宜賓高空站L波段雷達丟球分析研究

羅春麗，馬梅青，李健英

(1.四川省宜賓市氣象局，四川 宜賓 644000;2.四川省涼山州氣象局，四川 西昌 615000)

0 引言

宜賓站自2009年1月1日起啟動L波段雷達探測系統(tǒng)。由于地勢限制，L波段雷達架設(shè)在距地15 m的樓頂上，氣球施放瞬間雷達工作仰角達到-5.2°，易造成低仰角限位導(dǎo)致雷達自動跟蹤失敗。氣球施放后短時間內(nèi)從雷達天線上空正過頂時，該雷達因其仰角不能直接翻轉(zhuǎn)180°進行跟蹤，又受方位轉(zhuǎn)速的限制，也會造成目標(biāo)丟失。據(jù)統(tǒng)計，在實時探測過程中，由于雷達自動跟蹤失敗造成的高空探測資料缺失比例占2.1%～7.8%左右。如何獲得及時準(zhǔn)確的探測資料，特別是500 hPa氣象資料的精準(zhǔn)對天氣預(yù)報有著至關(guān)重要的作用，保證探空資料的完整性、準(zhǔn)確性已成為高空探測工作的重點。

1 L波段雷達丟球的原因

1.1 L波段雷達機械特性限制造成丟球

①仰角限位、方位限速丟球。其中仰角限位是因L波段二次測風(fēng)雷達其仰角被限制在-6°～92°之間，當(dāng)氣球施放瞬間雷達仰角<-6°或氣球過頂仰角>92°，雷達便無法自動跟蹤，致使數(shù)據(jù)缺測。方位限速丟球，由于雷達角速度限制，無法跟上過頂氣球的方位變化。

②雷達接收機模塊有問題引起接收的探測信號弱和其它突發(fā)雷達故障造成天線亂轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)等，致使的丟球問題。

1.2 受外部環(huán)境因素影響造成丟球

①第一分鐘氣球過頂。由于施放氣球地點選擇不當(dāng)，致使丟球缺測。

②受電磁環(huán)境影響，有外界強干擾信號，導(dǎo)致接受機接收錯誤信號，致使丟球。

2 臺站基本情況

宜賓高空站位于四川南部，海拔340.8 m，104°36′E，28°48′N，統(tǒng)計2009—2017年宜賓站使用L波段高空探測系統(tǒng)的資料，顯示該站地面瞬時風(fēng)盛行東北風(fēng)，其次是東風(fēng)，每年3—9月風(fēng)速較大。下圖為宜賓站多年地面風(fēng)向玫瑰圖。

宜賓站盛行東北風(fēng)，放球場地應(yīng)選在雷達安裝點的西南面為最佳，但是由于周邊環(huán)境的限制，達不到這樣的要求，經(jīng)過多方選址和論證，最后將放球場地定在距雷達90 m的東北偏東面(64°)，另在雷達東南偏東面(107°)設(shè)置了第二放球點，基本滿足L波段雷達測風(fēng)系統(tǒng)的要求。由于測站周圍遮擋物較多，還有地面觀測場風(fēng)桿等，為了滿足雷達天線的仰角跟蹤條件，雷達天線建在距地15 m高的樓頂上，雷達負(fù)仰角>6°。

圖1 宜賓氣象站2009—2017年地面風(fēng)向玫瑰圖Fig.1 Rose chart of surface wind direction from 2009 to 2017 at yibin meteorological station

3 宜賓站L波段雷達低空歷年丟球數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

統(tǒng)計歷年宜賓L波段雷達測風(fēng)失測資料，發(fā)現(xiàn)測風(fēng)低空失測原因主要有以下3種：①氣球施放后20 s左右，因雷達高仰角限位導(dǎo)致自動跟蹤失??；②氣球施放前雷達天線偏離目標(biāo)導(dǎo)致旁瓣跟蹤；③氣球施放瞬間雷達低仰角限位致使低空失測。各類測風(fēng)失測比例見表1。

4 宜賓站L波段雷達仰角限位丟球分析

仰角限位可分為高仰角限位和低仰角限位。

表1 2009—2017年宜賓高空站測風(fēng)低空失測統(tǒng)計Tab.1 Wind loss at low altitude measured at yibin upper air station during 2009—2017

高仰角限位，即雷達天線仰角>92°時，雷達天線出現(xiàn)限位。低仰角限位，即雷達天線仰角<-6°時，雷達天線出現(xiàn)限位。

4.1 高仰角限位丟球分析

從2010年1月27日19時球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)(如表2)可以看出24 s后，即仰角>92°，仰角、方位數(shù)據(jù)混亂，測風(fēng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了跳變現(xiàn)象，不符合雷達主瓣定向時仰角、方位角變化的特點。同時從風(fēng)隨高度的變化曲線數(shù)據(jù)圖(如圖2)可以看出該時次5 000 m以下的風(fēng)向、風(fēng)速跳變大且不連續(xù)。可見，此次低空測風(fēng)資料因雷達高仰角限位而缺測。

表2 高仰角限位時每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.2 Spherical coordinate data per second at high elevation limit

圖2 風(fēng)隨高度變化曲線Fig.2 Wind variation curve with height

4.2 低仰角限位丟球分析

低仰角限位，即雷達天線仰角<-6°時，雷達天線出現(xiàn)死位現(xiàn)象。表3(2014年4月13日07時的測風(fēng)數(shù)據(jù))的球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)中表明氣球施放后第1～11 s仰角讀數(shù)幾乎不變，第5 s方位有明顯的跳變現(xiàn)象，斜距及高度數(shù)據(jù)異常，量得風(fēng)層8.5分出現(xiàn)了39 m/s的大風(fēng)(表4)?？梢?，此次低空測風(fēng)資料因雷達低仰角限位而缺測。

表3 施放瞬間雷達低仰角限位Tab.3 Low elevation limit of the radar at the moment of casting

表4 2014年4月13日07時量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速異常Tab.4 Abnormal wind direction and speed in the wind layer

分析當(dāng)時次記錄發(fā)現(xiàn)，地面瞬時風(fēng)為西北風(fēng)，7 m/s，較大的風(fēng)速使氣球在空中擺動幅度大，造成雷達天線在氣球施放瞬間因仰角過低而限位。

5 氣球施放前雷達天線偏離目標(biāo)物丟球分析

此類情況多發(fā)生在雨霧天、冬季早晚探測時段，因能見度差，放球前在攝像頭畫面里看不到球影，此時若雷達天線偏離目標(biāo)物不易察覺。

例如2015年2月18日07時的球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)(表5)表明在氣球施放前雷達天線未對準(zhǔn)探空儀，仰角偏離角度為12.58°,方位偏離角度為6.52°，而值班員未能第一時間發(fā)現(xiàn)天線已偏離目標(biāo)物，氣球脫手后導(dǎo)致雷達旁瓣跟蹤。L波段雷達的水平、垂直波瓣寬度均不大于6°，目標(biāo)丟失后不易找回，旁瓣定向表現(xiàn)為高差報警，探空信號不清，仰角、方位數(shù)據(jù)無規(guī)律，量得風(fēng)層的風(fēng)向混亂，風(fēng)速時大時小，明顯看出雷達沒有跟蹤到目標(biāo)物，屬于丟球記錄。(詳見表6)。

表5 氣球施放瞬間雷達天線偏離放球點Tab.5 Radar antenna deviates from the ball release point at the instant of balloon release

表6 2015年2月18日07時量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速異常Tab.6 abnormal wind direction and speed in the wind layer

6 對策與建議

①高仰角限位丟球，根據(jù)宜賓探空站多年的經(jīng)驗，在保證正確選擇氣球施放點(即下風(fēng)方向)情況下，當(dāng)出現(xiàn)限位報警時，立即將天控自動開關(guān)轉(zhuǎn)換為手動，通過控制操作桿，讓“四條亮線”始終保持四條亮線平齊，待仰角<90°時，再將天控開關(guān)轉(zhuǎn)換為自動跟蹤狀態(tài)，從而保證氣球過頂時不出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

②低仰角限位丟球，多由于地面瞬時風(fēng)速過大導(dǎo)致。遇大風(fēng)天放球，應(yīng)使用大風(fēng)放球器，通過不斷的實驗和總結(jié)，宜賓站在使用大風(fēng)放球時，采用先手動后自動的方法避免由于仰角過低導(dǎo)致雷達限位，即氣球脫手后1～2 s時先通過手控盒上的操縱桿手動跟蹤氣球，等探空儀升到一定高度之后，立即將天控切換為“自動”狀態(tài)，實現(xiàn)雷達自動跟蹤。此方法不但能有效避免雷達因過低的仰角限位，也可使雷達天線少受磨損。宜賓站在地面風(fēng)速較大時多次采用此方法施放氣球，獲得了良好的效果。

③對于施放氣球前雷達天線已經(jīng)偏離目標(biāo)物的情況，需值班員要養(yǎng)成“眼快手慢”的習(xí)慣，“眼快”指隨時注意放球軟件的仰角、方位角顯示區(qū)，氣球施放前天控開關(guān)處于“自動”狀態(tài)時，雷達天線應(yīng)對準(zhǔn)探空儀，仰角、方位讀數(shù)有微小變化，但與放球點仰角、方位讀數(shù)差值很小，表明天線自動跟蹤目標(biāo)，可以施放氣球?！笆致敝阜徘蚯叭舭l(fā)現(xiàn)仰角、方位顯示區(qū)的讀數(shù)不是放球點的仰角、方位讀數(shù)，說明天線已經(jīng)偏離探空儀，此時切不可因慌亂而誤點了放球界面的“確定”按鈕造成旁瓣定向。應(yīng)取消“放球”功能，天控開關(guān)轉(zhuǎn)為“手動”，將天線重新?lián)u回放球點位置，調(diào)節(jié)雷達頻率，使四條亮線火柴頭飽滿，凹口清晰，確定天線能自動跟蹤后方可放球。

④在常規(guī)探測過程中，L波段雷達接收機均處于增益自動狀態(tài)，當(dāng)遇到丟球情況時，無論是何種原因?qū)е碌膩G球，都可以采用“增益手動”狀態(tài)下人工追蹤尋找氣球的方法。具體操作如下：當(dāng)發(fā)現(xiàn)丟球時，首先將“增益”開關(guān)打到手動狀態(tài)，并將增益值手動調(diào)整到95左右，讓信號接近飽和；示波器顯示為“四條亮線”的角度跟蹤顯示方式，通過控制操作桿，手動搖天線，當(dāng)觀察到示波器顯示四條亮線中有兩條亮線長度最長達到滿屏?xí)r，微搖天線，使天線向亮線短的方向轉(zhuǎn)動直到四條亮線長度均達到滿屏，立即將天控及增益開關(guān)切換為自動狀態(tài)，觀察頻率是否較小，四條亮線是否平齊，再用“天線扇掃”功能進行扇掃，此時如果仰角方位數(shù)據(jù)不再跳變，表明已經(jīng)找回目標(biāo)物，這時將探空亂點去掉，將斜距凹口對準(zhǔn)，高差不再報警。

7 結(jié)論

①宜賓探空站低空丟球主要原因是由于高仰角限位和施放氣球瞬間雷達偏離放球點導(dǎo)致的旁瓣跟蹤。

②宜賓站L波段雷達低仰角限位卡死現(xiàn)象，多由于地面瞬時風(fēng)速過大導(dǎo)致。

③據(jù)2009—2017年宜賓站探空資料統(tǒng)計，宜賓站地面瞬時風(fēng)多盛行東北風(fēng)，其次是東風(fēng)。宜賓站的放球場地應(yīng)選擇在L波段雷達架設(shè)點的西南面。