L 波段高空探测中几种丢球现象分析及处理方法

马佩强，曹 刚，诸彩彬，李 斌

（广东省河源市气象局，广东 河源 517000）

气象同人类生活密切相关，直接影响农业生产活动、航空航天、交通运输等工作的开展。气象观测是将多个学科进行结合的独立性学科，涵盖了基础理论和现代科学知识，有效推动了大气科学发展速度。通过开展气象观测工作可以获取所需的气象要素数据信息，进而为气象服务、天气预报预警、气候评估和科学研究等工作提供有效的数据支撑。高空气象探测主要有常规和非常规性的高空气象探测，前者是将探空仪安装到氢气球上自由升空，并利用直观性探测方式获取地面到高空处的不同参数信息，特点是准确度和时空分辨率高，且应用范围广泛；后者则是借助于火箭或者是飞机向对应高度发射探空仪，在下投后就能获取从高空到地面处的参数信息，主要特点是时空分辨率和准确度高，探测范围广，且在台风观测预警和重大科学实验中进行应用，探测过程中需要投入较高的成本。常规高空气象探测是世界气象组织要求开展的，属于日常高空探测科研型活动，可有效衡量世界范围各个国家的大气探测水平。现阶段，我国共有探空站120 个，从2010 年开始，高空探测系统全部达到国际先进水平，且是我国自主研发的L 波段雷达探测系统。由于采集速度快、跟踪能力强和探测精准度高，有效提升了高空探测质量。对于L 波段探空雷达来说，因较窄的垂直和水平波瓣宽度，在提升测角精准度水平的同时，却不利于雷达定向与自动跟踪，使得高空探测中经常会出现丢球。因此，全面分析L 波段高空探测常见丢球，并积极采取有针对性的处理办法，可为日后高空气象探测工作顺利开展，增强探测精度，充分发挥出其在人工影响天气、天气预报和气候预测中的作用。

1 高空气象探测系统及工作流程

1.1 高空气象探测系统

L 波段高空气象探测系统主要包括GFE（L）1 型二次测风雷达、GTS1X 型数字式电子探空仪、数据处理系统。将探空仪安装到氢气球上，并随着氢气球升空，可有效测量从地面到高空30 km 处不同高度的温湿度、风向风速、气压等气象要素数据，而观测到资料信息则会以无线电设备为媒介直接输送到地面接收设备。可将大气垂直结构与变化情况通过该系统第一时间提供给社会大众，方便各级气象部门中短期气象预报和气候分析工作的开展。高空气象探测系统借助于GFE（L）1 型二次测风雷达测量氢气球与探空仪所处位置，并获取不同高度处的仰角、方位、斜距信息，在风的作用下气球探空仪位置会发生改变，将其与观测到的信息进行结合，可计算出不同时间段气球的经纬度、高度、速度等信息，将气球移动方向与距离信息进行结合，可以获取到对应的风向风速数据。在GTS1X 型数字式电子探空仪的帮助下可顺利完成空中温湿度和气压的探测，通过异常数据质量控制、数据平滑拟合及温度误差订正等方式，可及时准确地测定台站上空温湿度和气压随高度变化的分布情况，该探测过程中对系统软硬件有较高的要求。

1.2 系统工作流程

1.2.1 准备工作

实际上，L 波段高空气象探测的准备工作涵盖气球充气、探空仪电池活化、放绳等方面，是整个探测业务工作开展的基础性工作。在携带探空仪的气球未释放前，需要探测人员对应答信号与发射信号进行全面查看，并在地面接收设备的帮助下检验探空仪是否对观测到的数据信息进行正常传输；用温水浸泡探空仪中的电池，使其产生化学反应后放电。电池放电过程中会产生热量，且放电时间和电压的稳定性水平较强。为了确保探空仪在高空-60 ℃的低温环境中仍旧可以持续工作，应将其保温工作做好。

1.2.2 探空仪基值测定

在基值测定工作开展的过程中，应避免阳光直接照射到探空仪基测箱中，始终保持外界环境温度。为确保标准仪表的响应特性与探空观测数据变化特性保持一致，应确保探空仪基测环境中不同种类传感器可以充分感应。若是探空仪观测到的气象要素值和标准仪表的示值不符合规定要求，禁止施放携带氢气球的探空仪。

1.2.3 地面要素瞬间观测

在高空气象观测站施放环境中借助观测仪器设备获取到的观测数据就是施放瞬间的地面要素。若是外界环境温度在-10 ℃以下，湿度瞬间值可选择探空仪观测到的湿度值进行替代。在探空气球施放后，前5 min 内测量探空气球施放瞬间的温湿度、风向风速、气压等气象要素；结合本部门提前设置的参数信息对业务计算机输入的干/湿球温度、气压表读数做好自动器差订正，并计算出地面温度、台站气压、相对湿度等数据。

1.2.4 开始放球

对于定时常规高空气象探测工作来说，应在正点进行，避免探空气球施放时间提前；若是正点后75 min 内不能对探空气球进行施放，应停止该时次的高空探测；高空风计算坐标的原点可以作为探空气球施放瞬间地放球点。在施放探空气球后，后5 min 内做好温湿度、风向风速、天气现象、云状及能见度等的观测。

1.2.5 探空测风数据接收、显示

实时存储施放探空气球前5 min 内的探空与测风数据。将观测原始数据转化成气象要素值后就成为基础数据文件，应将该文件与基值测定、测站基本参数、地面瞬间值同时存储。

1.2.6 数据质量控制

数据质量控制主要选择自动质量控制和人工质量控制，前者是根据温湿度、气压等数据曲线，将错误较为明显的数值直接剔除，并做好多项式拟合；后者则是通过对比分析历史数据资料库信息，启动人工质量控制模块后，将错误明显的数据直接删除。

1.2.7 报文报表制作

在规定时间内编发高空处的风向风速、温度、相对湿度和气压等的偏差信息，并及时发送状态文件及秒级观测数据文件。

2 L 波段高空探测丢球原因

2.1 放球地点选择不合理

在施放探空气球之前，若工作人员没有将台站或测风设备观测到的近地面风向、风速数据进行结合来选择施放气球位置，在施放探空气球的瞬间就很容易导致雷达仰角过高，进而出现过顶且造成丢球。

2.2 近地面跟踪异常

在高空探测工作中，近地面跟踪异常是由3 种因素造成的：探空气球施放前未将雷达天线与探空仪或回答器对准；探空气球施放瞬间，气球高仰角过顶出现异常跟踪，且值班人员未能第一时间发现；室内外人员配合默契度不高，会有提前或推迟施放探空气球的情况出现，使得L 波段雷达不能正常跟踪而出现丢球。

2.3 L 波段雷达性能下降或出现故障

L 波段属于新型雷达，自动化程度较高，为了将其性能充分发挥出来，不断延长使用寿命，在日常探测业务中，除了正常使用，还要做好维护保养。若是L 波段长期运行过程中没有根据规定要求将日常保养维护工作做好，会对雷达性能产生影响，或者是引发故障问题，进而造成跟踪异常丢球。实际上，雷达故障产生的丢球包括有以下几方面。驱动箱内的编码器插头接触不良、雷达天线座汇流环出现故障、自动跟踪中的天线有方位或仰角死位情况出现，很容易产生丢球。馈线插头漏水导致各路增益信号各异，使得两两信号参差不齐，起始位置丢球的概率极高。

2.4 频率漂移

对于L 波段高空探测雷达来说，其工作中的频率处于1 675±6 MHz 左右，在探空气球升空的过程中，若是探空仪出现性能方面的问题，极易造成回答器载波频率漂移，一旦频率变化幅度远远高于雷达工作频率，将会导致探空仪发射与接收频率始终处于漂移状态，使得信号极不稳定，进而出现雷达丢球。

2.5 环境因素

目前，借助于L 波段雷达可对探空气球进行自动跟踪，一旦在探空气球施放瞬间出现复杂天气，如暴雨或大风等现象，起始位置处很容易因抓球失败而丢球。若是探空气球施放过程中，其周围存在电磁信号干扰，探空仪载波频率也会有漂移的情况出现，尤其是强雷雨天气出现的过程中，强电磁干扰信号会以雷达为媒介入侵接收机，不仅会将主信号淹没，还会在某方位上拉偏雷达天线，进而出现失控，将会中断雷达自动跟踪状态下同探空仪之间的联系，最终出现丢球。

3 L 波段高空探测中几种丢球现象分析及处理

3.1 干扰信号丢球及处理

干扰信号主要是指主信号外的其他信号，在很大程度上影响雷达主信号的接收状况。若是接收系统中出现强干扰信号，会将主信号淹没，不利于接收正常信号，很容易导致探测记录失测或者重放球操作。特别是雷雨天气下，在强电磁干扰的影响下，会有间断性突然失去跟踪信号的情况，自动状态下的天线会出现失控丢球。针对这种现象，需要操作人员调整频率，并“天控”调节为手动状态；转动天线使其恢复到丢球前的仰角和方位位置，然后将“天控”调节成自动，该操作完成后均能找回丢失的球。若是通过以上方式还没有找到，可重复以上步骤，直到可以自动跟踪。

3.2 频率漂移丢球及处理

探空仪性能是否稳定是引起频率漂移的主要原因。对于工作过程中的雷达来说，对应的频率处于1 669~1 681 MHz 之间，频率较宽，而自动调节幅度在±3~4 MHz之间，调节幅度的过程中极为有限。探空仪从地面上升到高空处，也就是气球爆炸瞬间，由于大气层变化较为剧烈，很容易造成回答器频率漂移。一旦漂移频率较高，要远远高于有效幅度，频率自动调节功能将失效，探空仪载波频率和雷达工作频率均处于失谐状态，雷达将不能自动跟踪。在处理这种情况时，操作人员可将频率设置成“手动”挡，保证雷达工作频率在1 673~1 675 MHz 之间，设置“天控”为手动状态，将未丢球前几分钟内的方位和仰角数据进行结合，保证雷达在对应的位置，将天控按钮设置成“自动”状态，之后对雷达自动跟踪探空仪情况进行查看。若是自动跟踪仍然异常，将“天控”再次调节成手动，并小幅度调节搜索位置，使其适当偏离原有仰角与方位，将天控设置成“自动”，通过以上操作雷达可自动跟踪探空仪。

3.3 旁瓣抓球及处理

若是有旁瓣抓球出现，将会缩短雷达探测距离，测角误差在8°以上。L 波段高空探测雷达的天线波瓣宽度在6°以下，若是手动抓球在低能见度天气条件下进行，如果不能合理指挥，将会出现旁瓣抓球。若是台站低空处出现静风，雷达天线仰角活动范围上限在90~92°之间，结合GTS1X 型探空仪特性，此时信号强度最弱，很容易出现旁瓣抓球。在施放探空气球后，需对雷达旁瓣抓球情况进行判断。调节示波器，使其处于测角状态下，若是4 条亮线长短不一样，表明信号强度较弱，差异显著，出现亮线来回跳跃，凹口漂移，红灯闪烁异常等。若是距离较近，此时信号较强，不会对接收探空信号产生影响，再加上探空气球漂移距离增加，信号强度也随之减弱，会有乱码产生。综上判定是雷达旁瓣抓球，操作人员可以选择“雷达扇扫天线控制”选项，结合原来提前设置的程序开展自动搜索。若是假定向，完成天线搜索之后，将会自动返回到主瓣上；反之亦然。如果是天线仰角和方位角扇扫前后的变化幅度较大，可将扇扫功能再次启动，反之，则说明是正定向抓球。若是按照以上操作步骤仍旧抓不到球，可选择手动方式抓球。

3.4 过顶丢球及处理

在出现过顶丢球后，需要工作人员结合丢球前的仰角方位数据，以手动方式扫描雷达在该活动空间范围，还要密切观察数据终端增益值和示波器角度下的4 条亮线情况。若是增益数值较小或者4 条亮线所在位置最佳，可切换天控状态，同时选择雷电扇扫功能。若丢球后还有斜距存在，可将其与高度值结合，对应数据代入反三角函数中计算仰角值。若是距离丢球时间较长或者仰角值不能计算出来，需要结合自身经验来估算仰角值，并将360°扫描工作做好。若是按照以上步骤仍旧没有成功抓到球，可将仰角调节10°左右扫描，直到4 条亮线保持齐平。认真调整测距按钮，保证凹口位于“‖”中间，调节“天控”为自动。若是雷达成功跟踪探空气球，需对4 条亮线的稳定度和跳跃齐整度进行查看；同时还要观察测距凹口的跟踪情况。全面检查雷达、气压高度，始终使这些数据保持一致；根据增益情况进行判断，调节“天控”为自动，并将其与雷达扇扫功能结合，判断是否成功抓球，若是同上述情况相符，则抓球成功。