高空氣象觀測特殊情況的應急處理

許海軍，冉 峰，邱麗靜

(長沙市氣象局，湖南 長沙 410000)

1 引言

長沙高空氣象探測站為國家基本站，常規觀測任務分為每天三次，其中，高空綜合觀測為：北京時間7：00、19：00，觀測內容包括高空中的溫、壓、濕和風向、風速等。單測風為：北京時間01：00，觀測內容為風向風速的變化。高空氣象探測是氣象觀測的基礎和框架，是數值天氣預報的最重要的資料源，可以說：沒有高空觀測，就沒有現代天氣預報。對觀測人員的品格、技術和質量有著很高的要求，必須具有良好的職業道德，熟練掌握高空氣象觀測的理論和方法，才能保證觀測數據的真實性和有效性。長沙高空氣象探測站(簡稱長沙探空站)，位于湖南省的中部，海拔46 m,北緯28°12′，東經113°05′，與同省的懷化、郴州探空站構成湖南地區高空觀測網。長沙探空站是全國120個探空站中87個觀測資料參加全球交換國家級探空站之一， 1956年1月1日建站，由中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院管理，主要承擔長沙地區的高空氣象觀測任務，2004年8月開始使用L波段(1型)高空氣象探測系統，長沙高空氣象探測站是較早使用L波段雷達的探空站，有著豐富的觀測經驗，是湖南分院高空氣象觀測的實習實訓基地。承擔了9期全國L波段雷達操作系統培訓和實習。L波段(1型) 高空氣象探測系統由“放球軟件”、“數據處理軟件”、“模擬訓練軟件”、“文件備份軟件”和若干工具軟件組成。主要觀測儀器設備有：L波段雷達、探空儀、主機及數據處理終端、基測設備、值班操作平臺、GTC2型L波段數據接收機、電子經緯儀。在高空觀測過程中，經常遇到一些問題，本文主要分析高空觀測丟球的原因及特殊情況的處理方法。

2 發生丟球的原因

在正常的上班過程中，雷達丟球的原因很多，主要有雷達故障，儀器故障以及人為因素等，雷達故障主要表現在：①方位角和仰角死位；②接收機某個部位有問題引起接收的訊號差 ，造成天線亂轉或不轉等等。

人為因素造成丟球主要表現在：①副班沒有選好合適的放球點，氣球放手以后瞬間過頂，導致雷達高仰角卡死。②放球之前，主班沒有把雷達100%對準儀器，導致放球以后一直是旁辨跟蹤狀態。③放球以后主班沒有讓雷達進入自動跟蹤狀態。④在觀測過程中，主班沒有及時調整接收機的頻率。

3 發生丟球的解決方法

3.1 瞬間丟球

放球的瞬間如果發生丟球，基本上是因為氣球直接過頂，在放球以后的第一分鐘過頂導致丟球，應即時處理。在天氣好、能見度也好的情況下，主班與副班配合好，副班第一時間跑到雷達底下，觀察氣球的大致方位和仰角，引導主班手動抓球，主班將雷達點到手動狀態，把雷達搖到副班提供的方位和仰角，再點雷達自動，當在攝像頭里能看到儀器或者氣球時表示成功抓到球。在天氣不好、能見度不好或者晚上發生丟球，主班根據L波段雷達波辨寬度、探空信號、增益、高差(單測風無)、上一個班次的數據等進行抓球。在地面風小的情況下丟球，主班先將雷達仰角搖到一定的角度，然后方位順時針或者逆時針轉一圈，看增益的最小值在哪個方位，然后調整仰角，再點一下自動跟蹤，如果4條亮線對齊了，然后在探空曲線界面把“飛點”刪除，當高差不再報警了。再點一下扇掃按鈕(單測風不用扇掃)，看仰角和方位有無明顯的變化，如果幾乎沒變化說明已經抓到球。如果判斷還沒抓到球，主班再將雷達仰角升高或者下降6～8°(L波段雷達波束寬度≤6°)，通過反復上下調整仰角來找到氣球的具體位置。

3.2 高空丟球

在放球以后的若干分鐘之后發生丟球是比較容易找回的，基本上是因為雷達驅動器死位，而沒有及時發現或探空儀的頻率漂移導致(個別是旁辨或雷達故障)。首先把雷達驅動器重啟一下，或者調整雷達的頻率，根據氣壓高差(單測風是估高)確定雷達的仰角，再把雷達搖到測風的秒數據發生突變的地方，點一下自動跟蹤，再點一下扇掃(單測風不用扇掃)，然后刪除飛點，把測風數據再整理一下，需要用探空高度代替的就代替。

在日常的值班觀測業務中，值班人員必須要在放球前做好所有的檢測工作和觀測中的校隊工作，主要做到以下幾點。

(1)主班在打開雷達以后，在沒有輸入信號的情況下，示波器上應該有三格左右的信號，放球軟件上增益頻率應該在1675MHz左右,其增益應該在40dB左右。

(2)在副班升球以后，主班及時把雷達手動對準儀器，認真觀察放球軟件上的各項數據，探空信號是否正常，壓、溫、濕數據是否正常，再把瞬間數據填好，保持待放球狀態。

(3)副班選好放球點，避免放球的瞬間儀器直接過頂。

(4)在放球觀測過程中，主班要觀察探空儀頻率的變化，及時調好雷達接收機的頻率，保持信號在最佳狀態。

(5)在雷達高仰角的時候要注意過頂，當仰角卡死，或者過頂丟球時，要及時手動操控雷達，減少或避免在觀測過程中出現不必要的丟球。

(6)機務人員嚴格桉照規范要求做好雷達的日常維護，細致觀察，發現故障及時排除。

4 雷達操作、手動抓球案例

放球過程中球丟了怎樣手動抓球？怎樣判斷是否抓住了球？

出現丟球一般是在放球的瞬間或氣球升空時間不長，正常時增益值一般在45 dB左右。如果旁瓣丟球，增益值一般比正常值偏高，幾分鐘以后增益值達到80 dB或者以上。

在綜合觀測中，斜距跟蹤正常，可以根據高度判斷陽角。方法如下。

(1)速刪除探空信號飛點。

(2)天線自動改為手動。

(3)調整仰角和方位，直到高差最小、并且沒有高差報警。

(4)把雷達方位仰角4條亮線調整齊。

(5)點擊扇掃看是否旁瓣。

如果是單測風，綜合各方面的信息，稍估一下仰角值，搖動雷達方位，順時針或者逆時針轉圈；一圈沒有就仰角降10°再轉(該雷達的波瓣寬度是6°，故取10°為步長)。如果不能確定增益值，就挑最小的。現在雷達轉一圈不到20 s，1 min可以轉3圈，一般30 s即可抓住。方法如下。

(1)抓球時看4條亮線的穩定度，跳躍整齊，凹口跟蹤正常，再根據雷達高度、估高數據作些輔助判斷，符合以上條件則判斷抓住球了。

(2)可以直接根據增益判斷，要根據臺站通常該時間、該距離大概的增益值，轉動天線觀察增益與其差不多，天空自動后再按扇掃，此時一般可以抓到球了，并且不會是旁瓣，通常1 min內就能抓住。

5 探空儀在雷雨天氣過程中產生的特殊記錄及處理方法

雷電是大氣中自然放電現象，雷電的起電機制主要有對流起電、離子的選擇捕獲機制、感應起電機制和非感應起電機制。云層的放電可對飛行器或空中儀器發生危害，云層對大地的放電則對建筑物和人畜危害極大。本站所處位置每年產生雷電的次數較多，根據歷年氣象資料，長沙高空氣象探測站的年平均雷暴日為49.6 d，屬多雷區。即使在正點放球時間碰上雷雨天氣每年不少于20次。

湖南長沙高空氣象探測站2004年開始使用GTS1型電子探空儀。探空儀由溫度傳感器、濕度傳感器、智能轉換器(含氣壓傳感器)、發射機、電池五部分構成。

GTS1型數字探空儀具有探測精度高、采樣速度快、抗干擾能力強等特點，實現了數字化、模塊化，整體性能接近20世紀90年代中期世界同類產品先進水平。

但由于GTS1型電子探空儀采用微電子集成化器件，耐過壓、耐過流和抗雷電電磁脈沖的能力大大降低，這也使得GTS1型電子探空儀遇到雷雨天時經常會造成探空信號差或重放球，影響高空觀測的正常進行和業務質量的提高。通過我站幾年來的雷雨天探空觀測記錄來看，雷雨天GTS1型數字探空儀在施放中主要有3種情況發生。

(1)GTS1型數字探空儀遇雷擊或穿過雷暴云時信號消失，造成儀器突失而重放球。在L波段處理軟件中可看到如圖1所示：GTS1型電子探空儀時間4.7 min，高度1538 m遭遇雷擊后無信號造成重放球。

圖1 4.7 min溫度、氣壓、濕度曲線

(2)GTS1型數字探空儀遇雷擊或穿過Cb云時測角信號正常，而探空信號壓、溫、濕不正常(表現信號線為一條直線)，當這種信號的時間長度超過高空規范要求或無法正確判斷糾錯時也會造成重放球。如圖2所示，時間13 min，高度4950 m，GTS1型電子探空儀進入雷暴云內，溫度信號變成直線，時長超過5 min，按高空規范要求這種情況無法糾錯必須重放球。

(3)GTS1型電子探空儀進入雷暴云后受云中的靜電感應的影響，造成飛點多，時間不長可根據規范要求修改點子。如圖3所示：時間5～12 min探空儀溫度、氣壓、濕度信號差、飛點多，但記錄可糾錯、可用。

圖2 溫度大于5 min無法糾錯曲線

圖3 溫度、氣壓、濕度可糾錯曲線

6 結語

基測合格是高空氣象觀測的基本要求，其直接影響觀測數據的真實性和有效性，發生丟球的原因很多，可以人為避免的在工作前必須處理好，在氣球升空以后丟球，在判斷丟球原因以后，也能及時找回。所以對觀測人員的品格、技術和質量有著很高的要求，必須具有良好的職業道德，熟練掌握高空氣象觀測的理論和方法，在觀測過程中保持沉著冷靜，認真仔細，保證觀測的順利進行。