影響高空探測數據質量的因素分析

張聰娥

（陜西省氣象信息中心，西安 710014）

影響高空探測數據質量的因素分析

張聰娥

（陜西省氣象信息中心，西安 710014）

為全面提高高空探測質量，從探測環境、雷達保障能力、低空丟球、儀器變性等方面分析了目前影響高空探測數據質量的因素，并就各因素對記錄造成的影響提出改進措施或建議。

高空探測質量；探測環境；雷達保障能力；低空丟球；儀器變性

自從L波段二次測風雷達—電子探空儀高空氣象探測系統在陜西漢中、安康、涇河、延安4個高空站陸續投入業務使用以來，全省探測質量明顯提高，但該系統也存在一些不穩定因素，對L波段高空探測系統近年來資料審核發現，記錄中經常出現因障礙物遮擋、電磁信號干擾而影響雷達探測精度，使探測數據可信度降低，部分記錄不能使用而缺測，嚴重時甚至迫使探測工作無法進行；或因雷達故障、低空丟球及儀器變性等原因，造成記錄缺測無法彌補，影響數據的準確性和完整性。在儀器換型初期有很多專家和探測人員從儀器準備、氣球充灌、質量控制等方面對影響高空探測數據質量的因素作了分析闡述［1－6］。以陜西4個探空站為例，對造成記錄不完整而影響探測質量的因素綜合分析，為提高探測數據質量提供參考。

1 探測環境

L波段高空探測系統作為59－701系統的更新換代產品，其自動化水平和探測精度不容置疑，但該系統對探測環境 （地理環境和電磁環境）有嚴格的技術要求，若環境不符合要求，會影響雷達的探測精度，使探測數據可信度降低，造成部分或全部記錄缺測。

1.1 地理環境 （障礙物遮擋）

高空氣象探測規范規定： “采用定向天線（雷達）觀測系統的高空氣象觀測站應四周開闊，障礙物對觀測系統天線形成的遮擋仰角不得高于5°，特別是觀測站盛行風下風方向120°范圍內的障礙物對觀測系統的天線形成的遮擋仰角不得高于2°”［7］。但是，隨著經濟和城市的發展，觀測站四周到處高樓林立，探測環境面臨嚴峻考驗。目前，陜西漢中、安康、涇河3個高空站的探測環境不同程度受到影響 （延安2010年12月經過一次遷站，探測環境比較穩定）。記錄審核中發現，秋冬季經常出現仰角、方位角跳變，探空信號模糊不清，大量記錄缺測影響探測質量的情況。這是由于秋冬季高空風大仰角低，當障礙物對雷達的遮擋角大于雷達實際工作仰角時就會對信號產生干擾，使雷達跟蹤精度降低，探空信號削弱，造成干擾段數據可信度降低而缺測。而且這種干擾出現的時間和高度是不確定的，它和高空風的變化特征有關。如漢中站每年秋冬季當雷達仰角大約在6°～8°、方位角在89°～107°時就會出現上述干擾現象，而且每月至少十幾次受到干擾，造成不完整記錄。

圖1為漢中站無障礙物和有障礙物干擾時的綜合探測雷達、氣壓高度對比曲線。從圖1a可以看出，當沒有障礙物干擾時，L波段探測系統探測精度較高，雷達高度和氣壓高度曲線基本重合；圖1b為有障礙物干擾時雷達、氣壓高度對比曲線，這時因雷達信號受障礙物遮擋干擾而衰減，測角、測距精度降低，雷達高度和氣壓高度相差較大 （差值達2～3km），兩條曲線嚴重背離，51～59min測風數據有誤而缺測，導致70 hPa、18～20km風數據缺測；50min9s～56 min50s探空數據有誤而缺測，導致70hPa、第17特性層溫度、濕度等數據缺測，影響了探測數據的完整性。

圖1 漢中站2013－06－17無障礙物 （a）和2013－12－31有障礙物 （b）雷達、氣壓高度對比曲線

1.2 電磁環境 （電磁干擾）

高空氣象探測規范規定：“高空氣象觀測站的電磁環境應滿足觀測系統的要求。氣象探空系統所使用的無線電頻段由國家無線電頻率管理部門審定，不允許其他部門或個人非法使用”［9］。信息化、現代通信的飛速發展，各種無線電信號紛繁復雜，無處不在，這些外來電磁信號進入探測系統時，會使目標源假性移位，雷達定位精度降低，從而影響雷達探測精度，特別是同頻干擾，時常淹沒主信號，造成無法接收主信號或使雷達接收信號產生錯誤，使探空飛點增多、測風丟球，造成記錄缺測。如西安涇河站2010年11月01時單獨測風，受臨潼某軍用探測系統同頻干擾源影響，造成8個時次部分記錄數據有誤而缺測，探測被迫終止。

建議生產廠家改善和優化雷達性能指標，提高雷達抗干擾能力；高空探測站要加強環境保護意識，愛護、保護探測環境；將L波段雷達探測環境保護范圍和標準報送當地政府及有關部門備案并納入當地城市規劃和建設部門審批的內容；做好有關保護探測環境知識宣傳工作；密切注意、監測測站四周環境的變化情況；定期請有關專業機構 （省無線電管理委員會）對站址電磁環境進行測試，確保臺站周圍沒有電磁干擾源。如發現探測環境嚴重惡化而影響資料準確性，應立即采取有效措施或報請上級主管部門解決。

2 雷達保障能力

雷達的工作狀態是高空探測資料完整性的首要保障，雷達的日常維護和保養、備件的及時供應以及機務人員的技術保障是保證雷達正常工作的根本。

2.1 備件保障

L波段雷達作為一種新型探測設備，還處于使用的初級階段，其性能存在一定的不穩定因素，雷達隨時可能突發故障，造成遲放、重放或記錄缺測。所以，備件和備份設備的保障很重要。實際工作中發生過因無備件儲備導致記錄缺測的例子。如某高空站曾因雷達故障無配件修復，導致無法進行高空風探測，啟用經緯儀觀測，造成連續三個時次探測高度只有幾千米，其中連續兩個時次高度未達500hPa，給探測工作造成了不可彌補的損失。

2.2 技術保障

L波段雷達集成化程度較高，高新技術含量較高，維護和維修技術尚處于摸索階段，故障發生后難以駕馭，機務保障一直是高空探測工作的薄弱環節。實際工作中多次發生雷達故障找不出原因而未能及時修復，造成記錄缺測。如某高空站有一段時間經常發生仰角、方位角跳變又找不出具體故障原因，造成部分記錄不能使用而缺測；某高空站因未及時發現雷達故障，錯過了啟動應急接收設備的時間，探空、測風高度未達500hPa，可用記錄只有7.5min，探測高度不到3km。

臺站應保障雷達各種配件、元器件、電路板隨時有備件并對備件情況進行登記，做到心中有數，雷達發生故障時可及時更換問題部件，排除故障；保障L波段雷達應急接收設備處于熱備份，以保證主設備故障時可隨時啟用；定期對雷達進行日常清潔、維護、保養，使雷達保持良好的性能，確保雷達處于最佳工作狀態，減少故障發生的概率；機務保障人員要認真學習、了解雷達整機結構以及各部件的性能、指標、工作原理，掌握雷達電氣性能，尋找正確的故障定位方法，逐步提高機務保障水平；加強對機務保障人員的技術培訓，增強保障能力；加強技術保障體系的建設，利用網絡系統與有關廠家、省局大氣探測技術保障中心建立遠程技術支持和互動平臺，進行技術咨詢，在他們的指導下查找原因，排除故障。

3 低空丟球

L波段雷達高度自動化的測角、測距和目標跟蹤是其一大優勢，但是由于雷達測角技術指標的限制，低空經常會出現高仰角過頂卡死 （雷達天線仰角、方位 “鎖死”不動）、大風時低仰角雷達自動跟蹤失誤的情況，必須切換到手動方式找回目標，而L波段雷達采取了垂直極化方式，波瓣寬度比701雷達窄，人工抓球成功率低，找回目標比較困難，所以，低空丟球的情況比以前明顯增多，而且丟球時間較長，用小球很難補回缺測資料，造成500hPa以下測風數據長時間缺測。

建議生產廠家改進雷達結構，優化測角部件性能指標；探測人員平時在工作中善于總結，逐漸積累經驗，訓練抓球基本功。審核中發現，同樣的低空高仰角過頂雷達卡死或低仰角雷達自動跟蹤失誤丟球的情況，有的探空員能在較短時間內找回目標而有的卻不能，因此，探空員平時要多查看、了解本站近期高空和地面數據，熟悉和掌握本站地面和高空風特征，這樣才能準確判斷氣球漂移趨勢，練就過硬的抓球技術，隨時應對低空丟球事件，盡力減小資料缺測損失，提高自身綜合業務能力；已經造成低空 （500hPa以下）記錄缺測且失測時間大于5min，如果可確定在規定時間內補回全部失測資料，則立即補放小球補測，否則，應果斷重放球，盡力避免資料缺測損失。

4 儀器變性

GTS1型數字式探空儀整體性能較穩定，但也不排除少量的質量問題。實際工作中發現溫、壓、濕傳感器有變性情況發生，具體表現為數據嚴重跳變，這種跳變和干擾引起的跳變有本質區別，溫度、高度或濕度與前后時次比較明顯異常，如從某時刻起1s內溫度從－56.3℃跳變為－38.2℃ （之后按此數值規律變化直至球炸），嚴重時跳變到－90℃直至球炸保持不變，這是典型的溫度傳感器變性，從變性時刻起到球炸這段記錄不能使用，只有刪除置為缺測，造成記錄不完整。還有一種情況是測站有強對流天氣過境，儀器遇雷擊引起傳感器變性，這種情況較少。

建議生產廠家提高探空儀整機質量，穩定儀器性能，特別是增強探空儀抗雷擊性能；探測人員要嚴格按規范要求做好探空儀施放前的準備工作，特別是做好濕度片高濕到低濕的老化；如遇雷暴天氣應適當推遲放球，避免儀器變性發生。

5 其它因素

探測人員的責任心、業務素養以及相互協作也是影響資料完整性的因素，儀器正點施放后，主、副班要密切配合并時刻觀察使目標始終處于攝像機鏡頭中心位置，以防丟球導致測風數據缺測；要隨時觀察雷達工作狀態，注意溫、壓、濕氣象碼接收是否正常，出現亂碼時，調整頻率并及時啟動質量控制模塊糾正飛點。

6 結語

綜上所述，障礙物遮擋、電磁干擾、雷達保障能力不足、低空丟球、儀器變性等都有可能造成記錄缺測，導致探測資料不完整，影響高空探測數據質量。保護探測環境，增強雷達機務保障能力，訓練和掌握抓球基本功，增強責任心，是提高高空探測數據質量的保證。

［1］劉永蓮.L波段雷達—電子探空儀系統的幾點實用技巧 ［J］.廣西氣象，2004 （4）：44－45.

［2］李銀蓮，劉永峰，趙秋生 .淺談高空氣象探測高度 ［J］.山西氣象，2006 （4）：45－46.

［3］劉朝暉，張曉平 .L波段高空氣象探測資料質量控制要點 ［J］.山東氣象，2007，27 （4）：31－32.

［4］梁建平，韋麗英，王成剛，等 .新型高空探測系統記錄數據預審要點 ［J］.氣象研究與應用，2009，30 （2）：66－68.

［5］許兵甲，潘志平，黃紅梅 .L波段雷達探測系統使用中常見問題處理 ［J］.氣象水文海洋儀器，2009 （4）：102－106.

［6］劉芳霞，郭江峰 .高空觀測數據實時質量控制軟件的實現及應用 ［J］.陜西氣象，2011 （6）：18－20.

［7］中國氣象局 .常規高空氣象觀測業務規范 ［M］.北京：氣象出版社，2010：2.

P412.25

B

張聰娥 .影響高空探測數據質量的因素分析 ［J］.陜西氣象，2014（3）：26－29.

1006－4354 （2014）03－0026－04

2014－01－24

張聰娥 （1963—），女，漢族，陜西戶縣人，學士，工程師，從事高空氣象資料、報表審核。