[科普中国]-高空探测

概念

高空探测是指测量近地面层以上大气的物理、化学特性的方法和技术，又称高空观测。1

当前我国气象台站所进行的高空探测是指携带着无线电探空仪的探空气球来探测大约30千米以下的各层大气情况，并把这些气象资料绘制各层的高空气象图。地面雷达接收探空仪发来的信号，输入计算机处理，最后打印出各高度上的气压、温度、湿度、风向和风速的数值和曲线图。2

内容自由大气的探测通称高空气象探测简称高空观测，又称高空气象学(Aerology)。

大气是包围在地球外表的物质，整个大气中所发生的各种物理现象和过程，都直接或间接地与人类活动有着密切的关系，所以我们必须用各种仪器来了解，研究地球大气的各种特性。高空气象学是实验、研究自由大气所发生的各种物理现象和过程的一门科学。主要有高空气象探测方法(即各种仪器)的研究，高空大气的风、压力、密度、温度、湿度等随高度的分布规律及随纬度和季节的变化，云的宏观和微观结构及降水过程，冷暖锋面，飑线，台风等天气系统高卒结构的观测和研究。1

高空大气的温度、气压、湿度、风向、风速是研究大气热力和动力过程、进行天气分析和预报的基础资料。获得这些资料的途径有气球探测、火箭探测、地基遥感、卫星遥感等手段。3

研究历史高空探测从18世纪中期就有人开始尝试了，先后采用风筝探测，乘人气球探测及系留气球探测，但比较有系统地进行探测是从19世纪70年代才开始的。1930年前苏联莫哈诺夫设计出了第一个无线电探空仪，以后无线电探空仪在高空气象观测中起了重要的作用，目前世界各国仍在继续研究、发展和应用无线电探空仪来探测40km以下大气层的气象要素分布，根据特殊观测的需要可用飞机来进行高空气象探测。随着科学技术的发展，地基遥感技术也不断地在高空气象探测中得到应用，气象雷达探测现已广泛使用，对于30～150 km高空则采用气象火箭探测。风廓线仪已经在欧美开始布局进入业务试用阶段，从20世纪末开始的气象卫星对大气垂直剖面进行遥感探测，更使高空探测进入了一新的阶段，为研究高空气象变化，改善天气预报提供了大量资料。

由于现代化战争大多是海陆空军诸兵种作战，当前飞机的活动高度已达30000 m以上，而运行高度更高的火箭，洲际导弹及核武器的出现使现代化战争的立体性更加突出。这样，除地面气象要素对作战活动的影响外，整个大气层的温度、湿度、气压和风等高空气象要素对作战活动的影响也更加突出。1

高空探测是气象基础业务之一，当前我国气象台站所进行的高空探测业务是指通过升空气球携带仪器称为探空仪，气球在飞升的过程中，仪器能感应出周围环境中的气压，温度，湿度。并以无线电信号方式发往地面。地面工作人员经过计算整理，可得到测站上空气象要素的垂直分布情况。以作为天气预报，气候分析，科学研究和国际交换等用。以后将会布局以地基遥感技术为基础的高空气象观测站(如风廓线仪等)。

气球探测，主要是借助于气球在空气浮力的作用下上升来获得不同高度上的风向风速，同时借助于所携带的气象要素传感器和无线电遥测技术，来获得大气不同高度上的温度、气压、湿度。长期以来，已在全球形成了一个观测规范、组织严密的高空探测网络。

高空气象观测是气象工作的一个重要部分，它所测得的资料和情报与国民经济建设有着密切的关系，如空军飞行作战，高炮发射，舰艇出航，火箭导弹的发射等等都需要高空气象资料和情报来保障。高空气象资料又是作好天气预报的重要依据，用它来绘制供天气预报用的各种高空图表，民航，人工影响天气，防治大气污染等，也需要高空气象资料的保障。3

探测设备高空探测的必备设备主要有：探空仪的气压、温度、湿度检定设备，基值测定设备，讯号接收设备，检查仪器用的仪表、计算工具及工作室、仓库、制氢、储氢设备、正常消耗器材等。

常规高空仪器大体与常规地面仪器相同，但高空探测大多是综合性的，故一般都以运载工具不同进行分类：

⑴无线电探空仪

无线电探空仪出现于三十年代，经过二次世界大战，已逐步形成全球的探空站网。实践证明，它是获取高空气象资料的重要手段之一。即使气象卫星和地面遥感技术有了一定的发展，它仍以价格便宜、实用而在一定时期内存在。探空高度为30km左右。

⑵气象探测火箭

气象探测火箭的发射高度介于气球(30km)与气象卫星(150km)探测高度之间，因此目前世界上已有很多国家建立了气象火箭网，并形成了国际协作气象火箭探测网。

利用火箭可探测大气结构参数(温度、压力、密度等)、大气气晖强度、太阳光谱的X射线和紫外线、太阳微粒辐射、宇宙线强度、电离层结构，高层大气物理和化学过程等。作为常规气象火箭，主要探测项目是大气温度、密度和风等要素。4

气象火箭系统的发展动向

①建立布局合理的气象火箭站网

由于气象火箭网经费投资相当高，不可能大量布站，因此需要国际间合作，以获得全球范围比较完整的资料。参加全球联合气象火箭网(CMRN)的有：美国空军环境火箭探空系统(AFERSS)、美国海军火箭探空站、加拿大火箭探空站，美国宇航局、美国国内试验性气象火箭网(EXAMETNET)、苏联、英国及日本等。

②改进探测方法，提高探测精度

气象火箭发展历史虽长，但探测精度仍是一个重要的研究课题。世界气象组织曾组织过多次对比试验，如1972年美、日、法在美国沃洛普斯岛和1973年美、英、法、苏在法属查亚那作过对比试验。1977年8月，美、苏又在沃洛普斯岛利用“超洛凯”和“M一100”火箭进行26次对比观测。总的说来，在40～50km以下，观测结果比较接近。在此高度以上，风速误差可达10 m/s，温度误差可达20℃左右。

③研制小型化气象火箭系统，减轻重量，降低成本，提高机动能力。

④研制新型传感器，增加新的大气探测项目。例如，根据1976年夏季的中层大气国际观测计划，除要求利用火箭观测常规项目外，还要求对臭氧、氦的氧化物及其它成分在大气中的光化学过程进行观测。

(3)高空探测自动化系统

高空探测自动化系统主要由探空仪、地面接收站及数据处理系统组成。目前由于全自动化系统造价高、投资大，所以投入业务使用的还不多。随着电子工业的发展将逐步降低这些设备造价，以达实用程度。此外还要发展新型的高空探测系统。在探空测风体制上进行研究和改进，如利用导航测风原理及其它遥感技术进行探空测风。4

(4)气象卫星

气象卫星在空中停留的时间长、飞得高(150km以上)，能从上而下，对地球大气层进行遥感观测，扩大了观测范围。所以它是从空间进行大气遥感观测的重要手段。

目前，世界上已形成一个由极轨气象卫星和静止气象卫星组成的气象卫星全球观测系统，它是世界天气监视(www)计划的主要组成部分。从第一颗气象卫星诞生以来，各国的气象卫星从宅宙空间发回数以百万计的云图和各种气象资料，在航空、航海、工农业生产、科研及军事方面发挥了重要作用。这表明它是一种大气探测的先进工具。

在过去二十年，平均每六年左右发展一代，探测能力和资料传输能力都有重大发展。以极轨气象卫星为例，从第一代到二代、三代，卫星的探测能力由只能以电视摄象方式获取白天低分辨率云图，发展到用扫描辐射仪获取昼夜高、低分辨云图和少量温度垂直分布资料。目前可取得质量更高，数量更多的高分辨率和低分辨率云图及大气的大量垂直结构资料。卫星的资料传输由模拟制发展到传输速率高，抗干扰能力强的数字制。整个气象卫星的功能，也由最初单纯的观测工具发展到可用来进行气象通信，兼有观测和通信的双重功能。

⑸导航测风

导航测风是六十年代兴起的一种新型测风方法。其原理是利用世界各地导航台所发送的导航信号，经探空仪接收，并调制在发射机上，再发送出去，当地面站接收到探空仪发回的一系列导航信号后，借助于常用的双曲线导航原理，便可确定探空仪的空间位置，并由此推算出高空的风向和风速。

导航测风通常要在探空仪上装接收机，接收至少3个导航台的信号以进行定位，并算出风向、风速。对海上测风，在近海地区多采用精度较高的罗兰一C系统，在远洋多采用Omega系统。目前已研制成导航测风系统的国家有美国、英国、法国和芬兰等。

导航测风系统的发展动向

①导航测风系统一般都配有电子计算机，以实现整个探空测风过程的自动化。精度与雷达、无线电经纬仪测风基本差不多，但它省去了一套复杂的跟踪系统，特别是对在活动平台(如飞机、船舶)上测风，大有好处，很有发展前途。

②导航测风受电离层变化及大气噪声干扰影响比较大，因此有关电波传播的某些问题，有待进一步研究解决。

③目前导航测风系统比无线电经纬仪系统、雷达与无线电探空仪系统造价贵。需降低成本和发展其独特的优势，才能达到实用的目的。4

探测步骤①所用探空仪在施放前若干天内，对其进行仔细的检查和准备，并对各感应元件进行灵敏度检查(基点检查)或检定。

②在当班的当天或前一天准备好足够的氢气，处理好球皮。对探空仪的发射机和电池进行电路部分的检查，并对探空仪再进行一次检查。

③施放前1小时，将准备施放和备份的探空仪拿到百叶箱中感应。

④施放前半小时进行基值测定，同时调试好雷达，冲灌气球，浸泡电池，装配探空仪，试听讯号。施放前后5分钟观测地面要素。

⑤正点施放，接收讯号，并观测跟踪球影。

⑥整理计算记录，编发电报。

⑦对观测记录进行就地审核，并抄录月报表。1

探测要求①要求视野开阔，四周障碍物(特别是当地盛行风的下风方)的仰角不超过5°。

②半径20m范围内应平坦，不种任何作物，半径50m范围内不能有架空电线，高大建筑物、树木等障碍物。

③附近不应有无线电台或使探空仪讯号受干扰的单位。

④通常是07、19时的综合观测和01、13时的单测风。1

质量要求高空探测的质量要求主要有6项指标：探空错情率≤7‰，测风错情率≤5‰，探空高度≥25000m，探空球炸率≥920‰，人为重放球≤4次/站、年，雷达综合测风高度≥23000m；雷达单独测风高度≥18000m。3

影响高空探测是人类了解大自然、了解天气变化的主要途径，是气象科学发展的基石。随着科技的发展和进步，越来越先进的设备用在了高空质量的探测之中，但是仅仅依靠高科技很难得到准确的探测结果，重放球以及丢球的失测、环境的影响都会对探测结果有重要影响。所以，应该在探测的"硬件实力"和"软件实力"两方面着手，只有掌握正确的探测方法才能从根本上提高高空探测质量。5