫度的測量,這是氣象探空觀測最早開始的標(biāo)志。1783年,法國科學(xué)家研制出攜帶溫度、氣壓自記裝置的氫氣球,用以測定高空溫度和氣壓。1809年,英國科學(xué)家首創(chuàng)用測風(fēng)氣球探測高空風(fēng)。1928年,蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了無線電探空儀,極大推動(dòng)了氣象探空觀測事業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)30年代,維薩拉發(fā)明了芬式無線電探空儀,探測高度達(dá)30~40 km,迅速在全世界推廣使用[5]。另外,飛機(jī)、火箭載體技術(shù)的成熟和應(yīng)用,特別是火箭探測的應(yīng)用使探空高度達(dá)到60 km以上[6]。

    我國20世紀(jì)50年代以來,開始建設(shè)并形成氣象探空觀測網(wǎng)。初期探空儀全部依賴進(jìn)口,為改變這種局面,我國開始仿制生產(chǎn)原蘇聯(lián)49型探空儀,并于20世紀(jì)60年代完成了國產(chǎn)59型機(jī)械式探空儀生產(chǎn)定型,實(shí)現(xiàn)了探空儀國產(chǎn)化。59型機(jī)械式探空儀-701二次測風(fēng)雷達(dá)探空系統(tǒng)(簡稱59-701探空系統(tǒng))作為主力探測設(shè)備在我國的氣象探空觀測中發(fā)揮了重要的作用,一直延續(xù)使用到2009年[7]。20世紀(jì)末,中國氣象局啟動(dòng)了新型氣象探空雷達(dá)的研制;2001年,L波段二次測風(fēng)雷達(dá)-GTS1型電子探空儀系統(tǒng)(簡稱L波段雷達(dá)探空系統(tǒng))研制成功并定型列裝,隨后中國氣象局逐步開始探空站的L波段探空系統(tǒng)升級(jí),至2010年,完成了全國120個(gè)探空站設(shè)備的更新?lián)Q代[8]。

    1.2 氣象探空觀測技術(shù)發(fā)展

    隨著技術(shù)的發(fā)展,氣象探空觀測先后經(jīng)歷了無線電經(jīng)緯儀、雷達(dá)、導(dǎo)航等不同技術(shù)體制的發(fā)展。無線電經(jīng)緯儀用無線電定向技術(shù)跟蹤并接收無線電探空儀信號(hào),測量探空儀升空期間隨時(shí)間變化的方位、仰角,并配合測高方法測量高空風(fēng)向風(fēng)速。雷達(dá)測風(fēng)精度明顯高于無線電經(jīng)緯儀,但雷達(dá)需要大功率發(fā)射機(jī),因而地面設(shè)備的投資較大。我國目前業(yè)務(wù)在用的L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)在雷達(dá)低仰角情況下,測風(fēng)誤差顯著增大,不滿足氣候觀測需求[9]。衛(wèi)星導(dǎo)航定位探空系統(tǒng)因其定位準(zhǔn)確、測風(fēng)準(zhǔn)確度高等優(yōu)越性凸顯,特別是地面設(shè)備簡單,采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,自動(dòng)化程度高,可以大幅度地減少地面設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)費(fèi),逐漸成為探空主流[10]。2010年WMO高性能探空儀國際比對(duì)試驗(yàn)以后,GPS導(dǎo)航測風(fēng)探空儀得到了迅速推廣,美國和歐洲的雷達(dá)、無線電經(jīng)緯儀及羅蘭-C等探空系統(tǒng)逐步被GPS導(dǎo)航測風(fēng)探空系統(tǒng)替代。我國近年也成功研制了北斗/GPS聯(lián)合導(dǎo)航定位系統(tǒng),并通過技術(shù)鑒定[11]。目前,正在進(jìn)行臺(tái)站業(yè)務(wù)試運(yùn)行,試驗(yàn)成功后可替代L波段雷達(dá)探空系統(tǒng),以提高我國的探空觀測水平[12]。

    1.3 氣象探空觀測站網(wǎng)布局

    目前,WMO將全球探空站主要分為3類:全球資料交換探空站(818個(gè))、GCOS探空站(177個(gè))與國內(nèi)探空站。全球高空探測的站網(wǎng)布局見圖1。為彌補(bǔ)探空站網(wǎng)長期穩(wěn)定的空間不足,歐洲加強(qiáng)了商用飛機(jī)觀測系(AMDAR)的應(yīng)用開發(fā),美國發(fā)展衛(wèi)星掩星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大氣垂直廓線觀測系統(tǒng)建設(shè)[13]。

    圖1 全球探空站網(wǎng)布局Fig.1 The layout of global sounding station network

    我國現(xiàn)有氣象探空站120個(gè)(不含港臺(tái)),站網(wǎng)布局如圖2所示,承擔(dān)全球資料交換任務(wù)的有89個(gè)站,含7個(gè)GUAN(全球氣候觀測網(wǎng))站和1個(gè)GRUAN(全球基準(zhǔn)氣候觀測網(wǎng))站。還有3套自動(dòng)探空系統(tǒng)自2014年開始一直在西藏那曲、申扎和改則進(jìn)行青藏高原科考試驗(yàn)服務(wù)。我國整體站網(wǎng)呈現(xiàn)“東密西疏”的布局,整體站網(wǎng)間距在300 km左右,存在觀測空白區(qū)。在探空資料拓展方面,AMDAR、掩星的建設(shè)和研究均處于起步階段。我國與美國、德國的常規(guī)氣象探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對(duì)比如表1所示。

    圖2 中國探空業(yè)務(wù)站網(wǎng)布局Fig.2 The layout of China’s operational sounding station network

    表1 常規(guī)探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對(duì)比Table 1 The comparison of the current situation of conventional operational sounding layout

    2 氣象探空觀測設(shè)備

    2.1 載體平臺(tái)

    2.1.1 氣球

    氣球按照是否密閉及內(nèi)部壓力的不同,可以分為零壓氣球和超壓氣球兩大類。零壓氣球是最常見的自由氣球,從20世紀(jì)初一直使用至今,采用“自然形”的外形設(shè)計(jì),外皮選用耐低溫聚乙烯薄膜。超壓氣球是一種新型的氣球,與零壓氣球的開放式結(jié)構(gòu)不同,采用耐高壓的薄膜材料以及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),球體封閉。超壓氣球是科學(xué)氣球研究的熱點(diǎn),按照囊體的個(gè)數(shù)可以分為一元和二元兩大類,一元超壓氣球的目標(biāo)是中低緯度長航時(shí)飛行(ULDB),二元超壓氣球的目標(biāo)是長航時(shí)區(qū)域駐留及組網(wǎng)區(qū)域覆蓋(project loon)。從平飛高度的外觀形態(tài)上,可以輕易區(qū)分零壓氣球和超壓氣球,如圖3所示,零壓氣球呈水滴自然型,而超壓氣球外形則與南瓜類似。另外,零壓氣球下部明顯有數(shù)條排氣管道與大氣相通,而超壓氣球是密閉的[14]。

    圖3 超壓氣球和零壓氣球的飛行高度對(duì)比Fig.3 The comparison of flight height between overpressure balloons and zero pressure balloons

    現(xiàn)有的氣象探空觀測采用氣球單程升空方式,升空至28 km左右高度,氣球爆炸,探空截止。所采用的氣球是零壓氣球,采用乳膠制成。按照球的重量區(qū)分型號(hào),有測風(fēng)和探空氣球兩種,測風(fēng)氣球通常為20 g或30 g,探空氣球根據(jù)不同探測高度的需要,可采用300 g、750 g、1600 g、2000 g等,氣球質(zhì)量越大,施放的高度越高[15]。

    2.1.2 飛機(jī)

    有人駕駛飛機(jī)一直是下投探空的主要平臺(tái),如美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的飛機(jī)運(yùn)行中心,主要任務(wù)之一就是為熱帶颶風(fēng)研究進(jìn)行飛機(jī)下投探空探測。美國空軍的“颶風(fēng)獵人”飛行中隊(duì),使用多架WC-130大力神飛機(jī)進(jìn)行氣象偵察活動(dòng),主要任務(wù)就是對(duì)大西洋和西太平洋上生成的熱帶氣旋和臺(tái)風(fēng)進(jìn)行下投探空探測[16]。

    21世紀(jì)以來,無人駕駛飛機(jī)成為臺(tái)風(fēng)探測的新平臺(tái),如全球鷹(Global Hawk)是美國軍方使用的一種無人駕駛飛機(jī),其飛行速度750 km/h,續(xù)航時(shí)間為30 h,飛行高度達(dá)20 km,無論從飛行高度還是續(xù)航時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用于臺(tái)風(fēng)探測的有人飛機(jī)。2020年8月,中國氣象局聯(lián)合多家單位利用高空大型無人機(jī)翼龍-10,首次對(duì)臺(tái)風(fēng)森拉克外圍云系開展了精細(xì)探測。翼龍-10無人機(jī)機(jī)身長度9 m,翼展17.8 m,巡航速度550 km/h,續(xù)航時(shí)間6 h。翼龍-10無人機(jī)攜帶了吊艙式下投探空系統(tǒng)和毫米波測云雷達(dá),其中吊艙式下投探空系統(tǒng)可以機(jī)動(dòng)、高效地對(duì)指定地區(qū)的大氣環(huán)境進(jìn)行高分辨率探測監(jiān)測,以獲取航行探測范圍內(nèi)垂直高度的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣參數(shù)的垂直廓線,為研究氣候變化、氣象科學(xué)及極端天氣(如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高空間分辨率的氣象信息作為支撐[17]。

    2.1.3 降落傘

    降落傘主要作為下投探空儀的載體,攜帶其在下降過程中進(jìn)行探測,同時(shí)也可作為測風(fēng)的示蹤物,通過測量下降過程中傘物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度或軌跡進(jìn)行風(fēng)場測量。與氣球勻速運(yùn)動(dòng)不同,降落傘在垂直方向上存在加速度,一般下降速度隨高度降低而變小。因此,降落傘在水平方向的運(yùn)動(dòng)不能認(rèn)為僅是風(fēng)造成的,特別是在下降初始階段。用于下投探空的降落傘應(yīng)能盡快消除初始階段自由落體形成的加速度和從載體中拋出時(shí)的初始速度,使其盡快達(dá)到平衡。常見的降落傘有圓形、錐形、十字形(如圖4)[18]。機(jī)載下投多采用沖壓式立方錐形降落傘,通過充氣,可保持降落傘的外形基本穩(wěn)定,其阻力系數(shù)也基本保持不變,探空儀的擺動(dòng)幅度較小,而圓形傘和十字傘則有較大的擺角。

    圖4 常見降落傘示意圖Fig.4 The schematic diagram of commonly-used parachutes

    2.1.4 飛艇

    20世紀(jì)80年代美國開始研制飛艇,日本、英國、德國等國家也開展了大量的飛艇技術(shù)攻關(guān)。自“十五”計(jì)劃以來,我國多家單位啟動(dòng)了飛艇的研究工作。其中,北京航空航天大學(xué)研制的飛艇可以在19~20 km高度駐空飛30天以上,巡航空速設(shè)計(jì)為25 m/s,目前已完成3天的飛艇關(guān)鍵技術(shù)試飛試驗(yàn)和探空儀投放試驗(yàn)。飛艇利用空氣浮力攜帶大載重的載荷,可長時(shí)間駐留在空中,其工作流程如圖5所示。中國工程院分別對(duì)衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機(jī)按照部署靈活性、續(xù)航時(shí)間、飛行高度、效費(fèi)比等九個(gè)方面進(jìn)行比較,根據(jù)圖6可以看出,平流層飛艇具有持久留空、廣域感知、動(dòng)態(tài)跟蹤、精準(zhǔn)干預(yù)的主要特點(diǎn),與無人機(jī)、衛(wèi)星相比,平流層飛艇在載荷應(yīng)用、區(qū)域駐留、效費(fèi)比等方面有無法替換的優(yōu)勢。同時(shí),飛艇駐空觀測可以有效彌補(bǔ)地面觀測與航天觀測中飛行高度、部署靈活性等方面的問題 。未來可實(shí)現(xiàn)類似于GEO衛(wèi)星的固定區(qū)域長時(shí)“凝視”,可以用來探測臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害天氣的形成、生長、消亡過程,也可以部署在氣象觀測站少、自然條件惡劣的地區(qū)[19]。

    圖5 平流層飛艇工作原理圖Fig.5 Schematic diagram for stratospheric airships

    圖6 平流層飛艇與無人機(jī)、衛(wèi)星的對(duì)比Fig.6 Stratospheric airships versus drones and satellites

    2.1.5 火箭

    火箭攜帶探空儀快速升空,在彈道頂點(diǎn)附近與探空儀分離,分離后的探空儀在降落傘的控制下平穩(wěn)下降,下降過程中探空儀實(shí)時(shí)測量大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)等氣象信息,其具有探測快速,探測位置和方向可控的優(yōu)點(diǎn)(圖7)。

    圖7 探空火箭組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition and internal structure of rocket sounding

    目前,火箭在氣象上主要應(yīng)用于海洋低空探測、人工影響天氣作業(yè)、鄰近空間探測等方面(圖8)。其中,海洋低空探測火箭高度一般為1.5 km,主要測量溫度、濕度、氣壓等氣象要素,獲取大氣波導(dǎo)信息;人工影響天氣領(lǐng)域中火箭探測高度一般為8 km,主要測量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向,用于人工影響天氣作業(yè)區(qū)域降雨條件及作業(yè)后效果的評(píng)估;鄰近空間探測火箭射高一般為70 km左右,測量20~60 km高度的溫度、風(fēng),并計(jì)算出氣壓和空氣密度[20]。

    圖8 探空火箭探測工作示意圖Fig.8 Schematic diagram of sounding rocket detection

    2.2 探空儀

    2.2.1 常規(guī)探空儀

    探空儀由傳感器、采集處理電路、通訊系統(tǒng)等組成,其中傳感器是探空儀最主要的部件,直接決定著探空測量的精度。傳感器又可分為機(jī)械式傳感器和電子傳感器。與電子傳感器相比,機(jī)械式傳感器探測精度較低,滯后系數(shù)較大。WMO通過8次探空儀國際比對(duì)試驗(yàn),逐步推動(dòng)探空儀傳感器由機(jī)械向電子轉(zhuǎn)變[21]。

    GPS探空系統(tǒng)試驗(yàn)工作的開展推動(dòng)我國傳感器技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展階段,研制出的珠狀溫度傳感器減小了傳感器體積和反應(yīng)時(shí)間常數(shù),濕敏電容濕度傳感器提高了反應(yīng)速度,硅壓阻氣壓傳感器提高了氣壓探測準(zhǔn)確性,探空儀傳感器的對(duì)比如表2。在WMO陽江第8屆國際高精度探空儀比對(duì)試驗(yàn)中,CIMO組成了比對(duì)數(shù)據(jù)處理評(píng)估專家組,對(duì)各參試探空儀獲取觀測數(shù)據(jù)利用RSKOMP標(biāo)準(zhǔn)分析軟件進(jìn)行了分析處理,我國L波段GTS1-2型電子探空儀及兩個(gè)國產(chǎn)GPS探空儀參加了比對(duì)。陽江國際比對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)各參試探空儀得分情況,WMO最終評(píng)估報(bào)告結(jié)果如表3所示,我國參加比對(duì)的三個(gè)廠家溫度測量結(jié)果較好,其中一家GPS溫度測量精度可滿足GCOS水平的要求;另外一廠GPS的氣壓、位勢高度可滿足常規(guī)業(yè)務(wù)需求,測風(fēng)可滿足GCOS要求,總體效果優(yōu)于日本和韓國[22,23]。

    表2 探空儀傳感器的對(duì)比Table 2 The comparison of radiosonde sensors

    表3 WMO最終評(píng)估報(bào)告結(jié)果Table 3 WMO final evaluation report results

    根據(jù)WMO第8次國際探空儀比對(duì)報(bào)告建議,我國業(yè)務(wù)在用的探空儀已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)需求。因此,中國氣象局自2010年針對(duì)業(yè)務(wù)探空儀進(jìn)行了全面技術(shù)改進(jìn)和試驗(yàn)定型[24],并于2020年1月正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。GRAPES背景場評(píng)估表明,2020年1—3月全國探空站質(zhì)量有所提升,其中位勢高度(氣壓、溫度和濕度的綜合體現(xiàn))平均偏差絕對(duì)值由11.2 gpm降為5.8 gpm,GTS11、GTS12、GTS13探空儀溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別減小了0.2 ℃、0.06 ℃、0.04 ℃,說明改進(jìn)型探空儀相對(duì)原來的探空儀,探測誤差明顯降低,整體探空觀測質(zhì)量得到提升[25]。

    2.2.2 特種探空儀

    在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的目的(如測定臭氧、大氣電場等)派生出了各種特殊用途的探空儀。

    臭氧探空儀是在常規(guī)測量溫度、濕度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速探空儀的基礎(chǔ)上增加了臭氧傳感器。目前的臭氧傳感器通常采用化學(xué)反應(yīng)方法,利用臭氧與碘化鉀反應(yīng)生成自由碘的原理進(jìn)行探測,這種傳感器的誤差接近±5%,探測高度可達(dá)15 hPa等壓面以上。當(dāng)前國產(chǎn)臭氧探空儀已通過與美國iMet GPS探空儀附加ECC臭氧傳感器的臭氧探空儀比對(duì)試驗(yàn),證明國產(chǎn)探空儀的測量性能良好,已在北京、南京、重慶、清遠(yuǎn)、杭州等探空站投入到臭氧探空試驗(yàn)中應(yīng)用[26]。

    大氣電場探空儀則是在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上增加了電場傳感器。電場傳感器通常采用旋轉(zhuǎn)片式,測量范圍為±3kV,與大氣的實(shí)際電場強(qiáng)度相匹配。目前,中國科學(xué)院正在研制由半導(dǎo)體硅片制作的電場傳感器,體積很小,可作為一個(gè)測量元件直接安裝在常規(guī)探空儀上,這種傳感器目前已通過了技術(shù)鑒定[27]。

    2.3 地面設(shè)備

    2.3.1 制氫設(shè)施

    為滿足高空氣象探測的用氫需求,我國研制了QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備(圖9),通過遠(yuǎn)程控制可自動(dòng)、安全、高效、快捷地制取高純度氫氣。QDQ2-1A自動(dòng)電解水制氫設(shè)備主要由制氫機(jī)、控制裝置、儲(chǔ)氫罐三部分組成,包括自動(dòng)制水、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、氫氣泄露報(bào)警、開機(jī)制氫參數(shù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)、上位機(jī)遠(yuǎn)程操控制氫設(shè)備等功能。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一鍵開機(jī)后的全部操作自動(dòng)化,能有效減輕臺(tái)站工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,保障基層高空臺(tái)站涉氫業(yè)務(wù)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。目前,QDQ2-1A自動(dòng)電解水制氫設(shè)備已經(jīng)獲得中國氣象局裝備,并逐步投入業(yè)務(wù)使用[28]。

    圖9 QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備Fig.9 The Qdq2-1a automatic water electrolysis hydrogen production equipment

    2.3.2 基測設(shè)備

    電子探空儀基測箱是探空業(yè)務(wù)主要配套保障設(shè)備,用于L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航探空系統(tǒng)電子探空儀基值測定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,是為探空儀施放前進(jìn)行溫度、濕度、氣壓基點(diǎn)準(zhǔn)確度比對(duì)提供綜合測試的儀器,可為基點(diǎn)比對(duì)提供溫度、相對(duì)濕度、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和穩(wěn)定的溫度、濕度比對(duì)環(huán)境?;鶞y箱主要由標(biāo)準(zhǔn)器單元、濕度環(huán)境產(chǎn)生單元、測量顯示單元、檢測室(包含通風(fēng)器)、數(shù)據(jù)傳輸單元、探空儀供電電源和機(jī)箱等組成。目前我國業(yè)務(wù)在用的主要有JKZ1-1型、JKZ3-1型、TD2A型基測箱[29](圖10)。

    圖10 JKZ1-1型基測箱(a)、TD2A型基測箱(b)Fig.10 Test box of sounding of JKZ1-1(a)、Test box of sounding of TD2A (b)

    2.3.3 接收系統(tǒng)

    2.3.3.1 L波段二次測風(fēng)雷達(dá)

    L波段二次測風(fēng)雷達(dá)是我國業(yè)務(wù)在用的高空探測系統(tǒng)地面接收設(shè)備(圖11),主要用于放大、解調(diào)探空儀發(fā)回的應(yīng)答信號(hào)和探空信號(hào)。雷達(dá)將接收到的應(yīng)答信號(hào)從高頻變成視頻,送給測距系統(tǒng),以完成距離測定,同時(shí)送給顯示分系統(tǒng),供雷達(dá)操作員觀測。此外,還將探空信號(hào)從高頻變換成視頻,再解調(diào)出數(shù)字探空碼送給數(shù)據(jù)終端系統(tǒng),完成探空碼的錄取、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及打印輸出;同時(shí)將天線波瓣掃描所形成的測角誤差信號(hào)解調(diào)出來,提供給天控分系統(tǒng),完成雷達(dá)天線對(duì)探空儀的跟蹤[30]。

    圖11 L波段二次測風(fēng)雷達(dá)Fig.11 L-band secondary wind radar

    2.3.3.2 衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)

    衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)是目前國際主流先進(jìn)探空系統(tǒng)接收設(shè)備(圖12)。目前,我國最新研制的多通道衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)是新一代高空氣象探測體系的重要組成部分,用于完成新型衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀的數(shù)據(jù)接收。該設(shè)備采用P波段(400.15~406 MHz)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,具有8個(gè)通道,最大通信距離大于200 km,既可在普通探空模式下應(yīng)用,又可以實(shí)現(xiàn)多探空儀的平漂和下降段數(shù)據(jù)接收,即多通道并行高空觀測數(shù)據(jù)接收。通過組網(wǎng)可最大程度降低遠(yuǎn)距離、低仰角造成的信號(hào)遮擋數(shù)據(jù)丟失,提高頻率使用效率,滿足探空儀信號(hào)跨區(qū)接收識(shí)別,可以最大化提升探空網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力[31]。該設(shè)備于2018年開始在長江中下游開展了大量的動(dòng)態(tài)試驗(yàn),在海南永興島、三亞進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、圓滿完成試驗(yàn)任務(wù),其工作機(jī)制、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性均得到了良好的驗(yàn)證。

    圖12 衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)Fig.12 Satellite navigation radiosonde receiver

    2.4 氣象探空自動(dòng)化設(shè)備

    2.4.1 自動(dòng)探空系統(tǒng)

    目前,自動(dòng)探空系統(tǒng)主要有芬蘭VAISALA公司的ASAP型、法國MODEM公司的ARL-9000型、日本MEISEI公司的ARS型等三種型號(hào),被廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達(dá)國家,其中ASAP型的應(yīng)用最為普遍。當(dāng)前全球資料交換站中已經(jīng)有超過60個(gè)自動(dòng)探空站,并逐年遞增,為此,WMO/CIMO也提出了應(yīng)對(duì)自動(dòng)探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)化后帶來的觀測資料變化分析的技術(shù)任務(wù)[32]。

    我國自主研制的自動(dòng)探空系統(tǒng)已于2011年研制成功,到目前經(jīng)歷了兩代技術(shù)發(fā)展,最新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)探空儀遠(yuǎn)程控制和無人控制條件下連續(xù)(最多60個(gè))探空儀自動(dòng)準(zhǔn)備、氣球自動(dòng)充灌、探空儀自動(dòng)施放和探空數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取,可通過地面風(fēng)向風(fēng)速自動(dòng)采集,可以控制放球筒頂蓋的開啟方向,突破了國外無法大風(fēng)放球的技術(shù)瓶頸,完成了能夠抵抗20 m/s天氣下進(jìn)行放球的技術(shù)設(shè)計(jì),在八級(jí)大風(fēng)條件下實(shí)施自動(dòng)放球,是該領(lǐng)域世界領(lǐng)先產(chǎn)品[33]。

    2.4.2 自動(dòng)放球系統(tǒng)

    自動(dòng)放球系統(tǒng)是用于探空站自動(dòng)實(shí)施放球的裝置,是氣象探空觀測的輔助系統(tǒng)。我國的自動(dòng)放球系統(tǒng)與自動(dòng)探空系統(tǒng)同時(shí)研制成功,可與測風(fēng)雷達(dá)或其它探空測風(fēng)設(shè)備配合,自動(dòng)實(shí)施完成氣象探空的放球工作,其自動(dòng)充氣、探空儀自動(dòng)施放的可用性能夠滿足業(yè)務(wù)使用要求,試驗(yàn)期間業(yè)務(wù)適用性、業(yè)務(wù)穩(wěn)定性較好。目前,我國有40部自動(dòng)放球系統(tǒng)已投入業(yè)務(wù),與L波段二次測風(fēng)雷達(dá)配套應(yīng)用[34]。

    3 氣象探空觀測數(shù)據(jù)處理

    在探空觀測資料處理及應(yīng)用方面,歐美等發(fā)達(dá)國家朝著更加精細(xì)化方向發(fā)展,在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、質(zhì)量評(píng)估、交叉檢驗(yàn)方面均有進(jìn)展。當(dāng)前我國氣象探空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制仍主要依托于人工,在精細(xì)化探空資料處理應(yīng)用和檢驗(yàn)方面存在較大差距[35](圖13)。

    圖13 我國自動(dòng)探空系統(tǒng)和自動(dòng)放球系統(tǒng)Fig.13 The automatic sounding system and automatic ball release system of China

    3.1 傳感器測量修正

    影響探空儀溫度測量的誤差源主要包括探空儀自身的誤差和外界環(huán)境輻射、熱交換引起的誤差。熱敏電阻溫度傳感器短波反射率大于93%,長波吸收率超過90%,在沒有進(jìn)行輻射誤差訂正的情況下,高空溫度測量能造成大約3 K的偏差。2011年,中國氣象局對(duì)氣象探空溫度測量輻射訂正算法進(jìn)行了改進(jìn),利用傳感器的橫截面積、質(zhì)量、比熱及太陽高度角和背景輻射等參數(shù)建立訂正模型,提出了溫度傳感器訂正方程,使溫度輻射誤差減小了1/3。利用研制的輻射訂正模型對(duì)GTS11型探空儀進(jìn)行溫度輻射訂正,2013年11月5日14時(shí)的訂正個(gè)例如圖14所示,訂正后的溫度輻射誤差明顯減小近一半[36]。

    圖14 輻射訂正前的溫度偏差(a)和輻射訂正后的溫度偏差(b)Fig.14 (a) The temperature bias before radiation correction;(b) the temperature bias after radiation correction

    3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

    歐美等發(fā)達(dá)國家常規(guī)探空通過設(shè)備段、臺(tái)站段、站網(wǎng)段相結(jié)合的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制方法,建立了完善的分級(jí)質(zhì)量控制體系,而我國臺(tái)站級(jí)質(zhì)量控制自動(dòng)化程度不高,省級(jí)和國家級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量評(píng)估體系尚不完善[37],如表4所示。在現(xiàn)有探空質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上,經(jīng)過細(xì)致分析我國往返式智能探空觀測資料的特點(diǎn),建立了往返式智能探空質(zhì)量控制流程(圖15)。該流程精減了現(xiàn)有質(zhì)量控制流程,并將部分質(zhì)量控制下沉至芯片端,推進(jìn)了我國探空質(zhì)量控制模式改進(jìn)[38]。

    圖15 往返式智能探空系統(tǒng)質(zhì)量控制流程Fig.15 The quality control process of the return sounding system

    表4 探空觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制現(xiàn)狀對(duì)比Table 4 The comparison of quality control status of sounding observation data

    3.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成

    氣象探空提供的高分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠更加細(xì)致地描述大氣溫、濕、壓、風(fēng)的垂直分布,對(duì)天氣系統(tǒng)的反映更清晰準(zhǔn)確,通過探空分析大氣的層結(jié)狀況,對(duì)暴雨、強(qiáng)對(duì)流、大霧、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)至關(guān)重要。探空產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化進(jìn)行監(jiān)測,為天氣預(yù)報(bào)提供強(qiáng)有力支持[39]。目前,我國的氣象探空觀測產(chǎn)品主要包括單站產(chǎn)品、多站產(chǎn)品和全國產(chǎn)品[40]。單站產(chǎn)品主要包括:溫度對(duì)數(shù)壓力圖、溫濕曲線、水平風(fēng)垂直剖面、對(duì)流層頂高度、零度層高度、抬升凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度、平衡高度等。多站產(chǎn)品主要包括:溫度曲線對(duì)比、濕度曲線對(duì)比、風(fēng)垂直剖面對(duì)比、對(duì)流層頂高度對(duì)比、零度層對(duì)比、抬升凝結(jié)高度對(duì)比、自由對(duì)流高度對(duì)比、平衡高度對(duì)比等。全國產(chǎn)品主要包括:等壓面產(chǎn)品、云產(chǎn)品、逆溫層分布、對(duì)流層頂分布、溫度平流、比濕、散度、零度層分布、A指數(shù)、K指數(shù)、山崎指數(shù)、沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)、總指數(shù)、強(qiáng)天氣威脅指數(shù)、垂直風(fēng)切變指數(shù)等。

    3.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

    歐、美、日等在探空資料精細(xì)化評(píng)估、應(yīng)用以及與其他觀測系統(tǒng)交叉檢驗(yàn)校準(zhǔn)方面取得了顯著的進(jìn)展。日本氣象廳(JMA)以其全球預(yù)報(bào)模式(JMA Global Model)初猜場為基準(zhǔn),定期發(fā)布月報(bào)告和半年報(bào)告,報(bào)告中包括生成低質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的可疑臺(tái)站綜合清單;歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)以全球預(yù)報(bào)模式為基準(zhǔn),每月發(fā)布EC全球數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測評(píng)估報(bào)告,對(duì)不同要素、不同高度層觀測數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)可用性”和“數(shù)據(jù)質(zhì)量”等進(jìn)行評(píng)估,形成可疑臺(tái)站清單[41]。

    在探空觀測與其他觀測交叉檢驗(yàn)方面,中國臺(tái)灣和美國于2006年合作推出的COSMIC掩星星座計(jì)劃,共有6顆在軌衛(wèi)星,每天可提供2500個(gè)有效的大氣參數(shù)剖面及3000多個(gè)電離層剖面,這些全球分布的高精度掩星探測對(duì)于提高全球天氣預(yù)報(bào)的精度、促進(jìn)大氣和氣候研究及電離層的探測和研究等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。美國NOAA建設(shè)了NPROVS產(chǎn)品檢驗(yàn)系統(tǒng),通過衛(wèi)星對(duì)西北太平洋進(jìn)行觀測,每日匯編探空儀、下投探空儀、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)和衛(wèi)星觀測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集,用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn),并進(jìn)行探空質(zhì)量的交叉檢驗(yàn)[42]。

    中國氣象局以GRAPES預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基準(zhǔn),完成全國及二區(qū)協(xié)探空設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估,定期發(fā)布月報(bào)告。在風(fēng)云03A衛(wèi)星地面應(yīng)用工程中,我國于2020年起開展錫林浩特高空基準(zhǔn)氣候觀測站的業(yè)務(wù)建設(shè),建立以基準(zhǔn)探空系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“0~35 km垂直大氣柱基準(zhǔn)觀測能力”,為氣候觀測、衛(wèi)星真實(shí)性檢驗(yàn)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)提供基礎(chǔ),并為未來高空氣候觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供應(yīng)用示范[43]。

    4 往返式智能探空系統(tǒng)

    近年來,隨著“云大物移智”技術(shù)的發(fā)展,我國獨(dú)創(chuàng)完成往返式智能探空系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)如圖16所示,以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位測風(fēng)體制為基礎(chǔ),將傳統(tǒng)的氣象氣球上升階段觀測拓展為“上升-平漂-下降”三階段觀測,拓展了平流層長航時(shí)直接觀測能力,將氣象探空的有效觀測時(shí)間延至6個(gè)小時(shí)以上,通過08時(shí)和20時(shí)兩次探空施放,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了14時(shí)和02時(shí)的加密觀測[44]。該系統(tǒng)采用地-空物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將傳統(tǒng)的由單接收站接收單個(gè)探空儀數(shù)據(jù)并定時(shí)發(fā)報(bào)的應(yīng)用模式,轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟邮照究赏瑫r(shí)接收多個(gè)探空儀數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理上傳的應(yīng)用方式。通過高并發(fā)的時(shí)分、頻分自適應(yīng)廣域地-空物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的智能化運(yùn)行管理[45]。

    圖16 往返式智能探空系統(tǒng)示意圖Fig.16 The schematic diagram of the return sounding system

    往返式智能探空系統(tǒng)至今已經(jīng)開展了2000多次外場試驗(yàn),通過對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析表明,上升段的溫度、濕度、風(fēng)的測量達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的理想目標(biāo)要求。平漂段除了日間溫度外,其他要素的測量均達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標(biāo)要求;下降段各要素的測量均達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標(biāo)要求[46]。下降探測實(shí)現(xiàn)了在原有單次放球探空基礎(chǔ)上的時(shí)間加密,結(jié)合上升探測可以實(shí)現(xiàn)捕獲天氣細(xì)微變化,平漂探測彌補(bǔ)了平流層長時(shí)效連續(xù)直接探測的資料空白,具有很好的應(yīng)用前景[47-49]。

    5 未來展望

    為與國際探空技術(shù)接軌,我國在做好L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)建設(shè)的同時(shí),開展了衛(wèi)星導(dǎo)航探空技術(shù)的技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)試驗(yàn)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)逐漸成熟,建立以衛(wèi)星導(dǎo)航定位測風(fēng)系統(tǒng)為主要特征的下一代探空系統(tǒng),是我國氣象探空近期發(fā)展的主要目標(biāo)。同時(shí),開展系統(tǒng)智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的硬件裝備升級(jí),建立包括往返式智能平漂探空系統(tǒng)、自動(dòng)探空系統(tǒng)、自動(dòng)放球系統(tǒng)、自動(dòng)化制氫系統(tǒng)、智能化基測箱等技術(shù)裝備的升級(jí),也是氣象探空系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在傳感器領(lǐng)域,需要不斷提升國產(chǎn)化技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)我國自主濕度和氣壓傳感器的業(yè)務(wù)應(yīng)用,使探空整體裝備技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)。另外,隨著需求和技術(shù)的發(fā)展,臭氧、大氣成分、空間電場、太陽輻射等在內(nèi)的新型探空傳感器也將在氣球探空中大量應(yīng)用。面向探空資料應(yīng)用需求,開展全球探空資料評(píng)估技術(shù)研究,特別是引入全球多元數(shù)值背景場產(chǎn)品、預(yù)報(bào)產(chǎn)品、再分析產(chǎn)品、AMDAR資料、掩星資料等,開展與探空廓線資料的時(shí)空匹配和比對(duì),開展交叉檢驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上基于探空傳感器的探測原理和特征分析,實(shí)現(xiàn)探空資料的精細(xì)化質(zhì)量控制,進(jìn)一步開展精細(xì)化探空資料產(chǎn)品開發(fā),為后續(xù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐,為新型探空傳感器的觀測方法研究提供試驗(yàn)支撐平臺(tái)。

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