大氣探測技術及應用研究進展

劉柳，羅旦

摘要：大氣探測技術是以現代電力技術、物理學原理及信息技術為基礎發展起來的，對大氣物理及大氣環境學科發展有重要意義，20世紀90年代基于各種平臺探測技術發展迅速，極端天氣及環境探測技術取得突破性進展，為大氣環境監測、改善、防災減災等工作做出巨大貢獻。本文就常用大氣探測技術進行分析，以此為基礎研究大氣探測技術應用及研究性進展。

關鍵詞：大氣探測技術；雷達技術；全天空云特性探測技術；大氣成分探測技術

中圖分類號： P407；P412 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.16.058

隨著人類在大氣空間活動范圍不斷擴大，對空間環境了解需求日益迫切，大氣探測技術取得長足發展。1949年以后我國中科院大氣物理研究所在大氣探測高技術等相關研究中取得許多重要研究成果，為大氣環境學科發展做出了重要貢獻。本文就近年我國大氣環境科學發展簡單回顧，重點介紹了常見的三種基礎大氣探測技術。

1 多參數氣象雷達技術

強對流天氣系統常伴隨冰雹、暴雨、大風及較強烈雷電，提高災害天氣預報準確度，對于預防天氣災害，保證人們生命及財產安全有著重要意義，氣象人員必須對強對流天氣系統物理過程及相互作用關系有較清晰認識。高空氣象業務觀測擔負著為日常生活中天氣預報、氣候分析、科學考察提供及時、準確基礎資料的功能。多參數雷達能對云和降水粒子相態變化情況及風場結構能力識別及觀測，為強對流天氣微物理結構、降水等同步觀測提供技術支持。多參數氣象雷達技術包括X波段雙偏振多普勒氣象雷達技術、L波段高空氣象探測系統等。

L波段高空氣象探測系統由二次測風雷達和數字探空儀配合使用，能對高空風向、風速、氣壓、氣溫、濕度等要素通過雷達發出電磁波信號并接收到探空儀反饋回來信號再顯示到電腦軟件上探測分析，探測精度較高、采樣速率很快，使用方便。在實際使用過程中，首先打開雷達開關、總電源，對儀器做好放球前一系列準備工作，然后運行放球軟件等相關裝置，探測探空儀R0、T0，等待3min左右，將測量所得數值填入相應位置。后開始基測工作，測定儀器U、T、P等值再根據基測結果判斷探空儀是否合格，儀器合格方可繼續使用。探空儀裝配完成后，將其掛在預定放球點，打開放球軟件相應裝置，檢查探空曲線及示波器，全部正常后，調整增益及雷達工作頻率，后放球。放球后雷達、探空儀等裝置可能會出現問題，需工作人員加強對各儀器設備檢查維護，確保所有儀器都能正常工作，避免凹口消失、飛點等。

全國各地L波段雷達探空站相繼建立，形成一套完整的高空氣象探測系統，提高了對探空氣象要素業務觀測資料的準確性，保障業務質量提高，同時對觀測信息空間及時間密度也有極大提高。實現對觀測數據采集、監測及集約自動化，在天氣預報、人工作業影響天氣及對未來天氣預測等方面都發揮著舉足輕重的作用。

2 全天空云特性探測技術

天空云量、云型等都是監測天氣狀況重要參數，及時準確獲取這些信息對氣象預報工作有重要意義，在實際工作中這些參數很難定量獲取，目前絕大多數氣象站都采用人工方法對云量觀測，為此國家相關單位就地基全天空自動化觀測系統展開研制開發，如可見光全天空成像自動觀測系統、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系統。可見光全天空成像自動觀測系統主要依靠成像控制部分及遮擋太陽控制部分實現天空狀況拍攝及相關圖像數據獲取，系統最高拍攝頻次達30s/張，24bit全天空彩色圖像分辨率可達2272×1704。太陽跟蹤及遮擋部分有一圓形中密度濾光遮擋片，在相應控制程序作用下，帶有遮擋片半圓桿隨機身上半部分及遮擋桿動作轉動，跟蹤及遮擋太陽，日出時開始觀測，日落時則停止觀測。系統內安裝有熱敏元件，確保儀器能適應野外觀測環境。

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

3 大氣成分探測技術

大氣成分探測對監測空氣質量，大氣環境保護措施選擇等工作有重要意義，已成為當前階段全球熱點科學問題。目前，研究應用較多的有大氣臭氧柱總量和廓線探測、大氣中主要微量氣體成分探測、大氣生物氣溶膠探測等技術手段。

大氣臭氧是大氣科學研究的關鍵內容，GPS臭氧探空儀是我國自制的一種臭氧探測儀器，與芬蘭開發生產的Vaisala大氣臭氧探空儀相比，GPS臭氧探空儀在測量大氣中臭氧濃度隨高度變化情況與Vaisala的測量結果基本一致，二者測量數值存在差別，在10km以下及27km以上范圍內，GPS臭氧探空儀測量數值偏高。

大氣中氣體成分復雜，其物理化學性質各不相同，分別發揮著不同作用，利用色譜分析、化學發光等手段對大氣氣體成分分析，可為氣體環境分析提供數據基礎。現階段，我國已有許多氣象觀測站開始利用各種觀測設備對大氣中臭氧、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等成分監測分析，對全面了解各區域空氣質量情況及污染防治工作有重要意義。

4 結語

除上述三種大氣探測高技術外，實際工作過程中還有雷電探測及人工引發雷電技術、GPS大氣遙感技術、GPS海洋遙感技術、氣象探測無人機技術等各種技術手段，本文僅通過對上述三種常見大氣探測高技術討論分析，希望對大氣探測觀測站工作人員相關研究工作有所啟發。

參考文獻

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[2]李強.大氣探測激光雷達的進展研究[J].科技信息，2012，（05）.

作者簡介：劉柳，本科學歷，助理工程師，研究方向：大氣探測。