L 波段高空探測(cè)中幾種丟球現(xiàn)象分析及處理方法

馬佩強(qiáng)，曹 剛，諸彩彬，李 斌

（廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000）

氣象同人類(lèi)生活密切相關(guān)，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)裙ぷ鞯拈_(kāi)展。氣象觀測(cè)是將多個(gè)學(xué)科進(jìn)行結(jié)合的獨(dú)立性學(xué)科，涵蓋了基礎(chǔ)理論和現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)，有效推動(dòng)了大氣科學(xué)發(fā)展速度。通過(guò)開(kāi)展氣象觀測(cè)工作可以獲取所需的氣象要素?cái)?shù)據(jù)信息，進(jìn)而為氣象服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)預(yù)警、氣候評(píng)估和科學(xué)研究等工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。高空氣象探測(cè)主要有常規(guī)和非常規(guī)性的高空氣象探測(cè)，前者是將探空儀安裝到氫氣球上自由升空，并利用直觀性探測(cè)方式獲取地面到高空處的不同參數(shù)信息，特點(diǎn)是準(zhǔn)確度和時(shí)空分辨率高，且應(yīng)用范圍廣泛；后者則是借助于火箭或者是飛機(jī)向?qū)?yīng)高度發(fā)射探空儀，在下投后就能獲取從高空到地面處的參數(shù)信息，主要特點(diǎn)是時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確度高，探測(cè)范圍廣，且在臺(tái)風(fēng)觀測(cè)預(yù)警和重大科學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用，探測(cè)過(guò)程中需要投入較高的成本。常規(guī)高空氣象探測(cè)是世界氣象組織要求開(kāi)展的，屬于日常高空探測(cè)科研型活動(dòng)，可有效衡量世界范圍各個(gè)國(guó)家的大氣探測(cè)水平?，F(xiàn)階段，我國(guó)共有探空站120 個(gè)，從2010 年開(kāi)始，高空探測(cè)系統(tǒng)全部達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且是我國(guó)自主研發(fā)的L 波段雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。由于采集速度快、跟蹤能力強(qiáng)和探測(cè)精準(zhǔn)度高，有效提升了高空探測(cè)質(zhì)量。對(duì)于L 波段探空雷達(dá)來(lái)說(shuō)，因較窄的垂直和水平波瓣寬度，在提升測(cè)角精準(zhǔn)度水平的同時(shí)，卻不利于雷達(dá)定向與自動(dòng)跟蹤，使得高空探測(cè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)丟球。因此，全面分析L 波段高空探測(cè)常見(jiàn)丟球，并積極采取有針對(duì)性的處理辦法，可為日后高空氣象探測(cè)工作順利開(kāi)展，增強(qiáng)探測(cè)精度，充分發(fā)揮出其在人工影響天氣、天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)中的作用。

1 高空氣象探測(cè)系統(tǒng)及工作流程

1.1 高空氣象探測(cè)系統(tǒng)

L 波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)主要包括GFE（L）1 型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GTS1X 型數(shù)字式電子探空儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。將探空儀安裝到氫氣球上，并隨著氫氣球升空，可有效測(cè)量從地面到高空30 km 處不同高度的溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓等氣象要素?cái)?shù)據(jù)，而觀測(cè)到資料信息則會(huì)以無(wú)線(xiàn)電設(shè)備為媒介直接輸送到地面接收設(shè)備。可將大氣垂直結(jié)構(gòu)與變化情況通過(guò)該系統(tǒng)第一時(shí)間提供給社會(huì)大眾，方便各級(jí)氣象部門(mén)中短期氣象預(yù)報(bào)和氣候分析工作的開(kāi)展。高空氣象探測(cè)系統(tǒng)借助于GFE（L）1 型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)量氫氣球與探空儀所處位置，并獲取不同高度處的仰角、方位、斜距信息，在風(fēng)的作用下氣球探空儀位置會(huì)發(fā)生改變，將其與觀測(cè)到的信息進(jìn)行結(jié)合，可計(jì)算出不同時(shí)間段氣球的經(jīng)緯度、高度、速度等信息，將氣球移動(dòng)方向與距離信息進(jìn)行結(jié)合，可以獲取到對(duì)應(yīng)的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)。在GTS1X 型數(shù)字式電子探空儀的幫助下可順利完成空中溫濕度和氣壓的探測(cè)，通過(guò)異常數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)平滑擬合及溫度誤差訂正等方式，可及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定臺(tái)站上空溫濕度和氣壓隨高度變化的分布情況，該探測(cè)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)軟硬件有較高的要求。

1.2 系統(tǒng)工作流程

1.2.1 準(zhǔn)備工作

實(shí)際上，L 波段高空氣象探測(cè)的準(zhǔn)備工作涵蓋氣球充氣、探空儀電池活化、放繩等方面，是整個(gè)探測(cè)業(yè)務(wù)工作開(kāi)展的基礎(chǔ)性工作。在攜帶探空儀的氣球未釋放前，需要探測(cè)人員對(duì)應(yīng)答信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行全面查看，并在地面接收設(shè)備的幫助下檢驗(yàn)探空儀是否對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行正常傳輸；用溫水浸泡探空儀中的電池，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后放電。電池放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，且放電時(shí)間和電壓的穩(wěn)定性水平較強(qiáng)。為了確保探空儀在高空-60 ℃的低溫環(huán)境中仍舊可以持續(xù)工作，應(yīng)將其保溫工作做好。

1.2.2 探空儀基值測(cè)定

在基值測(cè)定工作開(kāi)展的過(guò)程中，應(yīng)避免陽(yáng)光直接照射到探空儀基測(cè)箱中，始終保持外界環(huán)境溫度。為確保標(biāo)準(zhǔn)儀表的響應(yīng)特性與探空觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特性保持一致，應(yīng)確保探空儀基測(cè)環(huán)境中不同種類(lèi)傳感器可以充分感應(yīng)。若是探空儀觀測(cè)到的氣象要素值和標(biāo)準(zhǔn)儀表的示值不符合規(guī)定要求，禁止施放攜帶氫氣球的探空儀。

1.2.3 地面要素瞬間觀測(cè)

在高空氣象觀測(cè)站施放環(huán)境中借助觀測(cè)儀器設(shè)備獲取到的觀測(cè)數(shù)據(jù)就是施放瞬間的地面要素。若是外界環(huán)境溫度在-10 ℃以下，濕度瞬間值可選擇探空儀觀測(cè)到的濕度值進(jìn)行替代。在探空氣球施放后，前5 min 內(nèi)測(cè)量探空氣球施放瞬間的溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓等氣象要素；結(jié)合本部門(mén)提前設(shè)置的參數(shù)信息對(duì)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)輸入的干/濕球溫度、氣壓表讀數(shù)做好自動(dòng)器差訂正，并計(jì)算出地面溫度、臺(tái)站氣壓、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。

1.2.4 開(kāi)始放球

對(duì)于定時(shí)常規(guī)高空氣象探測(cè)工作來(lái)說(shuō)，應(yīng)在正點(diǎn)進(jìn)行，避免探空氣球施放時(shí)間提前；若是正點(diǎn)后75 min 內(nèi)不能對(duì)探空氣球進(jìn)行施放，應(yīng)停止該時(shí)次的高空探測(cè)；高空風(fēng)計(jì)算坐標(biāo)的原點(diǎn)可以作為探空氣球施放瞬間地放球點(diǎn)。在施放探空氣球后，后5 min 內(nèi)做好溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、天氣現(xiàn)象、云狀及能見(jiàn)度等的觀測(cè)。

1.2.5 探空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)接收、顯示

實(shí)時(shí)存儲(chǔ)施放探空氣球前5 min 內(nèi)的探空與測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。將觀測(cè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成氣象要素值后就成為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件，應(yīng)將該文件與基值測(cè)定、測(cè)站基本參數(shù)、地面瞬間值同時(shí)存儲(chǔ)。

1.2.6 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要選擇自動(dòng)質(zhì)量控制和人工質(zhì)量控制，前者是根據(jù)溫濕度、氣壓等數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，將錯(cuò)誤較為明顯的數(shù)值直接剔除，并做好多項(xiàng)式擬合；后者則是通過(guò)對(duì)比分析歷史數(shù)據(jù)資料庫(kù)信息，啟動(dòng)人工質(zhì)量控制模塊后，將錯(cuò)誤明顯的數(shù)據(jù)直接刪除。

1.2.7 報(bào)文報(bào)表制作

在規(guī)定時(shí)間內(nèi)編發(fā)高空處的風(fēng)向風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度和氣壓等的偏差信息，并及時(shí)發(fā)送狀態(tài)文件及秒級(jí)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件。

2 L 波段高空探測(cè)丟球原因

2.1 放球地點(diǎn)選擇不合理

在施放探空氣球之前，若工作人員沒(méi)有將臺(tái)站或測(cè)風(fēng)設(shè)備觀測(cè)到的近地面風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合來(lái)選擇施放氣球位置，在施放探空氣球的瞬間就很容易導(dǎo)致雷達(dá)仰角過(guò)高，進(jìn)而出現(xiàn)過(guò)頂且造成丟球。

2.2 近地面跟蹤異常

在高空探測(cè)工作中，近地面跟蹤異常是由3 種因素造成的：探空氣球施放前未將雷達(dá)天線(xiàn)與探空儀或回答器對(duì)準(zhǔn)；探空氣球施放瞬間，氣球高仰角過(guò)頂出現(xiàn)異常跟蹤，且值班人員未能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)；室內(nèi)外人員配合默契度不高，會(huì)有提前或推遲施放探空氣球的情況出現(xiàn)，使得L 波段雷達(dá)不能正常跟蹤而出現(xiàn)丟球。

2.3 L 波段雷達(dá)性能下降或出現(xiàn)故障

L 波段屬于新型雷達(dá)，自動(dòng)化程度較高，為了將其性能充分發(fā)揮出來(lái)，不斷延長(zhǎng)使用壽命，在日常探測(cè)業(yè)務(wù)中，除了正常使用，還要做好維護(hù)保養(yǎng)。若是L 波段長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有根據(jù)規(guī)定要求將日常保養(yǎng)維護(hù)工作做好，會(huì)對(duì)雷達(dá)性能產(chǎn)生影響，或者是引發(fā)故障問(wèn)題，進(jìn)而造成跟蹤異常丟球。實(shí)際上，雷達(dá)故障產(chǎn)生的丟球包括有以下幾方面。驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)的編碼器插頭接觸不良、雷達(dá)天線(xiàn)座匯流環(huán)出現(xiàn)故障、自動(dòng)跟蹤中的天線(xiàn)有方位或仰角死位情況出現(xiàn)，很容易產(chǎn)生丟球。饋線(xiàn)插頭漏水導(dǎo)致各路增益信號(hào)各異，使得兩兩信號(hào)參差不齊，起始位置丟球的概率極高。

2.4 頻率漂移

對(duì)于L 波段高空探測(cè)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，其工作中的頻率處于1 675±6 MHz 左右，在探空氣球升空的過(guò)程中，若是探空儀出現(xiàn)性能方面的問(wèn)題，極易造成回答器載波頻率漂移，一旦頻率變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雷達(dá)工作頻率，將會(huì)導(dǎo)致探空儀發(fā)射與接收頻率始終處于漂移狀態(tài)，使得信號(hào)極不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)雷達(dá)丟球。

2.5 環(huán)境因素

目前，借助于L 波段雷達(dá)可對(duì)探空氣球進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，一旦在探空氣球施放瞬間出現(xiàn)復(fù)雜天氣，如暴雨或大風(fēng)等現(xiàn)象，起始位置處很容易因抓球失敗而丟球。若是探空氣球施放過(guò)程中，其周?chē)嬖陔姶判盘?hào)干擾，探空儀載波頻率也會(huì)有漂移的情況出現(xiàn)，尤其是強(qiáng)雷雨天氣出現(xiàn)的過(guò)程中，強(qiáng)電磁干擾信號(hào)會(huì)以雷達(dá)為媒介入侵接收機(jī)，不僅會(huì)將主信號(hào)淹沒(méi)，還會(huì)在某方位上拉偏雷達(dá)天線(xiàn)，進(jìn)而出現(xiàn)失控，將會(huì)中斷雷達(dá)自動(dòng)跟蹤狀態(tài)下同探空儀之間的聯(lián)系，最終出現(xiàn)丟球。

3 L 波段高空探測(cè)中幾種丟球現(xiàn)象分析及處理

3.1 干擾信號(hào)丟球及處理

干擾信號(hào)主要是指主信號(hào)外的其他信號(hào)，在很大程度上影響雷達(dá)主信號(hào)的接收狀況。若是接收系統(tǒng)中出現(xiàn)強(qiáng)干擾信號(hào)，會(huì)將主信號(hào)淹沒(méi)，不利于接收正常信號(hào)，很容易導(dǎo)致探測(cè)記錄失測(cè)或者重放球操作。特別是雷雨天氣下，在強(qiáng)電磁干擾的影響下，會(huì)有間斷性突然失去跟蹤信號(hào)的情況，自動(dòng)狀態(tài)下的天線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)失控丟球。針對(duì)這種現(xiàn)象，需要操作人員調(diào)整頻率，并“天控”調(diào)節(jié)為手動(dòng)狀態(tài)；轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)使其恢復(fù)到丟球前的仰角和方位位置，然后將“天控”調(diào)節(jié)成自動(dòng)，該操作完成后均能找回丟失的球。若是通過(guò)以上方式還沒(méi)有找到，可重復(fù)以上步驟，直到可以自動(dòng)跟蹤。

3.2 頻率漂移丟球及處理

探空儀性能是否穩(wěn)定是引起頻率漂移的主要原因。對(duì)于工作過(guò)程中的雷達(dá)來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)的頻率處于1 669~1 681 MHz 之間，頻率較寬，而自動(dòng)調(diào)節(jié)幅度在±3~4 MHz之間，調(diào)節(jié)幅度的過(guò)程中極為有限。探空儀從地面上升到高空處，也就是氣球爆炸瞬間，由于大氣層變化較為劇烈，很容易造成回答器頻率漂移。一旦漂移頻率較高，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有效幅度，頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能將失效，探空儀載波頻率和雷達(dá)工作頻率均處于失諧狀態(tài)，雷達(dá)將不能自動(dòng)跟蹤。在處理這種情況時(shí)，操作人員可將頻率設(shè)置成“手動(dòng)”擋，保證雷達(dá)工作頻率在1 673~1 675 MHz 之間，設(shè)置“天控”為手動(dòng)狀態(tài)，將未丟球前幾分鐘內(nèi)的方位和仰角數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，保證雷達(dá)在對(duì)應(yīng)的位置，將天控按鈕設(shè)置成“自動(dòng)”狀態(tài)，之后對(duì)雷達(dá)自動(dòng)跟蹤探空儀情況進(jìn)行查看。若是自動(dòng)跟蹤仍然異常，將“天控”再次調(diào)節(jié)成手動(dòng)，并小幅度調(diào)節(jié)搜索位置，使其適當(dāng)偏離原有仰角與方位，將天控設(shè)置成“自動(dòng)”，通過(guò)以上操作雷達(dá)可自動(dòng)跟蹤探空儀。

3.3 旁瓣抓球及處理

若是有旁瓣抓球出現(xiàn)，將會(huì)縮短雷達(dá)探測(cè)距離，測(cè)角誤差在8°以上。L 波段高空探測(cè)雷達(dá)的天線(xiàn)波瓣寬度在6°以下，若是手動(dòng)抓球在低能見(jiàn)度天氣條件下進(jìn)行，如果不能合理指揮，將會(huì)出現(xiàn)旁瓣抓球。若是臺(tái)站低空處出現(xiàn)靜風(fēng)，雷達(dá)天線(xiàn)仰角活動(dòng)范圍上限在90~92°之間，結(jié)合GTS1X 型探空儀特性，此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最弱，很容易出現(xiàn)旁瓣抓球。在施放探空氣球后，需對(duì)雷達(dá)旁瓣抓球情況進(jìn)行判斷。調(diào)節(jié)示波器，使其處于測(cè)角狀態(tài)下，若是4 條亮線(xiàn)長(zhǎng)短不一樣，表明信號(hào)強(qiáng)度較弱，差異顯著，出現(xiàn)亮線(xiàn)來(lái)回跳躍，凹口漂移，紅燈閃爍異常等。若是距離較近，此時(shí)信號(hào)較強(qiáng)，不會(huì)對(duì)接收探空信號(hào)產(chǎn)生影響，再加上探空氣球漂移距離增加，信號(hào)強(qiáng)度也隨之減弱，會(huì)有亂碼產(chǎn)生。綜上判定是雷達(dá)旁瓣抓球，操作人員可以選擇“雷達(dá)扇掃天線(xiàn)控制”選項(xiàng)，結(jié)合原來(lái)提前設(shè)置的程序開(kāi)展自動(dòng)搜索。若是假定向，完成天線(xiàn)搜索之后，將會(huì)自動(dòng)返回到主瓣上；反之亦然。如果是天線(xiàn)仰角和方位角扇掃前后的變化幅度較大，可將扇掃功能再次啟動(dòng)，反之，則說(shuō)明是正定向抓球。若是按照以上操作步驟仍舊抓不到球，可選擇手動(dòng)方式抓球。

3.4 過(guò)頂丟球及處理

在出現(xiàn)過(guò)頂丟球后，需要工作人員結(jié)合丟球前的仰角方位數(shù)據(jù)，以手動(dòng)方式掃描雷達(dá)在該活動(dòng)空間范圍，還要密切觀察數(shù)據(jù)終端增益值和示波器角度下的4 條亮線(xiàn)情況。若是增益數(shù)值較小或者4 條亮線(xiàn)所在位置最佳，可切換天控狀態(tài)，同時(shí)選擇雷電扇掃功能。若丟球后還有斜距存在，可將其與高度值結(jié)合，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入反三角函數(shù)中計(jì)算仰角值。若是距離丟球時(shí)間較長(zhǎng)或者仰角值不能計(jì)算出來(lái)，需要結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算仰角值，并將360°掃描工作做好。若是按照以上步驟仍舊沒(méi)有成功抓到球，可將仰角調(diào)節(jié)10°左右掃描，直到4 條亮線(xiàn)保持齊平。認(rèn)真調(diào)整測(cè)距按鈕，保證凹口位于“‖”中間，調(diào)節(jié)“天控”為自動(dòng)。若是雷達(dá)成功跟蹤探空氣球，需對(duì)4 條亮線(xiàn)的穩(wěn)定度和跳躍齊整度進(jìn)行查看；同時(shí)還要觀察測(cè)距凹口的跟蹤情況。全面檢查雷達(dá)、氣壓高度，始終使這些數(shù)據(jù)保持一致；根據(jù)增益情況進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)“天控”為自動(dòng)，并將其與雷達(dá)扇掃功能結(jié)合，判斷是否成功抓球，若是同上述情況相符，則抓球成功。