高空氣象探測工作中的常見問題及對策探討

李 琳，賀海燕

1.合作市氣象局，甘肅合作 747000；2.卓尼縣氣象局，甘肅卓尼 747000

在氣象觀測作業(yè)中，氣溫、氣壓、濕度、降水均可以借助地面氣象加以觀測，但因為大氣中的各種物理變化是在三度空間中進行的，大氣在不同層次中所發(fā)生的變化有所不同，導致氣流情況有較大差異[1]。對此，必須認真做好高空氣象探測工作。在當前的高空氣象探測作業(yè)中，可使用的技術(shù)手段較多，尤其是探空氣球、無線電探空、氣象飛機探測、氣象雷達探測均得到了廣泛的應用。但在高空氣象探測中，會不可避免地受到環(huán)境因素與人為因素的影響，一旦產(chǎn)生故障，會直接影響高空氣象探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。例如，探空氣球執(zhí)行高空氣象探測作業(yè)時容易受到影響，出現(xiàn)各種各樣的故障或危險點。結(jié)合當前的研究成果，重點分析和探究了高空氣象探測工作中的常見問題，并提出了相應的解決對策。

1 高空氣象探測的手段

高空氣象探測也被稱為高空觀察系統(tǒng)，在綜合氣象觀測系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，有利于推進氣象業(yè)務現(xiàn)代化。在高空氣象探測作業(yè)中，借助氣象飛機探測、氣象雷達探測、氣象衛(wèi)星探測、氣象火箭探測、探空氣球、無線電探測這些手段可以精準地測定出大氣各高度上的氣象數(shù)據(jù)，主要包括氣壓、風向、濕度、溫度、風速[2]?？傮w來說，當前高空氣象探測手段已較為健全，可以很好地應用于氣候監(jiān)測、天氣預報等工作，其所發(fā)揮出的重要作用是毋庸置疑的。在當前的高空氣象探測中，重點是探空氣球，無論是在氣候監(jiān)測還是天氣預報中，均可以發(fā)揮優(yōu)勢作用，應用越來越廣泛。

探空氣球，即用來探測天空的氣球，目前已經(jīng)可以精準地獲取地面至幾十公里高空的大氣參數(shù)。作為一個重要載體，探空氣球可以攜帶探空儀，在氣球升空過程中，探空儀可以測定多項氣象數(shù)據(jù)，主要包括不同經(jīng)緯度與高度的氣壓、溫度、空氣濕度，所探測到的多項氣象數(shù)據(jù)均可以借助無線電信號傳遞回地面。

相比于當前所使用的其他高空氣象探測手段，探空氣球的應用優(yōu)勢毋庸置疑，有最為顯著的三點優(yōu)勢。一是探空氣球被稱之為高空氣象環(huán)境中的“醫(yī)者”，原因在于探空氣球可以直接升至高空，并有效“搭脈”高空氣象環(huán)境，能得到精準的“診療數(shù)據(jù)”，可以在大氣遙感觀測中發(fā)揮重要的基準作用；二是隨著高空氣象探測技術(shù)的發(fā)展，當前探空氣球有諸多科學技術(shù)支撐，因此相對載重量大，飛行時間長，同時造價成本低。此外，探空氣球的攜帶儀器姿態(tài)穩(wěn)定性強，升放過程中不易受到氣候因素和地域因素的影響，能夠獲取到精準且有效的探測數(shù)據(jù)；三是在衛(wèi)星測量時代，探空氣球作為一種實地探測手段，能夠反映最真實的大氣狀況。探空氣球發(fā)展至今天，已成為高空氣象最為直接的探測手段，是衛(wèi)星探測手段的一種有力的彌補。

當前，探空氣球的主要原料是天然橡膠乳膠，一個方向上的伸展可以達500%以上，橡膠氣球的自重通常在幾百克，而探空儀的重量多在1 kg以內(nèi)，由單人便可以升放探空氣球，升空后的爆炸直徑可以達到8～9 m。從外觀上看，探空氣球與普通氣球并沒有太大的區(qū)別，但實際上探空氣球的精密程度高，探空氣球所懸掛的探空儀、地面測風雷達均是核心，可以有利于探空氣球更好地探測氣象信息。探空儀器主要用于測定大氣的溫度、濕度及大氣壓，地面測風雷達與探空儀器相互協(xié)作，可以精準計算出升速、高度、水平風速這些信息。在高空氣象探測技術(shù)和相關(guān)科學技術(shù)的發(fā)展下，當前探空氣球主要搭載L波段探測系統(tǒng)、GTS1型數(shù)字探空儀，具備功能齊全、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。當探空氣球順利升空后，此時數(shù)據(jù)觀測、雷達操作可同步進行，探空氣球通常可以上升至30 000 m的高空，工作過程中探空氣球就像是一個CT掃描儀，可以逐層掃描低空至高空的所有信息，這些掃描信息可以及時回送至地面，地面系統(tǒng)可以得到精準且關(guān)鍵的氣象要素值。

除探空氣球應用過程的諸多優(yōu)勢外，使用過程中還有許多需要特別注意的要點，這些必須明確和掌握。具體來說，在探空氣球升空作業(yè)過程中，氣球會因為外力作用向上運動，或水平漂移，飛越高度最高可達4.5 m。但在上升過程中，探空氣球穿越云層時會不可避免地遇到冰晶或水滴，甚至會穿越風區(qū)，此時工作狀態(tài)會不斷變化。遇到特殊天氣時，探測氣象要素數(shù)據(jù)的能力會有所降低，如何探測精準的氣象要素數(shù)據(jù)，并及時反饋至地面雷達是至關(guān)重要的[3]。正因如此，進一步做好高空氣象探測的研究至關(guān)重要，必須解決好高空氣象探測工作中遇到的問題。

2 高空氣象探測的常見問題及對策

2.1 特殊天氣的氣球施放問題及對策

以探空氣球在高空氣象探測中的應用為例，在雨天、大風天氣時，探空氣球的施放非常重要，若控制不當，則會導致探空氣球被壓下來，無法有效開展正常的探測工作。針對特殊天氣探空氣球的施放不當問題，要充分重視，通常情況下可以提前放球。具體來說，在處理特殊天氣的探空氣球施放問題時，可以從3個方面入手。第一，遇到雨天、大風等特殊天氣，若條件滿足，可以推遲施放探空氣球；第二，如果探空氣球和儀器設備不合格，且記錄未達到500 hPa時，必須重新放球，延遲放球時間不能超過75 min[4]；第三，若遇到雨勢較大的情況，同時溫度降低，此時探空氣球的表面容易結(jié)冰。針對這一問題，工作人員要抓住雨勢減小的最佳時機，盡快放探空氣球。

除此之外，如果探空氣球在探測工作中出現(xiàn)下沉后又重新上升的情況時，此時會有數(shù)據(jù)記錄，工作人員需要人為確定探空氣球下沉的起始點時間和下沉至終點時間。并在此基礎上，使用計算機技術(shù)刪除探空氣球下沉后回升到下沉起始點之間的數(shù)據(jù)，待處理好有關(guān)于探空氣球下沉至重新上升的相關(guān)數(shù)據(jù)后，隨后的氣象探測數(shù)據(jù)可以正常記錄與整理。

2.2 氣球凈舉力大小的問題及對策

在高空氣象探測作業(yè)中，探空氣球的上升速度會受到較多因素的影響，最關(guān)鍵的因素是探空氣球的凈舉力，如何科學調(diào)整探空氣球的凈舉力是一大重點，也是難點。目前來看，探空氣球的正常上升速度為400 m/min左右，多通過人為因素調(diào)整和控制探空氣球的凈舉力，以此確保凈舉力始終在科學范圍內(nèi)。若凈舉力大小合適，可以有效提高探空氣球的球炸率，增加施放高度。經(jīng)過長時間的研究與實踐發(fā)現(xiàn)，探空氣球在升空過程中，升速率不僅受到凈舉力大小的影響，也會受到空氣密度、附加物重量、探空氣球形狀這三點因素的影響[5]。但有一點必須明確，在控制探空氣球升速率的過程中，只有凈舉力是一種由人為力量可以控制的因素。因此，在探空氣球的升空作業(yè)中，為確保和提高升空速度，工作人員要科學調(diào)控凈舉力。

2.3 跟蹤氣球時的“死位”問題及對策

在當前的雷達天線布設中，多是長期裸露安裝，所以容易出現(xiàn)匯流環(huán)變臟的情況。在探空氣球過頂雷達自動跟蹤時的仰角達到90°以上時，若出現(xiàn)卡死或大風時手動抓球，繼而導致仰角搖得過低，則勢必導致天線“死位”，這樣會直接影響到氣象數(shù)據(jù)的探測。目前來看，在處理跟蹤氣球時的“死位”這一故障問題時，工作人員要熄滅電機驅(qū)動箱的E燈或A燈，并關(guān)閉電機驅(qū)動箱的開關(guān)，而后再迅速重新啟動。通過這一操作，可以大大降低探空氣球探測工作中出現(xiàn)誤差的風險，對高空氣象探測的有效開展意義重大。

2.4 雷達操作的天線抖動問題及對策

在目前高空氣象探測作業(yè)中，雷達天線采用相控電掃微帶平板的天線裝置，若存在雷達開機速度過快，或開機過程中遇到電壓不穩(wěn)定的問題時，很容易出現(xiàn)天線抖動的問題。更為不利的是，若雷達操作中天線抖動問題長時間存在，則會影響電纜線的接觸性能，且多會出現(xiàn)電纜線接觸不良的問題，容易引發(fā)一系列的風險與故障。針對這一問題，需要從規(guī)范操作流程入手。具體來說，工作人員在開機時應先打開雷達助劑電源，而后再打開示波器和相關(guān)設備，最后才可以打開驅(qū)動箱的電源[6]。有一點至關(guān)重要，即必須確保主電源和驅(qū)動電源在開啟時有一定的時間間隔，確保能夠充分預熱。通過一系列操作，電壓可以處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會由于電壓不穩(wěn)定導致雷達操作過程中出現(xiàn)天線抖動的問題，從而增強高空氣象探測的有效性。

2.5 雷達斜距跟蹤異常問題及對策

在高空氣象探測作業(yè)中，雷達斜距跟蹤異常的發(fā)生率較高，所造成的不利影響是較大的。具體來說，高空氣象探測作業(yè)中，若出現(xiàn)雷達斜距顯示異?；蝈e誤，同時經(jīng)過手動調(diào)整無效時，則判斷這一故障出現(xiàn)的原因可能是測風方式設置不當。對此，工作人員需要更改雷達型號之上的處理參數(shù)，即將“側(cè)風方式”更改為“無斜距測風”選項。

2.6 計算機的故障問題及對策

高空氣象探測作業(yè)過程中，配套使用的計算機容易受到多種不利因素的影響，從而引發(fā)風險或故障，導致高空氣象探測的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄與分析工作無法有效完成。為最大限度地降低高空氣象探測作業(yè)中計算機的故障風險，日常工作中要做好計算機常見故障的分析，在此基礎上，制定行之有效的維護方案。在處理與維護高空氣象探測工作中計算機的常見故障時，可以重點從3個方面入手：第一，由于計算機上網(wǎng)會存在垃圾文件自動下載的情況，容易導致注冊表不堪重負，甚至出現(xiàn)停頓或誤差的問題。因此，在實際處理時，應科學應用系統(tǒng)優(yōu)化方法，以此有效清除注冊表中的垃圾文件；第二，專門用于高空氣象探測作業(yè)的計算機禁止安裝非業(yè)務軟件，避免增加計算機內(nèi)存的消耗；第三，應按照要求在計算機上安裝相關(guān)的殺毒軟件，有利于防控病毒入侵、系統(tǒng)崩潰，以此確保計算機安全。除此之外，應健全高空氣象探測作業(yè)中計算機安全使用的制度，明確規(guī)范工作人員的權(quán)責，保障計算機始終處于良好、安全的運行狀態(tài)。

3 高空氣象探測的發(fā)展與未來展望

高空氣象探測在天氣學的發(fā)展過程中始終占據(jù)著重要地位，可以精準地揭示高空氣流與地面氣壓系統(tǒng)之間的關(guān)系，為天氣預報提供精準的資料來源。從氣候分析角度來說，借助高空氣象探測手段，可以掌握大氣中較多成分的狀態(tài)和分布情況，比如可以精準地測定水汽的反饋過程，經(jīng)過對流層上部探測和平流層的探測，便可以知曉水汽的分布與變化。但高空氣象探測的不確定性較為突出，探測過程中容易受到多種不利因素的影響，若是觀測系統(tǒng)受到影響或人為干預因素較多，則容易誘發(fā)誤差，這對高空氣象探測是不利的。

在近年來的高空氣象探測技術(shù)發(fā)展過程中，L波段探空系統(tǒng)的性能不斷得到優(yōu)化，與之前所使用的59-701探空系統(tǒng)相比，應用優(yōu)勢顯著。具體來說，L波段探空系統(tǒng)使用電子探空儀，探測過程中的數(shù)據(jù)垂直密度有所增加，能夠提高數(shù)據(jù)的可靠性、精度。目前，L波段探空系統(tǒng)在高空氣象探測中的效果較好，與日本的高空氣象探測系統(tǒng)水平相媲美，甚至可以達到北美區(qū)域探空儀的水準，這一點值得肯定。

L波段探空儀和RS92的資料趨勢雖然一致，但在探測精度方面卻有一定的差距，有待后續(xù)進一步研究。在后續(xù)研究L波段探空儀時，應重點考慮2個方面問題：一是當前的地面系統(tǒng)是采用調(diào)幅體制，所以占用的頻率會相對較寬；二是探空儀濕度探測的誤差往往較大，當前國產(chǎn)的傳感器精度還無法滿足使用要求，并且一些重要的氣壓部件還過度依賴于進口，所以后續(xù)要在這一方面加大研究力度。為了有效提高高空氣象探測的水平和質(zhì)量，所選用的探空儀應具備高精度的特點，并且要做好溫度傳感器的輻射訂正工作，氣壓側(cè)高與雷達測高均需要按照規(guī)范要求進行。若條件允許，則必須結(jié)合實際情況配備地基GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)。

在推進高空氣象探測事業(yè)健康發(fā)展的過程中，應從預報與高空氣象探測關(guān)系、探空體制設想、技術(shù)發(fā)展這3個方面入手。在預報與高空氣象探測關(guān)系這一方面，要將以往“探測決定預報”的理念轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A報指引高空氣象觀測”，促使預報可以與高空氣象探測更好地進行互動。為有針對性地改進高空氣象探測系統(tǒng)，應考慮適當?shù)剡M行加密探測試驗，精準確定出高空氣象探測對于數(shù)值預報的敏感區(qū)。

在探空體制設想這一方面，要重點完成L波段探空系統(tǒng)建設工作，應統(tǒng)一設備型號，穩(wěn)定好高空氣象探測業(yè)務，尤其是大力發(fā)展北斗的國產(chǎn)GNSS探空系統(tǒng)，以求更好地保障高空氣象探測的安全性與穩(wěn)定性[7]。在傳感器的研究與應用方面，要依托當前已有的先進技術(shù)，不斷提高傳感器的探測精度，逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化。

在技術(shù)發(fā)展這個方面，移動觀測、主動遙感技術(shù)均應該大力發(fā)展，包括風廓線雷達技術(shù)、激光雷達技術(shù)、主動星載雷達技術(shù)，移動觀測應該成為今后高空氣象探測的一大發(fā)展方向。除此之外，高空氣象探測應該由以往的對流層逐漸朝著平流層發(fā)展。

4 結(jié)束語

基于高空氣象探測技術(shù)的發(fā)展，當前在高空氣象探測業(yè)務方面取得了良好的發(fā)展，但也存在一定的問題。針對高空氣象探測作業(yè)中所存在的風險點和故障問題，應做好早期的預防工作，應用好高空氣象探測質(zhì)量控制方法，有效消除高空氣象探測作業(yè)中所存在的風險，惡劣天氣下的高空氣象探測工作要確保安全性與有效性。