高空氣象觀測丟球原因分析及對策

摘 要：結合L波段雷達在實際工作中的應用情況，分析造成高空氣象觀測丟球原因，將其進行統計分類，并根據多年的工作經驗，從實際工作應用做為切入點，詳細介紹如何預防丟球現象的發生和常見的幾種丟球原因的應急操作方法。通過總結分析發現，在高空探測的實際應用中，充分做好放球前的準備工作，嚴密監視觀測過程中雷達的工作狀態，當發生異常情況及時進行應急，是做好高空探測工作的前提，也是日常工作中避免和減少丟球的主要舉措。

關鍵詞：L波段雷達；高空觀測；丟球原因；對策

中圖分類號：P403 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032060

我國一共有120個探空站，高空探測系統在2010年由原來的701系統全部改為L波段雷達探測系統，該系統是我國自主研發的具有國際先進水平的新一代高空氣象探測系統，它具有數據采集快、觀測精度高和自動跟蹤能力等特點，其中L波段雷達的水平、垂直波瓣寬度為≤6°均較窄[1]，在提高測角精度的同時，卻影響了雷達的定向和自動跟蹤性能，在日常工作中常出現丟球的現象，對L波段探空雷達的丟球原因進行分析和分類，并結合實際應用對不同原因造成的丟球處理方法進行歸納總結[2-10]，為今后更好地開展高空氣象探測，不斷提高探測精度和高度，最終為天氣預報、人工影響天氣及氣候預測等方面發揮更大的作用提供參考。

1 丟球原因

一般L波段雷達丟球主要是由于值班員操作失誤或粗心大意，在放球前沒有做好充分的準備工作，或因環境因素和雷達故障造成丟球現象的發生，在日常工作里常見的情況主要有以下5種。

1.1 未選擇合理的放球點

在氣球施放前操作人員未能根據自動觀測站或其它測風設備測定的近地面的風向、風速選擇合理的氣球施放點，導致施放瞬間（1min內）氣球出現過頂現象發生丟球。

1.2 近地面跟蹤異常

這類問題主要有3種情況：放球前未能將雷達天線對準探空儀或回答器；在氣球施放瞬間，氣球高仰角過頂后雷達跟蹤異常，值班員未能及時發現；內外操作員配合不當造成氣球延遲或提前施放，使L波段雷達非正常跟蹤而丟球的現象。

1.3 L波段雷達性能下降或故障

L波段雷達是一種體制較新、自動化程度也相對較高的新型雷達。為了充分發揮其性能，延長使用壽命，在業務使用過程中，除了正常使用操作外，還必須有良好的維護。在長期的使用中如果未按規定進行維護或維護不當會使雷達的性能下降或故障，造成跟蹤異常導致丟球[11]。

常見的雷達故障導致丟球的情況主要有以下幾種：

雷達天線座的匯流環有問題、驅動箱內編碼器的插頭接觸不良、發射機對方位角驅動電機的編碼器信號產生干擾使天線在自動跟蹤過程中出現方位或仰角死位現象發生丟球。

主控箱內11-6板產生的程序方波出現問題、程序方波送達至和差箱里的開關管套（包括其本身和二極管VK05）故障、饋線插頭漏水造成每路下來的增益信號不一樣，使信號兩兩不齊，造成起始位置容易丟球。

某根饋源極化方向不對或WT9線纜中程序方波傳輸芯線或12V電源傳輸芯線在天線高仰角時接觸不良造成高仰角雷達高仰角過頂丟球。

1.4 頻率飄移

L波段雷達在工作過程中，其頻率為1675±5MHz，在探空氣球自由升空的過程里，氣溫的變化>120℃，遇到施放的探空儀自身的性能不穩定，就會發生回答器的載波頻率產生飄移，當頻率變化超過雷達的工作頻率幅度，其接收頻率和探空儀的發射頻率就會處于飄移狀態，極易使雷達出現丟球現象。

1.5 環境因素

L波段雷達已實現自動跟蹤功能，但在非常惡劣的天氣條件下容易發生起始抓球失敗從而丟球，在這里惡劣天氣是指大風（風速達14m/s以上）、暴雨、大雪、濃霧等。

在探空氣球施放周圍存在電磁信號的干擾，使探空儀的載波頻率發生飄移，在遇到強雷雨天氣時，雷達中的強電磁干擾信號進入接收機，將主信號中數據信息淹沒，使雷達天線突然拉偏到某一方位上等失控情況的發生，造成雷達在自動跟蹤狀態下與探空儀之間信號聯系中斷異常，最終發生丟球現象。

在北方寒冷季節氣溫較低時，雷達設備連接線容易被凍住，使雷達天線轉動滯后，放球起始位置跟蹤異常或假定向發生丟球。

2 預防和避免丟球的要點

2.1 充分做好放球前的準備工作

在探空氣球施放前要根據探空信號對雷達的接收機增益和頻率進行認真的調整，增益30～50dB之間為宜，頻率在1675MHz左右，對準探空儀后一定要仔細檢查雷達自動跟蹤情況（特別是濃霧等特殊天氣），使雷達處于最佳的工作狀態。

2.2 選擇合理的施放點

高空探測工作中氣球施放點的選擇是決定雷達能否正常跟球的關鍵，臺站一般會根據實際的探測環境設定2～3個不同的放球點，值班員在施放前應根據自動站或其它測風設備測定的瞬間風向選擇合理的施放點，所謂合理就是盡量將施放點選在雷達的下風方向，以確保起始放球時雷達自動抓球成功。如因臺站場地條件的限制，下風方沒有合適的放球點則一定要選擇在雷達的側面進行放球，并且使放球點與雷達的距離盡量遠些。

2.3 對氣球的運動軌跡做到心中有數

放球前仔細觀察近地面的風向、風速，并參考最近一次測風記錄，分析推測氣球在低空的運動軌跡，對本次氣球施放后的初始運動軌跡做到心中有數，以便在丟球后能夠快速追回。有風廓線雷達的臺站可通過直觀的了解近地面2km高度風向的變化，為本次的探測做好充分的準備工作。

2.4 做好惡劣天氣的應急準備工作

當探測時遇有大風、能見度低等惡劣天氣時，一定要將雷達天線對準探空儀并反復檢查，讓雷達能夠自動跟蹤探空儀。對于可能出現的情況做好充分的準備工作，防止雷達在氣球出手的瞬間仰角卡死的現象發生。氣溫較低的季節還應在放球前將雷達的方位緩慢轉動一圈，仰角也要從低到高勻速轉動，以防天線轉動不靈活影響跟蹤。

2.5 做好雷達的日常維護工作

由于雷達故障造成的丟球現象，一般很難有及時解決的辦法，臺站的機務人員嚴格按照規范要求做好日常保養、檢查維護等工作，減少重大故障的發生是防止丟球和提高高空氣象觀測的保障。

負責機務人員應根據臺站的具體情況組織人員做好定期維護保養工作，主要是清潔工作為主，對于重要部件重點保養，檢查所有電纜接頭及各接插元件的安裝情況，天線是否轉動靈活，每年固定月份在晴天用經緯儀進行對比觀測，檢查雷達的工作狀態，發現問題及時處理解決。

3 不同原因丟球的處理方法

在日常的高空探測工作中丟球的原因有很多，處理方法也不盡相同，由于雷達故障造成的丟球一般是無法在短時間內得到解決的，只能啟用備份設備：即探空接收機和電子式光學經緯儀相配合完成該次高空探測，此處不再贅述。只對最為典型的放球瞬間過頂丟球和高空丟球后的對策以及假定向的判定和處理進行闡述說明。

3.1 放球瞬間過頂丟球的處理方法

在高空站由于地面施放氣球瞬間過頂丟球是普遍存在的現象，這是由于L波段雷達波瓣窄，所跟蹤的探空儀在近地面方位、仰角變換很大，一旦過頂丟球不容易找回，即使找回也容易發生旁瓣跟蹤。此時由于探空儀器距離雷達較近，旁瓣和主瓣跟蹤的差別不是很大，值班人員不易識別，當發現是假定向時，一般探測過程已經過去了數十分鐘，此時還需要根據天氣條件補放小球進行測風計算，所以在丟球后重新搜索到信號后一定要謹慎判斷是否為假定向。

在高空探測過程中當放球瞬間雷達的工作仰角達到85°以上時，放球軟件就會報警，一般當方位變化較快的情況下，仰角增大的速度就會減慢，只要不是1min內短時過頂，即使雷達仰角達到92°也不會發生卡死的現象。

氣球施放初期（1～2min）內，天空狀況良好的情況下，氣球施放員放球后應馬上到雷達上連續觀察氣球的運動軌跡，當發現方位變化緩慢，仰角不斷快速增大至92°左右時（仰角卡位的可能性非常大），馬上指揮室內操作員天線控制開關由自動轉為手動，進行手動抓球，盡量在2min內找回目標，并迅速將天控自動打開使雷達自動跟蹤。

當天空有云或能見度非常低的情況下，室內值班員只能根據前1～2d的高空測風資料，了解雷達的仰角、方位變化情況，密切觀察雷達方位、仰角的變化趨勢，，此時，值班員一定要注意力高度集中，將距離跟蹤狀態轉換為角度跟蹤，達到限位附近時，如發現示波器上方位兩條線已經明顯不齊，立刻將天線控制開關由自動轉為手動，根據四條亮線的變換情況進行手動跟蹤，當方位、仰角四條亮線對齊后迅速將天線控制開關轉為自動。在操作時盡量使用天線控制盒進行天控的手/自動轉換，這比在放球軟件上操作要快很多。

當雷達重新跟蹤正常后一定要仔細觀察并與上一時次的記錄進行比較分析，發現旁瓣跟蹤后利用軟件的“扇掃”功能及時處理，當測風數據連續缺測≥2min時，還應補放小球進行測風觀測；當探空數據連續缺測≥5min時，只能進行重放球操作。

3.2 高空丟球的處理方法

在觀測過程中發現丟球要根據具體情況進行判斷，視具體情況進行處理。

3.2.1 頻率飄移

當發現頻率超出工作頻率，及時將“頻率”在手動狀態下進行調整，一般設為1672～1675左右，再觀察示波器上四條亮線是否對齊，如果對齊則再檢查距離跟蹤和探空數據接收情況，一般均正常說明氣球已追回，雷達跟蹤恢復正常，否則應在調整頻率后參考球坐標秒數中最后一組正確的方位、仰角數據，將雷達天線手動搖至該位置附近查看示波器4條亮線情況，不齊時根據上下左右4條線，對應哪條線短就向哪邊調的原則進行調整，當4條亮線對齊后馬上調成“天控”自動狀態，并使用“扇掃”功能鍵檢查跟蹤情況，扇掃前后的方位、仰角均無明顯變化時則說明恢復正常。否則再重復以上步驟繼續調整尋找，直至恢復信號的正常跟蹤為止。

3.2.2 高差報警

當雷達出現高差報警后檢查發現斜距跟蹤異常或不跟時，檢查示波器4條亮線是否對齊，若對齊則再距離跟蹤狀態下查看“凹口”是否飄移，此時值班員應判斷是方位或仰角卡死還是儀器原因。如果是方位或仰角卡死則迅速將驅動箱電源進行關開操作，并檢查跟蹤情況，跟蹤不正常時需要值班員參考球坐標秒數中最后一組正確的方位、仰角數據，將雷達天線手動搖至該位置附近查看示波器4條亮線情況，調整亮線使其對齊后調成“天控”自動狀態，使用“扇掃”功能鍵檢查跟蹤情況，扇掃前后的方位、仰角均無明顯變化時則說明恢復正常。否則就重復以上步驟繼續調整查找，直至恢復信號的正常跟蹤為止。

儀器原因的判別一般分為2項，在距離跟蹤狀態下根據示波器上的亮點來調整凹口，一般會出現短時調整好后又不跟的情況；查看球坐標秒數據曲線圖，方位和仰角呈規律性變化，只有斜距變化異常。符合以上2項則基本可以判定為探空儀器問題，此時無需進行距離跟蹤的調整，在數據處理軟件中將該次探測的測風方式改為“無斜距”方式。

3.3 假定向的判斷與處理

雷達天線波瓣除了主瓣，還有旁瓣，目標被主瓣定向叫真定向，而被旁瓣定向則叫假定向[1]。在日常觀測工作中當出現丟球又被找回等特殊情況后，一定要進行判斷，避免假定向現象的發生。一般發生假定向時具有以下特點。

3.3.1 高差緩慢變大

由于雷達此時未能對準目標，方位角、仰角均有誤，隨著距離的不斷加大，測角誤差可達8°以上，高差也會越來越大，一直報警。

3.3.2 增益突增

探測初期增益應在30～50dB并緩慢增大，正常情況下接收增益一般指示值為100dB左右，旁瓣抓球，大約在150～160dB之間[12]。

3.3.3 信號逐漸減弱

隨著氣球飄移距離的不斷增大，雷達的探測距離明顯縮短，威力大幅下降，信號減弱，此時探空溫、壓、濕數據出現大量亂碼。

探測過程中懷疑假定向時，可以使用放球軟件提供的 “扇掃”功能鍵進行重新搜索目標，根據扇掃前后雷達天線的方位、仰角變化進行判斷，若無明顯變化則說明是真定向，此時適當調整頻率使數據接收處于最佳狀態即可。若前后變化較大，說明是假定向，則需要再一次使用“扇掃”操作進行處理。若使用如上方式仍舊未能實現真定向，則需要手動進行抓球的辦法進行操作了[13]。

4 結束語

在高空氣象探測過程中，發生丟球等異常跟蹤情況時，值班員和室外雷達指揮人員一定要根據L波段雷達丟球的原因采取合理的應急處理辦法，在處理過程中要默契配合，沉著應對，短時間內將氣球追回，并根據特殊規定進行相應的數據處理和做好補救措施。

隨著高空氣象探測技術自動化程度的不斷提高，有效地使業務值班員在正常情況下減少了工作量。而丟球現象的發生既有客觀因素，也存在主觀因素。在面對各類突發現象時，探測人員能夠及時、正確的進行操作處理，不但需要熟悉和掌握L波段雷達的性能及各項操作規程，還要將日常的經驗和處理方法的總結作為一個長期連續的工作來做，才能保證高空氣象觀測質量的穩步提高和探測資料的準確性。

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作者簡介：柴巖紅（1978-），女，工程師，從事氣象綜合業務研究和管理工作，研究方向：大氣探測方面。