1、1,第十章 高空温、湿、压的 无线电探空仪探测法,向卫国,2,10.1 概论,大气中个高度上的温度、湿度和气压资料，是研究大气中各种热力、动力过程，以及天气分析和预报的最重要的资料。 测量方法有多种： 探空气球携带无线电探空仪升空 气象卫星遥感仪器反演 地基遥测遥感设备探测,3,10.1 概论（续）,无线电探空仪是主要方法： 一是它的资料具有较高的精度和分辨率 二是长期以来形成了较严密的全球探测网，资料有一定的可比性 费用较低,4,10.1 概论（续）,无线电探空仪介绍： 是一种遥测仪器 可以将感应的气象要素值转换为无线电信号，不断地向地面接收站发送 地面接收机将信号收录、解调、转换和处理成空
2、中个高度上的温、湿、压探测结果。,5,中国制探空仪,6,探空仪即将拖放 701雷达待命工作,7,10.1 概论（续）,无线电探空仪的优势： 结果精度高 实时性强 操作方便 几乎不受天气条件限制 如配合适当的设备(无线电经纬仪或测风追踪雷达)，可以同时获得高空风场的资料。,8,10.1 概论（续）,无线电探空仪还可以装配各种类型的特种探空仪，例如： 测量臭氧 大气电场 云内含水量 和各种辐射通量的探空仪。 按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：,9,10.1 概论（续）,(1)常规探空仪 由上升气球携带，升空3040km 最长工作时间2h 信号传播距离200km 气球可携带重量0.52kg 升逑
3、：400mmin 探测项目：温、湿、压和风。,10,10.1 概论（续）,(2)定高气球探空仪 由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，可绕地球某个纬度带进行 工作时间 数天 为节电，常间隔数小时定时发报，地面接收站可设数个，采取接力方式接收 探测项目：温、湿、压，一些专门项目。,11,10.1 概论（续）,(3)下投式和火箭探空仪 多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，由气球或降落伞携带下落 工作距离 300km 工作时间 几个小时 可由地面站或飞机接收信号 探测项目：温、湿、压等。,12,10.1 概论（续）,探空仪使用的探测元件： 与地面常规观测使用的元件相
4、同 注意要满足高空探测方面的基本精度要求 探测仪为一次性使用产品： 力求结构简单、体积小、重量轻，且较坚固 具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及耐高空低温的能力,13,10.1 概论（续）,高空探测的特点： 从地面到3040km的高空，大气中各要素的值远 大于地面站的年变化范围 气压：从1000hPa到10hPa以下 温度：从+40到-60以下 相对湿度：0到100 可见，要满足在全量程范围内的低相对误差和绝对误差是较难办到的。,14,10.1 概论（续）,在较短时间(1小时)，较大升空(从地面到高空3040km)的条件下，探测元件必须快速响应飞升各高度的上的气象要素变化 要求探测元件应具有足够
5、小的滞后系数，包括在高层低密度流量的条件下。,15,10.1 概论（续）,探空仪信号解调之后，需经过一定的关系曲线或拟和公式换算成对应的气象要素变量，称之为检定关系。 检定结果由厂家进行。 使用前只能进行单点，最多两点的基值校准。 基值校准合格与否取决于元件的长煳稳定性。,16,10.1 概论（续）,无线电探空系统由两个大的部分组成： 升空装置(探空仪与气球) 地面设备 图10.1是通用的探空系统框图。 探空仪的型号不同其工作原理有所不同。 探空仪的升空装置由三部分组成：,17,10.1 概论（续）,(1)感应元件分两类： 变形元件：即产生一定的变形位移 测温度的双金属片 测湿的毛发或肠膜 测
6、气压的空盒,18,19,10.1 概论（续）,电于元件：即要素的变化引起元件的电学特征量的变化 温度元件中的热敏电阻和铂电阻 湿度元件中的碳膜湿度片和湿敏电容 在一些特殊型号的探空仪上，还使用了比较复杂的测量单元： 湿度测量中的露点霜点仪 低气压测量用的沸点气压表等,20,10.1 概论（续）,(2)编码部分两部分： 转换开关：用来将温、湿、压感应输出量转换接入编码器中的控制单元。 对升速400mmin的气球，转换周期腑小于15s， 保证每个要索相邻的信号在高度上市H距小于 100m。 编码器：将原元件输出量转换成某种无线电波形式。,21,10.1 概论（续）,(3)发射机部分 将编码器上的信
7、号进行某种形式的调制后向地面发送 调制的方式是：调幅、调频、调相三种 要求发射机的功率达到500mW，以保证在200km距离内能使地面接收到信号。,22,10.1 概论（续）,近20年来，无线电探空仪的更新工作正在进行： 变高频式探空仪：由于通讯干扰，已弃用 电码式探空仪：由于探测精度和灵敏度不高，只 有少数国家住使用 时距式探空仪：只在瑞士制造使用 旧型探空仪只有变频调幅式还有不少国家继续使用，并在技术细节上继续予以提高。,23,10.1 概论（续）,新探空仪的推广： 在业务上已普篇使用芬兰Vaisala公司的RS一80型 新型号RS-90型也开始批量生产 它的所有探测元件基本上是变电容式，
8、采用射频 调频特制 美国AIR公司生产的GPS-700型已是全数字调频式探空仪。,24,10.1 概论（续）,引人注目的事件是GPS测风技术引入探空测风体系，目前只有Vaisala和AIR公司生产正式的产品。 但能否规模引入到日常观测系统，正是各国专家关注的焦点。 GPS测风技术的优势是：系统自动化程度高，地面测站轻便省电。 缺点是：探空仪售价过高。,25,10.1 概论（续）,无线电探空仪的测量单位： 气压：百帕(hPa) 温度：摄氏度() 相对湿度：百分数() 露点温度：摄氏度() 高度：位势米(gpm)， 1位势米 0.980665动力米,26,10.1 概论（续）,无线电探空仪的测量精
9、度： 原则：根据探测数据应为大气本身波动值的一半，以满足天气分析时对等压面高度偏差值的限制。 世界气象组织提出的精度指标，表10.1 当前实际使用的探空仪离表10.1的测量精度指标还有很大差距。,27,1 0.2 五九型转筒式电码探空仪,简称GZZ型探空仪，是我国使用的常规仪器 发射机频率： 一种是24.5MHz 一种是400MHz 使用“回答器”，可配合701二次雷达测风。,28,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构,外形如图10.2 中间长方形白色纸盒具有良好的防水性和反射太阳辐射的能力。 机体(见图10.3)放在盒中下部： 机体支架上放置温度、湿度、气压三个感应器，以及微电机及其减
10、速机构和电码筒等 纸盒上部放置电池及发电机 纸盒两侧分别是温度感应器和湿度感应器的铝质防辐射罩。,29,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,感应元件 温度感应器： 螺旋形双金属片 气压感应器： 两个膜盒组成的空盒组，加双金属片温度补偿器 湿度感应器： 鼓膜状的肠衣,30,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,编码部分：微电机、电码筒组成 微电机经过减速装置带动电码筒转动。 电码筒由卷成半圆形的电码片做表面，筒轴上附有一扇形接触片用来发出参考信号。 电码筒相当于一个刻度盘，用来表示温、压、湿指针的位置，同时又是一个转换器，能把指针位置转换为探空电码，由发射机变成电波发出
11、。,31,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,发射机：两种 (1)工作频率为24.5MHz的发射机(2)GPZ5-1型测风回答器 与701型二次雷达配合进行温、压、湿、风综合探测 两种工作状态：探空状态、回答状态,32,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能,检定曲线 是表示探空仪信号与气象要素关系的曲线 获得检定曲线： 把探空仪放在检定设备中，将标准仪器的读数与探空仪的测量结果点绘在坐标图上。 表10.3 五九型电码探空仪的性能,33,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量温度的误差 主要是滞后误差(双金属片的热滞系数)和辐射误差(太阳辐射加热) 还有因元件
12、沾湿和气球的热空气尾流引起的误差,34,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量气压的误差 使用测压膜盒，因金属的弹性随泓度和时间有变化，使测压有误差。 由锡、磷、青铜制成的膜盒温度系数较大。 经检测对比，五九型转筒式电码探空仪在低压测量精度较差。,35,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量湿度的误差 各种湿度元件不同程度存在多种误差。 五九型的测湿元件肠膜，因其性能不稳 定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿 度平均偏差可达4。 由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在 低温时的测湿误差较大，在-30度以下几乎无法使用。,36,10.2.3 探空仪性能的检查,探
13、空仪经运输和长期保存，性能会改变。 在使用前必须进行两次检查： 一次在使用前半个月到一个月内进行，叫“探空仪的就地检定和灵敏度检查” 一次在施放前半小时进行，叫“基值测定”,37,10.2.3 探空仪性能的检查（续）,探空仪的就地检定和灵敏度检查 就地检定：和出厂前的检定相同，做出新的检定曲线 灵敏度检查：只检定几个点，比较，求出偏差 基值测定 在施放前，最后确定仪器是否合格的一个重要步骤,38,10.3 变低频式探空仪,将元件的变量(电阻、电容或电感碴)通过电于线路中的测量震荡器转换成低频信号，就形成了气象要素与信号频率的关系。 低频信号经射频进行调制后，由探空仪发送至地面接收机，解调后，恢
14、复为原始的低频信号。,39,10.3 变低频式探空仪（续）,此类仪器目前仍在大量使用，美国的GMD型，英国的Mark 2和Mark 3，日本的RS280，俄罗斯的MAP 3型，我国也在70年代完成了GZZ 7型。 各国的仪器结构略有差异，使用的探测元件多为： 气压空盒 温度热敏电阻 湿度碳湿度片,40,10.3 变低频式探空仪（续）,美式变低频探空仪： 转换开关使JH的是梳齿形的气压开关，探空仪上升过程中空盒带动指针在气压梳齿上自左向右移动。 图10.8,41,10.3 变低频式探空仪（续）,随着无线电通讯技术的发展，通讯发射频率向高频段不断发展。高频通讯的优势在于它的接收系统趋于小型化。 各
15、国探空仪的频率逐渐从几十MHz达到403MHz的C波段，近年开始往1680MHz的L波段设置频点。 为适应这种形势，一批电容式的感应元件被研制出来，如：电容空盒气压表、硅单晶空盒气压表以及湿敏电容。,42,10.3 变低频式探空仪（续）,芬兰RS一90探空仪 双湿度元件：克服沾湿的影响。可启动加热电路 蒸发掉元件表面所凝结的露或霜，此时无法正常 观测，设置双元件，交替使用。 测压元件：用硅单晶空盒代替金属空盒。 测温元件：电容式。进行改进，大大增强反射太 阳辐射的能力。 RS-90的技术指标，表10.7,43,10.4 带GPS测风的无线电探空仪,目前大量使用的探空测风系统： 无线电经纬仪 一
16、次、二次雷达 其主要缺点： 设备庞大；耗电量高 低仰角下测风精度低 地面设站按规划，不利于临时观测。,44,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,GPS定位系统的出现，提供了一种精度极高、使用较为方便的测风系统。 与原先的地断导航系统相比，GPS可以覆盖全球，无线电导航信号的传播不受地形、地物的干扰，因而各个国家的飞机、船舶，甚至汽车的导航都纷纷转向GPS系统。,45,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,GPS卫星接收机可在市场上直接购买，通称OEM(原始设备制造商)板。 具体到GPS测风系统的探空仪的结构设计，可以将整块OEM板安装上去，但成本太高。 已投产的GPS探空仪只将O
17、EM板的部分功能安装在探空仪上，而将GPS信号处理的功能移到地面接收站接收系统中。,46,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,对已经定型的产品进行分析，其主要技术措施有： (1)探空仪上的压、温、湿信号采用模拟或数字调频式 (2)GPS收到的定位信号与探测信号一起发回到地面站处理 (3)不直接计算山探空仪各个时刻的绝对坐标，而是计算其相对位移速度，因而省去功能部件码相关发生器 (4)为提高精度，将探空仪上的GPS信号不断与地面GPS信号进行差分对比。,47,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,GPS探空技术的核心就是探空仪上安装的超小型简易GPS接收机，各个公司都作为商业机密。
18、 AIR公司称作GPS带宽压缩器，将信号带宽从原 先的2MHz压缩到1 MHz。 芬兰Vaisala公司称作数字信号探测器 图10.14给出了AIR公司的测风探测系统的框架图。,48,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,有关GPS探空仪的研制和推广工作，仍在不停的进展之中： 降低造价 提高探空仪垂直定位精度,49,10.5 探空资料的整理及其软件设计,资料整理的内容： (1)连续要素的时间曲线 (2)求各规定等压面的温度、湿度（露点温度） (3)求各规定等压面的海拔高度，给出气球上升的时间高度曲线 (4)选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明显的差异。
19、,50,10.5 探空资料的整理及其软件设计（续）,(5)选择对流层顶 (6)选择O层 (7)漏测层 (8)最终探测高度 (9)编写天气电码,51,10.5 探空资料的整理及其软件设计（续）,由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理前还得根据不同的情况进行原始资料的预处理： 进行多点的光滑平均，以判断和剔除一些明显错误的读数。 对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。,52,10.5.1 标准等压面高度的计算,单位：位势米 计算公式(10.5) (10.6)各等压面层之间厚度进行累加，求出各等压面的海拔高度，以LnP和H为坐标拟合它们的关系曲线。,53,10.5.2 温度、湿度特性层,温度和湿度
20、的特性层往往具有天气意义： 如逆温层、等温层、云层形成的高湿层等 出现上述情况时，其温度或湿度时间曲线将存在明显的转折。 规定：两层间的温度分布与直线内插温度比较，超过1(对流层顶以下)或2(对流层顶以上)以上的气层即可选作稳定特性层 图10.16所示,54,10.5.3 对流层顶的选择,按定义，对流层顶必须符合下列条件： 500hPa以上的特性层转折点 第对流层顶往上应出现较厚的净力学稳定特性层，温度递减率小于0.2/100m，而且保持在2km以上的厚度第，：对流层顺的条件：在距第一对流层顶2km以上，其它条件与第一对流层顶要求类似。,55,10.5.4 软件系统,把探空资料的预处理、资料整理和储存包括在一个更大的软件包内。 美国的世界时系统(Zeb)就是其中之一。,56,10.6 探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作,探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。 空盒气压表高空探测的精度 测温元件的辐射误差 湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应,57,10.6 探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作（续）,探空仪的对比方式： 不同类型的业务探空仪对比 业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比 各国标准探空仪之间的对比 基准探空仪设计定型思路： 采用辐射误差小的测温元件 采用空盒和沸点气压表两套系统测压 使用露点仪改善测湿精度,
