贵阳L波段气象雷达小风条件下探空球施放技术的探讨

闵昌红

摘要：贵阳站受施放场地条件和雷达性能的影响，小风（定义风速小于等于1.0 m/s是造成丢球缺测或重放的主要原因。小风和静风条件下，贵阳近距离施放点在施放几秒内由于仰角变化率较高，接近脉冲宽度和波瓣宽度阀值，雷达跟踪困难，容易丢球缺测。通过计算分析小风和静风条件下，优先选择距离较远点作为施放气球点，偏北微风时，在该点施放气球，偏离正北方向适当方位角度施放，避开气球向南迅速越过雷达天顶。

关键词：L波段气象雷达；丢球；施放技术

1.引言

L波段高空气象探测雷达由于其测量精度和自动化程度较高，其雷达脉冲宽度（±0.8μs），波瓣宽度（垂直波瓣≤6°，水平波瓣≤6°）均较窄。要实现完全自动跟踪和预防丢球缺测或者重放，要求有很高的施放条件和技术。雷达性能、施放场地、天气条件、频率漂移、电磁环境都可能对一次施放是否成功产生决定影响。良好的准备工作和正确的判断是一次探空球施放成功的关键所在。贵阳站受施放场地条件和雷达性能的影响，雾天小风或者静风是造成丢球缺测或重放的主要原因，本文计算比较贵阳站小风条件下（风速小于等于1.0 m/s）不同施放点仰角变化率，提出解决地面施放避免丢球的具体方案。

2.方法

探空气球在飞升过程中，探空雷达通过对气球携带的探空仪定位（仰角、方位）来实现高空风等气象要素的探测。探空雷达对角速度、角加速度的响应有一定的滞后性，当探空仪角度变化率超过一定范围，雷达可能因此失去跟踪目标造成丢球。所以，可以尝试利用观测实践探讨角度变化情况来实现优化施放探空仪的技术方案，从而避免或者减少丢球。

雷达仰角和探空气球之间的关系表示为：

tanδ=hl（1）

式中δ为雷达观测仰角（°），h为气球高度（m），l（m）为假设探空气球铅直上升水平面投影点距离雷达的距离。δ和h为观测时间t的函数，上式两边分别对t求一阶导数得到：

dδdt=cos2δl·dhdt（2）

dδdt（rad/s）为角速度。dhdt为气球升速（m/s）。探空气球在假设内外等压、等温、不透气的条件下，净举力A=A0=常量[1]。根据气球上升运动方程，施放后短暂几秒中内，净举力将与空气阻力平衡，气球近似地认为等速上升，ω=dhdt=常数。变化（2）式得到：

dδdt=lωl2+ω2t2（3）

探空观测中，通常用角度制，因此上式改写成角度形式dδdt（°/s）：

dδdt=180·lωπ（l2+ω2t2）（4）

一般地，回定探空站根据常年盛行风风向和特定地理环境条件选择几个放球点，贵阳探空站的净举力在1500克左右，近地层气球升速平均约为ω≈5.83（m s-1），当地面风速为静风或小风（这里定义风速≤1m s-1）时，在较短时间内（取一分钟），可以近似地认为气球是铅直上升的，而丢球大多发生的这段时间内。于是根据（3）计算比较不同放球点仰角的变化率，再结合实例，与实际发生丢球的仰角变化率进行比较分析，进一步得到具体风向条件下探空气球的施放方案。

3.结果分析

3.1贵阳站放地布局点分布图描述

贵阳探空站位于贵阳东山山顶。地理位置26°35ˊN，106°44ˊE，海拔1223米，东西长约150米，南北宽约70米。探空雷达处于地面基准站观测场中心区域草坪靠北边缘，雷达天线海拔高度为1226米。偏北方向的贵州省专业气象计量站及国家基准站位置较低对施放影响不大，但SSE方向的天气雷达主楼及WNW方向约270米位置的贵阳电视发谢塔对探空气球施放点的选择有一定影响。

图中A、B探空气球放球区是依据台站气象条件（主要是盛行风向、地形环境和规范要求综合选择而定）南北向弧线内区域分别以气压室气压表位置和百叶箱中心点为圆心、半径为100m两圆的交集，说明放球区满足规范“施放时探空仪与瞬间观测的仪器应处于同一环境，两者的水平距离不应超过100米”的规定。本站L高空气象探测雷达于2003年1月1日正式投入业务运行，是全国首批投入业务运行的5个高空台站之一，积累的GTS1型数字

3.2.资料及处理

资料选自贵阳探空站2010-2012年07时和19时探空综合观测记录。选择本站常规施放点A、B、C符合本文筛选和比较条件的记录共40次。其中A、B各14次观测记录中均有短时丢球或重放球情况，C点选择了12次小风天气成功施放的记录作为比较分析的资料。

下图给出了贵阳站小风条件下不同施放点雷达跟踪过程中仰角变化率。

图表1贵阳站小风条件下不同施放点雷达跟踪仰角变化率

3.3 结果分析

小风和静风条件下，探空仪仰角变化较大，由于探空雷达脉冲宽度和波瓣宽度均较窄，其跟踪对角度变化灵敏度较高。气球铅直升高过程中，施放点越远，则仰角变化率较小，雷达易于跟踪，反之，则容易丢球缺测。

放球点A、B、C距离探空雷达天线分别为为40米、47米、73米。从图表1可以看出，气球施放一分钟时间内，探空仪仰角变化率逐渐减小，在施放后大约11秒后，仰角变化率基本一致，变化很小，气球飞升稳定，不易丢球。施放11秒内，仰角变化率大，A、B、C分别为8.4-2.3（°/s）、7.1-3.2（°/s）、4.6-30（°/s），距离越远，则变化率越小，雷达容易跟踪。

统计表明，2003-2012年贵阳站丢球AB两施放点共占总次数的87%，原因是盛行风向偏北偏东风时，探空员按照常规大多选择在下风方向施放气球，而在小风条件下，偏北风时选择下风方向的AB两点施放，在施放几秒内由于仰角变化率较高，接近脉冲宽度和波瓣宽度阀值，雷达跟踪困难，这是造成丢球的一个重要原因。

因此，小风和静风条件下，应当优先选择距离较远的C点作为施放气球点，偏北微风时，在该点施放气球，偏离正北方向适当方位角度施放，避开气球向南迅速越过雷达天顶。

4. 结论

4.1 小风和静风条件下，贵阳近距离施放点AB，在施放几秒内由于仰角变化率较高，接近脉冲宽度和波瓣宽度阀值，雷达跟踪困难，容易丢球缺测。

4.2 小风和静风条件下，应当优先选择距离较远的C点作为施放气球点，偏北微风时，在该点施放气球，偏离正北方向适当方位角度施放，避开气球向南迅速越过雷达天顶。

参考文献：

[1]张文煜，袁九毅.大气探测原理与方法[M].北京：气象出版社，2007：200-201.

[2]中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京.气象出版社，2010，11

[3]刘朝晖，张晓平.L波段高空气象探测资料质量控制要点[J].山东气象，2007， 27（4）：31-32.

[4]L波段高空气象探测业务常见问题及应急处理（A）.2014.10