第十章 高空温、湿、压的无线电探空仪探测法

1第十章高空温、湿、压的无线电探空仪探测法向卫国210.1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310.1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410.1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710.1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。810.1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：910.1概论（续）(1)常规探空仪由上升气球携带，升空30~40km最长工作时间2h信号传播距离200km气球可携带重量0.5~2kg升逑：400m／min探测项目：温、湿、压和风。1010.1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。1110.1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。1210.1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1310.1概论（续）高空探测的特点：从地面到30～40km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。1410.1概论（续）在较短时间(1小时)，较大升空(从地面到高空30～40km)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小的滞后系数，包括在高层低密度流量的条件下。1510.1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。1610.1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：1710.1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测气压的空盒181910.1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2010.1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400m／min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。2110.1概论（续）(3)发射机部分将编码器上的信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。2210.1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。2310.1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，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。2410.1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。2510.1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2610.1概论（续）无线电探空仪的测量精度：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。2710.2五九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。2810.2.1五九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。2910.2.1五九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3010.2.1五九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。3110.2.1五九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3210.2.2五九型转筒式电码探空仪的性能1.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3310.2.2五九型转筒式电码探空仪的性能（续）2.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)还有因元件沾湿和气球的热空气尾流引起的误差3410.2.2五九型转筒式电码探空仪的性能（续）3.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。3510.2.2五九型转筒式电码探空仪的性能（续）4.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。3610.2.3探空仪性能的检查探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”3710.2.3探空仪性能的检查（续）1.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2.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3810.3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，恢复为原始的低频信号。3910.3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Mark2和Mark3，日本的RS2—80，俄罗斯的MAP3型，我国也在70年代完成了GZZ7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4010.3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10.84110.3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。4210.3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10.74310.4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。4410.4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。4510.4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OEM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。4610.4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。4710.4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。AIR公司称作GPS带宽压缩器，将信号带宽从原先的2MHz压缩到1MHz