[科普中國(guó)]-高空探測(cè)

概念

高空探測(cè)是指測(cè)量近地面層以上大氣的物理、化學(xué)特性的方法和技術(shù)，又稱高空觀測(cè)。1

當(dāng)前我國(guó)氣象臺(tái)站所進(jìn)行的高空探測(cè)是指攜帶著無(wú)線電探空儀的探空氣球來(lái)探測(cè)大約30千米以下的各層大氣情況，并把這些氣象資料繪制各層的高空氣象圖。地面雷達(dá)接收探空儀發(fā)來(lái)的信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)處理，最后打印出各高度上的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的數(shù)值和曲線圖。2

內(nèi)容自由大氣的探測(cè)通稱高空氣象探測(cè)簡(jiǎn)稱高空觀測(cè)，又稱高空氣象學(xué)(Aerology)。

大氣是包圍在地球外表的物質(zhì)，整個(gè)大氣中所發(fā)生的各種物理現(xiàn)象和過(guò)程，都直接或間接地與人類活動(dòng)有著密切的關(guān)系，所以我們必須用各種儀器來(lái)了解，研究地球大氣的各種特性。高空氣象學(xué)是實(shí)驗(yàn)、研究自由大氣所發(fā)生的各種物理現(xiàn)象和過(guò)程的一門科學(xué)。主要有高空氣象探測(cè)方法(即各種儀器)的研究，高空大氣的風(fēng)、壓力、密度、溫度、濕度等隨高度的分布規(guī)律及隨緯度和季節(jié)的變化，云的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)及降水過(guò)程，冷暖鋒面，颮線，臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)高卒結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和研究。1

高空大氣的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速是研究大氣熱力和動(dòng)力過(guò)程、進(jìn)行天氣分析和預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)資料。獲得這些資料的途徑有氣球探測(cè)、火箭探測(cè)、地基遙感、衛(wèi)星遙感等手段。3

研究歷史高空探測(cè)從18世紀(jì)中期就有人開始嘗試了，先后采用風(fēng)箏探測(cè)，乘人氣球探測(cè)及系留氣球探測(cè)，但比較有系統(tǒng)地進(jìn)行探測(cè)是從19世紀(jì)70年代才開始的。1930年前蘇聯(lián)莫哈諾夫設(shè)計(jì)出了第一個(gè)無(wú)線電探空儀，以后無(wú)線電探空儀在高空氣象觀測(cè)中起了重要的作用，目前世界各國(guó)仍在繼續(xù)研究、發(fā)展和應(yīng)用無(wú)線電探空儀來(lái)探測(cè)40km以下大氣層的氣象要素分布，根據(jù)特殊觀測(cè)的需要可用飛機(jī)來(lái)進(jìn)行高空氣象探測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地基遙感技術(shù)也不斷地在高空氣象探測(cè)中得到應(yīng)用，氣象雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)已廣泛使用，對(duì)于30～150 km高空則采用氣象火箭探測(cè)。風(fēng)廓線儀已經(jīng)在歐美開始布局進(jìn)入業(yè)務(wù)試用階段，從20世紀(jì)末開始的氣象衛(wèi)星對(duì)大氣垂直剖面進(jìn)行遙感探測(cè)，更使高空探測(cè)進(jìn)入了一新的階段，為研究高空氣象變化，改善天氣預(yù)報(bào)提供了大量資料。

由于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)大多是海陸空軍諸兵種作戰(zhàn)，當(dāng)前飛機(jī)的活動(dòng)高度已達(dá)30000 m以上，而運(yùn)行高度更高的火箭，洲際導(dǎo)彈及核武器的出現(xiàn)使現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的立體性更加突出。這樣，除地面氣象要素對(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)的影響外，整個(gè)大氣層的溫度、濕度、氣壓和風(fēng)等高空氣象要素對(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)的影響也更加突出。1

高空探測(cè)是氣象基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，當(dāng)前我國(guó)氣象臺(tái)站所進(jìn)行的高空探測(cè)業(yè)務(wù)是指通過(guò)升空氣球攜帶儀器稱為探空儀，氣球在飛升的過(guò)程中，儀器能感應(yīng)出周圍環(huán)境中的氣壓，溫度，濕度。并以無(wú)線電信號(hào)方式發(fā)往地面。地面工作人員經(jīng)過(guò)計(jì)算整理，可得到測(cè)站上空氣象要素的垂直分布情況。以作為天氣預(yù)報(bào)，氣候分析，科學(xué)研究和國(guó)際交換等用。以后將會(huì)布局以地基遙感技術(shù)為基礎(chǔ)的高空氣象觀測(cè)站(如風(fēng)廓線儀等)。

氣球探測(cè)，主要是借助于氣球在空氣浮力的作用下上升來(lái)獲得不同高度上的風(fēng)向風(fēng)速，同時(shí)借助于所攜帶的氣象要素傳感器和無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)，來(lái)獲得大氣不同高度上的溫度、氣壓、濕度。長(zhǎng)期以來(lái)，已在全球形成了一個(gè)觀測(cè)規(guī)范、組織嚴(yán)密的高空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

高空氣象觀測(cè)是氣象工作的一個(gè)重要部分，它所測(cè)得的資料和情報(bào)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著密切的關(guān)系，如空軍飛行作戰(zhàn)，高炮發(fā)射，艦艇出航，火箭導(dǎo)彈的發(fā)射等等都需要高空氣象資料和情報(bào)來(lái)保障。高空氣象資料又是作好天氣預(yù)報(bào)的重要依據(jù)，用它來(lái)繪制供天氣預(yù)報(bào)用的各種高空?qǐng)D表，民航，人工影響天氣，防治大氣污染等，也需要高空氣象資料的保障。3

探測(cè)設(shè)備高空探測(cè)的必備設(shè)備主要有：探空儀的氣壓、溫度、濕度檢定設(shè)備，基值測(cè)定設(shè)備，訊號(hào)接收設(shè)備，檢查儀器用的儀表、計(jì)算工具及工作室、倉(cāng)庫(kù)、制氫、儲(chǔ)氫設(shè)備、正常消耗器材等。

常規(guī)高空儀器大體與常規(guī)地面儀器相同，但高空探測(cè)大多是綜合性的，故一般都以運(yùn)載工具不同進(jìn)行分類：

⑴無(wú)線電探空儀

無(wú)線電探空儀出現(xiàn)于三十年代，經(jīng)過(guò)二次世界大戰(zhàn)，已逐步形成全球的探空站網(wǎng)。實(shí)踐證明，它是獲取高空氣象資料的重要手段之一。即使氣象衛(wèi)星和地面遙感技術(shù)有了一定的發(fā)展，它仍以價(jià)格便宜、實(shí)用而在一定時(shí)期內(nèi)存在。探空高度為30km左右。

⑵氣象探測(cè)火箭

氣象探測(cè)火箭的發(fā)射高度介于氣球(30km)與氣象衛(wèi)星(150km)探測(cè)高度之間，因此目前世界上已有很多國(guó)家建立了氣象火箭網(wǎng)，并形成了國(guó)際協(xié)作氣象火箭探測(cè)網(wǎng)。

利用火箭可探測(cè)大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)(溫度、壓力、密度等)、大氣氣暉強(qiáng)度、太陽(yáng)光譜的X射線和紫外線、太陽(yáng)微粒輻射、宇宙線強(qiáng)度、電離層結(jié)構(gòu)，高層大氣物理和化學(xué)過(guò)程等。作為常規(guī)氣象火箭，主要探測(cè)項(xiàng)目是大氣溫度、密度和風(fēng)等要素。4

氣象火箭系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向

①建立布局合理的氣象火箭站網(wǎng)

由于氣象火箭網(wǎng)經(jīng)費(fèi)投資相當(dāng)高，不可能大量布站，因此需要國(guó)際間合作，以獲得全球范圍比較完整的資料。參加全球聯(lián)合氣象火箭網(wǎng)(CMRN)的有：美國(guó)空軍環(huán)境火箭探空系統(tǒng)(AFERSS)、美國(guó)海軍火箭探空站、加拿大火箭探空站，美國(guó)宇航局、美國(guó)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)性氣象火箭網(wǎng)(EXAMETNET)、蘇聯(lián)、英國(guó)及日本等。

②改進(jìn)探測(cè)方法，提高探測(cè)精度

氣象火箭發(fā)展歷史雖長(zhǎng)，但探測(cè)精度仍是一個(gè)重要的研究課題。世界氣象組織曾組織過(guò)多次對(duì)比試驗(yàn)，如1972年美、日、法在美國(guó)沃洛普斯島和1973年美、英、法、蘇在法屬查亞那作過(guò)對(duì)比試驗(yàn)。1977年8月，美、蘇又在沃洛普斯島利用“超洛凱”和“M一100”火箭進(jìn)行26次對(duì)比觀測(cè)。總的說(shuō)來(lái)，在40～50km以下，觀測(cè)結(jié)果比較接近。在此高度以上，風(fēng)速誤差可達(dá)10 m/s，溫度誤差可達(dá)20℃左右。

③研制小型化氣象火箭系統(tǒng)，減輕重量，降低成本，提高機(jī)動(dòng)能力。

④研制新型傳感器，增加新的大氣探測(cè)項(xiàng)目。例如，根據(jù)1976年夏季的中層大氣國(guó)際觀測(cè)計(jì)劃，除要求利用火箭觀測(cè)常規(guī)項(xiàng)目外，還要求對(duì)臭氧、氦的氧化物及其它成分在大氣中的光化學(xué)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。

(3)高空探測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

高空探測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由探空儀、地面接收站及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。目前由于全自動(dòng)化系統(tǒng)造價(jià)高、投資大，所以投入業(yè)務(wù)使用的還不多。隨著電子工業(yè)的發(fā)展將逐步降低這些設(shè)備造價(jià)，以達(dá)實(shí)用程度。此外還要發(fā)展新型的高空探測(cè)系統(tǒng)。在探空測(cè)風(fēng)體制上進(jìn)行研究和改進(jìn)，如利用導(dǎo)航測(cè)風(fēng)原理及其它遙感技術(shù)進(jìn)行探空測(cè)風(fēng)。4

(4)氣象衛(wèi)星

氣象衛(wèi)星在空中停留的時(shí)間長(zhǎng)、飛得高(150km以上)，能從上而下，對(duì)地球大氣層進(jìn)行遙感觀測(cè)，擴(kuò)大了觀測(cè)范圍。所以它是從空間進(jìn)行大氣遙感觀測(cè)的重要手段。

目前，世界上已形成一個(gè)由極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星組成的氣象衛(wèi)星全球觀測(cè)系統(tǒng)，它是世界天氣監(jiān)視(www)計(jì)劃的主要組成部分。從第一顆氣象衛(wèi)星誕生以來(lái)，各國(guó)的氣象衛(wèi)星從宅宙空間發(fā)回?cái)?shù)以百萬(wàn)計(jì)的云圖和各種氣象資料，在航空、航海、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研及軍事方面發(fā)揮了重要作用。這表明它是一種大氣探測(cè)的先進(jìn)工具。

在過(guò)去二十年，平均每六年左右發(fā)展一代，探測(cè)能力和資料傳輸能力都有重大發(fā)展。以極軌氣象衛(wèi)星為例，從第一代到二代、三代，衛(wèi)星的探測(cè)能力由只能以電視攝象方式獲取白天低分辨率云圖，發(fā)展到用掃描輻射儀獲取晝夜高、低分辨云圖和少量溫度垂直分布資料。目前可取得質(zhì)量更高，數(shù)量更多的高分辨率和低分辨率云圖及大氣的大量垂直結(jié)構(gòu)資料。衛(wèi)星的資料傳輸由模擬制發(fā)展到傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字制。整個(gè)氣象衛(wèi)星的功能，也由最初單純的觀測(cè)工具發(fā)展到可用來(lái)進(jìn)行氣象通信，兼有觀測(cè)和通信的雙重功能。

⑸導(dǎo)航測(cè)風(fēng)

導(dǎo)航測(cè)風(fēng)是六十年代興起的一種新型測(cè)風(fēng)方法。其原理是利用世界各地導(dǎo)航臺(tái)所發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)探空儀接收，并調(diào)制在發(fā)射機(jī)上，再發(fā)送出去，當(dāng)?shù)孛嬲窘邮盏教娇諆x發(fā)回的一系列導(dǎo)航信號(hào)后，借助于常用的雙曲線導(dǎo)航原理，便可確定探空儀的空間位置，并由此推算出高空的風(fēng)向和風(fēng)速。

導(dǎo)航測(cè)風(fēng)通常要在探空儀上裝接收機(jī)，接收至少3個(gè)導(dǎo)航臺(tái)的信號(hào)以進(jìn)行定位，并算出風(fēng)向、風(fēng)速。對(duì)海上測(cè)風(fēng)，在近海地區(qū)多采用精度較高的羅蘭一C系統(tǒng)，在遠(yuǎn)洋多采用Omega系統(tǒng)。目前已研制成導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的國(guó)家有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和芬蘭等。

導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向

①導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)一般都配有電子計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)探空測(cè)風(fēng)過(guò)程的自動(dòng)化。精度與雷達(dá)、無(wú)線電經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)基本差不多，但它省去了一套復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，特別是對(duì)在活動(dòng)平臺(tái)(如飛機(jī)、船舶)上測(cè)風(fēng)，大有好處，很有發(fā)展前途。

②導(dǎo)航測(cè)風(fēng)受電離層變化及大氣噪聲干擾影響比較大，因此有關(guān)電波傳播的某些問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究解決。

③目前導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)比無(wú)線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)、雷達(dá)與無(wú)線電探空儀系統(tǒng)造價(jià)貴。需降低成本和發(fā)展其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，才能達(dá)到實(shí)用的目的。4

探測(cè)步驟①所用探空儀在施放前若干天內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)的檢查和準(zhǔn)備，并對(duì)各感應(yīng)元件進(jìn)行靈敏度檢查(基點(diǎn)檢查)或檢定。

②在當(dāng)班的當(dāng)天或前一天準(zhǔn)備好足夠的氫氣，處理好球皮。對(duì)探空儀的發(fā)射機(jī)和電池進(jìn)行電路部分的檢查，并對(duì)探空儀再進(jìn)行一次檢查。

③施放前1小時(shí)，將準(zhǔn)備施放和備份的探空儀拿到百葉箱中感應(yīng)。

④施放前半小時(shí)進(jìn)行基值測(cè)定，同時(shí)調(diào)試好雷達(dá)，沖灌氣球，浸泡電池，裝配探空儀，試聽(tīng)訊號(hào)。施放前后5分鐘觀測(cè)地面要素。

⑤正點(diǎn)施放，接收訊號(hào)，并觀測(cè)跟蹤球影。

⑥整理計(jì)算記錄，編發(fā)電報(bào)。

⑦對(duì)觀測(cè)記錄進(jìn)行就地審核，并抄錄月報(bào)表。1

探測(cè)要求①要求視野開闊，四周障礙物(特別是當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)的下風(fēng)方)的仰角不超過(guò)5°。

②半徑20m范圍內(nèi)應(yīng)平坦，不種任何作物，半徑50m范圍內(nèi)不能有架空電線，高大建筑物、樹木等障礙物。

③附近不應(yīng)有無(wú)線電臺(tái)或使探空儀訊號(hào)受干擾的單位。

④通常是07、19時(shí)的綜合觀測(cè)和01、13時(shí)的單測(cè)風(fēng)。1

質(zhì)量要求高空探測(cè)的質(zhì)量要求主要有6項(xiàng)指標(biāo)：探空錯(cuò)情率≤7‰，測(cè)風(fēng)錯(cuò)情率≤5‰，探空高度≥25000m，探空球炸率≥920‰，人為重放球≤4次/站、年，雷達(dá)綜合測(cè)風(fēng)高度≥23000m；雷達(dá)單獨(dú)測(cè)風(fēng)高度≥18000m。3

影響高空探測(cè)是人類了解大自然、了解天氣變化的主要途徑，是氣象科學(xué)發(fā)展的基石。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越先進(jìn)的設(shè)備用在了高空質(zhì)量的探測(cè)之中，但是僅僅依靠高科技很難得到準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果，重放球以及丟球的失測(cè)、環(huán)境的影響都會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果有重要影響。所以，應(yīng)該在探測(cè)的"硬件實(shí)力"和"軟件實(shí)力"兩方面著手，只有掌握正確的探測(cè)方法才能從根本上提高高空探測(cè)質(zhì)量。5