第22章边界层和对流层专用廓线技术易1

1、第 22 章 边界层和对流层的专用廓线技术22.1 概述专用廓线技术已被开发用于在高时间和空间分辨率上获取数据，以满足分析、预报、小尺度气象 研究、以及多种特殊应用的要求。本章介绍了目前应用于上述目的的地面系统的概况。本章分为两个 主要部分：遥感技术和直接测量技术。其中一些技术可用于整个对流层的测量，一些技术用于低对流 层的测量，尤其是行星边界层。遥感技术基于电磁或声音的能量和大气的相互作用。 和直接测量相反， 遥感测量仪器和被测变量 在空间上距离是分离的。在大气应用上，该项技术可以分为被动遥感和主动遥感技术。被动遥感技术 利用大气中自然产生的辐射(微波辐射计) 。主动系统(声雷达，风廓线仪，

2、 RASS 和激光探测雷达) 的特点是在人工发射进入大气的特殊辐射。地面廓线技术在 22.2 节中进行阐述。与此相关的其它遥 感技术在第一编的第 8 章和第 9 章进行讨论。22.3 简阐述了将仪器设置于不同平台上，直接获取边界层测量结果的直接测量技术(气球，边界 层无线电探空仪，安装仪器的塔和杆，装载仪器的系留气球) 。第一编的第 12 章和第 13 章讲述了更 为广泛应用的利用气球进行廓线测量的技术。关于廓线技术的文献是很丰富的。一般性的讨论和评述见Derr(1972) ， WMO(1980) ，Martner 等(1993)和对流层廓线的第二届国际研讨会中的报告。22.2 地基遥感技术2

3、2.2.1 声雷达(声达)声雷达(Sodars)基于大气对声波进行散射的原理而工作。根据声散射的理论，一个声脉冲射入 大气会被由于小尺度湍流温度及速度起伏引起的折射率变化造成散射， 而这种湍流温度及速度的起伏 在空气中自然存在，特别伴随出现在逆温层的强温度和湿度梯度中。在后向散射情况下(180°)，只有尺度相当于二分之一发射声波波长尺度的温度起伏才能决定返回的回波。然而，在别的方向上，除 无散射的 90 度角之外，回波是由温度和速度起伏共同导致的。有关声音探测方面的可利用的参考文献包括， Brown 和 Hall(1978) ， Neff 和 Coulter(1986) ， Gayn

4、or 等(1990)和 Singal(1990) 。一些不同类型的声雷达已经被开发出来， 但在业务中广泛使用的是单点声雷达和多普勒单点声雷 达两种类型。单点声雷达由一个垂直指向脉冲的声源和一个配置好的接收机组成。每个声脉冲中有小部分脉冲通过空气中自然产生的温度起伏散射返回接收机。接收机测量返回声波的强度。在常规雷达中，从发 射到接收回波的时间延迟即反映了目标物的距离。 在双点声雷达中， 接收机被置于距离声源一定距离 以外接收速度起伏产生的回波的信号。单点声多普勒雷达既测量回波信号强度， 也对发射和接收信号进行频谱分析， 以确定发射声波和 后向散射声波的多普勒频移。 多普勒频移是因温度起伏随空气

5、移动而产生的， 由此可测量空气径向风 速。多普勒声雷达使用三种典型波束：一个垂直方向和两个偏离垂直方向有一定倾斜的方向，从而在 三个方向上确定出风速分量，从这些分量中就可以计算出垂直风和水平风。在时间-高度图中，风矢 量按照30-50m的高度间隔显示出来。600m声雷达最大探测高度取决于系统参数，但随着大气条件而改变。电子系统通常能够探测到 的高度甚至更高，高度分辨率可达几十米。一个声雷达应该包括以下参数：参数特征值脉冲频率1500Hz脉冲宽度0.050.2s脉冲重复周期2 5s波束宽度15°发射功率100w单点声雷达通常能生成后向散射回波信号强度的时间-高度图。图中包含大量边界层内

6、部结构的详细资料。大体上能够用来监测逆温层高度，通过边界层稳定度变化来监测混合层的厚度，以及监测 雾的浓度。然而，要正确解释这类曲线图则需要相当多的技巧和背景知识，以及来自现场测量和有关 全面天气状况的有价值的附加信息资料。多普勒单点声雷达系统在测风的同时，也提供了强度信息。这种系统低成本、高效地进行边界层 测风。尤其适合于逆温层的连续监测以及对存在潜在污染问题的工业区附近风场进行连续监测。声雷达系统的主要局限性除有限的覆盖高度外，是干扰噪声影响它们的灵敏度，干扰噪声可能产生于交通运输或降水和强风。这一局限性使它不能在全天气系统中工作。此外声雷达产生的声音和音量会给邻近地区带来烦恼，这也妨碍了

7、它在其它一些适当环境中的使用。一些系统采用有吸声作用的泡沫材料，以减少外部噪声源的影响，也减少给人们带来的烦恼。这种泡沫材料的物理特性会随着时间老化，必须定期更换以避免仪器性能降低。2222风廓线雷达风廓线仪是为在所有天气条件下测量风廓线而设计的高频和甚高频多普勒雷达。雷达观测二分之一雷达波长尺度的湍流涡旋造成的大气折射率不均匀体产生的后向散射信号（Bragg条件）。湍流涡旋随平均风速移动，通过测量湍流移动速度，可直接获取平均风矢量。与常规天气雷达不同，它们能够 在晴空条件下工作。典型的风廓线仪在三个甚至更多的方向上测量空气的径向速度，垂直方向，正北 和正东偏离垂直方向 15度的方向。从这些分

8、量中，能够确定水平和垂直风速分量。假设垂直风速可 以忽略，较简化的系统可以通过测量两个倾斜方向的径向速度，从而得到水平风速。有关的深入讨论见Gossard 和 Strauch（1983）， Hogg 等（1983）， Strauch 等（1990）， Weber 和Wuentz（1990），WMO（1994）。这种散射机制的特性要求风廓线雷达工作在40 1300MHz范围内。在频率高于1300MHz时雷达性能变差。工作频段的选择受所需高度覆盖范围和分辨率的影响。实际上，系统确定在3个频段：50MHz附近、400MHz和1000MHz附近，并且工作在低模式（短脉冲，较低的高度覆盖范围）和高 模式

9、（长脉冲，较高的高度覆盖范围），它们在垂直作用距离和分辨率之间进行折衷。典型的特征值总结在下表中。廓线仪参数平流层对流层低对流层边界层频率（MHz）504004001000峰值功率（kW）50040"2-工作高度范围（km）3 301 160.650.32垂直分辨率（m100大线类型Yagi （八木阵列）Yagi 或 CocoYagi 或 Coco盘状或相位排列典型天线尺寸（m）100X 10010X 106X 63X 3雨或雪的影响小在小雨中很小在小雨中很小很大风廓线仪能够在无人值守状态下工作， 并且几乎能在站址的正上方做连续的风测量。和通过跟踪气球来测量

10、风的系统相比，这些特性是最主要的优点。每部风廓线雷达都有最小和最大测量距离。 低于或高于这一界限时都不能进行测量。最小测量距离决定于发射脉冲宽度，雷达接收机恢复时间和接收到的周围物体的地物杂波的强度。因此，应特别 注意在工作中的风廓线仪，要尽量减少接收到的地物杂波。雷达站址最好选择在山谷或凹地，这样只 在很小的范围内受地物杂波的影响。对平流层廓线仪来说这些考虑是最重要的。可以通过适当的防护措施来减小地物杂波对较高频雷达的影响。廓线仪接收到的信号通常随高度的增加而减小。这从根本上决定了廓线仪的探测高度。廓线仪的最大作用距离取决于雷达的特征参数，它随着产品的平均发射机功率和天线孔径的增大而增加，但

11、它也决定了雷达所用频率。这些要素意味着大功率的平流层廓线仪能够在最大高度范围内进行测量。然而，对于每部廓线仪，探测的最大高度随着气象条件的不同有相当的变化。有时在较低的高度的范围 内可能探测不到。由于在尽可能高的高度上进行测量是非常重要的，廓线仪用几分钟的时间收集数据，以对获取的弱信号进行积分。典型情况下，廓线仪可能用6或12分钟来进行三组需要的观测，以便对风速进行测量。在许多系统中，把一系列这样的观测结合起来，以给出每小时一次的测量结果。由于廓线仪对来自不均一大气的弱回波非常灵敏，它们能够探测到来自航行器，鸟类和昆虫的回波信号。一般来说，这样的信号会干扰廓线仪测量，从而导致不正确的风输出。在

12、这些情况下，许多 独立的测量可以加以比较或者结合起来，既给出一致的测量结果，又可以摈弃不真实的测量结果。在1000和400MHz波段中，降雨似乎会把折射率的不均一性反映成更大的目标物。因此，测量 到的垂直速度是反射率权重（reflectivity-weighted ）在应用中是无用的。大型的平流层廓线仪是非常昂贵的。它需要大型天线阵列，典型值是100m x 100m，和相对更高功率发射机。它们庞大的物理尺寸意味着很难找到合适的站点，并且他们的高度分辨率和最小高度距离对于特定的应用而言是不够好的。它们的优点是能在高度在20km以上进行常规风测量，并且除极大的降水外，测量几乎不受到任何影响。对流层

13、廓线仪工作在 400 500MHz频带中，可能是最适合于进行天气尺度的和中尺度的测量。 它们具有中等外形尺寸，相对来说也不受雨的影响。边界层廓线仪价格廉并且使用小型天线。虽然雨天廓线仪不能测量垂直速度，但是雨滴增加了回波信号强度，实际上也就增大了水平风的测量的有效垂直距离。廓线仪是主动设备；在许多国家获取必要的频率许可是一个很重要的问题。然而，国内和国际上 廓线仪的频率分配常常是主动提出要求而分配的。22.2.3 电- 声探测系统( RASS)RASS 用于测量低对流层的虚温廓线。它的主要技术是通过并列的微波多普勒雷达跟踪垂直入射 到大气中的高强度短声脉冲。这项测量技术基于这样一个原理：声波是

14、纵波，它使周围的空气密度发 生变化。这些变化导致当地大气折射率发生相应的变化，随之，这种变化又使微波多普勒雷达发射的 电磁能量通过声脉冲传播时，引起电磁能量的后向散射。当这些折射率扰动以当地声速上升时，微波 雷达测量它们的传播速度。 声波波长与二分之一微波波长相匹配 ( Bragg 条件)，因此来自于几个声波 后向散射的能量迭加到接收机上， 大大增加了回波信号的强度。 虚温与声脉冲传播速度同垂直空气速 度之差的平方成比例，因此通过测量声脉冲传播速度，能够计算出虚温。有关此项技术的详细文献包括May等(1990), Lataitis(1992 ; 1993), Angevine等(1994)。已

15、开发出多种实验方法来扫描声音频率获取虚温廓线。 通过在上述类型廓线雷达系统上增加声源 和进行适当的处理技术，已开发出许多电-声探测系统，对于频率为50、400、1000MHz 的雷达，需要声频约在 110、900、2000Hz 左右。在 2000Hz 的声音衰减通常将高度覆盖距离限制在12km 以内；在900Hz，实际中探测高度达到 24km ;而110Hz通过使用大型50MHz廓线仪，在有利的条件下， 探测高度可达 4 8km 。和无线电探空仪加以比较显示，在有利的条件下，当高度分辨率为100 300m,虚温的测量准确度能达到0.3C左右。然而，在强风和降雨情况下，测量会受到限制。RASS

16、技术是一种很有前途的获取虚温廓线的方法。然而,还需要进一步探索,以期能有足够的 可信度,使它能够符合用户要求的更高探测高度、分辨率、准确度。22.2.4 微波辐射计空气中微波波段的热辐射主要是由氧气、 水蒸气和液态水的辐射产生的, 并且依赖于它们的温度 和空间分布。对于气体而言,例如氧气,它的密度作为高度的函数,是为人熟知的,已知地面气压, 辐射包含的信息主要是大气温度。通过地基被动微波辐射计测量氧气在近60GHz 的微波热辐射来获得低层大气的垂直温度廓线。通过工作频率为 21GHz 和 32GHz 的微波辐射仪可以获得大气中水汽和 液态水含量。详细内容参见Hogg 等(1983)和 West

17、water 等(1990)。从卫星向下观测辐射温度测定原理已经充分得到确立(见第8 章)。工作在不同频率的辐射计在特定的大气压范围内对温度最灵敏。其灵敏度作为气压的函数,遵循一个钟形曲线(权重函数)。选择辐射计的频率使权重函数的峰值理想地分布在预定探测高度上。利用得到的辐射值和权重函数, 通过数学反演技术计算出温度廓线。权重函数曲线的宽度使得在近地面处得不到准确的温度廓线。地基或向上看的遥感温度辐射计的权重函数在地面达到峰值,然后随高度增加呈指数下降。这意味着从辐射计测量结果到温度廓线的反演处理从根本上比星载系统更加困难,对仪器误差也更加敏 感。这种反演技术还依赖于站点的温度、湿度廓线的气候学

18、的统计特性。权重函数曲线表明微波辐射 计的垂直分辨率是相对较差的(以 500 米为一级),并且它们只能在地面以上两到三公里范围内进行 有效测量。水蒸汽和液态水权重函数曲线是基本平直的;因此,从辐射计不能得到它们的垂直信息。然而, 它能够提供垂直方向的水汽和液态云的路径积分总量。地面辐射计的主要优势在于它在时间上具有连续测量的能力。 这一点当需要对温度廓线中一些明 显变化的发展过程和到达时间进行观测时非常有用。由于设计和校准要求更精细，微波辐射计的安装和操作运行费用也较高。由于费用较高，以及对 测量结果的反演技术较复杂，所以在低层大气测量中微波辐射计还不能取代无线电探空仪。22.2.5 激光雷达

19、（ Lidars ）（光达）激光产生的光波和近光波 （从紫外线到可见光到红外线） 的电磁能量被大气中的气体分子和悬浮 颗粒散射。这种散射机制符合雷达原理，通过对光的探测和定位（光达）来探测大气。光散射通常可 被分为非弹性的和弹性的两种。 被大气成分散射的激光散射波长与入射激光波长不同， 这一过程叫做 非弹性散射。广泛应用于试验的大气激光雷达系统的非弹性散射过程是拉曼（Rama n）散射，它由散射分子中的入射光子，旋转状态的分子和振动状态分子之间的能量交换而产生。在弹性散射过程中， 入射波长和散射波长相等。这种散射是瑞利（Rayleigh）散射或米（Mie ）散射，它依赖于粒子的种类和尺度，并且

20、与入射激光波长有关（见第 9章）。这两种主要的散射过程在大气中可能同时发生。详细资料可参见 Himkley（1976），WMO（1982），Thomas（1991）和 Syedlsmael 等（1994）。大多数激光雷达工作于单点模式， 接收机与激光发射机配置在一起。 典型的激光雷达系统用激光 脉冲发射到大气中， 激光的平均功率可由几微瓦变化到几十瓦。 安装在激光器附近的光学望远镜用于 接收后向散射能量。 光学望远镜收集到的光束被光电倍增管或者光敏二极管接收。接收到的信号通常可在实时监测的阴极射线显示器上显示出来，并传递到计算机进行更详细的分析。回波信号的强度既取决于目标物的散射量， 也决定于

21、激光雷达和目标物之间的双向衰减这种衰 减依赖于该路径上散射的光束能量和大气气体的吸收。 散射和吸收过程可在不同的激光雷达中开发利 用，从而提供多种测量结果。基于弹性散射的雷达（称为瑞利，米或简单激光雷达）大部分用于研究云和悬浮粒子。用激光雷 达测量云底高度可以明显看出： 标志来自云底的后向散射回波信号迅速增强； 通过测量一个激光脉冲 由发射机到云底，再返回接收机的传输时间，即可确定云底高度（见第一编第15章）。激光雷达也可用于探测出现在相对清澈的空气中的悬浮颗粒和绘制具体结构特征曲线，如热力稳定度和逆温层高度。自然界低层大气中悬浮粒子浓度是相当高的，激光雷达可以象天气雷达一样，在 没有降水的情

22、况下连续测量空气运动速度。 它们还可用于测量人为造成的微粒浓度并绘图， 比如那些 产生于工业烟囱的微粒。激光雷达观测已经为平流层气溶胶浓度的研究作出了广泛而且巨大的贡献。气溶胶的浓度受到大型火山爆发的强烈影响，同时它也是全球辐射平衡的一个重要因素。由于雨滴形状和相态的变化，含量水的变化，水、冰和混合态的辨别，以及悬浮颗粒和气溶胶性 质的变化，使得获取云的定量数据更加困难。事实上，这种测量需要复杂的多参数同时进行数项测量 的研究系统，使用有关介质的光学特性的假定和复杂的数学数据换算法。差分吸收激光雷达（ DlAL ）的使用是依据大气气体的吸收系数随着波长的变化产生显著的变化。 DlAL 系统通常

23、用可以在两个间隔很近的频率点调整频率的激光器。其中一个可以被某种特定气体强 烈吸收，而另一个则不行。测量结果的差值作为距离的函数，可用于估算研究中的气体浓度。这是对 大气组成的测量方法中最有发展前途的遥感技术，已成功地用来测量水汽浓度，二硫化物，二氧化氮 的浓度，尤其是臭氧的浓度。拉曼（Raman）散射的应用有特别的意义，因为散射辐射的频率是随分子种类而改变的。后向散 射信号的强度和分子浓度有关。 Raman 激光雷达不需要某种特定波长的激光器或可调谐的激光器；激光器波长可以从大气吸收光谱区任意选择。通过测量 Raman 频谱，从预选的大气组成获得空间组成， 从而得到对流层中水汽，氮气分子，氧

24、气分子以及微量气体分子含量廓线。它的主要缺点是因散射截 面积较小造成的对远距离测量灵敏度较低， 以及在实际应用中需要高功率的激光器， 由此带来的眼睛 安全问题。激光雷达已经为研究工作提供了大量有用的资料，但作为业务工具，它也有局限性。这是因为它 们价格相对昂贵，同时需要经验丰富的人员来开发，安装和操作。此外，某些激光雷达只能在有限的 条件下，如黑暗或无降水条件下工作。22.3 直接测量22.3.1 气球跟踪气球跟踪法已频繁地用在获取边界层风（廓线） 。这种跟踪通常通过光学经纬仪或一部跟踪雷达 来完成。第一编第 13 章给出了跟踪风的一般说明。在进行对流层低层探测时，为保证高垂直分辨率，需使用低

25、速上升的气球。降低上升速率既可通 过制动伞，也可通过减少上升升力实现。雷达跟踪法中，需要在气球下面悬挂一个小型雷达反射靶。对于对流层低层探测，雷达应该能够 提供小至 100m 距离的资料。理想情况下气球施放点一定要在下风方远离最小距离处。一般测风可用单经纬仪完成，但为了更准确测风，需要一个双经纬仪系统。经纬仪间的基线应超过 1 公里。 为确保高准确度并为方便测风经纬仪应配备计算机并与之连接在一起，以便记录数据并及时地进行必要的计算。条件好时，可获得高度达 3000 米的风廓线。然而，在条件不利时，例如有降 水，低云或雾时，测风也可能失败。当然，在低层大气中使用传统的无线电探空仪，在正常的全程探

26、测过程中的前几分钟内，进行更 加频繁的跟踪测量，如每分钟两到十次，可以获得补充的风场信息。22.3.2 边界层无线电探空仪传统的无线电探空仪系统将在第一编的第 12 章进行详尽的阐述。 已开发出专用的无线电探空仪， 应用于边界层和对流层下层的探测中。 与传统无线电探空仪相比， 它们的传感器有更高的灵敏度和更 短的响应时间。这样的无线电探空仪可用来测量从地面到 35 公里高空的温度、湿度和风廓线。这些无线电探空仪的垂直上升速度通常在 150m/min 到 200m/min 之间，比传统的无线电探空仪慢 得多。较慢的上升速度可获得更详尽的垂直廓线。通过选择大小适当的气球来确定上升速度，也可以 通过

27、一个拖在气球下面的制动伞来改变上升速度。由于这些仪器只需要到达某个有限高度，因此它们通常由测风气球携带。在其它方面，探测步骤 和资料处理与标准的无线电探空仪的使用方法是相似的。当探测高度不超过 2000 米时，有时可省去气压传感器，这样既简化了无线电探空仪，同时价格也太不贵。单纯只测量温度时，还可以用更简单的系统。对边界层探空仪的基本要求如下:变量工作范围分辨率气压1050500hPa± 0.5hPa温度40 °C - -40 C± 0.1K湿度100% 20% （或 10%）± 2%风速0.5 60m/s± 0.5m/s风向0 360

28、76;P± 5°为保证50100m的垂直分辨率，至少要每 30秒进行一次测量。2233仪器塔和杆特定的装载仪器的塔和杆可以用于许多目的，尤其是用于监测大气污染的扩散情况。 Pano fsky(1973)提供了有关此问题的一些讨论。出于某些特定的目的，塔的高度一定要超过100米，按照空气污染的监测控制计划，它至少应该比重要污染源的高度高 50米。温度，湿度和风的测量应该在几个高度进行(至少两个或三个)，最低一级应在接近塔或杆的标准的气象百叶箱高度进行。测量层次数目既依赖于测量任务，同时也与塔和杆的高度有关。若只进行 两层高度的测量，则不能提供气象变量垂直廓线的形状，因而是非常

29、受限的。在科研项目中使用的观 测层次通常比常规观测多。通常资料自动处理并给出结果，同时也给出了不同层之间测量结果的差异。层间差异可以用来描述不同的气象条件。如果资料直接由非专业气象人员使用一一例如那些关心空气污染物的现有浓度是 否在安全范围内一一这时通过计算机做进一步的处理，给出能直接应用的具体资料。在塔和杆上通常采用的传感器是：(a) 温度：百叶箱中用的电阻或温差电偶温度表，有通风或无通风；(b) 湿度：百叶箱中用的干湿表，电化学或机电式湿度传感器；(c) 风：风杯，风向标，螺旋桨，声能或热线。所有的传感器应有线性的或线性化的性能，并且它们的时间常数应当足够小，小到确保观测数据能充分反映出该

30、地气象要素的变化情况。塔和杆的结构不应当明显地影响传感器和它们的测量结果。这一点是非常重要的。 对于开放结构而言，支杆无论是固定的或可收缩的应至少有2米长，并且尽可能使传感器与塔或仪器杆的距离至少10倍于其直径。对于实心结构或不适宜用支杆的地方，在每一个高度就需要两个系统，塔或杆的相 对两面设置较短杆，使它们伸出的距离至少 3倍于结构的直径，从那些安置在不受风扰动影响的上风 方的传感器上进行定时观测。有时在特殊情况下，在塔上没有直接固定安装的传感器可以用来收集气象廓线资料；则可使用简化的探测方法。把一个滑轮在可能的最高点上扣紧，一个环行绳索延伸到地面，通过手动或马达控制 的绞盘，把无线电探空仪

31、升降到需要的高度。无线电探空仪可以修改为包含风传感器，把数据传递给 适当的地面接收系统。 这种方法比塔和杆测量提供的垂直信息要多得多，并且一些有明显特征的高度也能够确定出来。从而，可能只在一个高度上进行持续观测。如果在一定天气条件下要对污染扩展的分布情况做出准确的确定时，塔的高度就非常有限了。 在这种情况下，除非在 50公里范围内有无线电探空站，否则应在塔和杆的位置准备一个特殊的无线电 探空仪，用以在 3000米高度以内进行当地探测。除这一主要目的之外，获得的资料还可作为基本气 象站网的补充，并且可以用于当地天气现象的深入研究。塔的测量设备需要有资历的仪器维护人员定期检验，他们还应该特别注意那

32、些安装在室外天气条件下的传感器、记录器、连接电缆、插头、插座的状态和性能。22.3.4仪器系留气球主要的应用包括从地表到 1500米高度内温度、湿度和风的廓线（和它们的短期变化）的测量， 以及在一个或多个高度层次下进行较长期天气条件的研究。这些传感器悬挂在气球下面的一个或几个包装中，或被紧紧的悬挂在电缆上。传感器的感应既可以通过无线电遥测也可以通过并入悬系绳中的导线传递到地表。这项技术在Thompson（1980）中有讨论。系留气球系统趋向于使用大型（600立方米）或小型（10到100立方米）的气球。小型气球通常用于获取廓线，而大型的用于进行多个高度测量。系留气球应设计为低阻力、漂行稳定的系统

33、。 它们通常充灌氦气膨胀。大型气球携带50公斤负荷（除悬系电缆之外）可以升至1500米高空。气球能够在地面风速达到 5米/秒时正常工作，在工作距离范围内的高度上，风速达到15米/秒时仍能正常工作。大型气球的悬系电缆应当能够经受住2000 3000千克力而不致拉断（对于小气球为200 300千克）。系留气球的施放应当遵从国家的航空安全规则。鉴于此同时也为了工作人员操作方便，使用的气球应当有醒目的颜色，并且建议安装夜晚航警灯。当选用金属质的雷达目标悬挂在气球下面时，要强 制性安装使气球放气的自动装置。限制系留气球工作的最主要因素是高空中的强风、近地表的乱流和危险闪电。用于控制气球的绞盘可以电动或手

34、动操作。电缆至少可以以两个速度进行传动（例如1或2米/秒）。此外，绞盘配备有手动制动器，电缆长度记数器，和拉力测量仪表。作为防止大气放电的保护 措施，无论是否用电力操作，绞盘都应当电接地。出于某些原因的考虑，不再需要用导体将传感器信号传到地面。一般来说，使用专用的无线电探 空仪是更可取的。 这种无线电探空仪应有较之于自由飞行的有更好的分辨率。在通风充分条件下温度和湿度传感器一定有要水平防护罩，避免太阳辐射和降水影响。另外还需要加装风速和风向传感器。基本要求如下：变量工作范围分辨率气压1050850hPa± 0.5hPa温度40 C -20 C± 0.1K湿度100% 20%

35、 （或 10%）± 2%风速0.5 15m/s± 0.5m/s风向0 360 °± 1°对遥测来说，可能使用一个标准的无线电探空仪频率；可选择400MHz频率的探空仪。包括电池的最大重量，应当在气球的负荷允许范围内，在5千克范围内是合理的。在稳定的条件下，无线电探空仪应悬挂在气球下面至少相当于3倍于气球直径的距离处，以便保证充分的防护和通风。在湍流中进行探测时遇到的主要问题是，超过平均数的系绳振动和气球移动造成对观测值的影 响。在这样的测量过程中应使用特殊的技术。地面设备一定要包括一个接收机和一个记录器。通常在一个小型计算机的帮助下对数据进行处

36、 理。无论气球连续上升和下降或停留在空中某一高度上，探空仪都可以进行探测。对于较低层，它的 高度可以从放出的系绳的长度估算出来。但是在较高层，这种手段只是近似估计，需要其他测量方法。可利用测量到的气压，温度和湿度分布情况，通过流体静力学方程导出计算公式。这样，从n层到n+1层的位势高度增加量由下式给出：29.2兀1门（巳/巳1）这里Tv是n层和n+1层虚温的平均值；Pn和Pn+1是对应的气压值。如果需要从位势高度向几何高度转换，这可从Smithsonian气象表中很容易得到，但这好象并不必要。气象站气压表的高度可以作为这些计算的基准。如果用逐层方法依次观测气象变量，那么必须在每个层面进行几个循

37、环的测量过程，这需要两到三分钟稳定时间。用这种方法，整个探测过程可能需要半小时到一小时。对于所有的无线电探空仪， 在使用前必须在百叶箱内进行基值测定，确定与气压表和通风干湿表的差值。探测结束后也必须进行相似的检查。另一方面，关于日常施放的无线电探空仪，气象站的数据必须从标准的气象站百叶箱中 的常规仪器获取，而不是从无线电探空仪中获取。探测到的气压，温度和湿度的数据，在每一层进行平均。对风速应按照100或120秒的时间进行平均。如果风向不能直接进行测量，那么它能够从气球的经向轴偏离正北的方向做大致的估计。这一 方法的不确定度为土 30 °。必须强调操作者必须就他们使用系留气球的每次探测

38、或系列探测计划向航空交通管理机构报告， 并申请许可。参考文献An gevi ne, W. M., et al., 1994: Improved radio acoustic sounding tech niq ues.Jour nal of Atmosphericand Ocea nic Tech nology, Volume 11, Number 1, pp. 42-49.Brown, E. H. and Hall, f. f., 1978: Advances in atmospheric acoustics. Reviews of Geophysics and Space Physics,

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