大气探测技术及应用研究进展

刘柳，罗旦

摘要：大气探测技术是以现代电力技术、物理学原理及信息技术为基础发展起来的，对大气物理及大气环境学科发展有重要意义，20世纪90年代基于各种平台探测技术发展迅速，极端天气及环境探测技术取得突破性进展，为大气环境监测、改善、防灾减灾等工作做出巨大贡献。本文就常用大气探测技术进行分析，以此为基础研究大气探测技术应用及研究性进展。

关键词：大气探测技术；雷达技术；全天空云特性探测技术；大气成分探测技术

中图分类号： P407；P412 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.16.058

随着人类在大气空间活动范围不断扩大，对空间环境了解需求日益迫切，大气探测技术取得长足发展。1949年以后我国中科院大气物理研究所在大气探测高技术等相关研究中取得许多重要研究成果，为大气环境学科发展做出了重要贡献。本文就近年我国大气环境科学发展简单回顾，重点介绍了常见的三种基础大气探测技术。

1 多参数气象雷达技术

强对流天气系统常伴随冰雹、暴雨、大风及较强烈雷电，提高灾害天气预报准确度，对于预防天气灾害，保证人们生命及财产安全有着重要意义，气象人员必须对强对流天气系统物理过程及相互作用关系有较清晰认识。高空气象业务观测担负着为日常生活中天气预报、气候分析、科学考察提供及时、准确基础资料的功能。多参数雷达能对云和降水粒子相态变化情况及风场结构能力识别及观测，为强对流天气微物理结构、降水等同步观测提供技术支持。多参数气象雷达技术包括X波段双偏振多普勒气象雷达技术、L波段高空气象探测系统等。

L波段高空气象探测系统由二次测风雷达和数字探空仪配合使用，能对高空风向、风速、气压、气温、湿度等要素通过雷达发出电磁波信号并接收到探空仪反馈回来信号再显示到电脑软件上探测分析，探测精度较高、采样速率很快，使用方便。在实际使用过程中，首先打开雷达开关、总电源，对仪器做好放球前一系列准备工作，然后运行放球软件等相关装置，探测探空仪R0、T0，等待3min左右，将测量所得数值填入相应位置。后开始基测工作，测定仪器U、T、P等值再根据基测结果判断探空仪是否合格，仪器合格方可继续使用。探空仪装配完成后，将其挂在预定放球点，打开放球软件相应装置，检查探空曲线及示波器，全部正常后，调整增益及雷达工作频率，后放球。放球后雷达、探空仪等装置可能会出现问题，需工作人员加强对各仪器设备检查维护，确保所有仪器都能正常工作，避免凹口消失、飞点等。

全国各地L波段雷达探空站相继建立，形成一套完整的高空气象探测系统，提高了对探空气象要素业务观测资料的准确性，保障业务质量提高，同时对观测信息空间及时间密度也有极大提高。实现对观测数据采集、监测及集约自动化，在天气预报、人工作业影响天气及对未来天气预测等方面都发挥着举足轻重的作用。

2 全天空云特性探测技术

天空云量、云型等都是监测天气状况重要参数，及时准确获取这些信息对气象预报工作有重要意义，在实际工作中这些参数很难定量获取，目前绝大多数气象站都采用人工方法对云量观测，为此国家相关单位就地基全天空自动化观测系统展开研制开发，如可见光全天空成像自动观测系统、扫描式全天空热红外云相仪等都是高效全天空成像仪观测系统。可见光全天空成像自动观测系统主要依靠成像控制部分及遮挡太阳控制部分实现天空状况拍摄及相关图像数据获取，系统最高拍摄频次达30s/张，24bit全天空彩色图像分辨率可达2272×1704。太阳跟踪及遮挡部分有一圆形中密度滤光遮挡片，在相应控制程序作用下，带有遮挡片半圆杆随机身上半部分及遮挡杆动作转动，跟踪及遮挡太阳，日出时开始观测，日落时则停止观测。系统内安装有热敏元件，确保仪器能适应野外观测环境。

云属于热红外波段强发射体，具有很强的红外辐射特性，不受时间限制，扫描式全天空热红外云像仪则通过对不同厚度云层红外波段及天空红外辐射强度分布情况分析云层分布情况、高度等相关信息。

3 大气成分探测技术

大气成分探测对监测空气质量，大气环境保护措施选择等工作有重要意义，已成为当前阶段全球热点科学问题。目前，研究应用较多的有大气臭氧柱总量和廓线探测、大气中主要微量气体成分探测、大气生物气溶胶探测等技术手段。

大气臭氧是大气科学研究的关键内容，GPS臭氧探空仪是我国自制的一种臭氧探测仪器，与芬兰开发生产的Vaisala大气臭氧探空仪相比，GPS臭氧探空仪在测量大气中臭氧浓度随高度变化情况与Vaisala的测量结果基本一致，二者测量数值存在差别，在10km以下及27km以上范围内，GPS臭氧探空仪测量数值偏高。

大气中气体成分复杂，其物理化学性质各不相同，分别发挥着不同作用，利用色谱分析、化学发光等手段对大气气体成分分析，可为气体环境分析提供数据基础。现阶段，我国已有许多气象观测站开始利用各种观测设备对大气中臭氧、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等成分监测分析，对全面了解各区域空气质量情况及污染防治工作有重要意义。

4 结语

除上述三种大气探测高技术外，实际工作过程中还有雷电探测及人工引发雷电技术、GPS大气遥感技术、GPS海洋遥感技术、气象探测无人机技术等各种技术手段，本文仅通过对上述三种常见大气探测高技术讨论分析，希望对大气探测观测站工作人员相关研究工作有所启发。

参考文献

[1]左湘文，张磊，刘晓磊.制约大气探测质量的因素分析[J].北京農业，2015，（35）.

[2]李强.大气探测激光雷达的进展研究[J].科技信息，2012，（05）.

作者简介：刘柳，本科学历，助理工程师，研究方向：大气探测。