[科普中国]-探空仪

定义

探空仪是指测量天空不同高度上的大气物理参数，以确定气象要素的垂直分布面施放的仪器。这种测量是通过无线信道遥测来完成的，所以又称无线电探空仪。由通信信道联结的无线电探空仪和地面接收处理设备构成探空系统，也叫大气探测系统，探空仪按用途可分为通用类和专用类。有电码式探空仪，电子式探空仪、炮兵专用探空仪、低空探空仪等。1

内容早期发展长期以来，人们为了探测大气的变化规律，一直进行着不懈的努力，在大气科学萌芽时期，人们主要依靠眼睛观察天气现象的变化，凭感官感知冷暖干湿的差异。随着科学技术的发展，人们相继发明了温度计、气压计、湿度计、风速计等。

最初的近代高空气象探测主要是利用载人吊篮和系留气球携带自记仪器的方法。与此同时，还设计出种种方法来保证仪器和资料的回收，如降落伞法（气球上升一定高度破裂后开伞）和双球法（一球破裂后，另一球不足以支持仪器的重量而下降）都有一定的效果。在人烟稠密的地区，回收率较高，但在人烟稀少的地区，回收就成为极其困难的问题。再就是这些办法都不适宜作业务观测，因为时间上来不及，于是人们设法让气球携带发报机，把观测到的气象记录化为电波讯号，即时发送到地面上来。这种试验最早开始在1918年，但并没有成功。

1923年,美国陆军气象学家布赖尔继续试验时，地面得到了历时20分钟的讯号，这是无线电探空第一次获得成功。

1927年,德国气象学家爱德拉格和布利欧首次把波长42米的电子管发报机系在上升气球下面进行试验，收到了发报机发自平流层的讯号。

最早可以用作业务的苏式无线电探空仪是前苏联莫尔恰诺夫教授研制的。1932年芬兰人维萨拉也发明了著名的芬式无线电探空仪。这类探空仪不受恶劣天气的影响，绝大多数情况下都能释放；它可以获得不同高度的气象资料，而不需要进行回收。因此，这类探空仪是现今探测30—40公里以下高度高空气象条件的主要仪器，全世界都在使用。

无线电探空仪的出现和广泛使用，使人们能够积累大量的高空气象资料，加深了对高空大气状况的了解。在此基础上，瑞典籍美国科学家罗斯贝提出了大气长波理论，这不仅是三维空间分析和预报大型天气演变过程方面的创举，而且也为五十年代业务数值天气预报的问世开辟了道路。

结构特点小小的无线电探空仪，就象一台飞行的发报机，随时将探测到的所在高度的气象资料传送到地面。“麻雀虽小，五脏俱全”，重量不到1公斤的探空仪，主要由感应元件、转换装置、发射机和电源四部分组成。感应元件用来感应大气温度、压强、湿度要素的大小与变化；然后通过转换装置转换成相应于探测量的无线电讯号；而发射机产生的约数十或数百兆赫的高频无线电振荡（载波），则能装载着探测讯号向地面发送；电源提供了整个探空仪的能量来源，它占据了相当大的重量。

感应元件（或称传感器）是探空仪的关键组成部分，与地面观测仪器的感应器相比，它必须具有轻便、灵敏、响应快等性质。

因为探空仪随气球以300～400米/分的速度向上运动，不可能在某一高度停留下来，所以探空仪的传感器必须惰性小，这样才能迅速响应外界环境的变化，比较正确的反映各个高度上的气象要素值。

由于探空仪是一次性使用，所以传感器比较简单。它测量的都是相对量，在正式释放前，要进行一次“基值测定”，将传感器的相对值与它所处环境的绝对值联系起来，以便事后易与探测记录进行处理和换算。

以上两个因素都影响观测精度，使得高空观测的精度不如地面观测。另外气球上升时间和运动轨迹对观测精度也有影响。我们需要知道的是某点上空在一瞬间的气象要素的垂直分布情况（术语叫廓线），而气球探测的是不同时间（气球整个上升过程约一个小时）、不同地点（水平飘移约数十公里）的气象要素，这也将造成测量误差。

探空仪上常用的温度传感器是扭成环状或螺旋状的双金属片，另一种用得较多的是珠状或棒状热敏电阻温度传感器。

探空仪上测压主要用空盒传感器，为了增加探测的灵敏度，常常将多个空盒串联在一起使用。

测量高空湿度是一个较为困难的问题，过去多采用毛发或肠衣，也有用电阻式、电容式测湿元件。

通常探空仪测风与测风气球测风是一样的。但在夜间、阴天或气球入云的情况下就得求助于无线电方法，通常用测风雷达。2

探空仪性能的检查探空仪经过运输和长期存放，性能往往会有所改变。为了保证探测精度，必须对探空仪的性能进行两次检查：一次是在使用探空仪之前的半个月到一个月内进行，称做“探空仪的就地检定及灵敏度检查”，另一次是在施放探空仪之前的半小时进行，称做“基值测定”．两者之间的时间间隔要大于12小时。

1、探空仪的就地检定及灵敏度检查

就地检定是指探空测站使用检定设备重复工厂中的检定程序，做出新的检定曲线，并与原检定曲线进行比较．灵敏度检查是指只检定几个点，由几组（电码、气象要素值）数据进行比较，求出偏差值，如果只检查地面一个点，则称为基点检查。

由原检定曲线查出某一气象要素值对应的电码叫检定电码，就地检定时仪器发出的电码叫仪器电码，两者的差值叫做变量（△n)，检定曲线的变化可以分为平行变化与灵敏度变化两种情况．对于前一种情况，不同要素值其变量△n相同。

对五九型转筒式电码探空仪性能进行检查的大量资料表明：气压检定曲线的变化大多是灵敏度变化；温度检定曲线通常是平行变化，灵敏度变化很小；湿度检定曲线的变化则往往很大．为了满足一般气象资料的精度要求，中国气象局规定了进行检查的方法，规定了温、压、湿三要素变量的合格标准，并规定了是否应用原检定曲线或进行相应订止的办法。

2．基值测定

基值测定是在施放探空仪前，最后确定仪器是否合格的一个重要步骤。保持探空仪的温、湿感应部分通风，同时读取标准气象仪器（通风干湿球湿度表）的温度值，观测本站气压并听取探空仪的仪器电码，由温、压、湿数值在检定曲线上查取检定电码，求取基点变量△n'(△n'r、△n’p、△n'c)

△n'=检定电码一仪器电码．

按照规定，由△n'的大小判断仪器是否合格.如果合格，△n'就作为订正值，进行探空测量时，由仪器电码加△n'得出检定电码，由检定电码在检定曲线上查取气象要素值。3

几种常用的探空仪**（一）59型电码探空仪**

59型机械式电码探空仪如下图所示

中间的长方形白色纸盒具有良好的防水性和反射太阳辐射的能力，机体放在盒中下部，机体支架上放置温度、湿度、气压3个感应器，以及微电机及其减速机构和电码筒等，纸盒上部放置电池及发射机，纸盒两侧分别是温度感应器和湿度感应器的铝质防辐射罩。温度感应器为螺旋形双金属片，由厚0.2mm、宽3.8mm、各边长60mm，人字形的双金属片卷曲而成，两端固定在支架上，中心端焊有长70mm的空心指针，指针位置随温度变化而移动。

气压感应器为两个膜盒组成的空盒组，空盒组的基部固定在支架上，顶部中心通过传动装置带动一指针架回转，指针架上装有双金属片温度补偿器，用以补偿膜盒受温度影响引起的误差。气压变化时，膜盒的厚度随之变化，使气压指针相应地移动位置。膜盒材料近年来改用温度系数小的镍铬弹性合金。

湿度感应器是鼓膜状肠衣，肠衣鼓膜的直径为37mm，其中心固定有连杆，连杆与传力架焊接在一起，并与扭力弹簧连接，使肠衣处于绷紧状态。当湿度变化时，肠衣的形变使固定在传力架上的指针移动位置。

编码部分由微电机及电码筒组成。微电机经过减速装置带动电码筒转动，当电码筒转动时，3个感应器的指针轮流与电码筒表面接触，并沿电码筒上面刻有的平行细槽滑动，当指针与导电部分接触时，发射机的电源接通，使发射机工作，而与绝缘部分接触时，发射机电源断路不工作。指针经过的导电部分宽，发射机工作时间长，发出的信号用“一”表示；经过的导电部分窄，则发出信号的时间短，发出的信号用“·”表示。槽线处于花纹的不同部位就有不同的“一”与“·”组合，构成的不同电码数。

59型电码探空仪与701型二次测风雷达配合进行高空气象探测时，发射机是用GPZ5一1型测风回答器，回答器有两种工作状态：一是择空状态，二是当二次雷达发出询问脉冲时，它能及时发射回答脉冲。59型电码探空仪装配不同的回答器后还能与705型、706型雷达配合使用。

59型电码探空仪的主要性能

(1）测量范围：

温度 一75一40℃

气压 1050一10hPa

湿度 15%一100%

(2）测量精度：

温度 ±0.5℃

气压 ±ZhPa

湿度 ±5%

（二）GTSI型数字式探空仪

CTSI型数字式探空仪采用全电子传感器，具有探测精度高、采样速率快、抗干扰能力强等特点，实现了数字化、模块化。GTSI由温度传感器、湿度传感器、智能转换器（含气压传感器）、发射机和电池5部分组成。探空仪的外壳为白色方形纸盒，表面涂有防雨透明胶，具有良好的防水性和反射率。气温测量采用GPW2型棒状热敏电阻，阻值限定在9一700KΩ之间，阻体长10mm，直径1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率高于93%，长波吸收率超过90%。GPW2热敏电阻出厂时已焊接在探空仪纸盒内的白色塑料支架上。气压传感器的附温采用GPW3型棒状热敏电阻，电阻体长6.5mm，直径0.65mm左右，安装在气压传感器外壳内，用胶水固定。

湿度测量采用XGH一02型高分子湿敏电阻，具有测湿范围广、互换性好、响应速度快和体积小等优点。

气压传感器采用24PC型硅阻压力传感器，在工作范围内具有良好的弹性和重复性。为提高气压传感器的测量精度，采用了软、硬件温度补偿方法对气压传感器进行补偿，补偿动态范围大、精度高。汽压传感器和温度补偿传感器直接安装在智能转换器的印刷电路板上。

智能转换器的主要功能是将各类传感器的物理量，按一定格式转换成二进制代码，智能转换器由单片机、积分器、比较器、多路开关、放大器、振荡器等电路组成。A/D转换采用软件双积分A/D转换方案，转换精度超过14位，并对温度影响采取了多种补偿措施。为了降低探空仪的成本，提高数据可靠性，各传感器所测量的气象信息要素值转换由地面设备中的计算机根据各个探空仪的检定数据进行数据处理，故智能转换器不带外部EPROM芯片，各个探空仪的检定数据按规定格式存入3.5in软盘，随探空仪一起提供给用户。

超高频发射机除了发送探空仪测得的气象要素外，还要接收地面雷达发射的询问信号，因此，还必须具有接收机的功能。在智能转换器输出二进制码期间，超高频发射机受32.7kHz、800kHz和二进制气象代码的多重调制。每帧气象信息发送时间约为0.2s，余下的时间（约1s）发送超再生800kHz同步振荡脉冲，随时等待雷达的询问脉冲。CTSI与L波段（1型）高空气象探测系统配合使用，可完成地面至35km高空的气象综合探测。

CTSI型数字式探空仪主要性能

(1）测量范围：

温度 一90一50℃

气压 1060一5hPa

湿度（RH） 0%一100%

(2）测量精度：

温度 ±0.2℃

气压 ±2hPa(≥500hPa)、±1lhPa(