閔昌紅 吳有恒 周文鈺

摘 要：本文介紹一種基于“L波段（1型）高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件”升級(jí)版（V5.0.1）的單人獨(dú)立施放探空氣球的技術(shù)方法。結(jié)果表明，短時(shí)平均風(fēng)速V≤4m·s-1 ，瞬時(shí)風(fēng)速V≤6m·s-1時(shí)滿(mǎn)足適合獨(dú)立放球的風(fēng)速條件，概率為90.6%。根據(jù)本站輻射霧和鋒面霧的特點(diǎn)，采用定點(diǎn)定位法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立施放。本文給出了使用該方法時(shí)出現(xiàn)丟球、旁瓣、斜距不跟蹤、時(shí)間設(shè)置錯(cuò)誤的處理辦法。經(jīng)過(guò)總結(jié)近一年在貴陽(yáng)站的探索經(jīng)驗(yàn)，對(duì)條件限制臺(tái)站實(shí)現(xiàn)獨(dú)立放球提高成功率具有很好的啟示作用。

關(guān)鍵詞：L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件；獨(dú)立；放球；解析

中圖分類(lèi)號(hào)：S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430068

引言

高空氣象觀測(cè)資料是天氣預(yù)報(bào)、氣候變化研究重要的基礎(chǔ)資料。21世紀(jì)初在我國(guó)高空站投入使用高分辨率秒級(jí)探空觀測(cè)系統(tǒng)——L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)。垂直高分辨率探空資料不僅應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)和氣候分析等傳統(tǒng)領(lǐng)域，已應(yīng)用于大氣邊界層[1]、湍流[2]等更廣泛的研究。在常規(guī)高空探測(cè)中，無(wú)論從傳統(tǒng)的59-701探測(cè)系統(tǒng)還是已經(jīng)運(yùn)行于我國(guó)現(xiàn)行高空業(yè)務(wù)體制達(dá)十余年之久的L波段高空探測(cè)系統(tǒng)，施放技術(shù)始終是高空探測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。小場(chǎng)地和氣象因素（例如大風(fēng)、靜風(fēng)、霧、對(duì)流天氣）等不利條件造成旁瓣（假定向）丟球、失測(cè)，缺測(cè)，重放等事故時(shí)有發(fā)生。關(guān)于這方向的放球技術(shù)，已有實(shí)用可行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[3-6]。幾十年來(lái)，基于2～3人的室內(nèi)外配合施放探空儀的方式一直為高空探測(cè)的主流，這種方法簡(jiǎn)便易行，但也由于同步性差配合失敗且會(huì)增加人力器材成本等。實(shí)現(xiàn)大風(fēng)等不利氣象因素和場(chǎng)地限制下的一人值守或自動(dòng)放球跟蹤一直是探空觀測(cè)的愿景。隨著探測(cè)技術(shù)信息化、集約化的發(fā)展和需要，一些自動(dòng)放球的裝備應(yīng)運(yùn)而生。例如：“探空氣球自動(dòng)放球器”[7]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，“一種可升降大風(fēng)放氣球設(shè)備” [8]可用于解決低仰角丟球的自動(dòng)放球裝置，但在常規(guī)探測(cè)中應(yīng)用不多，“全自動(dòng)探空裝備”[9]實(shí)現(xiàn)了包括自動(dòng)放球的全自動(dòng)無(wú)人高空大氣探測(cè)，但由于造價(jià)昂貴，還不能普及至常規(guī)高空站。本文基于“L波段（1型）高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件”（V5.0.1），介紹一人值守獨(dú)立施放探空氣球?qū)崿F(xiàn)成功探測(cè)的技術(shù)和方法，經(jīng)過(guò)近一年運(yùn)用，取得了較好的效果。

1 L波段（1型）高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件升級(jí)的獨(dú)立施放功能 L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件是L波段雷達(dá)系統(tǒng)的配套軟件，主要包括數(shù)據(jù)處理軟件和放球軟件兩部分，采用BorlandC++語(yǔ)言，在Windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行編制。若以2002年1月1日在北京觀象臺(tái)投入使用第一臺(tái)L波段雷達(dá)算起，至今已經(jīng)在常規(guī)高空探測(cè)中運(yùn)行使用達(dá)16a之久，是高空氣象探測(cè)網(wǎng)骨干軟件系統(tǒng)[10]。為了適應(yīng)新的探測(cè)體制和軟件標(biāo)準(zhǔn)化[11]的要求，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究者在應(yīng)用過(guò)程中不斷改進(jìn)升級(jí)，升級(jí)的內(nèi)容多。表1僅列舉了軟件各次升級(jí)后新增的主要業(yè)務(wù)功能信息。從表中看出，L波段系統(tǒng)軟件由于數(shù)據(jù)采集分辨率達(dá)到秒級(jí)，其計(jì)算方法有較大變化。如V3.10解決探空儀在10hPa以上氣壓誤差，V3.31增加的“整分球坐標(biāo)使用秒數(shù)據(jù)平均”功能都會(huì)帶來(lái)歷史資料的某種變化甚至突變，因此在使用探空資料時(shí)要充分了解和估計(jì)這些影響。2017年6月1日升級(jí)使用的版本V5.0.1增加先放球后確定放球時(shí)間的功能，這個(gè)功能為實(shí)現(xiàn)一人值守獨(dú)立放球提供了可能，是高空探測(cè)作業(yè)方式的一種突破和探索。本文基于此版本軟件討論過(guò)程和條件。

2 基于V5.0.1版本獨(dú)立放球的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 V5.0.1的操作技巧

V5.0.1軟件開(kāi)發(fā)了先放球后確定放球時(shí)間的功能。在完成探空儀基測(cè)、瞬間觀測(cè)后（瞬間觀測(cè)也可以延后進(jìn)行），當(dāng)北京時(shí)間過(guò)了15min以后就可以直接在放球場(chǎng)將氣球施放，氣球施放后操作員可以在計(jì)算機(jī)端從容確定放球時(shí)間。氣球施放出去后，在軟件探空曲線顯示區(qū)用鼠標(biāo)將水平基準(zhǔn)線移至氣壓發(fā)生變化之前的最后1點(diǎn)（不是發(fā)生變化的第1點(diǎn)），然后按鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置放球開(kāi)始時(shí)間”菜單項(xiàng)并確認(rèn)“是”后，隨后彈出“打開(kāi)放球開(kāi)關(guān)”；計(jì)算機(jī)清除放球前的探空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并放入放球前5min內(nèi)；從秒數(shù)據(jù)中重新獲取整分的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)并重新計(jì)算量得風(fēng)層；根據(jù)基準(zhǔn)線所指定的放球時(shí)刻倒推計(jì)算出真實(shí)的放球北京時(shí)和地方時(shí)。單測(cè)風(fēng)探測(cè)時(shí)，設(shè)置放球時(shí)間即可在秒數(shù)據(jù)顯示區(qū)也可在全部曲線顯示區(qū)進(jìn)行，在秒數(shù)據(jù)顯示區(qū)和全部曲線顯示區(qū)通過(guò)按鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置放球開(kāi)始時(shí)間”菜單項(xiàng)即可。如果在曲線上不好確定放球時(shí)刻，也可以到秒數(shù)據(jù)里找到精確的施放時(shí)刻進(jìn)行。

2.2 實(shí)現(xiàn)方法和條件

V5.0.1版本20170601在本站運(yùn)行后，就1人值守放球的成功與失敗案例進(jìn)行了分析總結(jié)。找到了適合的方法和條件。

2.2.1 場(chǎng)地條件

根據(jù)地面資料統(tǒng)計(jì)貴陽(yáng)站主流風(fēng)向頻率依次為偏東風(fēng)、偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，占據(jù)93%以上。據(jù)此建立了雷達(dá)下風(fēng)方向的基本放球點(diǎn)，即北面的籃球場(chǎng)外放球點(diǎn)、S—W方向的放球帶。分別距離雷達(dá)60m、40～55m。吳興洋[6]、閔昌紅[12]闡述了本站施放探空氣球的方法技術(shù)，對(duì)于一人值守放球，需要作適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改進(jìn)。主要在于，獨(dú)立放球后，要保證雷達(dá)100%能自動(dòng)跟蹤，一旦丟球，即使以最快的速度回到值班室，也很難在較短的時(shí)間內(nèi)找回目標(biāo)。室外無(wú)人工指揮，如果出現(xiàn)重放，一人既要充氣又要準(zhǔn)備室內(nèi)基測(cè)，必然造成時(shí)間推遲較長(zhǎng)甚至超過(guò)規(guī)定補(bǔ)放時(shí)間缺測(cè)的事故。故對(duì)一人獨(dú)立放球的方法要有一個(gè)嚴(yán)格執(zhí)行的程序和技術(shù)方案。

2.2.2 風(fēng)速對(duì)施放的影響

放球點(diǎn)對(duì)風(fēng)速的要求。在離放球時(shí)間25～20min內(nèi)，宜將探空儀升空掛在窒外放球點(diǎn)位置，預(yù)留足夠的時(shí)間保證施放前探空儀如果有變性等情況可以及時(shí)更換。在施放前25min時(shí)間內(nèi)，探空儀懸掛在繩長(zhǎng)30m的氣球下，如果風(fēng)速過(guò)大且持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，氣球?qū)?huì)被壓下，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致氣球被樹(shù)枝掛破探空儀摔壞。另一種情況是，即使僥幸施放出去，由于風(fēng)大仰角低，雷達(dá)不能自動(dòng)跟蹤造成丟球。這種情況在北面放球點(diǎn)更容易發(fā)生，由于雷達(dá)位于高出北放球點(diǎn)3.5m的觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，風(fēng)大時(shí)此放球點(diǎn)的初始仰角在-7°～-1°之間，擺動(dòng)大極易丟球。

通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算氣球的風(fēng)壓表明，當(dāng)短時(shí)平均風(fēng)速V≤4m·s-1 ，瞬時(shí)風(fēng)速V≤6m·s-1且持續(xù)時(shí)間很短，在貴陽(yáng)站特定的條件適合一人值守施放。從表2可以看出，施放時(shí)次，本站月平均升速介于1.7～3.4m·s-1之間，各時(shí)次2min、10min平均風(fēng)速V <4m·s-1比例在83.3%～95.3%之間，平均90.6%，且2min、10min平均風(fēng)速有很好的一致性，最大風(fēng)速出現(xiàn)在放球時(shí)間段的概率極小，風(fēng)也較小。01：00、07：00、19：00分別為0.5%、0、2.7%，風(fēng)速在3.9～6.2 m·s-1之間，最大風(fēng)速幾乎不出現(xiàn)在放球時(shí)間點(diǎn)，而且風(fēng)速小，為獨(dú)立放球提供了較理想的條件。極大風(fēng)速01：00、07：00、19：00概率分別為0.6%、0、2.2%，風(fēng)速在6.6～11.0 m·s-1之間，各時(shí)次出現(xiàn)的概率與最大風(fēng)速相當(dāng)。極大風(fēng)速出現(xiàn)在放球時(shí)段內(nèi)時(shí)，風(fēng)速大，不適合獨(dú)立施放。

2.2.3 霧對(duì)施放的影響

霧是由懸浮近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的使水平能見(jiàn)度小于 1 km 的天氣現(xiàn)象。霧的氣候特征具有明顯的地域性。根據(jù)彭科曼[13]統(tǒng)計(jì)分析，遷站后貴陽(yáng)站平均年霧日集中在冬季的輻射霧和鋒面霧占了36.81%，且集中在 06：00—08：00生成的概率比較高，合計(jì)出現(xiàn)概率為 45. 0%。貴陽(yáng)站冬季12月、1月、2月07：00施放時(shí)是出現(xiàn)霧的高峰時(shí)期。每月2～3次。霧造成雷達(dá)天線中心的攝像頭看不清楚，除此之處，如果霧是由測(cè)站上空的云貴靜止鋒面形成，則風(fēng)切變可能造成過(guò)頂丟球。但是，測(cè)站有霧時(shí)，通常風(fēng)速較小，利于室外升空掛球調(diào)試探空儀。在無(wú)法觀測(cè)到氣球時(shí)，采用定點(diǎn)定位法，事先測(cè)出掛球點(diǎn)的仰角和方位，如N（0°，5°），SSW（0°，225°），保證放球點(diǎn)仰角為0°分別將探空儀掛在繩子離地5.5m、2.5m即可。將已經(jīng)調(diào)整好頻率的雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)至該位置，將放球軟件“天控”置于“自動(dòng)”，雷達(dá)即能自動(dòng)跟蹤。如果放置此位置自動(dòng)時(shí)，雷達(dá)偏離較大位置，則說(shuō)明未能跟蹤。反復(fù)多次，在波瓣寬度范圍（≤6°）內(nèi)從 “手動(dòng)”切換“自動(dòng)”，均能回到初始位置，放球后就不會(huì)丟球了。

3 獨(dú)立放球法常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 旁瓣丟球

為了提高探測(cè)精度，GFE（L）1型雷達(dá)采用了假單脈沖體制。雷達(dá)水平波瓣與垂直波瓣均 ≤6°，天線波瓣較窄。若施放時(shí)準(zhǔn)備不充分，容易丟球而造成旁瓣定向，使記錄缺測(cè)或失真。例如放球時(shí)當(dāng)偏南風(fēng)持續(xù)>7m·s-1，位于雷達(dá)下風(fēng)方向的北面球場(chǎng)施放點(diǎn)探空儀仰角較低，若在瞬間施放時(shí)仰角低，超過(guò)工作范圍<-6°仰角過(guò)低丟球失去跟蹤，偶爾風(fēng)大甚至造成氣球壓低或者平飛儀器摔地?fù)p壞。

3.2 斜距不跟蹤

施放后雷達(dá)能自動(dòng)跟蹤但斜距自動(dòng)跟蹤錯(cuò)誤，這種情況較易出現(xiàn)。多產(chǎn)生8～35s之間斜距都是12m的錯(cuò)誤情況。如s5781620180205.19放球33s內(nèi)斜距均為12m。主要表現(xiàn)為“回波缺口漂移”。分析原因：L波段雷達(dá)測(cè)距測(cè)量的是應(yīng)答信號(hào)對(duì)主波的延時(shí)，而時(shí)間測(cè)量是通過(guò)對(duì)重復(fù)頻率的脈沖計(jì)數(shù)來(lái)完成的。L波段雷達(dá)采用了近程和遠(yuǎn)程2個(gè)發(fā)射機(jī)，2個(gè)發(fā)射機(jī)的電路形式、器件選擇、安裝結(jié)構(gòu)差異很大，對(duì)同一個(gè)探空儀相對(duì)主波的延時(shí)就不一樣，測(cè)距就有差別，因而測(cè)距標(biāo)定要分別進(jìn)行而且要準(zhǔn)確。若棄用近程發(fā)射機(jī)也會(huì)造成測(cè)距精度大回波凹口近距離不明顯測(cè)距跟蹤難；較強(qiáng)的地物回波使距離凹口信號(hào)雜波大，干擾對(duì)近地面測(cè)距跟蹤，可對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓線進(jìn)行處理，調(diào)整發(fā)射機(jī)頻率至1679MHz；調(diào)整雷達(dá)跟蹤探空儀頻率。L波段雷達(dá)和探空儀回答器工作頻率為1675±6MHz，施放前，根據(jù)貴陽(yáng)站雷達(dá)工作情況，宜先采用自動(dòng)頻率對(duì)準(zhǔn)室外探空儀，再將調(diào)整自動(dòng)頻率下調(diào)1～2個(gè)頻點(diǎn)，使斜距凹口略深。放球后迅速回到值班室，查看斜距跟蹤狀態(tài)，失去跟蹤迅速手動(dòng)調(diào)整斜距；凹口回波自動(dòng)跟蹤時(shí)不停左右跳動(dòng)，則為11-3測(cè)距板接觸不良或故障，重新插入或換備用板。

3.3 放球開(kāi)始時(shí)間設(shè)置錯(cuò)誤造成重放

最容易出現(xiàn)誤把放球開(kāi)始時(shí)間設(shè)置到晚于實(shí)際開(kāi)始時(shí)間時(shí)，容易產(chǎn)生放球時(shí)間訂正錯(cuò)誤，多次操作造成記錄無(wú)法恢復(fù)重放。方法：打開(kāi)放球軟件“秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)”，牢記下升空仰角變化之前第一點(diǎn)時(shí)間，如某次7：00秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)12：08，打開(kāi)“探空曲線”選項(xiàng)，放大溫壓濕曲線，將鼠標(biāo)移動(dòng)到氣壓變化之前的最后一點(diǎn)，點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，顯示“設(shè)置放球開(kāi)始時(shí)間”如果與秒坐標(biāo)數(shù)據(jù)一致，確定即可。此方法穩(wěn)當(dāng)，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，建議采納；如果不慎將放球開(kāi)始時(shí)間設(shè)置到晚于實(shí)際開(kāi)始時(shí)間時(shí)，此時(shí)不要慌張，等記錄超過(guò)5min，打開(kāi)數(shù)據(jù)處理軟件，從下拉菜單中“放球前5分鐘每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)查詢(xún)”中找到仰角變化之前的最后一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間，例如1：08，用4：59減去1：08秒換算成秒就是遲按的訂正時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

一個(gè)值守的獨(dú)立放球法是一種全新的探測(cè)工作方式，該功能杜絕由于氣球釋放人員和終端操作人員配合失敗造成的放球失敗或需要修改訂正放球時(shí)間的事情發(fā)生，也可以讓放球場(chǎng)地良好的探空站實(shí)現(xiàn)1個(gè)人值班。提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。規(guī)范要求1a重放不超過(guò)6次，對(duì)施放的成功率幾乎要求達(dá)到百分之百，所以在使用過(guò)程中要慎之又慎，不能心存僥幸心理。在大風(fēng)或者不滿(mǎn)足本站氣象條件等因素下杜絕使用該方法。對(duì)天線仰角、方位“鎖死”不動(dòng)以及雷達(dá)與終端間的通訊傳遞不能及時(shí)激活等可能情況也要有充分準(zhǔn)備。作為一種規(guī)范的工作方式，也要保證小概率事件發(fā)生時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急的工作程序，作為這種方法的補(bǔ)充。

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作者簡(jiǎn)介：閔昌紅，男，（1966-），高級(jí)工程師，研究方向：高空氣象觀測(cè)。