2016年唐山世界園藝博覽會氣象保障綜合探測系統分析

司方坤++郭麗霞++劉光河

摘要 通過對2016年唐山世界園藝博覽會氣象探測要素需求的分析，在現有的常規探測手段的基礎上，有針對性地建設新型探測設備，提出并分析了以雷達聯測系統、氣象自動站網系統、農氣觀測系統、大氣成分探測系統、雷電監測系統、應急探測系統為主要組成的唐山世園會綜合探測系統。

關鍵詞 2016年唐山世界園藝博覽會；氣象保障；綜合探測系統；河北唐山

中圖分類號 P451 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）24-0214-02

“2016年唐山世界園藝博覽會”（以下簡稱唐山世園會）是由國家林業局、中國貿促會、中國花卉協會、河北省政府共同主辦，唐山市政府承辦的又一重大國際性盛會。此次盛會以“都市與自然、鳳凰涅磐”為主題，園址位于唐山南湖風景區，核心區總用地5.4 km2，規劃8個園區、108個展園。唐山世園會會期為4月29日至10月16日，會展期間天氣情況復雜，對世園會氣象服務保障工作提出了嚴峻的挑戰。唐山市氣象局借鑒近年來召開的奧運會[1]、世博會、世園會[2-3]的經驗，開展了探測系統構建、預報平臺及服務平臺開發等一系列的氣象保障準備工作。在現有的常規探測技術的基礎上，對世園會氣象探測要素需求進行分析，有針對性地建設新型探測設備，提出以雷達聯測系統、氣象自動站網系統、農氣觀測系統、大氣成分探測系統、雷電監測系統、應急探測系統為主要組成的唐山世園會綜合探測系統。

1 世園會氣象探測需求

世園會氣象探測要素的需求主要分為3個方面，即常規要素、特種要素和專業要素。

1.1 常規要素

常規要素是天氣預報等必需的最基本氣象要素，其涵蓋了6個基本要素，包括降雨量、濕度、溫度、氣壓、風速、風向等。

1.2 特種要素

特種要素包括PM2.5、PM10、負氧離子、能見度、雷電等要素。由于特種要素與人民生產、生活密切相關[4]，越來越受到人們的重視，所以開展特種要素的探測十分必要。

1.3 專業要素

專業要素指花卉生長必需的基本要素，通常包括光、溫、水、氣、肥、二氧化碳濃度等，這些要素直接影響花卉根系生長[5]、土壤水分和肥料吸收、光合作用等，對花卉的品質和生長有較大的影響。

2 綜合探測系統的設計

通過借鑒北京、上海、西安等城市舉辦的國際性重大活動氣象服務保障的經驗，結合唐山本地氣候特征及世園會對氣象服務的需求，唐山世園會綜合探測系統主要由6個子系統組成（圖1）。

2.1 雷達聯測系統

在唐山出現的天氣系統90%以上都是從周邊區域移入的，為了對快速移動系統監測跟蹤，警戒區域半徑需300 km以上，單基雷達由于探測距離、地球曲率、地物遮擋等因素難以滿足監測需求，需要使用多基雷達聯測。

2.2 氣象自動站網系統

氣象自動站網系統為實時監測局地暴雨、雷暴、颮線等空間尺度小、發展迅速、生命史短的中小尺度天氣系統演變提供了精細觀測資料。

2.3 農業氣象觀測系統

針對唐山世園會展出的花卉對氣象要素的需求，建設農氣觀測系統，為花卉的生長提供實時的氣象要素探測數據。

2.4 大氣成分探測系統

使用大氣成分探測系統的監測數據為政府提供決策服務材料、為公眾提供公眾服務。

2.5 雷電監測系統

實時監測雷電發生、發展趨勢、消失過程，提前發出警報，減少雷電可能造成的破壞。

2.6 應急探測系統

應急探測系統是固定氣象探測系統的有效補充，能在時空尺度上進行加密精確監測，可對現場的實況以及各種氣象要素進行采集并快速傳輸。

3 綜合探測系統的建設方案

3.1 雷達聯測系統

唐山世園會雷達系統采用天津、北京、秦皇島3部CINRAD/SA S波段多普勒天氣雷達和豐南、豐潤、遵化3部TWR01型X波段局地天氣雷達實現多基雷達聯測。CINRAD/SA雷達具有大功率、高靈敏度、全相參的特點，其基本和導出的產品能描繪出降雨量、風和風切變、龍卷風、中尺度氣旋、雷暴雨、湍流、冰雹和晴天現象[6]，已在國內多次重大氣象保障活動中成功使用。然而，由于地形影響等原因，CINRAD/SA天氣雷達存在掃描需要時間長、存在盲區且數據需經過處理才能辨識等缺點，不能有效監測短時突發的局地性天氣過程。TWR01型天氣雷達使用X波段、全數字化及總線結構設計技術，使用了3 cm波長，可探測到S波段雷達探測不到的較弱的降水云，很適用于對中、小尺度天氣過程的預測預警觀測[7]。其雖然不能替代CINRAD/SA天氣雷達，但是可以彌補大型雷達對局地天氣特征探測的不足。因此，6部雷達組成的多基雷達聯測系統提高了探測效率和預報能力。同時，選取唐山市10個稱重式雨量觀測站用于提高雷達區域氣象觀測站反演降水（QPE）精度。

3.2 氣象自動站網系統

氣象自動站網包括11個國家級地面氣象觀測站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風向、風速、雨量、地溫、能見度）、3個國家級無人自動站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風向、風速、雨量）、194個兩要素區域站（觀測要素包括溫度、雨量）、87個暴雨站（觀測要素為雨量）、23個四要素站（觀測要素包括溫度、雨量、風向、風速）、1個世園會站（觀測要素包括氣壓、溫度、濕度、風向、風速、雨量、日照、能見度、二氧化碳濃度、負氧離子濃度）、1個海洋氣象大浮標站、3個海島自動站。各類自動氣象觀測站共323個，平均空間分辨率5 km，時間分辨率5 min；其中在世園會園區15 km范圍內有氣象觀測站37個，平均空間分辨率2 km，時間分辨率5 min，為及時掌握各種天氣地面結構及演變特征、開展精細天氣分析和短時預報提供更加精細化的觀測資料[8]。

3.3 農業氣象觀測系統

溫度、濕度、地溫由常規自動氣象站即可探測，而對土壤水分、日照、二氧化碳的探測則需使用專用的探測設備。

3.3.1 土壤水分含量。唐山有14套DZN2型自動土壤水分觀測儀，其中在世園會園區建設1套。該土壤水分觀測儀是利用電磁波檢測土壤水分含量，可自動測量5、10、20、40、80 cm深度的土壤水分含量[9]。

3.3.2 日照時數。FS-RZ1日照時數傳感器用于自動測量日照時數。該設備是依據傳感器上輸出的電平判斷輻照度，以120 W/m2為界，輻照度高的時候輸出高電平，低的時候輸出低電平，統計輸出電平為1 V（高電平）的時間從而可以統計日照時數。

3.3.3 二氧化碳監測。GMM222是全天候工作的二氧化碳傳感器，利用二氧化碳氣體光吸收的特性，對二氧化碳值進行記錄。

3.4 大氣成分探測系統

大氣成分探測系統由1個環境空氣顆粒物自動監測儀、1個負氧離子監測儀、16個能見度觀測儀組成。

3.4.1 環境空氣顆粒物。環境空氣顆粒物自動監測儀包括LGH-01B型PM10監測儀和LGH-01E型PM2.5監測儀，采用β射線法原理，根據采樣體積換算為單位體積空氣中懸浮顆粒的濃度[10]。該儀器位于唐山市氣象觀測站內，用來測定環境空氣顆粒物。

3.4.2 空氣負氧離子。YH系列空氣負氧離子監測儀用于測定空氣本底值及各種空氣離子發生器所產生的各種正、負極性的大、中、小離子[11]。利用采集到的負離子負電荷量經過采集器的處理，即可獲得負離子的電荷濃度值。該儀器安裝在世園會園區，供世園會期間測定負離子濃度。

3.4.3 能見度。HY-V35型能見度儀是基于大氣中的顆粒物（氣溶膠和細小水顆粒等）的前向散射原理而設計的，是繼透射式能見度儀后發展起來的新一代氣象能見度監測設備[12]。通過測量小體積空氣對光的散射系數，得到采樣氣體的消光系數，再得出氣象光學能見度。能見度儀安裝在唐山市氣象觀測站、世園會園區及10個縣市區。

3.5 雷電監測系統

雷電監測系統由5個ADTD閃電定位儀和7個DNDY地面電場儀組成。ADTD閃電定位儀由中科院空間科學與應用研究所中心研制，主要用于探測云地閃[13]。探測儀通過多個探測子站同時測量云地閃回擊電流輻射的強電磁脈沖，采用到達時間法和定向時差聯合法對雷電進行定位。閃電定位系統探測雷電的定位準確率>80%，定位精度在500 m以內。單個閃電定位儀的探測距離約為150 km，多個閃電定位儀組網形成閃電定位系統，可有效捕捉雷暴云團的移動。唐山地區5個閃電定位儀安裝于曹妃甸、樂亭、遵化、遷安和唐山市區，探測范圍覆蓋全市及周邊地區。DNDY地面電場儀通過感應測得雷雨云中電荷產生的靜電場強度以及電場的極性和連續變化，從而得到雷雨云中強電荷中心的演變信息，其有效范圍約為15 km[14]。將多個大氣電場測量進行聯網監測地面電場，能提供監測區域內地面電場的分布以及雷暴移動路徑。唐山7個地面電場儀安裝于灤縣、遷西、遵化、遷安、曹妃甸、豐南和唐山市區，探測范圍覆蓋全市。

3.6 應急探測系統

唐山世園會應急探測系統包括3部應急移動監測車和1部多普勒天氣雷達車。應急移動監測車配備多要素自動氣象站（探測要素包括溫度、濕度、雨量、氣壓、風向、風速）、綜合信息加工處理系統、數據通信（GPRS、衛星2種方式）、可視化現場會商及指揮聯絡等設備，實現氣象觀測數據的自動監測發送和現場應急指揮；多普勒天氣雷達車配備724XD型X波段天氣雷達，能夠探測降水云高、云厚、云底高、云內含水量、降水云中流場徑向分量及風暴中氣流和湍流的活動區，生成的各種氣象產品數據可通過移動網絡實現數據傳輸。多普勒天氣雷達車機動性強，彌補了固定雷達存在探測盲區的缺點。

4 結語

通過有機整合不同的探測系統，形成了一個高效的氣象服務體系。該體系獲得的數據可以通過無線或有線的傳輸方式匯總到唐山市氣象局中心數據庫，通過剔除可疑數據后，即可供唐山世園會使用。利用專門為世園會服務的綜合氣象探測系統軟件平臺，可以實現實時預報天氣情況和預警，對保障世園會順利召開提供了有力的氣象保障。

5 參考文獻

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