2016年唐山世界园艺博览会气象保障综合探测系统分析

司方坤++郭丽霞++刘光河

摘要 通过对2016年唐山世界园艺博览会气象探测要素需求的分析，在现有的常规探测手段的基础上，有针对性地建设新型探测设备，提出并分析了以雷达联测系统、气象自动站网系统、农气观测系统、大气成分探测系统、雷电监测系统、应急探测系统为主要组成的唐山世园会综合探测系统。

关键词 2016年唐山世界园艺博览会；气象保障；综合探测系统；河北唐山

中图分类号 P451 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0214-02

“2016年唐山世界园艺博览会”（以下简称唐山世园会）是由国家林业局、中国贸促会、中国花卉协会、河北省政府共同主办，唐山市政府承办的又一重大国际性盛会。此次盛会以“都市与自然、凤凰涅磐”为主题，园址位于唐山南湖风景区，核心区总用地5.4 km2，规划8个园区、108个展园。唐山世园会会期为4月29日至10月16日，会展期间天气情况复杂，对世园会气象服务保障工作提出了严峻的挑战。唐山市气象局借鉴近年来召开的奥运会[1]、世博会、世园会[2-3]的经验，开展了探测系统构建、预报平台及服务平台开发等一系列的气象保障准备工作。在现有的常规探测技术的基础上，对世园会气象探测要素需求进行分析，有针对性地建设新型探测设备，提出以雷达联测系统、气象自动站网系统、农气观测系统、大气成分探测系统、雷电监测系统、应急探测系统为主要组成的唐山世园会综合探测系统。

1 世园会气象探测需求

世园会气象探测要素的需求主要分为3个方面，即常规要素、特种要素和专业要素。

1.1 常规要素

常规要素是天气预报等必需的最基本气象要素，其涵盖了6个基本要素，包括降雨量、湿度、温度、气压、风速、风向等。

1.2 特种要素

特种要素包括PM2.5、PM10、负氧离子、能见度、雷电等要素。由于特种要素与人民生产、生活密切相关[4]，越来越受到人们的重视，所以开展特种要素的探测十分必要。

1.3 专业要素

专业要素指花卉生长必需的基本要素，通常包括光、温、水、气、肥、二氧化碳浓度等，这些要素直接影响花卉根系生长[5]、土壤水分和肥料吸收、光合作用等，对花卉的品质和生长有较大的影响。

2 综合探测系统的设计

通过借鉴北京、上海、西安等城市举办的国际性重大活动气象服务保障的经验，结合唐山本地气候特征及世园会对气象服务的需求，唐山世园会综合探测系统主要由6个子系统组成（图1）。

2.1 雷达联测系统

在唐山出现的天气系统90%以上都是从周边区域移入的，为了对快速移动系统监测跟踪，警戒区域半径需300 km以上，单基雷达由于探测距离、地球曲率、地物遮挡等因素难以满足监测需求，需要使用多基雷达联测。

2.2 气象自动站网系统

气象自动站网系统为实时监测局地暴雨、雷暴、飑线等空间尺度小、发展迅速、生命史短的中小尺度天气系统演变提供了精细观测资料。

2.3 农业气象观测系统

针对唐山世园会展出的花卉对气象要素的需求，建设农气观测系统，为花卉的生长提供实时的气象要素探测数据。

2.4 大气成分探测系统

使用大气成分探测系统的监测数据为政府提供决策服务材料、为公众提供公众服务。

2.5 雷电监测系统

实时监测雷电发生、发展趋势、消失过程，提前发出警报，减少雷电可能造成的破坏。

2.6 应急探测系统

应急探测系统是固定气象探测系统的有效补充，能在时空尺度上进行加密精确监测，可对现场的实况以及各种气象要素进行采集并快速传输。

3 综合探测系统的建设方案

3.1 雷达联测系统

唐山世园会雷达系统采用天津、北京、秦皇岛3部CINRAD/SA S波段多普勒天气雷达和丰南、丰润、遵化3部TWR01型X波段局地天气雷达实现多基雷达联测。CINRAD/SA雷达具有大功率、高灵敏度、全相参的特点，其基本和导出的产品能描绘出降雨量、风和风切变、龙卷风、中尺度气旋、雷暴雨、湍流、冰雹和晴天现象[6]，已在国内多次重大气象保障活动中成功使用。然而，由于地形影响等原因，CINRAD/SA天气雷达存在扫描需要时间长、存在盲区且数据需经过处理才能辨识等缺点，不能有效监测短时突发的局地性天气过程。TWR01型天气雷达使用X波段、全数字化及总线结构设计技术，使用了3 cm波长，可探测到S波段雷达探测不到的较弱的降水云，很适用于对中、小尺度天气过程的预测预警观测[7]。其虽然不能替代CINRAD/SA天气雷达，但是可以弥补大型雷达对局地天气特征探测的不足。因此，6部雷达组成的多基雷达联测系统提高了探测效率和预报能力。同时，选取唐山市10个称重式雨量观测站用于提高雷达区域气象观测站反演降水（QPE）精度。

3.2 气象自动站网系统

气象自动站网包括11个国家级地面气象观测站（观测要素包括气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、地温、能见度）、3个国家级无人自动站（观测要素包括气压、温度、湿度、风向、风速、雨量）、194个两要素区域站（观测要素包括温度、雨量）、87个暴雨站（观测要素为雨量）、23个四要素站（观测要素包括温度、雨量、风向、风速）、1个世园会站（观测要素包括气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、日照、能见度、二氧化碳浓度、负氧离子浓度）、1个海洋气象大浮标站、3个海岛自动站。各类自动气象观测站共323个，平均空间分辨率5 km，时间分辨率5 min；其中在世园会园区15 km范围内有气象观测站37个，平均空间分辨率2 km，时间分辨率5 min，为及时掌握各種天气地面结构及演变特征、开展精细天气分析和短时预报提供更加精细化的观测资料[8]。

3.3 农业气象观测系统

温度、湿度、地温由常规自动气象站即可探测，而对土壤水分、日照、二氧化碳的探测则需使用专用的探测设备。

3.3.1 土壤水分含量。唐山有14套DZN2型自动土壤水分观测仪，其中在世园会园区建设1套。该土壤水分观测仪是利用电磁波检测土壤水分含量，可自动测量5、10、20、40、80 cm深度的土壤水分含量[9]。

3.3.2 日照时数。FS-RZ1日照时数传感器用于自动测量日照时数。该设备是依据传感器上输出的电平判断辐照度，以120 W/m2为界，辐照度高的时候输出高电平，低的时候输出低电平，统计输出电平为1 V（高电平）的时间从而可以统计日照时数。

3.3.3 二氧化碳监测。GMM222是全天候工作的二氧化碳传感器，利用二氧化碳气体光吸收的特性，对二氧化碳值进行记录。

3.4 大气成分探测系统

大气成分探测系统由1个环境空气颗粒物自动监测仪、1个负氧离子监测仪、16个能见度观测仪组成。

3.4.1 环境空气颗粒物。环境空气颗粒物自动监测仪包括LGH-01B型PM10监测仪和LGH-01E型PM2.5监测仪，采用β射线法原理，根据采样体积换算为单位体积空气中悬浮颗粒的浓度[10]。该仪器位于唐山市气象观测站内，用来测定环境空气颗粒物。

3.4.2 空气负氧离子。YH系列空气负氧离子监测仪用于测定空气本底值及各种空气离子发生器所产生的各种正、负极性的大、中、小离子[11]。利用采集到的负离子负电荷量经过采集器的处理，即可获得负离子的电荷浓度值。该仪器安装在世园会园区，供世园会期间测定负离子浓度。

3.4.3 能见度。HY-V35型能见度仪是基于大气中的颗粒物（气溶胶和细小水颗粒等）的前向散射原理而设计的，是继透射式能见度仪后发展起来的新一代气象能见度监测设备[12]。通过测量小体积空气对光的散射系数，得到采样气体的消光系数，再得出气象光学能见度。能见度仪安装在唐山市气象观测站、世园会园区及10个县市区。

3.5 雷电监测系统

雷电监测系统由5个ADTD闪电定位仪和7个DNDY地面电场仪组成。ADTD闪电定位仪由中科院空间科学与應用研究所中心研制，主要用于探测云地闪[13]。探测仪通过多个探测子站同时测量云地闪回击电流辐射的强电磁脉冲，采用到达时间法和定向时差联合法对雷电进行定位。闪电定位系统探测雷电的定位准确率>80%，定位精度在500 m以内。单个闪电定位仪的探测距离约为150 km，多个闪电定位仪组网形成闪电定位系统，可有效捕捉雷暴云团的移动。唐山地区5个闪电定位仪安装于曹妃甸、乐亭、遵化、迁安和唐山市区，探测范围覆盖全市及周边地区。DNDY地面电场仪通过感应测得雷雨云中电荷产生的静电场强度以及电场的极性和连续变化，从而得到雷雨云中强电荷中心的演变信息，其有效范围约为15 km[14]。将多个大气电场测量进行联网监测地面电场，能提供监测区域内地面电场的分布以及雷暴移动路径。唐山7个地面电场仪安装于滦县、迁西、遵化、迁安、曹妃甸、丰南和唐山市区，探测范围覆盖全市。

3.6 应急探测系统

唐山世园会应急探测系统包括3部应急移动监测车和1部多普勒天气雷达车。应急移动监测车配备多要素自动气象站（探测要素包括温度、湿度、雨量、气压、风向、风速）、综合信息加工处理系统、数据通信（GPRS、卫星2种方式）、可视化现场会商及指挥联络等设备，实现气象观测数据的自动监测发送和现场应急指挥；多普勒天气雷达车配备724XD型X波段天气雷达，能够探测降水云高、云厚、云底高、云内含水量、降水云中流场径向分量及风暴中气流和湍流的活动区，生成的各种气象产品数据可通过移动网络实现数据传输。多普勒天气雷达车机动性强，弥补了固定雷达存在探测盲区的缺点。

4 结语

通过有机整合不同的探测系统，形成了一个高效的气象服务体系。该体系获得的数据可以通过无线或有线的传输方式汇总到唐山市气象局中心数据库，通过剔除可疑数据后，即可供唐山世园会使用。利用专门为世园会服务的综合气象探测系统软件平台，可以实现实时预报天气情况和预警，对保障世园会顺利召开提供了有力的气象保障。

5 参考文献

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