高空气象探测工作中的常见问题及对策探讨

李 琳，贺海燕

1.合作市气象局，甘肃合作 747000；2.卓尼县气象局，甘肃卓尼 747000

在气象观测作业中，气温、气压、湿度、降水均可以借助地面气象加以观测，但因为大气中的各种物理变化是在三度空间中进行的，大气在不同层次中所发生的变化有所不同，导致气流情况有较大差异[1]。对此，必须认真做好高空气象探测工作。在当前的高空气象探测作业中，可使用的技术手段较多，尤其是探空气球、无线电探空、气象飞机探测、气象雷达探测均得到了广泛的应用。但在高空气象探测中，会不可避免地受到环境因素与人为因素的影响，一旦产生故障，会直接影响高空气象探测数据的质量。例如，探空气球执行高空气象探测作业时容易受到影响，出现各种各样的故障或危险点。结合当前的研究成果，重点分析和探究了高空气象探测工作中的常见问题，并提出了相应的解决对策。

1 高空气象探测的手段

高空气象探测也被称为高空观察系统，在综合气象观测系统中占据着重要的地位，有利于推进气象业务现代化。在高空气象探测作业中，借助气象飞机探测、气象雷达探测、气象卫星探测、气象火箭探测、探空气球、无线电探测这些手段可以精准地测定出大气各高度上的气象数据，主要包括气压、风向、湿度、温度、风速[2]。总体来说，当前高空气象探测手段已较为健全，可以很好地应用于气候监测、天气预报等工作，其所发挥出的重要作用是毋庸置疑的。在当前的高空气象探测中，重点是探空气球，无论是在气候监测还是天气预报中，均可以发挥优势作用，应用越来越广泛。

探空气球，即用来探测天空的气球，目前已经可以精准地获取地面至几十公里高空的大气参数。作为一个重要载体，探空气球可以携带探空仪，在气球升空过程中，探空仪可以测定多项气象数据，主要包括不同经纬度与高度的气压、温度、空气湿度，所探测到的多项气象数据均可以借助无线电信号传递回地面。

相比于当前所使用的其他高空气象探测手段，探空气球的应用优势毋庸置疑，有最为显著的三点优势。一是探空气球被称之为高空气象环境中的“医者”，原因在于探空气球可以直接升至高空，并有效“搭脉”高空气象环境，能得到精准的“诊疗数据”，可以在大气遥感观测中发挥重要的基准作用；二是随着高空气象探测技术的发展，当前探空气球有诸多科学技术支撑，因此相对载重量大，飞行时间长，同时造价成本低。此外，探空气球的携带仪器姿态稳定性强，升放过程中不易受到气候因素和地域因素的影响，能够获取到精准且有效的探测数据；三是在卫星测量时代，探空气球作为一种实地探测手段，能够反映最真实的大气状况。探空气球发展至今天，已成为高空气象最为直接的探测手段，是卫星探测手段的一种有力的弥补。

当前，探空气球的主要原料是天然橡胶乳胶，一个方向上的伸展可以达500%以上，橡胶气球的自重通常在几百克，而探空仪的重量多在1 kg以内，由单人便可以升放探空气球，升空后的爆炸直径可以达到8～9 m。从外观上看，探空气球与普通气球并没有太大的区别，但实际上探空气球的精密程度高，探空气球所悬挂的探空仪、地面测风雷达均是核心，可以有利于探空气球更好地探测气象信息。探空仪器主要用于测定大气的温度、湿度及大气压，地面测风雷达与探空仪器相互协作，可以精准计算出升速、高度、水平风速这些信息。在高空气象探测技术和相关科学技术的发展下，当前探空气球主要搭载L波段探测系统、GTS1型数字探空仪，具备功能齐全、工作性能稳定等优势。当探空气球顺利升空后，此时数据观测、雷达操作可同步进行，探空气球通常可以上升至30 000 m的高空，工作过程中探空气球就像是一个CT扫描仪，可以逐层扫描低空至高空的所有信息，这些扫描信息可以及时回送至地面，地面系统可以得到精准且关键的气象要素值。

除探空气球应用过程的诸多优势外，使用过程中还有许多需要特别注意的要点，这些必须明确和掌握。具体来说，在探空气球升空作业过程中，气球会因为外力作用向上运动，或水平漂移，飞越高度最高可达4.5 m。但在上升过程中，探空气球穿越云层时会不可避免地遇到冰晶或水滴，甚至会穿越风区，此时工作状态会不断变化。遇到特殊天气时，探测气象要素数据的能力会有所降低，如何探测精准的气象要素数据，并及时反馈至地面雷达是至关重要的[3]。正因如此，进一步做好高空气象探测的研究至关重要，必须解决好高空气象探测工作中遇到的问题。

2 高空气象探测的常见问题及对策

2.1 特殊天气的气球施放问题及对策

以探空气球在高空气象探测中的应用为例，在雨天、大风天气时，探空气球的施放非常重要，若控制不当，则会导致探空气球被压下来，无法有效开展正常的探测工作。针对特殊天气探空气球的施放不当问题，要充分重视，通常情况下可以提前放球。具体来说，在处理特殊天气的探空气球施放问题时，可以从3个方面入手。第一，遇到雨天、大风等特殊天气，若条件满足，可以推迟施放探空气球；第二，如果探空气球和仪器设备不合格，且记录未达到500 hPa时，必须重新放球，延迟放球时间不能超过75 min[4]；第三，若遇到雨势较大的情况，同时温度降低，此时探空气球的表面容易结冰。针对这一问题，工作人员要抓住雨势减小的最佳时机，尽快放探空气球。

除此之外，如果探空气球在探测工作中出现下沉后又重新上升的情况时，此时会有数据记录，工作人员需要人为确定探空气球下沉的起始点时间和下沉至终点时间。并在此基础上，使用计算机技术删除探空气球下沉后回升到下沉起始点之间的数据，待处理好有关于探空气球下沉至重新上升的相关数据后，随后的气象探测数据可以正常记录与整理。

2.2 气球净举力大小的问题及对策

在高空气象探测作业中，探空气球的上升速度会受到较多因素的影响，最关键的因素是探空气球的净举力，如何科学调整探空气球的净举力是一大重点，也是难点。目前来看，探空气球的正常上升速度为400 m/min左右，多通过人为因素调整和控制探空气球的净举力，以此确保净举力始终在科学范围内。若净举力大小合适，可以有效提高探空气球的球炸率，增加施放高度。经过长时间的研究与实践发现，探空气球在升空过程中，升速率不仅受到净举力大小的影响，也会受到空气密度、附加物重量、探空气球形状这三点因素的影响[5]。但有一点必须明确，在控制探空气球升速率的过程中，只有净举力是一种由人为力量可以控制的因素。因此，在探空气球的升空作业中，为确保和提高升空速度，工作人员要科学调控净举力。

2.3 跟踪气球时的“死位”问题及对策

在当前的雷达天线布设中，多是长期裸露安装，所以容易出现汇流环变脏的情况。在探空气球过顶雷达自动跟踪时的仰角达到90°以上时，若出现卡死或大风时手动抓球，继而导致仰角摇得过低，则势必导致天线“死位”，这样会直接影响到气象数据的探测。目前来看，在处理跟踪气球时的“死位”这一故障问题时，工作人员要熄灭电机驱动箱的E灯或A灯，并关闭电机驱动箱的开关，而后再迅速重新启动。通过这一操作，可以大大降低探空气球探测工作中出现误差的风险，对高空气象探测的有效开展意义重大。

2.4 雷达操作的天线抖动问题及对策

在目前高空气象探测作业中，雷达天线采用相控电扫微带平板的天线装置，若存在雷达开机速度过快，或开机过程中遇到电压不稳定的问题时，很容易出现天线抖动的问题。更为不利的是，若雷达操作中天线抖动问题长时间存在，则会影响电缆线的接触性能，且多会出现电缆线接触不良的问题，容易引发一系列的风险与故障。针对这一问题，需要从规范操作流程入手。具体来说，工作人员在开机时应先打开雷达助剂电源，而后再打开示波器和相关设备，最后才可以打开驱动箱的电源[6]。有一点至关重要，即必须确保主电源和驱动电源在开启时有一定的时间间隔，确保能够充分预热。通过一系列操作，电压可以处于稳定状态，不会由于电压不稳定导致雷达操作过程中出现天线抖动的问题，从而增强高空气象探测的有效性。

2.5 雷达斜距跟踪异常问题及对策

在高空气象探测作业中，雷达斜距跟踪异常的发生率较高，所造成的不利影响是较大的。具体来说，高空气象探测作业中，若出现雷达斜距显示异常或错误，同时经过手动调整无效时，则判断这一故障出现的原因可能是测风方式设置不当。对此，工作人员需要更改雷达型号之上的处理参数，即将“侧风方式”更改为“无斜距测风”选项。

2.6 计算机的故障问题及对策

高空气象探测作业过程中，配套使用的计算机容易受到多种不利因素的影响，从而引发风险或故障，导致高空气象探测的相关数据记录与分析工作无法有效完成。为最大限度地降低高空气象探测作业中计算机的故障风险，日常工作中要做好计算机常见故障的分析，在此基础上，制定行之有效的维护方案。在处理与维护高空气象探测工作中计算机的常见故障时，可以重点从3个方面入手：第一，由于计算机上网会存在垃圾文件自动下载的情况，容易导致注册表不堪重负，甚至出现停顿或误差的问题。因此，在实际处理时，应科学应用系统优化方法，以此有效清除注册表中的垃圾文件；第二，专门用于高空气象探测作业的计算机禁止安装非业务软件，避免增加计算机内存的消耗；第三，应按照要求在计算机上安装相关的杀毒软件，有利于防控病毒入侵、系统崩溃，以此确保计算机安全。除此之外，应健全高空气象探测作业中计算机安全使用的制度，明确规范工作人员的权责，保障计算机始终处于良好、安全的运行状态。

3 高空气象探测的发展与未来展望

高空气象探测在天气学的发展过程中始终占据着重要地位，可以精准地揭示高空气流与地面气压系统之间的关系，为天气预报提供精准的资料来源。从气候分析角度来说，借助高空气象探测手段，可以掌握大气中较多成分的状态和分布情况，比如可以精准地测定水汽的反馈过程，经过对流层上部探测和平流层的探测，便可以知晓水汽的分布与变化。但高空气象探测的不确定性较为突出，探测过程中容易受到多种不利因素的影响，若是观测系统受到影响或人为干预因素较多，则容易诱发误差，这对高空气象探测是不利的。

在近年来的高空气象探测技术发展过程中，L波段探空系统的性能不断得到优化，与之前所使用的59-701探空系统相比，应用优势显著。具体来说，L波段探空系统使用电子探空仪，探测过程中的数据垂直密度有所增加，能够提高数据的可靠性、精度。目前，L波段探空系统在高空气象探测中的效果较好，与日本的高空气象探测系统水平相媲美，甚至可以达到北美区域探空仪的水准，这一点值得肯定。

L波段探空仪和RS92的资料趋势虽然一致，但在探测精度方面却有一定的差距，有待后续进一步研究。在后续研究L波段探空仪时，应重点考虑2个方面问题：一是当前的地面系统是采用调幅体制，所以占用的频率会相对较宽；二是探空仪湿度探测的误差往往较大，当前国产的传感器精度还无法满足使用要求，并且一些重要的气压部件还过度依赖于进口，所以后续要在这一方面加大研究力度。为了有效提高高空气象探测的水平和质量，所选用的探空仪应具备高精度的特点，并且要做好温度传感器的辐射订正工作，气压侧高与雷达测高均需要按照规范要求进行。若条件允许，则必须结合实际情况配备地基GPS水汽监测系统。

在推进高空气象探测事业健康发展的过程中，应从预报与高空气象探测关系、探空体制设想、技术发展这3个方面入手。在预报与高空气象探测关系这一方面，要将以往“探测决定预报”的理念转变为“预报指引高空气象观测”，促使预报可以与高空气象探测更好地进行互动。为有针对性地改进高空气象探测系统，应考虑适当地进行加密探测试验，精准确定出高空气象探测对于数值预报的敏感区。

在探空体制设想这一方面，要重点完成L波段探空系统建设工作，应统一设备型号，稳定好高空气象探测业务，尤其是大力发展北斗的国产GNSS探空系统，以求更好地保障高空气象探测的安全性与稳定性[7]。在传感器的研究与应用方面，要依托当前已有的先进技术，不断提高传感器的探测精度，逐渐实现国产化。

在技术发展这个方面，移动观测、主动遥感技术均应该大力发展，包括风廓线雷达技术、激光雷达技术、主动星载雷达技术，移动观测应该成为今后高空气象探测的一大发展方向。除此之外，高空气象探测应该由以往的对流层逐渐朝着平流层发展。

4 结束语

基于高空气象探测技术的发展，当前在高空气象探测业务方面取得了良好的发展，但也存在一定的问题。针对高空气象探测作业中所存在的风险点和故障问题，应做好早期的预防工作，应用好高空气象探测质量控制方法，有效消除高空气象探测作业中所存在的风险，恶劣天气下的高空气象探测工作要确保安全性与有效性。