独立放球法在高空气象探测中的应用解析

闵昌红 吴有恒 周文鈺

摘 要：本文介绍一种基于“L波段（1型）高空气象探测系统软件”升级版（V5.0.1）的单人独立施放探空气球的技术方法。结果表明，短时平均风速V≤4m·s-1 ，瞬时风速V≤6m·s-1时满足适合独立放球的风速条件，概率为90.6%。根据本站辐射雾和锋面雾的特点，采用定点定位法实现独立施放。本文给出了使用该方法时出现丢球、旁瓣、斜距不跟踪、时间设置错误的处理办法。经过总结近一年在贵阳站的探索经验，对条件限制台站实现独立放球提高成功率具有很好的启示作用。

关键词：L波段高空气象探测系统软件；独立；放球；解析

中图分类号：S161 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430068

引言

高空气象观测资料是天气预报、气候变化研究重要的基础资料。21世纪初在我国高空站投入使用高分辨率秒级探空观测系统——L波段高空气象探测系统。垂直高分辨率探空资料不仅应用于天气预报和气候分析等传统领域，已应用于大气边界层[1]、湍流[2]等更广泛的研究。在常规高空探测中，无论从传统的59-701探测系统还是已经运行于我国现行高空业务体制达十余年之久的L波段高空探测系统，施放技术始终是高空探测的关键环节。小场地和气象因素（例如大风、静风、雾、对流天气）等不利条件造成旁瓣（假定向）丢球、失测，缺测，重放等事故时有发生。关于这方向的放球技术，已有实用可行的经验总结[3-6]。几十年来，基于2～3人的室内外配合施放探空仪的方式一直为高空探测的主流，这种方法简便易行，但也由于同步性差配合失败且会增加人力器材成本等。实现大风等不利气象因素和场地限制下的一人值守或自动放球跟踪一直是探空观测的愿景。随着探测技术信息化、集约化的发展和需要，一些自动放球的装备应运而生。例如：“探空气球自动放球器”[7]结构简单，性能稳定，“一种可升降大风放气球设备” [8]可用于解决低仰角丢球的自动放球装置，但在常规探测中应用不多，“全自动探空装备”[9]实现了包括自动放球的全自动无人高空大气探测，但由于造价昂贵，还不能普及至常规高空站。本文基于“L波段（1型）高空气象探测系统软件”（V5.0.1），介绍一人值守独立施放探空气球实现成功探测的技术和方法，经过近一年运用，取得了较好的效果。

1 L波段（1型）高空气象探测系统软件升级的独立施放功能 L波段高空气象探测系统软件是L波段雷达系统的配套软件，主要包括数据处理软件和放球软件两部分，采用BorlandC++语言，在Windows操作系统下进行编制。若以2002年1月1日在北京观象台投入使用第一台L波段雷达算起，至今已经在常规高空探测中运行使用达16a之久，是高空气象探测网骨干软件系统[10]。为了适应新的探测体制和软件标准化[11]的要求，该系统软件设计研究者在应用过程中不断改进升级，升级的内容多。表1仅列举了软件各次升级后新增的主要业务功能信息。从表中看出，L波段系统软件由于数据采集分辨率达到秒级，其计算方法有较大变化。如V3.10解决探空仪在10hPa以上气压误差，V3.31增加的“整分球坐标使用秒数据平均”功能都会带来历史资料的某种变化甚至突变，因此在使用探空资料时要充分了解和估计这些影响。2017年6月1日升级使用的版本V5.0.1增加先放球后确定放球时间的功能，这个功能为实现一人值守独立放球提供了可能，是高空探测作业方式的一种突破和探索。本文基于此版本软件讨论过程和条件。

2 基于V5.0.1版本独立放球的实现方法

2.1 V5.0.1的操作技巧

V5.0.1软件开发了先放球后确定放球时间的功能。在完成探空仪基测、瞬间观测后（瞬间观测也可以延后进行），当北京时间过了15min以后就可以直接在放球场将气球施放，气球施放后操作员可以在计算机端从容确定放球时间。气球施放出去后，在软件探空曲线显示区用鼠标将水平基准线移至气压发生变化之前的最后1点（不是发生变化的第1点），然后按鼠标右键，在弹出的菜单中选择“设置放球开始时间”菜单项并确认“是”后，随后弹出“打开放球开关”；计算机清除放球前的探空测风数据，并放入放球前5min内；从秒数据中重新获取整分的球坐标数据并重新计算量得风层；根据基准线所指定的放球时刻倒推计算出真实的放球北京时和地方时。单测风探测时，设置放球时间即可在秒数据显示区也可在全部曲线显示区进行，在秒数据显示区和全部曲线显示区通过按鼠标右键，在弹出的菜单中选择“设置放球开始时间”菜单项即可。如果在曲线上不好确定放球时刻，也可以到秒数据里找到精确的施放时刻进行。

2.2 实现方法和条件

V5.0.1版本20170601在本站运行后，就1人值守放球的成功与失败案例进行了分析总结。找到了适合的方法和条件。

2.2.1 场地条件

根据地面资料统计贵阳站主流风向频率依次为偏东风、偏北风和偏南风，占据93%以上。据此建立了雷达下风方向的基本放球点，即北面的篮球场外放球点、S—W方向的放球带。分别距离雷达60m、40～55m。吴兴洋[6]、闵昌红[12]阐述了本站施放探空气球的方法技术，对于一人值守放球，需要作适当的技术改进。主要在于，独立放球后，要保证雷达100%能自动跟踪，一旦丢球，即使以最快的速度回到值班室，也很难在较短的时间内找回目标。室外无人工指挥，如果出现重放，一人既要充气又要准备室内基测，必然造成时间推迟较长甚至超过规定补放时间缺测的事故。故对一人独立放球的方法要有一个严格执行的程序和技术方案。

2.2.2 风速对施放的影响

放球点对风速的要求。在离放球时间25～20min内，宜将探空仪升空挂在窒外放球点位置，预留足够的时间保证施放前探空仪如果有变性等情况可以及时更换。在施放前25min时间内，探空仪悬挂在绳长30m的气球下，如果风速过大且持续的时间长，气球将会被压下，严重时导致气球被树枝挂破探空仪摔坏。另一種情况是，即使侥幸施放出去，由于风大仰角低，雷达不能自动跟踪造成丢球。这种情况在北面放球点更容易发生，由于雷达位于高出北放球点3.5m的观测场内，风大时此放球点的初始仰角在-7°～-1°之间，摆动大极易丢球。

通过试验和计算气球的风压表明，当短时平均风速V≤4m·s-1 ，瞬时风速V≤6m·s-1且持续时间很短，在贵阳站特定的条件适合一人值守施放。从表2可以看出，施放时次，本站月平均升速介于1.7～3.4m·s-1之间，各时次2min、10min平均风速V <4m·s-1比例在83.3%～95.3%之间，平均90.6%，且2min、10min平均风速有很好的一致性，最大风速出现在放球时间段的概率极小，风也较小。01：00、07：00、19：00分别为0.5%、0、2.7%，风速在3.9～6.2 m·s-1之间，最大风速几乎不出现在放球时间点，而且风速小，为独立放球提供了较理想的条件。极大风速01：00、07：00、19：00概率分别为0.6%、0、2.2%，风速在6.6～11.0 m·s-1之间，各时次出现的概率与最大风速相当。极大风速出现在放球时段内时，风速大，不适合独立施放。

2.2.3 雾对施放的影响

雾是由悬浮近地面空气中微小水滴或冰晶组成的使水平能见度小于 1 km 的天气现象。雾的气候特征具有明显的地域性。根据彭科曼[13]统计分析，迁站后贵阳站平均年雾日集中在冬季的辐射雾和锋面雾占了36.81%，且集中在 06：00—08：00生成的概率比较高，合計出现概率为 45. 0%。贵阳站冬季12月、1月、2月07：00施放时是出现雾的高峰时期。每月2～3次。雾造成雷达天线中心的摄像头看不清楚，除此之处，如果雾是由测站上空的云贵静止锋面形成，则风切变可能造成过顶丢球。但是，测站有雾时，通常风速较小，利于室外升空挂球调试探空仪。在无法观测到气球时，采用定点定位法，事先测出挂球点的仰角和方位，如N（0°，5°），SSW（0°，225°），保证放球点仰角为0°分别将探空仪挂在绳子离地5.5m、2.5m即可。将已经调整好频率的雷达转动至该位置，将放球软件“天控”置于“自动”，雷达即能自动跟踪。如果放置此位置自动时，雷达偏离较大位置，则说明未能跟踪。反复多次，在波瓣宽度范围（≤6°）内从 “手动”切换“自动”，均能回到初始位置，放球后就不会丢球了。

3 独立放球法常见问题

3.1 旁瓣丢球

为了提高探测精度，GFE（L）1型雷达采用了假单脉冲体制。雷达水平波瓣与垂直波瓣均 ≤6°，天线波瓣较窄。若施放时准备不充分，容易丢球而造成旁瓣定向，使记录缺测或失真。例如放球时当偏南风持续>7m·s-1，位于雷达下风方向的北面球场施放点探空仪仰角较低，若在瞬间施放时仰角低，超过工作范围<-6°仰角过低丢球失去跟踪，偶尔风大甚至造成气球压低或者平飞仪器摔地损坏。

3.2 斜距不跟踪

施放后雷达能自动跟踪但斜距自动跟踪错误，这种情况较易出现。多产生8～35s之间斜距都是12m的错误情况。如s5781620180205.19放球33s内斜距均为12m。主要表现为“回波缺口漂移”。分析原因：L波段雷达测距测量的是应答信号对主波的延时，而时间测量是通过对重复频率的脉冲计数来完成的。L波段雷达采用了近程和远程2个发射机，2个发射机的电路形式、器件选择、安装结构差异很大，对同一个探空仪相对主波的延时就不一样，测距就有差别，因而测距标定要分别进行而且要准确。若弃用近程发射机也会造成测距精度大回波凹口近距离不明显测距跟踪难；较强的地物回波使距离凹口信号杂波大，干扰对近地面测距跟踪，可对雷达发射机高压线进行处理，调整发射机频率至1679MHz；调整雷达跟踪探空仪频率。L波段雷达和探空仪回答器工作频率为1675±6MHz，施放前，根据贵阳站雷达工作情况，宜先采用自动频率对准室外探空仪，再将调整自动频率下调1～2个频点，使斜距凹口略深。放球后迅速回到值班室，查看斜距跟踪状态，失去跟踪迅速手动调整斜距；凹口回波自动跟踪时不停左右跳动，则为11-3测距板接触不良或故障，重新插入或换备用板。

3.3 放球开始时间设置错误造成重放

最容易出现误把放球开始时间设置到晚于实际开始时间时，容易产生放球时间订正错误，多次操作造成记录无法恢复重放。方法：打开放球软件“秒坐标数据”，牢记下升空仰角变化之前第一点时间，如某次7：00秒坐标数据12：08，打开“探空曲线”选项，放大温压湿曲线，将鼠标移动到气压变化之前的最后一点，点鼠标右键，显示“设置放球开始时间”如果与秒坐标数据一致，确定即可。此方法稳当，不会发生错误，建议采纳；如果不慎将放球开始时间设置到晚于实际开始时间时，此时不要慌张，等记录超过5min，打开数据处理软件，从下拉菜单中“放球前5分钟每秒球坐标数据查询”中找到仰角变化之前的最后一个点的时间，例如1：08，用4：59减去1：08秒换算成秒就是迟按的订正时间。

4 结语

一个值守的独立放球法是一种全新的探测工作方式，该功能杜绝由于气球释放人员和终端操作人员配合失败造成的放球失败或需要修改订正放球时间的事情发生，也可以让放球场地良好的探空站实现1个人值班。提高了工作效率，减轻了劳动强度。规范要求1a重放不超过6次，对施放的成功率几乎要求达到百分之百，所以在使用过程中要慎之又慎，不能心存侥幸心理。在大风或者不满足本站气象条件等因素下杜绝使用该方法。对天线仰角、方位“锁死”不动以及雷达与终端间的通讯传递不能及时激活等可能情况也要有充分准备。作为一种规范的工作方式，也要保证小概率事件发生时启动应急的工作程序，作为这种方法的补充。

参考文献

[1] BashaG，Ratnam M V.Identification of atmospheric boundarylayer height over a tropical station using high-resolution radiosonde ref ractivity profiles： Comparison with GPS radio occultation measurements[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres， 2009. 114（11）： 713-721

[2] Clayson CA，Kantha L.On Turbulence and Mixing in the Free Atmosphere Inferred from High-Resolution Soundings[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2008. 25（6）： 833-852.

[3] 刘旭，宋洁慧.小场地风速过大时探空气球的施放与抓球[J].气象研究与应用.2009，30（1）：75-76.

[4] 李健英.西昌2010年6月8日强对流天气过程对探空L波段雷达放球的影响[J].贵州气象，2011，35（1）：37-39.

[5] 李建平，张建新.大风天探空放球点的选择与分析[J].沙漠与绿洲气象，2009（3）：37-39.

[6] 吴兴洋，周处强，闵昌红，等. L波段控空雷达丢球对策[J]. 贵州气象，2006，30（4）：35-37.

[7] 雷国文.探空气球自动放球器[P].中国专利：CN201037872，2008-03-19.

[8] 曹骏彦，花俊，李明，等. 一种可升降大风放气球设备[P].中国专利：CN207096483U，2018-03-13.

[9] 黄江平，任振华，褚启和，等. 全自动探空装备[P].中国专利：CN102253429A，2011-11-23.

[10] 李伟，刘凤，徐磊，等.L波段高空气象探测系统软件[J].气象科技，2008，36（2）：237-239.

[11] 姚雯，郑国光，郭亚田，等.气象探空测风软件系统的标准化研究[J].应用气象学报，2004，15（1）：88-94.

[12] 闵昌红.贵阳L波段气象雷达小风条件下探空球施放技术的探讨[J].科技风，2016（285）：26-27.

[13] 彭科曼，刘博，陈海凤，等. 贵阳迁站后雾的气候特征及预报模型研究[J].贵州气象，2017，41（3）：51-55.

作者简介：闵昌红，男，（1966-），高级工程师，研究方向：高空气象观测。