高空气象探测自动化的现状及其发展趋势

摘  要：探空气球携带探空仪进行高空气象探测是获取高空气象要素的主要手段，为降低天气和地理条件的负面影响，提高探测成功率，本文对高空气象观测自动化必要性、可行性进行了分析，并对国内外自动探空系统进行了对比。

关键词：高空气象探测自动化；自动探空系统

1概述

以探空气球携带探空仪为特征的常规高空气象探测已经有近百年的历史，至今仍然是高空气象探测领域中最基本、最重要、最普遍、最可信赖的大气探测主要手段之一，作为综合气象观测系统的重要组成部分，在天气预报和气候监测中发挥着重要作用。

就目前的常规高空气象探测而言，高空气象探测站普遍采用人工方式施放探空气球，但人工施放探空气球受天气和地理条件的影响，当施放点风速较大或遇到恶劣的天气时，一般需要3至4人对探空气球进行保护，并且在施放过程中容易受到人员操作不当、风速较大、初始施放高度低等不利因素的影响，可能发生气球和探空仪触碰地面、护栏或建筑物等情况，致使气球破裂或探空仪损坏，导致探测任务失败。

探测任务的失败，既浪费人力财力，又严重影响气象探测的时效和探测工作的质量。另外，要在高原、沙漠、高山及海岛等偏远或环境条件恶劣的无人地区建立高空气象探测站，需要的建设资金远高于常规地区，而且探空设备的安装、架设和维护都是困难的，这也是我国西北地区高空气象探测站稀少，不能满足天气预报需求的重要原因。在已建成且业务运行正常的高空气象探测站，尤其是东南沿海的台风多发区和西北山口地区，时常因为大风延误放球，影响到常规高空气象探测的正常开展。

因此，气象部门迫切需要一种全新的自动探空装备，能够实现高空气象探测的自动化，确保在恶劣天气中能够正常开展高空气象探测业务。随着卫星导航探空技术逐渐进入常规观测，结合智能化控制、物联网技术的发展，实现高空气象探测自动化已成为可能。

2必要性与可行性

2.1必要性

高空气象探测技术总的发展趋势是：向综合探测方向发展、向系统性方向发展、向遥测遥感自动化方向发展、向高精度方向发展、探测仪器向多功能及小型化方向发展。由于受到自然条件、经济水平和技术条件的限制，在我国西部无人区及其它少人地区（偏远山区、沙漠、湖海等）高空气象探测站观测条件和生活条件艰苦，观测业务维持困难，导致此类型区域高空气象探测站设置密度稀疏，站网空间分布不均匀，出现了观测资料空白区域，限制了常规高空气象观测资料质量和实际业务应用效果。因此，在无人区开展自动探空业务，一方面能够减轻艰苦基层台站的工作强度，利于观测工作的连续开展、提高观测质量、弥补观测资料少的不足、提高气象灾害监测与预报服务能力。另一方面，在大风天气条件下（特别是地面风力超过四级时），实现探空气球自动充气、自动施放探空仪，可有效解决大风天气进行高空气象探测的难题，该难题一直是气象部门开展高空气象观测正常业务运行的阻碍。

鉴于上述原因，高空气象观测自动化的建设尤为重要和必要，自动探空系统不仅能降低运行成本，也可以提高数据的有效性和时效性，同时也给站点选择和观测时间提供了很大的余地。高空气象探测自动化的业务化应用将丰富我国气象装备的技术手段及综合监测能力，符合气象综合观测从人工、定性观测向自动化遥感遥测、定量观测转变的迫切需求，实现高准确度、高时空分辨率、连续、自动、一体化定量观测的目的。

2.2可行性

常规高空气象探测体制从技术上说可以分为四种类型：高空气象探测雷达系统、卫星导航测风系统、甚低频导航测风系统和无线电经纬仪测风系统，这些系统中都有探空仪，其型号和性能不同。

目前，我国和前苏联及东欧国家全部使用高空气象探测雷达系统。我国普遍采用的L波段雷达探测的风向风速数据虽然要比701雷达要准确得多，但仍然不能令人满意，由于雷达探测高度和水平距离受仰角的影响，使对流层顶以上的风向风速测量误差偏大，甚至有时不能使用。而目前采用1min，2min，4min的分层计算模式，掩盖了风向风速的某些垂直变化，并使风速测量误差增大，尤其是在风向变化较大时，风速测量的误差可能危及到航空飞行的安全。因此，发展卫星导航测风显得特别重要。

南美、非洲、大洋洲、东南亚和部分欧洲国家主要使用GPS卫星导航测风系统；欧洲、加拿大和韩国等原先使用的LORAN-C甚低频导航测风系统，目前也趋于淘汰，转为使用GPS卫星导航测风系统；美国、印度、日本和部分东南亚国家有部分台站使用无线电经纬仪测风系统；采用卫星导航系统进行测风的常规高空探测系统约占全球常规高空探测系统的50%。使用卫星导航系统进行测风的常规高空气象探测系统具有地面接收设备的一次性投资低、自动化程度高、测风准确度高等优点，卫星导航探空系统将成为常规高空气象探测的主要手段。

随着卫星导航探空技术逐渐进入常规观测业务，采用卫星导航定位测风技术的探空系统将成为全球常规探空系统的发展主流，代表未来一段时间探空系统发展方向。北斗卫星导航系统是我国自主研制的导航定位系统，随着北斗卫星导航定位系统全球组网，利用北斗卫星的导航定位功能与探空仪的温湿压传感器相结合，组成北斗高空气象探测系统，实现高空气象探测业务的自动化已成为可能。

3国内外现状及未来发展

3.1国内外现状

1990年以来，以VAISALA公司为代表的国外公司就开展了高空气象观测自动化应用试验。据世界气象组织相关文献，目前国外已有近百套自动探空系统投入了业务应用。类似产品主要有：

（1）AUTOSONDE系统

AUTOSONDE系统是VAISALA公司1990年推出的产品，目前已发展到第二代产品AUTOSONDE AS41系统，投入业务运行的有近百套。

AUTOSONDE系统（如图1）在无人干预及一次装载满耗材的情况下，可以执行24次无线电探空观测任务，该系统采用VAISALA公司RS80、RS92型探空仪，适用于规格800g以下探空气球，充球气体可以是氢气或氦气，在地面风速达到20 m／s时，仍可以进行高空气象探测。

AUTOSONDE AS41系统是第二代AUTOSONDE系统（如图2）。较第一代AUTOSONDE系统的升级项目主要包括：采用VAISALA公司新型RS41系列探空仪和MW41探空装置，探空仪装载量增加到60个，适用200g～1200g探空气球。

（2）Robotsonde系统

Robotsonde系统是法国Meteomodem公司2009年推出的产品，目前也已发展到第二代产品，投入业务运行的有近20套

第一代Robotsonde系统（如图3）采用M2K型GPS探空仪，适用规格800g以下探空气球。在无人干预及一次装载满耗材的情况下，可以执行6次无线电探空观测任务。

4结语

高空气象探测自动化是我国气象观测现代化的一部分，目前在国内正在进行业务化试验，还未大规模开展业务化应用或布局建站。

高空气象探测自动化的应用可以在设定时间自动激活探空仪、自动充球装置自动充球、自动对探空仪进行基值测定，然后自动施放探空仪，自动接收和处理探空信号，最后结束探测并将探测结果储存同时发送给业务部门或外部网络，在无人干预的情况下，全自动操作。该设备设有监控单元，支持远程诊断、视频监控和在线帮助等功能。

参考文献：

1.常规高空气象观测业务规范  中国气象局2010年5月

2.气象观测技术试验指南（2020-2025年） 中国气象局综合观测司2020年3月

作者简介：

刘家晟（1981-），男，南京人，工程师，研究方向：高空气象探测，气象探测用制氢设备。