氣象探空觀測的技術(shù)發(fā)展與未來展望

曹曉鐘 夏元彩 羅皓文 劉立輝, 劉銀鋒 劉振宇 李欣 郭然 郭啟云

（1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 邢臺(tái)市氣象局，邢臺(tái) 054000）

0 引言

綜合氣象觀測是基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科交叉融合的獨(dú)立學(xué)科，處于大氣科學(xué)發(fā)展的前沿[1]，其數(shù)據(jù)是開展天氣預(yù)警預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測預(yù)估及氣象服務(wù)、科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是推動(dòng)氣象科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。常規(guī)高空氣象觀測（簡稱“氣象探空觀測”）是指采用氣球攜帶無線電探空儀以自由升空方式（或利用飛機(jī)、飛艇和火箭等各種新型技術(shù)載體平臺(tái)的方式）對(duì)大氣中各個(gè)高度的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素進(jìn)行直接接觸式探測。氣象探空觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分，可獲取地面至30 km高空的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素[2]，在數(shù)值預(yù)報(bào)、天氣分析、短時(shí)臨近潛勢預(yù)報(bào)、遙感設(shè)備比對(duì)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[3]。世界氣象組織（WMO）和全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）對(duì)氣象探空觀測的準(zhǔn)確度提出了更高要求，因此，各國不斷進(jìn)行新技術(shù)攻克與方法研究，以提高氣象探空觀測的準(zhǔn)確度及其資料質(zhì)量[4]。

1 氣象探空觀測發(fā)展歷程

1.1 氣象探空觀測歷史發(fā)展

1749年，英國氣象學(xué)家將溫度計(jì)捆綁在風(fēng)箏上進(jìn)行最低層大氣溫度的測量，這是氣象探空觀測最早開始的標(biāo)志。1783年，法國科學(xué)家研制出攜帶溫度、氣壓自記裝置的氫氣球，用以測定高空溫度和氣壓。1809年，英國科學(xué)家首創(chuàng)用測風(fēng)氣球探測高空風(fēng)。1928年，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了無線電探空儀，極大推動(dòng)了氣象探空觀測事業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)30年代，維薩拉發(fā)明了芬式無線電探空儀，探測高度達(dá)30～40 km，迅速在全世界推廣使用[5]。另外，飛機(jī)、火箭載體技術(shù)的成熟和應(yīng)用，特別是火箭探測的應(yīng)用使探空高度達(dá)到60 km以上[6]。

我國20世紀(jì)50年代以來，開始建設(shè)并形成氣象探空觀測網(wǎng)。初期探空儀全部依賴進(jìn)口，為改變這種局面，我國開始仿制生產(chǎn)原蘇聯(lián)49型探空儀，并于20世紀(jì)60年代完成了國產(chǎn)59型機(jī)械式探空儀生產(chǎn)定型，實(shí)現(xiàn)了探空儀國產(chǎn)化。59型機(jī)械式探空儀-701二次測風(fēng)雷達(dá)探空系統(tǒng)（簡稱59-701探空系統(tǒng)）作為主力探測設(shè)備在我國的氣象探空觀測中發(fā)揮了重要的作用，一直延續(xù)使用到2009年[7]。20世紀(jì)末，中國氣象局啟動(dòng)了新型氣象探空雷達(dá)的研制；2001年，L波段二次測風(fēng)雷達(dá)-GTS1型電子探空儀系統(tǒng)（簡稱L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)）研制成功并定型列裝，隨后中國氣象局逐步開始探空站的L波段探空系統(tǒng)升級(jí)，至2010年，完成了全國120個(gè)探空站設(shè)備的更新?lián)Q代[8]。

1.2 氣象探空觀測技術(shù)發(fā)展

隨著技術(shù)的發(fā)展，氣象探空觀測先后經(jīng)歷了無線電經(jīng)緯儀、雷達(dá)、導(dǎo)航等不同技術(shù)體制的發(fā)展。無線電經(jīng)緯儀用無線電定向技術(shù)跟蹤并接收無線電探空儀信號(hào)，測量探空儀升空期間隨時(shí)間變化的方位、仰角，并配合測高方法測量高空風(fēng)向風(fēng)速。雷達(dá)測風(fēng)精度明顯高于無線電經(jīng)緯儀，但雷達(dá)需要大功率發(fā)射機(jī)，因而地面設(shè)備的投資較大。我國目前業(yè)務(wù)在用的L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)在雷達(dá)低仰角情況下，測風(fēng)誤差顯著增大，不滿足氣候觀測需求[9]。衛(wèi)星導(dǎo)航定位探空系統(tǒng)因其定位準(zhǔn)確、測風(fēng)準(zhǔn)確度高等優(yōu)越性凸顯，特別是地面設(shè)備簡單，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)化程度高，可以大幅度地減少地面設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)費(fèi)，逐漸成為探空主流[10]。2010年WMO高性能探空儀國際比對(duì)試驗(yàn)以后，GPS導(dǎo)航測風(fēng)探空儀得到了迅速推廣，美國和歐洲的雷達(dá)、無線電經(jīng)緯儀及羅蘭-C等探空系統(tǒng)逐步被GPS導(dǎo)航測風(fēng)探空系統(tǒng)替代。我國近年也成功研制了北斗/GPS聯(lián)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并通過技術(shù)鑒定[11]。目前，正在進(jìn)行臺(tái)站業(yè)務(wù)試運(yùn)行，試驗(yàn)成功后可替代L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)，以提高我國的探空觀測水平[12]。

1.3 氣象探空觀測站網(wǎng)布局

目前，WMO將全球探空站主要分為3類：全球資料交換探空站（818個(gè)）、GCOS探空站（177個(gè)）與國內(nèi)探空站。全球高空探測的站網(wǎng)布局見圖1。為彌補(bǔ)探空站網(wǎng)長期穩(wěn)定的空間不足，歐洲加強(qiáng)了商用飛機(jī)觀測系（AMDAR）的應(yīng)用開發(fā)，美國發(fā)展衛(wèi)星掩星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大氣垂直廓線觀測系統(tǒng)建設(shè)[13]。

圖1 全球探空站網(wǎng)布局Fig.1 The layout of global sounding station network

我國現(xiàn)有氣象探空站120個(gè)（不含港臺(tái)），站網(wǎng)布局如圖2所示，承擔(dān)全球資料交換任務(wù)的有89個(gè)站，含7個(gè)GUAN（全球氣候觀測網(wǎng)）站和1個(gè)GRUAN（全球基準(zhǔn)氣候觀測網(wǎng)）站。還有3套自動(dòng)探空系統(tǒng)自2014年開始一直在西藏那曲、申扎和改則進(jìn)行青藏高原科考試驗(yàn)服務(wù)。我國整體站網(wǎng)呈現(xiàn)“東密西疏”的布局，整體站網(wǎng)間距在300 km左右，存在觀測空白區(qū)。在探空資料拓展方面，AMDAR、掩星的建設(shè)和研究均處于起步階段。我國與美國、德國的常規(guī)氣象探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對(duì)比如表1所示。

圖2 中國探空業(yè)務(wù)站網(wǎng)布局Fig.2 The layout of China’s operational sounding station network

表1 常規(guī)探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對(duì)比Table 1 The comparison of the current situation of conventional operational sounding layout

2 氣象探空觀測設(shè)備

2.1 載體平臺(tái)

2.1.1 氣球

氣球按照是否密閉及內(nèi)部壓力的不同，可以分為零壓氣球和超壓氣球兩大類。零壓氣球是最常見的自由氣球，從20世紀(jì)初一直使用至今，采用“自然形”的外形設(shè)計(jì)，外皮選用耐低溫聚乙烯薄膜。超壓氣球是一種新型的氣球，與零壓氣球的開放式結(jié)構(gòu)不同，采用耐高壓的薄膜材料以及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，球體封閉。超壓氣球是科學(xué)氣球研究的熱點(diǎn)，按照囊體的個(gè)數(shù)可以分為一元和二元兩大類，一元超壓氣球的目標(biāo)是中低緯度長航時(shí)飛行（ULDB），二元超壓氣球的目標(biāo)是長航時(shí)區(qū)域駐留及組網(wǎng)區(qū)域覆蓋（project loon）。從平飛高度的外觀形態(tài)上，可以輕易區(qū)分零壓氣球和超壓氣球，如圖3所示，零壓氣球呈水滴自然型，而超壓氣球外形則與南瓜類似。另外，零壓氣球下部明顯有數(shù)條排氣管道與大氣相通，而超壓氣球是密閉的[14]。

圖3 超壓氣球和零壓氣球的飛行高度對(duì)比Fig.3 The comparison of flight height between overpressure balloons and zero pressure balloons

現(xiàn)有的氣象探空觀測采用氣球單程升空方式，升空至28 km左右高度，氣球爆炸，探空截止。所采用的氣球是零壓氣球，采用乳膠制成。按照球的重量區(qū)分型號(hào)，有測風(fēng)和探空氣球兩種，測風(fēng)氣球通常為20 g或30 g，探空氣球根據(jù)不同探測高度的需要，可采用300 g、750 g、1600 g、2000 g等，氣球質(zhì)量越大，施放的高度越高[15]。

2.1.2 飛機(jī)

有人駕駛飛機(jī)一直是下投探空的主要平臺(tái)，如美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的飛機(jī)運(yùn)行中心，主要任務(wù)之一就是為熱帶颶風(fēng)研究進(jìn)行飛機(jī)下投探空探測。美國空軍的“颶風(fēng)獵人”飛行中隊(duì)，使用多架WC-130大力神飛機(jī)進(jìn)行氣象偵察活動(dòng)，主要任務(wù)就是對(duì)大西洋和西太平洋上生成的熱帶氣旋和臺(tái)風(fēng)進(jìn)行下投探空探測[16]。

21世紀(jì)以來，無人駕駛飛機(jī)成為臺(tái)風(fēng)探測的新平臺(tái)，如全球鷹（Global Hawk）是美國軍方使用的一種無人駕駛飛機(jī)，其飛行速度750 km/h，續(xù)航時(shí)間為30 h，飛行高度達(dá)20 km，無論從飛行高度還是續(xù)航時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用于臺(tái)風(fēng)探測的有人飛機(jī)。2020年8月，中國氣象局聯(lián)合多家單位利用高空大型無人機(jī)翼龍-10，首次對(duì)臺(tái)風(fēng)森拉克外圍云系開展了精細(xì)探測。翼龍-10無人機(jī)機(jī)身長度9 m，翼展17.8 m，巡航速度550 km/h，續(xù)航時(shí)間6 h。翼龍-10無人機(jī)攜帶了吊艙式下投探空系統(tǒng)和毫米波測云雷達(dá)，其中吊艙式下投探空系統(tǒng)可以機(jī)動(dòng)、高效地對(duì)指定地區(qū)的大氣環(huán)境進(jìn)行高分辨率探測監(jiān)測，以獲取航行探測范圍內(nèi)垂直高度的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣參數(shù)的垂直廓線，為研究氣候變化、氣象科學(xué)及極端天氣（如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等）提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高空間分辨率的氣象信息作為支撐[17]。

2.1.3 降落傘

降落傘主要作為下投探空儀的載體，攜帶其在下降過程中進(jìn)行探測，同時(shí)也可作為測風(fēng)的示蹤物，通過測量下降過程中傘物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度或軌跡進(jìn)行風(fēng)場測量。與氣球勻速運(yùn)動(dòng)不同，降落傘在垂直方向上存在加速度，一般下降速度隨高度降低而變小。因此，降落傘在水平方向的運(yùn)動(dòng)不能認(rèn)為僅是風(fēng)造成的，特別是在下降初始階段。用于下投探空的降落傘應(yīng)能盡快消除初始階段自由落體形成的加速度和從載體中拋出時(shí)的初始速度，使其盡快達(dá)到平衡。常見的降落傘有圓形、錐形、十字形（如圖4）[18]。機(jī)載下投多采用沖壓式立方錐形降落傘，通過充氣，可保持降落傘的外形基本穩(wěn)定，其阻力系數(shù)也基本保持不變，探空儀的擺動(dòng)幅度較小，而圓形傘和十字傘則有較大的擺角。

圖4 常見降落傘示意圖Fig.4 The schematic diagram of commonly-used parachutes

2.1.4 飛艇

20世紀(jì)80年代美國開始研制飛艇，日本、英國、德國等國家也開展了大量的飛艇技術(shù)攻關(guān)。自“十五”計(jì)劃以來，我國多家單位啟動(dòng)了飛艇的研究工作。其中，北京航空航天大學(xué)研制的飛艇可以在19～20 km高度駐空飛30天以上，巡航空速設(shè)計(jì)為25 m/s，目前已完成3天的飛艇關(guān)鍵技術(shù)試飛試驗(yàn)和探空儀投放試驗(yàn)。飛艇利用空氣浮力攜帶大載重的載荷，可長時(shí)間駐留在空中，其工作流程如圖5所示。中國工程院分別對(duì)衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機(jī)按照部署靈活性、續(xù)航時(shí)間、飛行高度、效費(fèi)比等九個(gè)方面進(jìn)行比較，根據(jù)圖6可以看出，平流層飛艇具有持久留空、廣域感知、動(dòng)態(tài)跟蹤、精準(zhǔn)干預(yù)的主要特點(diǎn)，與無人機(jī)、衛(wèi)星相比，平流層飛艇在載荷應(yīng)用、區(qū)域駐留、效費(fèi)比等方面有無法替換的優(yōu)勢。同時(shí)，飛艇駐空觀測可以有效彌補(bǔ)地面觀測與航天觀測中飛行高度、部署靈活性等方面的問題 。未來可實(shí)現(xiàn)類似于GEO衛(wèi)星的固定區(qū)域長時(shí)“凝視”，可以用來探測臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害天氣的形成、生長、消亡過程，也可以部署在氣象觀測站少、自然條件惡劣的地區(qū)[19]。

圖5 平流層飛艇工作原理圖Fig.5 Schematic diagram for stratospheric airships

圖6 平流層飛艇與無人機(jī)、衛(wèi)星的對(duì)比Fig.6 Stratospheric airships versus drones and satellites

2.1.5 火箭

火箭攜帶探空儀快速升空，在彈道頂點(diǎn)附近與探空儀分離，分離后的探空儀在降落傘的控制下平穩(wěn)下降，下降過程中探空儀實(shí)時(shí)測量大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)等氣象信息，其具有探測快速，探測位置和方向可控的優(yōu)點(diǎn)（圖7）。

圖7 探空火箭組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition and internal structure of rocket sounding

目前，火箭在氣象上主要應(yīng)用于海洋低空探測、人工影響天氣作業(yè)、鄰近空間探測等方面（圖8）。其中，海洋低空探測火箭高度一般為1.5 km，主要測量溫度、濕度、氣壓等氣象要素，獲取大氣波導(dǎo)信息；人工影響天氣領(lǐng)域中火箭探測高度一般為8 km，主要測量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向，用于人工影響天氣作業(yè)區(qū)域降雨條件及作業(yè)后效果的評(píng)估；鄰近空間探測火箭射高一般為70 km左右，測量20～60 km高度的溫度、風(fēng)，并計(jì)算出氣壓和空氣密度[20]。

圖8 探空火箭探測工作示意圖Fig.8 Schematic diagram of sounding rocket detection

2.2 探空儀

2.2.1 常規(guī)探空儀

探空儀由傳感器、采集處理電路、通訊系統(tǒng)等組成，其中傳感器是探空儀最主要的部件，直接決定著探空測量的精度。傳感器又可分為機(jī)械式傳感器和電子傳感器。與電子傳感器相比，機(jī)械式傳感器探測精度較低，滯后系數(shù)較大。WMO通過8次探空儀國際比對(duì)試驗(yàn)，逐步推動(dòng)探空儀傳感器由機(jī)械向電子轉(zhuǎn)變[21]。

GPS探空系統(tǒng)試驗(yàn)工作的開展推動(dòng)我國傳感器技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展階段，研制出的珠狀溫度傳感器減小了傳感器體積和反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，濕敏電容濕度傳感器提高了反應(yīng)速度，硅壓阻氣壓傳感器提高了氣壓探測準(zhǔn)確性，探空儀傳感器的對(duì)比如表2。在WMO陽江第8屆國際高精度探空儀比對(duì)試驗(yàn)中，CIMO組成了比對(duì)數(shù)據(jù)處理評(píng)估專家組，對(duì)各參試探空儀獲取觀測數(shù)據(jù)利用RSKOMP標(biāo)準(zhǔn)分析軟件進(jìn)行了分析處理，我國L波段GTS1-2型電子探空儀及兩個(gè)國產(chǎn)GPS探空儀參加了比對(duì)。陽江國際比對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)各參試探空儀得分情況，WMO最終評(píng)估報(bào)告結(jié)果如表3所示，我國參加比對(duì)的三個(gè)廠家溫度測量結(jié)果較好，其中一家GPS溫度測量精度可滿足GCOS水平的要求；另外一廠GPS的氣壓、位勢高度可滿足常規(guī)業(yè)務(wù)需求，測風(fēng)可滿足GCOS要求，總體效果優(yōu)于日本和韓國[22,23]。

表2 探空儀傳感器的對(duì)比Table 2 The comparison of radiosonde sensors

表3 WMO最終評(píng)估報(bào)告結(jié)果Table 3 WMO final evaluation report results

根據(jù)WMO第8次國際探空儀比對(duì)報(bào)告建議，我國業(yè)務(wù)在用的探空儀已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)需求。因此，中國氣象局自2010年針對(duì)業(yè)務(wù)探空儀進(jìn)行了全面技術(shù)改進(jìn)和試驗(yàn)定型[24]，并于2020年1月正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。GRAPES背景場評(píng)估表明，2020年1—3月全國探空站質(zhì)量有所提升，其中位勢高度（氣壓、溫度和濕度的綜合體現(xiàn)）平均偏差絕對(duì)值由11.2 gpm降為5.8 gpm，GTS11、GTS12、GTS13探空儀溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別減小了0.2 ℃、0.06 ℃、0.04 ℃，說明改進(jìn)型探空儀相對(duì)原來的探空儀，探測誤差明顯降低，整體探空觀測質(zhì)量得到提升[25]。

2.2.2 特種探空儀

在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的目的（如測定臭氧、大氣電場等）派生出了各種特殊用途的探空儀。

臭氧探空儀是在常規(guī)測量溫度、濕度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速探空儀的基礎(chǔ)上增加了臭氧傳感器。目前的臭氧傳感器通常采用化學(xué)反應(yīng)方法，利用臭氧與碘化鉀反應(yīng)生成自由碘的原理進(jìn)行探測，這種傳感器的誤差接近±5%，探測高度可達(dá)15 hPa等壓面以上。當(dāng)前國產(chǎn)臭氧探空儀已通過與美國iMet GPS探空儀附加ECC臭氧傳感器的臭氧探空儀比對(duì)試驗(yàn)，證明國產(chǎn)探空儀的測量性能良好，已在北京、南京、重慶、清遠(yuǎn)、杭州等探空站投入到臭氧探空試驗(yàn)中應(yīng)用[26]。

大氣電場探空儀則是在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上增加了電場傳感器。電場傳感器通常采用旋轉(zhuǎn)片式，測量范圍為±3kV，與大氣的實(shí)際電場強(qiáng)度相匹配。目前，中國科學(xué)院正在研制由半導(dǎo)體硅片制作的電場傳感器，體積很小，可作為一個(gè)測量元件直接安裝在常規(guī)探空儀上，這種傳感器目前已通過了技術(shù)鑒定[27]。

2.3 地面設(shè)備

2.3.1 制氫設(shè)施

為滿足高空氣象探測的用氫需求，我國研制了QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備（圖9），通過遠(yuǎn)程控制可自動(dòng)、安全、高效、快捷地制取高純度氫氣。QDQ2-1A自動(dòng)電解水制氫設(shè)備主要由制氫機(jī)、控制裝置、儲(chǔ)氫罐三部分組成，包括自動(dòng)制水、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、氫氣泄露報(bào)警、開機(jī)制氫參數(shù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)、上位機(jī)遠(yuǎn)程操控制氫設(shè)備等功能。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一鍵開機(jī)后的全部操作自動(dòng)化，能有效減輕臺(tái)站工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障基層高空臺(tái)站涉氫業(yè)務(wù)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，QDQ2-1A自動(dòng)電解水制氫設(shè)備已經(jīng)獲得中國氣象局裝備，并逐步投入業(yè)務(wù)使用[28]。

圖9 QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備Fig.9 The Qdq2-1a automatic water electrolysis hydrogen production equipment

2.3.2 基測設(shè)備

電子探空儀基測箱是探空業(yè)務(wù)主要配套保障設(shè)備，用于L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航探空系統(tǒng)電子探空儀基值測定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是為探空儀施放前進(jìn)行溫度、濕度、氣壓基點(diǎn)準(zhǔn)確度比對(duì)提供綜合測試的儀器，可為基點(diǎn)比對(duì)提供溫度、相對(duì)濕度、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和穩(wěn)定的溫度、濕度比對(duì)環(huán)境?；鶞y箱主要由標(biāo)準(zhǔn)器單元、濕度環(huán)境產(chǎn)生單元、測量顯示單元、檢測室（包含通風(fēng)器）、數(shù)據(jù)傳輸單元、探空儀供電電源和機(jī)箱等組成。目前我國業(yè)務(wù)在用的主要有JKZ1-1型、JKZ3-1型、TD2A型基測箱[29]（圖10）。

圖10 JKZ1-1型基測箱（a）、TD2A型基測箱（b）Fig.10 Test box of sounding of JKZ1-1（a）、Test box of sounding of TD2A (b)

2.3.3 接收系統(tǒng)

2.3.3.1 L波段二次測風(fēng)雷達(dá)

L波段二次測風(fēng)雷達(dá)是我國業(yè)務(wù)在用的高空探測系統(tǒng)地面接收設(shè)備（圖11），主要用于放大、解調(diào)探空儀發(fā)回的應(yīng)答信號(hào)和探空信號(hào)。雷達(dá)將接收到的應(yīng)答信號(hào)從高頻變成視頻，送給測距系統(tǒng)，以完成距離測定，同時(shí)送給顯示分系統(tǒng)，供雷達(dá)操作員觀測。此外，還將探空信號(hào)從高頻變換成視頻，再解調(diào)出數(shù)字探空碼送給數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)，完成探空碼的錄取、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及打印輸出；同時(shí)將天線波瓣掃描所形成的測角誤差信號(hào)解調(diào)出來，提供給天控分系統(tǒng)，完成雷達(dá)天線對(duì)探空儀的跟蹤[30]。

圖11 L波段二次測風(fēng)雷達(dá)Fig.11 L-band secondary wind radar

2.3.3.2 衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)

衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)是目前國際主流先進(jìn)探空系統(tǒng)接收設(shè)備（圖12）。目前，我國最新研制的多通道衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)是新一代高空氣象探測體系的重要組成部分，用于完成新型衛(wèi)星導(dǎo)航探空儀的數(shù)據(jù)接收。該設(shè)備采用P波段（400.15～406 MHz）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有8個(gè)通道，最大通信距離大于200 km，既可在普通探空模式下應(yīng)用，又可以實(shí)現(xiàn)多探空儀的平漂和下降段數(shù)據(jù)接收，即多通道并行高空觀測數(shù)據(jù)接收。通過組網(wǎng)可最大程度降低遠(yuǎn)距離、低仰角造成的信號(hào)遮擋數(shù)據(jù)丟失，提高頻率使用效率，滿足探空儀信號(hào)跨區(qū)接收識(shí)別，可以最大化提升探空網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力[31]。該設(shè)備于2018年開始在長江中下游開展了大量的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，在海南永興島、三亞進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、圓滿完成試驗(yàn)任務(wù)，其工作機(jī)制、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性均得到了良好的驗(yàn)證。

圖12 衛(wèi)星導(dǎo)航探空接收機(jī)Fig.12 Satellite navigation radiosonde receiver

2.4 氣象探空自動(dòng)化設(shè)備

2.4.1 自動(dòng)探空系統(tǒng)

目前，自動(dòng)探空系統(tǒng)主要有芬蘭VAISALA公司的ASAP型、法國MODEM公司的ARL-9000型、日本MEISEI公司的ARS型等三種型號(hào)，被廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達(dá)國家，其中ASAP型的應(yīng)用最為普遍。當(dāng)前全球資料交換站中已經(jīng)有超過60個(gè)自動(dòng)探空站，并逐年遞增，為此，WMO/CIMO也提出了應(yīng)對(duì)自動(dòng)探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)化后帶來的觀測資料變化分析的技術(shù)任務(wù)[32]。

我國自主研制的自動(dòng)探空系統(tǒng)已于2011年研制成功，到目前經(jīng)歷了兩代技術(shù)發(fā)展，最新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)探空儀遠(yuǎn)程控制和無人控制條件下連續(xù)（最多60個(gè)）探空儀自動(dòng)準(zhǔn)備、氣球自動(dòng)充灌、探空儀自動(dòng)施放和探空數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取，可通過地面風(fēng)向風(fēng)速自動(dòng)采集，可以控制放球筒頂蓋的開啟方向，突破了國外無法大風(fēng)放球的技術(shù)瓶頸，完成了能夠抵抗20 m/s天氣下進(jìn)行放球的技術(shù)設(shè)計(jì)，在八級(jí)大風(fēng)條件下實(shí)施自動(dòng)放球，是該領(lǐng)域世界領(lǐng)先產(chǎn)品[33]。

2.4.2 自動(dòng)放球系統(tǒng)

自動(dòng)放球系統(tǒng)是用于探空站自動(dòng)實(shí)施放球的裝置，是氣象探空觀測的輔助系統(tǒng)。我國的自動(dòng)放球系統(tǒng)與自動(dòng)探空系統(tǒng)同時(shí)研制成功，可與測風(fēng)雷達(dá)或其它探空測風(fēng)設(shè)備配合，自動(dòng)實(shí)施完成氣象探空的放球工作，其自動(dòng)充氣、探空儀自動(dòng)施放的可用性能夠滿足業(yè)務(wù)使用要求，試驗(yàn)期間業(yè)務(wù)適用性、業(yè)務(wù)穩(wěn)定性較好。目前，我國有40部自動(dòng)放球系統(tǒng)已投入業(yè)務(wù)，與L波段二次測風(fēng)雷達(dá)配套應(yīng)用[34]。

3 氣象探空觀測數(shù)據(jù)處理

在探空觀測資料處理及應(yīng)用方面，歐美等發(fā)達(dá)國家朝著更加精細(xì)化方向發(fā)展，在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、質(zhì)量評(píng)估、交叉檢驗(yàn)方面均有進(jìn)展。當(dāng)前我國氣象探空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制仍主要依托于人工，在精細(xì)化探空資料處理應(yīng)用和檢驗(yàn)方面存在較大差距[35]（圖13）。

圖13 我國自動(dòng)探空系統(tǒng)和自動(dòng)放球系統(tǒng)Fig.13 The automatic sounding system and automatic ball release system of China

3.1 傳感器測量修正

影響探空儀溫度測量的誤差源主要包括探空儀自身的誤差和外界環(huán)境輻射、熱交換引起的誤差。熱敏電阻溫度傳感器短波反射率大于93%，長波吸收率超過90%，在沒有進(jìn)行輻射誤差訂正的情況下，高空溫度測量能造成大約3 K的偏差。2011年，中國氣象局對(duì)氣象探空溫度測量輻射訂正算法進(jìn)行了改進(jìn)，利用傳感器的橫截面積、質(zhì)量、比熱及太陽高度角和背景輻射等參數(shù)建立訂正模型，提出了溫度傳感器訂正方程，使溫度輻射誤差減小了1/3。利用研制的輻射訂正模型對(duì)GTS11型探空儀進(jìn)行溫度輻射訂正，2013年11月5日14時(shí)的訂正個(gè)例如圖14所示，訂正后的溫度輻射誤差明顯減小近一半[36]。

圖14 輻射訂正前的溫度偏差（a）和輻射訂正后的溫度偏差（b）Fig.14 (a) The temperature bias before radiation correction;(b) the temperature bias after radiation correction

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

歐美等發(fā)達(dá)國家常規(guī)探空通過設(shè)備段、臺(tái)站段、站網(wǎng)段相結(jié)合的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制方法，建立了完善的分級(jí)質(zhì)量控制體系，而我國臺(tái)站級(jí)質(zhì)量控制自動(dòng)化程度不高，省級(jí)和國家級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量評(píng)估體系尚不完善[37]，如表4所示。在現(xiàn)有探空質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過細(xì)致分析我國往返式智能探空觀測資料的特點(diǎn)，建立了往返式智能探空質(zhì)量控制流程（圖15）。該流程精減了現(xiàn)有質(zhì)量控制流程，并將部分質(zhì)量控制下沉至芯片端，推進(jìn)了我國探空質(zhì)量控制模式改進(jìn)[38]。

圖15 往返式智能探空系統(tǒng)質(zhì)量控制流程Fig.15 The quality control process of the return sounding system

表4 探空觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制現(xiàn)狀對(duì)比Table 4 The comparison of quality control status of sounding observation data

3.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成

氣象探空提供的高分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠更加細(xì)致地描述大氣溫、濕、壓、風(fēng)的垂直分布，對(duì)天氣系統(tǒng)的反映更清晰準(zhǔn)確，通過探空分析大氣的層結(jié)狀況，對(duì)暴雨、強(qiáng)對(duì)流、大霧、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)至關(guān)重要。探空產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化進(jìn)行監(jiān)測，為天氣預(yù)報(bào)提供強(qiáng)有力支持[39]。目前，我國的氣象探空觀測產(chǎn)品主要包括單站產(chǎn)品、多站產(chǎn)品和全國產(chǎn)品[40]。單站產(chǎn)品主要包括：溫度對(duì)數(shù)壓力圖、溫濕曲線、水平風(fēng)垂直剖面、對(duì)流層頂高度、零度層高度、抬升凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度、平衡高度等。多站產(chǎn)品主要包括：溫度曲線對(duì)比、濕度曲線對(duì)比、風(fēng)垂直剖面對(duì)比、對(duì)流層頂高度對(duì)比、零度層對(duì)比、抬升凝結(jié)高度對(duì)比、自由對(duì)流高度對(duì)比、平衡高度對(duì)比等。全國產(chǎn)品主要包括：等壓面產(chǎn)品、云產(chǎn)品、逆溫層分布、對(duì)流層頂分布、溫度平流、比濕、散度、零度層分布、A指數(shù)、K指數(shù)、山崎指數(shù)、沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)、總指數(shù)、強(qiáng)天氣威脅指數(shù)、垂直風(fēng)切變指數(shù)等。

3.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

歐、美、日等在探空資料精細(xì)化評(píng)估、應(yīng)用以及與其他觀測系統(tǒng)交叉檢驗(yàn)校準(zhǔn)方面取得了顯著的進(jìn)展。日本氣象廳（JMA）以其全球預(yù)報(bào)模式（JMA Global Model）初猜場為基準(zhǔn)，定期發(fā)布月報(bào)告和半年報(bào)告，報(bào)告中包括生成低質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的可疑臺(tái)站綜合清單；歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）以全球預(yù)報(bào)模式為基準(zhǔn)，每月發(fā)布EC全球數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測評(píng)估報(bào)告，對(duì)不同要素、不同高度層觀測數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)可用性”和“數(shù)據(jù)質(zhì)量”等進(jìn)行評(píng)估，形成可疑臺(tái)站清單[41]。

在探空觀測與其他觀測交叉檢驗(yàn)方面，中國臺(tái)灣和美國于2006年合作推出的COSMIC掩星星座計(jì)劃，共有6顆在軌衛(wèi)星，每天可提供2500個(gè)有效的大氣參數(shù)剖面及3000多個(gè)電離層剖面，這些全球分布的高精度掩星探測對(duì)于提高全球天氣預(yù)報(bào)的精度、促進(jìn)大氣和氣候研究及電離層的探測和研究等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。美國NOAA建設(shè)了NPROVS產(chǎn)品檢驗(yàn)系統(tǒng)，通過衛(wèi)星對(duì)西北太平洋進(jìn)行觀測，每日匯編探空儀、下投探空儀、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）和衛(wèi)星觀測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集，用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)，并進(jìn)行探空質(zhì)量的交叉檢驗(yàn)[42]。

中國氣象局以GRAPES預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基準(zhǔn)，完成全國及二區(qū)協(xié)探空設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，定期發(fā)布月報(bào)告。在風(fēng)云03A衛(wèi)星地面應(yīng)用工程中，我國于2020年起開展錫林浩特高空基準(zhǔn)氣候觀測站的業(yè)務(wù)建設(shè)，建立以基準(zhǔn)探空系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“0～35 km垂直大氣柱基準(zhǔn)觀測能力”，為氣候觀測、衛(wèi)星真實(shí)性檢驗(yàn)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)提供基礎(chǔ)，并為未來高空氣候觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供應(yīng)用示范[43]。

4 往返式智能探空系統(tǒng)

近年來，隨著“云大物移智”技術(shù)的發(fā)展，我國獨(dú)創(chuàng)完成往返式智能探空系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)如圖16所示，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位測風(fēng)體制為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的氣象氣球上升階段觀測拓展為“上升－平漂－下降”三階段觀測，拓展了平流層長航時(shí)直接觀測能力，將氣象探空的有效觀測時(shí)間延至6個(gè)小時(shí)以上，通過08時(shí)和20時(shí)兩次探空施放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了14時(shí)和02時(shí)的加密觀測[44]。該系統(tǒng)采用地－空物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳統(tǒng)的由單接收站接收單個(gè)探空儀數(shù)據(jù)并定時(shí)發(fā)報(bào)的應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟邮照究赏瑫r(shí)接收多個(gè)探空儀數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理上傳的應(yīng)用方式。通過高并發(fā)的時(shí)分、頻分自適應(yīng)廣域地－空物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的智能化運(yùn)行管理[45]。

圖16 往返式智能探空系統(tǒng)示意圖Fig.16 The schematic diagram of the return sounding system

往返式智能探空系統(tǒng)至今已經(jīng)開展了2000多次外場試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析表明，上升段的溫度、濕度、風(fēng)的測量達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的理想目標(biāo)要求。平漂段除了日間溫度外，其他要素的測量均達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標(biāo)要求；下降段各要素的測量均達(dá)到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標(biāo)要求[46]。下降探測實(shí)現(xiàn)了在原有單次放球探空基礎(chǔ)上的時(shí)間加密，結(jié)合上升探測可以實(shí)現(xiàn)捕獲天氣細(xì)微變化，平漂探測彌補(bǔ)了平流層長時(shí)效連續(xù)直接探測的資料空白，具有很好的應(yīng)用前景[47-49]。

5 未來展望

為與國際探空技術(shù)接軌，我國在做好L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)建設(shè)的同時(shí)，開展了衛(wèi)星導(dǎo)航探空技術(shù)的技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)試驗(yàn)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)逐漸成熟，建立以衛(wèi)星導(dǎo)航定位測風(fēng)系統(tǒng)為主要特征的下一代探空系統(tǒng)，是我國氣象探空近期發(fā)展的主要目標(biāo)。同時(shí)，開展系統(tǒng)智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的硬件裝備升級(jí)，建立包括往返式智能平漂探空系統(tǒng)、自動(dòng)探空系統(tǒng)、自動(dòng)放球系統(tǒng)、自動(dòng)化制氫系統(tǒng)、智能化基測箱等技術(shù)裝備的升級(jí)，也是氣象探空系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在傳感器領(lǐng)域，需要不斷提升國產(chǎn)化技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)我國自主濕度和氣壓傳感器的業(yè)務(wù)應(yīng)用，使探空整體裝備技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)。另外，隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，臭氧、大氣成分、空間電場、太陽輻射等在內(nèi)的新型探空傳感器也將在氣球探空中大量應(yīng)用。面向探空資料應(yīng)用需求，開展全球探空資料評(píng)估技術(shù)研究，特別是引入全球多元數(shù)值背景場產(chǎn)品、預(yù)報(bào)產(chǎn)品、再分析產(chǎn)品、AMDAR資料、掩星資料等，開展與探空廓線資料的時(shí)空匹配和比對(duì)，開展交叉檢驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上基于探空傳感器的探測原理和特征分析，實(shí)現(xiàn)探空資料的精細(xì)化質(zhì)量控制，進(jìn)一步開展精細(xì)化探空資料產(chǎn)品開發(fā)，為后續(xù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐，為新型探空傳感器的觀測方法研究提供試驗(yàn)支撐平臺(tái)。