L 波段高空探測中幾種丟球現象分析及處理方法

馬佩強，曹 剛，諸彩彬，李 斌

（廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000）

氣象同人類生活密切相關，直接影響農業生產活動、航空航天、交通運輸等工作的開展。氣象觀測是將多個學科進行結合的獨立性學科，涵蓋了基礎理論和現代科學知識，有效推動了大氣科學發展速度。通過開展氣象觀測工作可以獲取所需的氣象要素數據信息，進而為氣象服務、天氣預報預警、氣候評估和科學研究等工作提供有效的數據支撐。高空氣象探測主要有常規和非常規性的高空氣象探測，前者是將探空儀安裝到氫氣球上自由升空，并利用直觀性探測方式獲取地面到高空處的不同參數信息，特點是準確度和時空分辨率高，且應用范圍廣泛；后者則是借助于火箭或者是飛機向對應高度發射探空儀，在下投后就能獲取從高空到地面處的參數信息，主要特點是時空分辨率和準確度高，探測范圍廣，且在臺風觀測預警和重大科學實驗中進行應用，探測過程中需要投入較高的成本。常規高空氣象探測是世界氣象組織要求開展的，屬于日常高空探測科研型活動，可有效衡量世界范圍各個國家的大氣探測水平。現階段，我國共有探空站120 個，從2010 年開始，高空探測系統全部達到國際先進水平，且是我國自主研發的L 波段雷達探測系統。由于采集速度快、跟蹤能力強和探測精準度高，有效提升了高空探測質量。對于L 波段探空雷達來說，因較窄的垂直和水平波瓣寬度，在提升測角精準度水平的同時，卻不利于雷達定向與自動跟蹤，使得高空探測中經常會出現丟球。因此，全面分析L 波段高空探測常見丟球，并積極采取有針對性的處理辦法，可為日后高空氣象探測工作順利開展，增強探測精度，充分發揮出其在人工影響天氣、天氣預報和氣候預測中的作用。

1 高空氣象探測系統及工作流程

1.1 高空氣象探測系統

L 波段高空氣象探測系統主要包括GFE（L）1 型二次測風雷達、GTS1X 型數字式電子探空儀、數據處理系統。將探空儀安裝到氫氣球上，并隨著氫氣球升空，可有效測量從地面到高空30 km 處不同高度的溫濕度、風向風速、氣壓等氣象要素數據，而觀測到資料信息則會以無線電設備為媒介直接輸送到地面接收設備。可將大氣垂直結構與變化情況通過該系統第一時間提供給社會大眾，方便各級氣象部門中短期氣象預報和氣候分析工作的開展。高空氣象探測系統借助于GFE（L）1 型二次測風雷達測量氫氣球與探空儀所處位置，并獲取不同高度處的仰角、方位、斜距信息，在風的作用下氣球探空儀位置會發生改變，將其與觀測到的信息進行結合，可計算出不同時間段氣球的經緯度、高度、速度等信息，將氣球移動方向與距離信息進行結合，可以獲取到對應的風向風速數據。在GTS1X 型數字式電子探空儀的幫助下可順利完成空中溫濕度和氣壓的探測，通過異常數據質量控制、數據平滑擬合及溫度誤差訂正等方式，可及時準確地測定臺站上空溫濕度和氣壓隨高度變化的分布情況，該探測過程中對系統軟硬件有較高的要求。

1.2 系統工作流程

1.2.1 準備工作

實際上，L 波段高空氣象探測的準備工作涵蓋氣球充氣、探空儀電池活化、放繩等方面，是整個探測業務工作開展的基礎性工作。在攜帶探空儀的氣球未釋放前，需要探測人員對應答信號與發射信號進行全面查看，并在地面接收設備的幫助下檢驗探空儀是否對觀測到的數據信息進行正常傳輸；用溫水浸泡探空儀中的電池，使其產生化學反應后放電。電池放電過程中會產生熱量，且放電時間和電壓的穩定性水平較強。為了確保探空儀在高空-60 ℃的低溫環境中仍舊可以持續工作，應將其保溫工作做好。

1.2.2 探空儀基值測定

在基值測定工作開展的過程中，應避免陽光直接照射到探空儀基測箱中，始終保持外界環境溫度。為確保標準儀表的響應特性與探空觀測數據變化特性保持一致，應確保探空儀基測環境中不同種類傳感器可以充分感應。若是探空儀觀測到的氣象要素值和標準儀表的示值不符合規定要求，禁止施放攜帶氫氣球的探空儀。

1.2.3 地面要素瞬間觀測

在高空氣象觀測站施放環境中借助觀測儀器設備獲取到的觀測數據就是施放瞬間的地面要素。若是外界環境溫度在-10 ℃以下，濕度瞬間值可選擇探空儀觀測到的濕度值進行替代。在探空氣球施放后，前5 min 內測量探空氣球施放瞬間的溫濕度、風向風速、氣壓等氣象要素；結合本部門提前設置的參數信息對業務計算機輸入的干/濕球溫度、氣壓表讀數做好自動器差訂正，并計算出地面溫度、臺站氣壓、相對濕度等數據。

1.2.4 開始放球

對于定時常規高空氣象探測工作來說，應在正點進行，避免探空氣球施放時間提前；若是正點后75 min 內不能對探空氣球進行施放，應停止該時次的高空探測；高空風計算坐標的原點可以作為探空氣球施放瞬間地放球點。在施放探空氣球后，后5 min 內做好溫濕度、風向風速、天氣現象、云狀及能見度等的觀測。

1.2.5 探空測風數據接收、顯示

實時存儲施放探空氣球前5 min 內的探空與測風數據。將觀測原始數據轉化成氣象要素值后就成為基礎數據文件，應將該文件與基值測定、測站基本參數、地面瞬間值同時存儲。

1.2.6 數據質量控制

數據質量控制主要選擇自動質量控制和人工質量控制，前者是根據溫濕度、氣壓等數據曲線，將錯誤較為明顯的數值直接剔除，并做好多項式擬合；后者則是通過對比分析歷史數據資料庫信息，啟動人工質量控制模塊后，將錯誤明顯的數據直接刪除。

1.2.7 報文報表制作

在規定時間內編發高空處的風向風速、溫度、相對濕度和氣壓等的偏差信息，并及時發送狀態文件及秒級觀測數據文件。

2 L 波段高空探測丟球原因

2.1 放球地點選擇不合理

在施放探空氣球之前，若工作人員沒有將臺站或測風設備觀測到的近地面風向、風速數據進行結合來選擇施放氣球位置，在施放探空氣球的瞬間就很容易導致雷達仰角過高，進而出現過頂且造成丟球。

2.2 近地面跟蹤異常

在高空探測工作中，近地面跟蹤異常是由3 種因素造成的：探空氣球施放前未將雷達天線與探空儀或回答器對準；探空氣球施放瞬間，氣球高仰角過頂出現異常跟蹤，且值班人員未能第一時間發現；室內外人員配合默契度不高，會有提前或推遲施放探空氣球的情況出現，使得L 波段雷達不能正常跟蹤而出現丟球。

2.3 L 波段雷達性能下降或出現故障

L 波段屬于新型雷達，自動化程度較高，為了將其性能充分發揮出來，不斷延長使用壽命，在日常探測業務中，除了正常使用，還要做好維護保養。若是L 波段長期運行過程中沒有根據規定要求將日常保養維護工作做好，會對雷達性能產生影響，或者是引發故障問題，進而造成跟蹤異常丟球。實際上，雷達故障產生的丟球包括有以下幾方面。驅動箱內的編碼器插頭接觸不良、雷達天線座匯流環出現故障、自動跟蹤中的天線有方位或仰角死位情況出現，很容易產生丟球。饋線插頭漏水導致各路增益信號各異，使得兩兩信號參差不齊，起始位置丟球的概率極高。

2.4 頻率漂移

對于L 波段高空探測雷達來說，其工作中的頻率處于1 675±6 MHz 左右，在探空氣球升空的過程中，若是探空儀出現性能方面的問題，極易造成回答器載波頻率漂移，一旦頻率變化幅度遠遠高于雷達工作頻率，將會導致探空儀發射與接收頻率始終處于漂移狀態，使得信號極不穩定，進而出現雷達丟球。

2.5 環境因素

目前，借助于L 波段雷達可對探空氣球進行自動跟蹤，一旦在探空氣球施放瞬間出現復雜天氣，如暴雨或大風等現象，起始位置處很容易因抓球失敗而丟球。若是探空氣球施放過程中，其周圍存在電磁信號干擾，探空儀載波頻率也會有漂移的情況出現，尤其是強雷雨天氣出現的過程中，強電磁干擾信號會以雷達為媒介入侵接收機，不僅會將主信號淹沒，還會在某方位上拉偏雷達天線，進而出現失控，將會中斷雷達自動跟蹤狀態下同探空儀之間的聯系，最終出現丟球。

3 L 波段高空探測中幾種丟球現象分析及處理

3.1 干擾信號丟球及處理

干擾信號主要是指主信號外的其他信號，在很大程度上影響雷達主信號的接收狀況。若是接收系統中出現強干擾信號，會將主信號淹沒，不利于接收正常信號，很容易導致探測記錄失測或者重放球操作。特別是雷雨天氣下，在強電磁干擾的影響下，會有間斷性突然失去跟蹤信號的情況，自動狀態下的天線會出現失控丟球。針對這種現象，需要操作人員調整頻率，并“天控”調節為手動狀態；轉動天線使其恢復到丟球前的仰角和方位位置，然后將“天控”調節成自動，該操作完成后均能找回丟失的球。若是通過以上方式還沒有找到，可重復以上步驟，直到可以自動跟蹤。

3.2 頻率漂移丟球及處理

探空儀性能是否穩定是引起頻率漂移的主要原因。對于工作過程中的雷達來說，對應的頻率處于1 669~1 681 MHz 之間，頻率較寬，而自動調節幅度在±3~4 MHz之間，調節幅度的過程中極為有限。探空儀從地面上升到高空處，也就是氣球爆炸瞬間，由于大氣層變化較為劇烈，很容易造成回答器頻率漂移。一旦漂移頻率較高，要遠遠高于有效幅度，頻率自動調節功能將失效，探空儀載波頻率和雷達工作頻率均處于失諧狀態，雷達將不能自動跟蹤。在處理這種情況時，操作人員可將頻率設置成“手動”擋，保證雷達工作頻率在1 673~1 675 MHz 之間，設置“天控”為手動狀態，將未丟球前幾分鐘內的方位和仰角數據進行結合，保證雷達在對應的位置，將天控按鈕設置成“自動”狀態，之后對雷達自動跟蹤探空儀情況進行查看。若是自動跟蹤仍然異常，將“天控”再次調節成手動，并小幅度調節搜索位置，使其適當偏離原有仰角與方位，將天控設置成“自動”，通過以上操作雷達可自動跟蹤探空儀。

3.3 旁瓣抓球及處理

若是有旁瓣抓球出現，將會縮短雷達探測距離，測角誤差在8°以上。L 波段高空探測雷達的天線波瓣寬度在6°以下，若是手動抓球在低能見度天氣條件下進行，如果不能合理指揮，將會出現旁瓣抓球。若是臺站低空處出現靜風，雷達天線仰角活動范圍上限在90~92°之間，結合GTS1X 型探空儀特性，此時信號強度最弱，很容易出現旁瓣抓球。在施放探空氣球后，需對雷達旁瓣抓球情況進行判斷。調節示波器，使其處于測角狀態下，若是4 條亮線長短不一樣，表明信號強度較弱，差異顯著，出現亮線來回跳躍，凹口漂移，紅燈閃爍異常等。若是距離較近，此時信號較強，不會對接收探空信號產生影響，再加上探空氣球漂移距離增加，信號強度也隨之減弱，會有亂碼產生。綜上判定是雷達旁瓣抓球，操作人員可以選擇“雷達扇掃天線控制”選項，結合原來提前設置的程序開展自動搜索。若是假定向，完成天線搜索之后，將會自動返回到主瓣上；反之亦然。如果是天線仰角和方位角扇掃前后的變化幅度較大，可將扇掃功能再次啟動，反之，則說明是正定向抓球。若是按照以上操作步驟仍舊抓不到球，可選擇手動方式抓球。

3.4 過頂丟球及處理

在出現過頂丟球后，需要工作人員結合丟球前的仰角方位數據，以手動方式掃描雷達在該活動空間范圍，還要密切觀察數據終端增益值和示波器角度下的4 條亮線情況。若是增益數值較小或者4 條亮線所在位置最佳，可切換天控狀態，同時選擇雷電扇掃功能。若丟球后還有斜距存在，可將其與高度值結合，對應數據代入反三角函數中計算仰角值。若是距離丟球時間較長或者仰角值不能計算出來，需要結合自身經驗來估算仰角值，并將360°掃描工作做好。若是按照以上步驟仍舊沒有成功抓到球，可將仰角調節10°左右掃描，直到4 條亮線保持齊平。認真調整測距按鈕，保證凹口位于“‖”中間，調節“天控”為自動。若是雷達成功跟蹤探空氣球，需對4 條亮線的穩定度和跳躍齊整度進行查看；同時還要觀察測距凹口的跟蹤情況。全面檢查雷達、氣壓高度，始終使這些數據保持一致；根據增益情況進行判斷，調節“天控”為自動，并將其與雷達扇掃功能結合，判斷是否成功抓球，若是同上述情況相符，則抓球成功。