新技術在氣象探測中的應用

宮 軍，劉曉磊，石菊紅，荀家寶，張婷婷

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏大氣探測技術保障中心，銀川 750002)

0 引言

近年來隨著通信技術和控制技術的飛速發展，越來越多的新技術被廣泛應用到各行各業。氣象探測作為獲取氣象數據的主要手段，更應充分運用新技術為氣象預報預測、科學研究和氣象服務提供可靠、高效的觀測數據。

1 氣象探測已投入使用的新型技術

“十三五”以來氣象探測技術飛速發展，GPS技術、光纖傳輸和紅外測量技術已在氣象探測業務中得到了廣泛應用。

1.1 GPS技術及應用

GPS系統由24顆GPS衛星和5個地面監控臺站組成，能夠提供導航、測量和授時功能。其工作原理是通過測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據即可得出接收機的具體位置[1]。20世紀80年代GPS被引入氣象學中，成為了一門新學科——GPS氣象學(GPS/MET)。

GPS氣象學最早研究的是水汽，因為GPS系統工作時水汽是影響其精密測量的主要因素之一。水汽是大氣中一個重要的參量，其總量、分布和變化情況能夠直接影響天氣的穩定性，造成災害性天氣。除此，水汽還會影響大氣輻射和太陽輻射，進而影響氣候系統的水循環。

利用GPS技術探測水汽的主要原理：當GPS衛星發送的電波信號穿過地球大氣到達地面接收機時，地球大氣的各個部分都要與水汽發生相互作用。把各個部分相互作用的延遲量引入解算模型中，并逐項考慮誤差的來源和消除辦法，對高精度的大氣延遲量(毫米量級)與定位參數一起求解。然后通過雙頻技術訂正電離層延遲到毫米量級，通過地面氣壓觀測量訂正干空氣的延遲到毫米量級，最后得到毫米量級的濕空氣延遲，由此提取大氣柱的總水汽含量[2]。利用GPS技術估算大氣水汽總量相比無線電測量、水汽微波輻射計測量和氣象衛星觀測具有覆蓋面廣、造價成本低和不受云層影響等特點，是目前水汽觀測的主流方法。

在應用中，中國氣象局與中國地震局聯合開發了中國大陸構造環境監測網絡，該網絡能夠對中國地質巖石圈、水圈和大氣圈等構造環境變化進行實時監測，能夠明顯提高對暴雨、冰雹、雷雨和大風等水平尺度在幾百千米左右、歷時僅幾小時的中小尺度災害性天氣的預報預警能力，同時對氣候變化和人工影響天氣等領域的研究起到重要推進作用[3]。

GPS技術還充分利用其定位原理達到更準確地測量風速、風向等觀測要素[4]的目的。在提高觀測數據準確性的基礎上，降低地面接收系統的投入成本，提高氣象探空業務的自動化程度。

1.2 光纖傳輸

隨著通信技術的飛躍式發展和氣象傳感器種類的不斷豐富，傳統數據傳輸方式亟需改變。目前國家級臺站自動氣象站主要分為早期集中控制式結構的自動氣象站和近幾年逐步普及的分布式結構新型自動氣象站。自動氣象站數據采集通道均以串口通信為主，但因其傳輸距離短、傳輸速率小和只能單點傳輸等缺點，造成了數據備份、維護維修、遠程控制等不便捷的后果，而且采用RS-232通信方式的自動氣象站在夏季時存在大量雷電感應隱患。目前主流的以太網通信具備傳輸速度快和傳輸距離遠等優點，能夠有效解決傳統通信方式帶來的隱患和問題。

串口聯網服務器是將自動氣象站通信方式由傳統的RS-232改成TCP/IP方式，實現RS-232/485/422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向傳輸。改進后，國家級氣象站觀測場與值班室間僅使用1根光纖通信，節省了建站時的布線時間。同時隔離了室內外設備的電路連接，大大降低了夏季雷擊風險。

數據傳輸時，自動氣象站主控計算機將數據采集命令通過網絡發送至所需的串口服務器指定端口，串口服務器將數據進行處理后發送至自動氣象站數據采集器，數據采集器按照接收指令進行數據采集和處理，并將處理結果回傳給串口服務器，串口服務器在接收到數據后進行格式轉化，將其轉化成TCP/IP協議格式的數據流返回自動氣象站計算機[5]。主控計算機通過安裝的虛擬串口軟件，不僅可以實現數據的接收，還能夠實現數據的多地備份。

1.3 紅外測量技術

紅外技術至今已有兩百多年的歷史，目前廣泛應用于工業、農業、醫學和交通等各個行業和部門。用途更是覆蓋了紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外報警和紅外遙感等方面。根據業務發展需求和氣象服務的需要，特別是交通氣象站和農業氣象站被廣泛推廣后，紅外測量傳感器已經廣泛應用于自動氣象站，其具備檢測準確度高、穩定性好的優點。在交通自動氣象站中，采用紅外探測技術的遙感式路面溫度傳感器具備安裝時不需破壞路面、監測區域可任意挑選等優點[6]。在農業自動氣象站中，它可以對傳統溫度傳感器難以測量的冠層葉溫進行高精度測量。但紅外遙感傳感器目前也存在造價偏高、安裝復雜等缺點，同時在建設時還需對紅外線角度和自我修正系數進行不斷調整，才能保證觀測資料的準確性。

2 即將投入氣象探測使用的新型技術

隨著近年無人機、海洋漂浮浮標、高度集成化技術的不斷發展，各類氣象探測設備也迎來了新的發展高潮，為解決傳統測量時間和地點局限性提供了多種解決辦法。

2.1 無人機氣象觀測

近幾年，中國無人機技術不論在軍用領域還是民用領域，都得到了廣泛應用。而且據資料統計，中國已成為世界上無人機出口最多的國家，表明中國的無人機技術得到了世界各國的認可。在氣象領域，由于現有各種氣象觀測手段的局限性，無人機機載氣象探測系統具有廣泛的應用范圍和較強的補充性。

目前氣象用無人機垂直飛行高度最大可以達到3 km左右，可以有效地補充地面觀測和高空探測之間(尤其是0～3 km)的觀測空白；同時擺脫了固定或車載的束縛，1次飛行就可以對半徑為3～5 km的區域進行快速地氣象觀測；在觀測要素方面，無人機不僅能完成傳統氣象要素如風速、風向、溫度、濕度和氣壓的觀測，還能攜帶各類生態觀測設備，開展對氣體污染物、PM2.5和PM10顆粒物、地面紅外溫度逼感等要素的觀測。

氣象無人機觀測具備可移動測量、測量時間和地點可控、巡航距高遠和操作簡便直觀等特點，同時能夠快速應急響應，并進入人員無法到達或者存在人身安全的環境中進行觀測，是未來氣象和其他領域的發展方向之一。

2.2 海洋浮標觀測

中國領海總面積約300萬平方千米，海岸線長達18，000 km。氣象行業作為基礎性、公益性服務行業，更應該深入了解中國海洋氣候和海水變化情況，提供高效、準確的氣象服務資料，保障和促進其他行業發展。由于海洋環境的特殊性，目前海洋觀測遠不及陸地觀測技術成熟，其中浮標技術就是一項重要的制約因素。

浮標是為傳感器、數據采集及通信等設備在海上的搭載平臺，其相對于傳統的船只觀測具備無人值守、環境適應性強和觀測數據準確等優點。自2003年青海湖浮標氣象站投入使用[7]，到2018年黃海北部海域首個浮標氣象站投放運行，氣象浮標已經可以做成直徑為10 m、高度大于10 m的大型浮標，可以搭載多種海洋水文氣象的自動監測設備[8]，能夠在海上實時獲取風向、風速、氣溫、氣壓、能見度、水溫、海水密度和含鹽度等氣象資料。資料通過國家自主研發的北斗通信系統進行傳輸，在實現實時通信的同時，也保證了高敏感海域和重要海域的觀測數據安全性。太陽能供電則保證了浮標氣象站能夠長期、穩定工作。浮標氣象站的大量應用，不但能提高海洋氣象服務和災害性天氣預報預警能力，而且能在漁業生產、海洋資源開發利用及海洋避險救助等方面發揮重要作用。

3 結束語

隨著5G、人工智能、物聯網和云計算技術的發展，越來越多的新技術應用到了工業生產中，從而推動了各行各業的快速發展。氣象探測產品也將在“中國智造”的過程中不斷推陳出新，推動測量技術和測量精度的不斷提升，逐步實現智能化觀測，提供更好的氣象服務產品。