高空气象探测系统现状分析与未来发展

TRQs 基本要求（Ⅰ级） WMO要求（Ⅱ级）
温度
0 . 2℃
0.1℃
≤0.5℃ ≤2 . 0℃
≤0.5℃ ≤1.0℃
地面~10 0 h Pa 10 0 h Pa以 上~5 h Pa
湿度 2%R H 1%R H
≤5%R H ≤10%R H
≤5%R H
第一 个对 流 层顶 及以下 第一 个对 流 层顶以 上
维，才使得芝加哥学派形成，并在罗斯 贝领导下根据分析高空观测获得的天 气图的实践，提出了气象学发展里程 中最著名的罗斯贝长波理论，这是现 代气象理论中最重要和基础的理论之 一。由此可见高空观测对气象学发展 所起的重要作用。
高空观测是全球天气与气候观测 系统的一个有机组成部分。风筝是高 空气象探测的先驱，1749年，英国人 亚利山大•威尔逊把温度计捆绑在风 筝上，用以测量最低层的大气温度。 从而开始了人类向高空气象（空中）探 测的跬步。二十几年后的1783年，法国 J •A• C • 查 理制成 携 带温 度、气 压自记 装置的氢气球测定高空温度和气压。
（3）足够的地表覆盖和分辨率，
流层内的长期观测，目前它的变化和 可以决定可靠的全球趋势和区域气候
分布，特别是垂直廓线还不是很清楚。 模式。
水汽反馈－随着温度升高水汽浓度的
（4）观测精度要比大气的垂直变
变化趋势，温室气体效应和全球变暖 化更细，这样就可以清楚地确认气候
被认为是重要的气候反馈过程之一。 变率和变化。由于观测的不确定性已
风速
2 m /s
1m/s
≤1m/s ≤10%
≤1m/s ≤2 m /s
地面~10 0 h Pa 10 0百h Pa以 上~5 h Pa 风 速≤10 m /s 风 速＞10 m /s
100hPa位 势高度
80m
10m
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的 稳 定 性 和 精度 有 较 大 提 高；L 波 段 探空系统资料达到日本高空气象探测 系统探测水平，温度达到北美区域探 空仪的水平，L波段高空气象探测系统 矢量风误差好于北美区域探空仪的水 平；总体上达到20世纪90年代中期世 界先进水平。
3 关键技术分析 常规探空系统的发展主要取决于
两个因素，传感器与测风方式。 3.1 传感器
□ 李 柏 李 伟 / 中国气象局气象探测中心
1 引言 中国作为世界气象组织（WMO，
World Meteorological Organization） 成员国的一个气象大国，在全国多部 门共建有4000多个各类气象台站，其 中气象部门占65%。截至到2008年底， 气象部门在全国布设了146部新一代 天气雷达、120个探空站、10部风廓线 仪、2416个国家级气象观测站、202个 GPS/MET站、325个雷电监测站、34 个 大 气 成 分观 测 站、317个 酸 雨 观 测 站、640个生态与农业观测站。其中对 于国家 级气 象 观 测 站，又可分为国家 基准气候站、国家基本气象站与一般 气象站3类，国家基准气候站143个，每 天进行24次定时观测（人工和自动）， 每小时上传一次地面气象观测资料； 国家基本气象站685个，每天定时进行 8次人工观测，每小时上传一次正点自 动站观测资料；一般气象站1588个， 每天 定 时 进行3 次 人 工 观 测，每 小 时 上传一次正点自动站观测资料。此外 随着地面自动气象观测技术的快速发 展，各省市根据预报与服务的需求，自 行建设了各类多要素区域自动站,截止 2008年底，全国区域自动气象站总数 已经突破26 000个站，这是国家级天
气压
≤2 h Pa ≤1 h Pa
≤1 h Pa
地面~5 0 0 h Pa 5 0 0 h Pa以 上~5 h Pa
风向
≤5° ≤2 . 5° ≤5°
地面~10 0 h Pa 风速 ≤10m/s 风速 ＞10m/s 10 0 h Pa以 上~5 h Pa
≤5° ≤10°
风速＞25m/s 风速≤25m/s
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1809年，英国人J•沃利斯和 T•福雷斯 首创用测风气球探测高空风。但这些 方法都不适宜作业务观测，因为时间 上来不及，于是人们设法让气球携带 发报机，把观测到的气象记录通过无 线电信号，即时发送到地面上来。这种 试验最早开始在1918年，但并没有成 功。1923年美国陆军气象学家布赖尔 继 续 试 验 时，地面得 到了历 时2 0 m i n 的讯号，这是无线电探空第一次获得 成功。1927年德国气象学家爱德拉格 和布利欧首次把波长42m的电子管发 报机系在上升气球下面进行试验，收 到了发 报 机 发自平 流 层 的 讯号。对高 空气压、温度和风等较完善的探测， 还是在1928年。当时，前苏联II•H莫尔 恰夫发明了无线电探空仪。该仪器是 随氢气球（后来发展到用定高气球、飞 机、气象火箭下投降落）升入高空，并 将所 测 的 各 高度 上 的气 压、温 度、湿 度、风等要素，通过仪器上的无线电发 报机将气象要素信息传回地面，由地 面收报机接收，从而获得高空气象资 料 的 一种 装 置。它体 积 小 巧，观 测 简 便，探测结果可靠，探测高度一般达到 10 ~15 k m，因而很快成 为高空气象 观 测普遍使用的工具。1931年12月芬兰 维萨拉公司的创始人维萨拉也发明了 著名的芬式无线电探空仪。这类探空 仪是现今探测30~40km以下高度高空 气象要素的主要仪器，全世界都在使 用。
气尺度观测站的重要补充。 高空气象观测在天气学的发展
历 程中占有 非 常 重要 的 一席，在 天 气学发展的4 个 阶段 里，从第1阶段 （18 2 6 ~19 2 0）世 界诞 生了第一 张天 气图开始，到第 2 阶段（19 2 6 ~19 4 0） 卑尔根学派形成，在V.皮叶克尼斯领 导下奠定了锋面天气的基础，把气团 和锋面学说引入天气学中，这些都是 以观测事实作为先导推动着气象学 科不 断 向 前发 展；然 而 到了第 3 阶 段 （1940~1960），二次世界大战以后， 由于世界高空观测网的大大加密，作 为天气学理论基础的动力气象学才有 了非常迅 速 的发 展，正 是在 这一 时期 把观测的天气分析从二维扩展到了三
高空观测对于天气与气候分析的 重要性：
地球大气层分为（由下向上）对流 层、平流层、中间层和热层，尽管相对 地 球半 径（6371k m）仅仅是一个薄层 （约140km厚度），但对我们人类生活
影响最直接的是对流层和平流层。人 的、暂时一致性的记录，可以确定是真
类最关心的对流层具有如下特征：
实的大气变化，而不是观测系统的变
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高空气象探测系统现状分析与未来发展
中国作为世界气象组织成员国中的一个气象大国，在高空探测领域对具有自主知识产 权的仪器与装备具有很大的需求，但我们国家在高空探测仪器与装备的核心技术（包 括观测方法和算法）研究方面与世界发达国家相比还存在很大差距。
目前我国L波段探空系统温度传
感器采用GPW2型棒状热敏电阻，测 量范围在50 ~ -9 0℃之内，短波反射率 优于93%；压力传感器采用24PC型硅 阻固态压力膜盒式，但由于其测量精 度受到零点温度漂移、灵敏度温度漂 移、线 性误差、重复性误差、迟滞误 差、机 械 迟 滞、温 度 迟 滞 等 多因素 的 影响，因此需要进行全量程的温度补 偿；湿度传感器采用XGH-02型高分子 湿敏电阻，它是一种二元特性传感器， 其电阻变化除了主要受相对湿度影响 外，还有一定的温度系数，探测过程中 需要通过公式进行温度修正，才能保 证探空仪升空过程中全量程的测湿精 度。温度传感器体积小，结构简单，安 装要求低，测量范围涵盖大气温度范 围，是一种比较理想的传感器；气压传 感器结构比较复杂，受影响的因素也 比较多，有待于朝着结构简单、只受压 力影响的方向发展；湿度传感器安装 环境和操作要求高，探测前需要寻找 电阻参考值，在探测过程中既要求裸 露，又不能触摸、刮碰，既要通风又要 防雨、防晒，改进空间比较大。
（1）大气温度变化趋势的区域模 化或方法的选择而引入的人为误差。
式和垂直结构非常敏感，以适应于不
（2）较高的垂直分辨率，可以区
同的气候强迫，因此对于气候观测非 分温度、水汽和臭氧变化的垂直结构
常重要。
及对流层顶的变化，这是气候系统中由
（2）水汽是最重要的大气温室气 于人为和自然应力带来的重要特征。
体，但是由于缺乏在对流层上部和平
全球大气成分的垂直结构非常重要。
而气候变化研究对于高空探测提 2 现状分析
出以下需求：
WMO将全球探空站分为3类，包
（1）一个长期（几十年）的、稳定 括GCOS探空站、全球资料交换探空
表1 业务对探测误差要求
要求
WMO对GCOS探空测 量误差最低及最高要求
常规高空气象探测测量误差要求
探测范围
项目
MRQs
我国早已形成气象高空探测网， 并已成为世界高空气象探测网的重要 组成部分。在全球，我国是气象高空探 测站最密的地区之一。20世纪50年代 以来，59-701系统在我国的高空气象探 测中，一直作为主力探测设备发挥了重 要的作用。1998年12月开始，为了提高 探测设备的自动化水平，提高高空探 测精度，南京大桥机械厂研制了L波段 系统，经过中国气象局考核试验，成为 取代59-701系统的新一代高空气象探 测系统。从2002年开始，中国气象局开 始了常规高空探测设备的升级换代， 以新型的 L波段探空系统替代原来的 59-701探空系统，以电子探空仪替代原 来的59型机械探空仪，截至到目前，已 经完成了91部L波段探空系统的布设。 气象观测具有准确性、代表性与可比 较性3个特点，要为气象预报预测与气 象服务提供高质量可靠的观测数据。 通过中国气象局气象探测中心的技术 评估，L波段探空系统和59-701探空系 统保持了探空高度数据总体趋势的一 致 性，偶 然 误 差 减 小，探空 高度 数 据
与地面气 象 观 测 仪器比 较，高空 气象探测仪器的测量范围大，重点在 于大气参数的垂直分布，无论是气温、 气压、湿度、风向风速，其参数变化范 围和变化速率都比地面参数要大得 多。气温可以低于-90℃，气压可以在 1h Pa 以下，风 速可达10 0 m /s以 上，湿 度测量仪器直接面临云中水滴、冰晶 和降水。这些都给高空探测仪器的设 计制造增加了困难。对高空大气参数 进行接触式探测的仪器虽然比地面仪 器的种类少得多，但制造和探测的难 度却是地面仪器无法比拟的。
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站与国内探空 站。目前全 球 高空 站网 为GCOS探空站161个，全球资料交换 探空站794个，国内探空站650个。中国 气 象 局 常 规 高空 探 测 站1 2 0 个（不含 港台），主要是在北京时间08:00时与 20:00时进行观测，其中87个站参加全 球资料交换，14个全球交换的气候月 报资料交换站，7个站为全球气候观测 系统探空站（GCOS站），分别为内蒙 二连浩特、海拉尔，甘肃民勤，湖北宜 昌，云南昆明，西藏那曲，新疆喀什， 此 外西 藏、新 疆 还 共 有6 个小 球 测 风 站，其他部门还有100多个探空站，主 要是在北京时间02:00时进行观测。
（3）对流层顶的特征和平流层臭 超过了大气变率，常规的无线电探空
氧和水汽之间潜在的联系，以及作为 的湿度观测不足以满足气候需求，因
气候变化敏感指标的对流层顶高度的 此这种需求对于对流层上部和平流层
潜在特征。
的水汽观测非常重要。
（4）痕量气体和大气成分的改变
W MO对于高空气象探测 精度提
会对气候产生很大的影响，因此了解 出了明确的要求，如表1所示。
高空探测仪器的测量范围大，所 处的环境恶劣，在探测过程中随时面 临太阳辐射、雷电干扰、降水和12级以 上的大风，并且是在运动中测量的，对 其测量的时间常数也有特殊的要求。 因此，高空气象探测仪器是一类有特 殊测量和环境适应性要求的仪器，目 前主要是各种用途和不同工作方式的 探空仪。就目前的高空探测业务而言， 主要还是分布在全国各地的探空站， 为天气预报、气候统计及航空、航天、 军事应用提供数据和气象保障。