高空气象观测丢球原因分析及对策

摘 要：结合L波段雷达在实际工作中的应用情况，分析造成高空气象观测丢球原因，将其进行统计分类，并根据多年的工作经验，从实际工作应用做为切入点，详细介绍如何预防丢球现象的发生和常见的几种丢球原因的应急操作方法。通过总结分析发现，在高空探测的实际应用中，充分做好放球前的准备工作，严密监视观测过程中雷达的工作状态，当发生异常情况及时进行应急，是做好高空探测工作的前提，也是日常工作中避免和减少丢球的主要举措。

关键词：L波段雷达；高空观测；丢球原因；对策

中图分类号：P403 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032060

我国一共有120个探空站，高空探测系统在2010年由原来的701系统全部改为L波段雷达探测系统，该系统是我国自主研发的具有国际先进水平的新一代高空气象探测系统，它具有数据采集快、观测精度高和自动跟踪能力等特点，其中L波段雷达的水平、垂直波瓣宽度为≤6°均较窄[1]，在提高测角精度的同时，却影响了雷达的定向和自动跟踪性能，在日常工作中常出现丢球的现象，对L波段探空雷达的丢球原因进行分析和分类，并结合实际应用对不同原因造成的丢球处理方法进行归纳总结[2-10]，为今后更好地开展高空气象探测，不断提高探测精度和高度，最终为天气预报、人工影响天气及气候预测等方面发挥更大的作用提供参考。

1 丢球原因

一般L波段雷达丢球主要是由于值班员操作失误或粗心大意，在放球前没有做好充分的准备工作，或因环境因素和雷达故障造成丢球现象的发生，在日常工作里常见的情况主要有以下5种。

1.1 未选择合理的放球点

在气球施放前操作人员未能根据自动观测站或其它测风设备测定的近地面的风向、风速选择合理的气球施放点，导致施放瞬间（1min内）气球出现过顶现象发生丢球。

1.2 近地面跟踪异常

这类问题主要有3种情况：放球前未能将雷达天线对准探空仪或回答器；在气球施放瞬间，气球高仰角过顶后雷达跟踪异常，值班员未能及时发现；内外操作员配合不当造成气球延迟或提前施放，使L波段雷达非正常跟踪而丢球的现象。

1.3 L波段雷达性能下降或故障

L波段雷达是一种体制较新、自动化程度也相对较高的新型雷达。为了充分发挥其性能，延长使用寿命，在业务使用过程中，除了正常使用操作外，还必须有良好的维护。在长期的使用中如果未按规定进行维护或维护不当会使雷达的性能下降或故障，造成跟踪异常导致丢球[11]。

常见的雷达故障导致丢球的情况主要有以下几种：

雷达天线座的汇流环有问题、驱动箱内编码器的插头接触不良、发射机对方位角驱动电机的编码器信号产生干扰使天线在自动跟踪过程中出现方位或仰角死位现象发生丢球。

主控箱内11-6板产生的程序方波出现问题、程序方波送达至和差箱里的开关管套（包括其本身和二极管VK05）故障、馈线插头漏水造成每路下来的增益信号不一样，使信号两两不齐，造成起始位置容易丢球。

某根馈源极化方向不对或WT9线缆中程序方波传输芯线或12V电源传输芯线在天线高仰角时接触不良造成高仰角雷达高仰角过顶丢球。

1.4 频率飘移

L波段雷达在工作过程中，其频率为1675±5MHz，在探空气球自由升空的过程里，气温的变化>120℃，遇到施放的探空仪自身的性能不稳定，就会发生回答器的载波频率产生飘移，当频率变化超过雷达的工作频率幅度，其接收频率和探空仪的发射频率就会处于飘移状态，极易使雷达出现丢球现象。

1.5 环境因素

L波段雷达已实现自动跟踪功能，但在非常恶劣的天气条件下容易发生起始抓球失败从而丢球，在这里恶劣天气是指大风（风速达14m/s以上）、暴雨、大雪、浓雾等。

在探空气球施放周围存在电磁信号的干扰，使探空仪的载波频率发生飘移，在遇到强雷雨天气时，雷达中的强电磁干扰信号进入接收机，将主信号中数据信息淹没，使雷达天线突然拉偏到某一方位上等失控情况的发生，造成雷达在自动跟踪状态下与探空仪之间信号联系中断异常，最终发生丢球现象。

在北方寒冷季节气温较低时，雷达设备连接线容易被冻住，使雷达天线转动滞后，放球起始位置跟踪异常或假定向发生丢球。

2 预防和避免丢球的要点

2.1 充分做好放球前的准备工作

在探空气球施放前要根据探空信号对雷达的接收機增益和频率进行认真的调整，增益30～50dB之间为宜，频率在1675MHz左右，对准探空仪后一定要仔细检查雷达自动跟踪情况（特别是浓雾等特殊天气），使雷达处于最佳的工作状态。

2.2 选择合理的施放点

高空探测工作中气球施放点的选择是决定雷达能否正常跟球的关键，台站一般会根据实际的探测环境设定2～3个不同的放球点，值班员在施放前应根据自动站或其它测风设备测定的瞬间风向选择合理的施放点，所谓合理就是尽量将施放点选在雷达的下风方向，以确保起始放球时雷达自动抓球成功。如因台站场地条件的限制，下风方没有合适的放球点则一定要选择在雷达的侧面进行放球，并且使放球点与雷达的距离尽量远些。

2.3 对气球的运动轨迹做到心中有数

放球前仔细观察近地面的风向、风速，并参考最近一次测风记录，分析推测气球在低空的运动轨迹，对本次气球施放后的初始运动轨迹做到心中有数，以便在丢球后能够快速追回。有风廓线雷达的台站可通过直观的了解近地面2km高度风向的变化，为本次的探测做好充分的准备工作。

2.4 做好恶劣天气的应急准备工作

当探测时遇有大风、能见度低等恶劣天气时，一定要将雷达天线对准探空仪并反复检查，让雷达能够自动跟踪探空仪。对于可能出现的情况做好充分的准备工作，防止雷达在气球出手的瞬间仰角卡死的现象发生。气温较低的季节还应在放球前将雷达的方位缓慢转动一圈，仰角也要从低到高匀速转动，以防天线转动不灵活影响跟踪。

2.5 做好雷达的日常维护工作

由于雷达故障造成的丢球现象，一般很难有及时解决的办法，台站的机务人员严格按照规范要求做好日常保养、检查维护等工作，减少重大故障的发生是防止丢球和提高高空气象观测的保障。

负责机务人员应根据台站的具体情况组织人员做好定期维护保养工作，主要是清洁工作为主，对于重要部件重点保养，检查所有电缆接头及各接插元件的安装情况，天线是否转动灵活，每年固定月份在晴天用经纬仪进行对比观测，检查雷达的工作状态，发现问题及时处理解决。

3 不同原因丢球的处理方法

在日常的高空探测工作中丢球的原因有很多，处理方法也不尽相同，由于雷达故障造成的丢球一般是无法在短时间内得到解决的，只能启用备份设备：即探空接收机和电子式光学经纬仪相配合完成该次高空探测，此处不再赘述。只对最为典型的放球瞬间过顶丢球和高空丢球后的对策以及假定向的判定和处理进行阐述说明。

3.1 放球瞬间过顶丢球的处理方法

在高空站由于地面施放气球瞬间过顶丢球是普遍存在的现象，这是由于L波段雷达波瓣窄，所跟踪的探空仪在近地面方位、仰角变换很大，一旦过顶丢球不容易找回，即使找回也容易发生旁瓣跟踪。此时由于探空仪器距离雷达较近，旁瓣和主瓣跟踪的差别不是很大，值班人员不易识别，当发现是假定向时，一般探测过程已经过去了数十分钟，此时还需要根据天气条件补放小球进行测风计算，所以在丢球后重新搜索到信号后一定要谨慎判断是否为假定向。

在高空探测过程中当放球瞬间雷达的工作仰角达到85°以上时，放球软件就会报警，一般当方位变化较快的情况下，仰角增大的速度就会减慢，只要不是1min内短时过顶，即使雷达仰角达到92°也不会发生卡死的现象。

气球施放初期（1～2min）内，天空状况良好的情况下，气球施放员放球后应马上到雷达上连续观察气球的运动轨迹，当发现方位变化缓慢，仰角不断快速增大至92°左右时（仰角卡位的可能性非常大），马上指挥室内操作员天线控制开关由自动转为手动，进行手动抓球，尽量在2min内找回目标，并迅速将天控自动打开使雷达自动跟踪。

当天空有云或能见度非常低的情况下，室内值班员只能根据前1～2d的高空测风资料，了解雷达的仰角、方位变化情况，密切观察雷达方位、仰角的变化趋势，，此时，值班员一定要注意力高度集中，将距离跟踪状态转换为角度跟踪，达到限位附近时，如发现示波器上方位两条线已经明显不齐，立刻将天线控制开关由自动转为手动，根据四条亮线的变换情况进行手动跟踪，当方位、仰角四条亮线对齐后迅速将天线控制开关转为自动。在操作时尽量使用天线控制盒进行天控的手/自动转换，这比在放球软件上操作要快很多。

当雷达重新跟踪正常后一定要仔细观察并与上一时次的记录进行比较分析，发现旁瓣跟踪后利用软件的“扇扫”功能及时处理，当测风数据连续缺测≥2min时，还应补放小球进行测风观测；当探空数据连续缺测≥5min时，只能进行重放球操作。

3.2 高空丢球的处理方法

在观测过程中发现丢球要根据具体情况进行判断，视具体情况进行处理。

3.2.1 频率飘移

当发现频率超出工作频率，及时将“频率”在手动状态下进行调整，一般设为1672～1675左右，再观察示波器上四条亮线是否对齐，如果对齐则再检查距离跟踪和探空数据接收情况，一般均正常说明气球已追回，雷達跟踪恢复正常，否则应在调整频率后参考球坐标秒数中最后一组正确的方位、仰角数据，将雷达天线手动摇至该位置附近查看示波器4条亮线情况，不齐时根据上下左右4条线，对应哪条线短就向哪边调的原则进行调整，当4条亮线对齐后马上调成“天控”自动状态，并使用“扇扫”功能键检查跟踪情况，扇扫前后的方位、仰角均无明显变化时则说明恢复正常。否则再重复以上步骤继续调整寻找，直至恢复信号的正常跟踪为止。

3.2.2 高差报警

当雷达出现高差报警后检查发现斜距跟踪异常或不跟时，检查示波器4条亮线是否对齐，若对齐则再距离跟踪状态下查看“凹口”是否飘移，此时值班员应判断是方位或仰角卡死还是仪器原因。如果是方位或仰角卡死则迅速将驱动箱电源进行关开操作，并检查跟踪情况，跟踪不正常时需要值班员参考球坐标秒数中最后一组正确的方位、仰角数据，将雷达天线手动摇至该位置附近查看示波器4条亮线情况，调整亮线使其对齐后调成“天控”自动状态，使用“扇扫”功能键检查跟踪情况，扇扫前后的方位、仰角均无明显变化时则说明恢复正常。否则就重复以上步骤继续调整查找，直至恢复信号的正常跟踪为止。

仪器原因的判别一般分为2项，在距离跟踪状态下根据示波器上的亮点来调整凹口，一般会出现短时调整好后又不跟的情况；查看球坐标秒数据曲线图，方位和仰角呈规律性变化，只有斜距变化异常。符合以上2项则基本可以判定为探空仪器问题，此时无需进行距离跟踪的调整，在数据处理软件中将该次探测的测风方式改为“无斜距”方式。

3.3 假定向的判断与处理

雷达天线波瓣除了主瓣，还有旁瓣，目标被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向则叫假定向[1]。在日常观测工作中当出现丢球又被找回等特殊情况后，一定要进行判断，避免假定向现象的发生。一般发生假定向时具有以下特点。

3.3.1 高差缓慢变大

由于雷达此时未能对准目标，方位角、仰角均有误，随着距离的不断加大，测角误差可达8°以上，高差也会越来越大，一直报警。

3.3.2 增益突增

探测初期增益应在30～50dB并缓慢增大，正常情况下接收增益一般指示值为100dB左右，旁瓣抓球，大约在150～160dB之间[12]。

3.3.3 信号逐渐减弱

随着气球飘移距离的不断增大，雷达的探测距离明显缩短，威力大幅下降，信号减弱，此时探空温、压、湿数据出现大量乱码。

探测过程中怀疑假定向时，可以使用放球软件提供的 “扇扫”功能键进行重新搜索目标，根据扇扫前后雷达天线的方位、仰角变化进行判断，若无明显变化则说明是真定向，此时适当调整频率使数据接收处于最佳状态即可。若前后变化较大，说明是假定向，则需要再一次使用“扇扫”操作进行处理。若使用如上方式仍旧未能实现真定向，则需要手动进行抓球的办法进行操作了[13]。

4 结束语

在高空气象探测过程中，发生丢球等异常跟踪情况时，值班员和室外雷达指挥人员一定要根据L波段雷达丢球的原因采取合理的应急处理办法，在处理过程中要默契配合，沉着应对，短时间内将气球追回，并根据特殊规定进行相应的数据处理和做好补救措施。

随着高空气象探测技术自动化程度的不断提高，有效地使业务值班员在正常情况下减少了工作量。而丢球现象的发生既有客观因素，也存在主观因素。在面对各类突发现象时，探测人员能够及时、正确的进行操作处理，不但需要熟悉和掌握L波段雷达的性能及各项操作规程，还要将日常的经验和处理方法的总结作为一个长期连续的工作来做，才能保证高空气象观测质量的稳步提高和探测资料的准确性。

参考文献

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[10]张阳，高玉岩，刘俊昌.高空探测L波段雷达丢球原因及应对方法[J].现代农业科技，2014（20）：235.

[11]中国气象局监测网络司.L波段高空气象探测系统设备维护维修手册[M].气象出版社，2004.

[12]中国气象局大气探测技术中心.L波段高空气象探测系统常见技术问题综合解答[M].气象出版社，2006.

[13]刘清芳.高空探测丢球与假定向成因分析[J].气象水文海洋仪器，2013，30（1）：14-16.

作者简介：柴岩红（1978-），女，工程师，从事气象综合业务研究和管理工作，研究方向：大气探测方面。