大氣探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

劉柳，羅旦

摘要：大氣探測(cè)技術(shù)是以現(xiàn)代電力技術(shù)、物理學(xué)原理及信息技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，對(duì)大氣物理及大氣環(huán)境學(xué)科發(fā)展有重要意義，20世紀(jì)90年代基于各種平臺(tái)探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，極端天氣及環(huán)境探測(cè)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、改善、防災(zāi)減災(zāi)等工作做出巨大貢獻(xiàn)。本文就常用大氣探測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)研究大氣探測(cè)技術(shù)應(yīng)用及研究性進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：大氣探測(cè)技術(shù)；雷達(dá)技術(shù)；全天空云特性探測(cè)技術(shù)；大氣成分探測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)： P407；P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.16.058

隨著人類在大氣空間活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)空間環(huán)境了解需求日益迫切，大氣探測(cè)技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展。1949年以后我國中科院大氣物理研究所在大氣探測(cè)高技術(shù)等相關(guān)研究中取得許多重要研究成果，為大氣環(huán)境學(xué)科發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。本文就近年我國大氣環(huán)境科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)單回顧，重點(diǎn)介紹了常見的三種基礎(chǔ)大氣探測(cè)技術(shù)。

1 多參數(shù)氣象雷達(dá)技術(shù)

強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)常伴隨冰雹、暴雨、大風(fēng)及較強(qiáng)烈雷電，提高災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，對(duì)于預(yù)防天氣災(zāi)害，保證人們生命及財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義，氣象人員必須對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)物理過程及相互作用關(guān)系有較清晰認(rèn)識(shí)。高空氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)擔(dān)負(fù)著為日常生活中天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)考察提供及時(shí)、準(zhǔn)確基礎(chǔ)資料的功能。多參數(shù)雷達(dá)能對(duì)云和降水粒子相態(tài)變化情況及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)能力識(shí)別及觀測(cè)，為強(qiáng)對(duì)流天氣微物理結(jié)構(gòu)、降水等同步觀測(cè)提供技術(shù)支持。多參數(shù)氣象雷達(dá)技術(shù)包括X波段雙偏振多普勒氣象雷達(dá)技術(shù)、L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)等。

L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)由二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和數(shù)字探空儀配合使用，能對(duì)高空風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等要素通過雷達(dá)發(fā)出電磁波信號(hào)并接收到探空儀反饋回來信號(hào)再顯示到電腦軟件上探測(cè)分析，探測(cè)精度較高、采樣速率很快，使用方便。在實(shí)際使用過程中，首先打開雷達(dá)開關(guān)、總電源，對(duì)儀器做好放球前一系列準(zhǔn)備工作，然后運(yùn)行放球軟件等相關(guān)裝置，探測(cè)探空儀R0、T0，等待3min左右，將測(cè)量所得數(shù)值填入相應(yīng)位置。后開始基測(cè)工作，測(cè)定儀器U、T、P等值再根據(jù)基測(cè)結(jié)果判斷探空儀是否合格，儀器合格方可繼續(xù)使用。探空儀裝配完成后，將其掛在預(yù)定放球點(diǎn)，打開放球軟件相應(yīng)裝置，檢查探空曲線及示波器，全部正常后，調(diào)整增益及雷達(dá)工作頻率，后放球。放球后雷達(dá)、探空儀等裝置可能會(huì)出現(xiàn)問題，需工作人員加強(qiáng)對(duì)各儀器設(shè)備檢查維護(hù)，確保所有儀器都能正常工作，避免凹口消失、飛點(diǎn)等。

全國各地L波段雷達(dá)探空站相繼建立，形成一套完整的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，提高了對(duì)探空氣象要素業(yè)務(wù)觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性，保障業(yè)務(wù)質(zhì)量提高，同時(shí)對(duì)觀測(cè)信息空間及時(shí)間密度也有極大提高。實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)及集約自動(dòng)化，在天氣預(yù)報(bào)、人工作業(yè)影響天氣及對(duì)未來天氣預(yù)測(cè)等方面都發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2 全天空云特性探測(cè)技術(shù)

天空云量、云型等都是監(jiān)測(cè)天氣狀況重要參數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確獲取這些信息對(duì)氣象預(yù)報(bào)工作有重要意義，在實(shí)際工作中這些參數(shù)很難定量獲取，目前絕大多數(shù)氣象站都采用人工方法對(duì)云量觀測(cè)，為此國家相關(guān)單位就地基全天空自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)展開研制開發(fā)，如可見光全天空成像自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)、掃描式全天空熱紅外云相儀等都是高效全天空成像儀觀測(cè)系統(tǒng)。可見光全天空成像自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)主要依靠成像控制部分及遮擋太陽控制部分實(shí)現(xiàn)天空狀況拍攝及相關(guān)圖像數(shù)據(jù)獲取，系統(tǒng)最高拍攝頻次達(dá)30s/張，24bit全天空彩色圖像分辨率可達(dá)2272×1704。太陽跟蹤及遮擋部分有一圓形中密度濾光遮擋片，在相應(yīng)控制程序作用下，帶有遮擋片半圓桿隨機(jī)身上半部分及遮擋桿動(dòng)作轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤及遮擋太陽，日出時(shí)開始觀測(cè)，日落時(shí)則停止觀測(cè)。系統(tǒng)內(nèi)安裝有熱敏元件，確保儀器能適應(yīng)野外觀測(cè)環(huán)境。

云屬于熱紅外波段強(qiáng)發(fā)射體，具有很強(qiáng)的紅外輻射特性，不受時(shí)間限制，掃描式全天空熱紅外云像儀則通過對(duì)不同厚度云層紅外波段及天空紅外輻射強(qiáng)度分布情況分析云層分布情況、高度等相關(guān)信息。

3 大氣成分探測(cè)技術(shù)

大氣成分探測(cè)對(duì)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，大氣環(huán)境保護(hù)措施選擇等工作有重要意義，已成為當(dāng)前階段全球熱點(diǎn)科學(xué)問題。目前，研究應(yīng)用較多的有大氣臭氧柱總量和廓線探測(cè)、大氣中主要微量氣體成分探測(cè)、大氣生物氣溶膠探測(cè)等技術(shù)手段。

大氣臭氧是大氣科學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，GPS臭氧探空儀是我國自制的一種臭氧探測(cè)儀器，與芬蘭開發(fā)生產(chǎn)的Vaisala大氣臭氧探空儀相比，GPS臭氧探空儀在測(cè)量大氣中臭氧濃度隨高度變化情況與Vaisala的測(cè)量結(jié)果基本一致，二者測(cè)量數(shù)值存在差別，在10km以下及27km以上范圍內(nèi)，GPS臭氧探空儀測(cè)量數(shù)值偏高。

大氣中氣體成分復(fù)雜，其物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，分別發(fā)揮著不同作用，利用色譜分析、化學(xué)發(fā)光等手段對(duì)大氣氣體成分分析，可為氣體環(huán)境分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，我國已有許多氣象觀測(cè)站開始利用各種觀測(cè)設(shè)備對(duì)大氣中臭氧、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等成分監(jiān)測(cè)分析，對(duì)全面了解各區(qū)域空氣質(zhì)量情況及污染防治工作有重要意義。

4 結(jié)語

除上述三種大氣探測(cè)高技術(shù)外，實(shí)際工作過程中還有雷電探測(cè)及人工引發(fā)雷電技術(shù)、GPS大氣遙感技術(shù)、GPS海洋遙感技術(shù)、氣象探測(cè)無人機(jī)技術(shù)等各種技術(shù)手段，本文僅通過對(duì)上述三種常見大氣探測(cè)高技術(shù)討論分析，希望對(duì)大氣探測(cè)觀測(cè)站工作人員相關(guān)研究工作有所啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉柳，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：大氣探測(cè)。