L波段高空探测中几种丢球现象分析及处理方法.pdf

2023 年 27 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationL 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、天气第一作者简介：马佩强（1985-），男，工程师。研究方向为高空气象探测和地面气象测报。摘要：高空气象探测是对地球表面到大气层 30 km 高度处的温湿度、风向风速、气压等气象要素数据进行探测，可方便人们对天气内部系统结构、大气垂直稳定度情况进行掌握，还能为天气系统移动规律和未来发展提供对应的数据支撑，是气象观测的重要环节。该文根据高空气象探测系统及工作流程，分析 L 波段高空探测丢球原因，分析 L 波段高空探测中几种丢球现象，并给出有针对性的处理办法，同时得出在高空探测中，需要将施放探空前的准备工作做好，对观测中的雷达工作状态严密监视，一旦发现异常状况及时开展应急处理，这些均是高空探测工作的前提，也是防止和降低丢球频率的重要举措。关键词：L 波段高空探测；雷达；丢球原因；丢球现象；分析处理中图分类号院P412.2文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0112-04Abstract:High-altitude meteorological observation is to detect the meteorological elements such as temperature and humidity,wind direction,wind speed and air pressure from the earths surface to the 30 km height of the atmosphere,which can not onlyfacilitatepeopleto graspthe internal structureof theweather systemand atmosphericverticalstability,butalsoprovidecorresponding data support for the movement law and future development of the weather system.It is an important part ofmeteorological observation.According to the high-altitude meteorological detection system and work flow,this paper analyzes thecauses of ball loss in L-band high-altitude detection,then analyzes several ball-dropping phenomena in L-band high-altitudedetection,and finally gives targeted treatment methods.At the same time,it has been concluded that in high-altitude exploration,it is necessary to prepare well for sounding,closely monitor the working status of the radar during observation,and promptly carryout emergency treatment once abnormal conditions are found.These are all prerequisites for high-altitude exploration work andimportant measures to prevent and reduce the frequency of ball loss.Keywords:L-band high-altitude detection;radar;cause of ball loss;ball loss phenomenon;analysis and processingDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.027112-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期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 30km 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益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益以下，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 5min 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 75min 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 5min 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 5min 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。2L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113-2023 年 27 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application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。2.3L 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 1675依6MHz 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。3L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 6691681MHz 之间，频率较宽，而自动调节幅度在依34MHz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 16731 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毅以上。L 波段高空探测雷达的天线波瓣宽度在6毅以下，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 9092毅之间，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114-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期索。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毅扫描工作做好。若是按照以上步骤仍旧没有成功抓到球，可将仰角调节 10毅左右扫描，直到 4 条亮线保持齐平。认真调整测距按钮，保证凹口位于“椰”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。参考文献院1盖晓东，高军，兰朝生.L 波段高空气象探测雷达丢球现象的探讨及应对措施J.黑龙江科技信息，2010（22）：35.2高山.高空气象探测数据分析与质量控制系统设计与实现D.成都：电子科技大学，2014.3柴岩红.高空气象观测丢球原因分析及对策J.农业与技术，2017，37（19）：146-149.4罗毅.高空气象探测系统的关键技术与实现的研究D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.5邹辰星，邹晓辉.对 L 波段高空气象探测雷达丢球现象的分析及处理J.科技研究，2014（10）：460.6张红军，张娜娜，张洁新.L 波段高空气象探测雷达丢球的原因分析及应对J.北京农业，2015（25）：147-148.7都占良，蔡玉琴，张德琴.L 波段高空探测中几种丢球现象的处理方法J.青海气象，2019（4）：64-66.8曹晓钟，夏元彩，罗皓文，等.气象探空观测的技术发展与未来展望J.气象科技进展，2022，12（5）：27-36.9覃晓玲，文芳一，周锦才.浅谈 GTS1 型电子探空仪的检查维护方法J.贵州气象，2013，37（S1）：99-100.定位，依托基础设施数据标准化、多源异构数据整合，基于 ArcGis 的数据可视化等科技成果，搭建了集行业管理应用和项目级管理应用为一体的高速公路智慧养护管理平台。平台在实现直接对接部、省行业管理平台，满足行业管理数据报送基础上，同步完成建养数据高效衔接、科技示范创新成果地图可视化、保洁作业监管、小修保养流转、高速一键救援求助及数字化管养终端等项目级养护管理功能的研发与应用，有效促进了“多平台一键登录、多业务统一报送”高速公路养护管理数字化转型目标的实现，可为同类项目级高速公路智慧养护信息化平台建设提供参考。参考文献院1 李柏殿，徐志祥.高速公路养护高峰期发展问题和对策分析J.中国公路，2022（2）：101-102.2 黄元辉，归楷昌，邹伟凡.信息化在高速公路养护管理上的应用J.西部交通科技，2022（1）：37-39.3 晏飞.高速公路日常养护管理系统开发与应用D.西安：长安大学，2016.4 李明，陈谦应，彭克刚，等.路面管理系统发展综述J.重庆交通学院学报，2005（3）：69-73.5 李佳.高速公路养护管理模式探索与研究D.西安：长安大学，2017.6 孔德刚.高速公路养护管理信息化建设中存在的问题与解决对策研究J.交通世界，2016（26）：50-51.7 王笑风，杨博，张建龙，等.高速公路智慧管养综合服务关键技术研究Z.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，2020.8 高速公路基础设施数据库编目编码规则：DB41/T 21362021S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2021.渊上接 111 页冤115-