气象观测手段

自动气象站

  自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站,通常有以下两种形式:

(1) 有线遥测自动气象站:仪器的感应部分与接收处理部分相隔几十米到几公里,其间用有线通信电路传输。由气象传感器,接口电路、微机系统、通讯接口等组成。传感器将气象信息转换成电信号由接口电路输出。微机系统是它的心脏,负责处理接口电路及观测员通过键盘输入的信号,并将处理结果输出显示、打印、存盘,也可通过接口送到 信息网络服务系统。这种自动站早期用于实时查询气象资料,现在逐渐取代气象站日常 主要观测工作。

(2) 无线遥测气象站:又称无人气象站。它包括测量系统、程序控制和编码发射系统、 电源三部分组成。气象要素转换成电信号的方式常见有机械编码式和低频调制式两种, 前者多使用机械位移的感应元件,使指针在码盘上位移而发出不同的电码;后者多使用电参量输出感应元件,使它产生一个低频变化的信号,然后将此信号载于射频上发射。 无人气象站通常能连续工作一年左右,每天定时观测4─24次。可在1000公里之外的控 制中心指令或接收它拍发的电报,也可利用卫星收集和转发它拍发的资料。该站通常安置在沙漠、高山、海洋(漂浮式或固定式)等人烟稀少的地区,用于填补地面气象观测网的空白处。

高空气象观测

  测量近地面到30公里甚至更高的自由大气的物理、化学特性的方法和技术。测量项 目主要有气温、气压、湿度、风向和风速,还有特殊项目如大气成份、臭氧、辐射、大气电等。测量方法以气球携带探空仪升空探测为主。观测时间主要在北京时7时和19时两次,少数测站还在北京时1时和13时增加观测,有的测站只测高空风。此外其他不定时探测内容有2公里以下范围的大气状况的边界层探测、测量特殊项目的气象飞机探测和气象火箭探测等。

气象气球

  用橡胶或塑料制成的球皮,充以氢气、氮气等比空气轻的气体,能携带仪器升空进行高空气象观测的观测平台。气球的大小和制作材料由它们的用途来确定,主要有以下几种:

测风气球

(1) 测风气球 气象上称小球,用橡胶制作,球皮重约30克,主要用于经纬仪测风或边界层探空,最大升空高度在10-15公里。

(2) 探空气球 用橡胶或氯丁乳胶制作,球皮重0.8─2.0千克,携带1千克仪器升速为5─6米/秒,最大升空高度可达30公里。是日常高空观测使用的气球。

系留气球

(3) 系留气球 用缆绳拴在地面绞车上,能控制浮升高度的气球。通常用聚脂薄膜做成流线形,缆绳长度及与地面交角可以估算气球距地面高度,它可以携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量,用完后收回作多次使用。特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等。

(4) 定高气球 在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的气球,也称等密度气球或等容气球。气球由塑料制成多层复合膜,耐压性强,保气性好。在地面施放时仅部分充气,升到预定高度时,因球内气体量不变因而密度不变,保持在一个等密度面上飘行,气球大小视飞行高度和所带仪器的重量而定,其直径小至一米,大至数十米不等,在空中可飘行数天至数月。大型定高气球直径22米,距地高24公里,可携带200个探空仪,能接受卫星指令,每隔一定飘浮距离投下一架探空仪,下投的探空仪带降落伞,观测数据由无线电信号发到母球,再由母球转送到卫星,最后由卫星播发到地面站接收。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统,在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。


无线电探空仪

  测定自由大气各高度的气象要素,并将气象情报用无线电讯号发送到地面的遥测仪器。由于仪器是在上升(或下降)过程中测量的,空中气象要素随高度有较大的空间变率,要求探空仪感应元件应具有较高的灵敏度、准确度、感应快、量程大,仪器整体体积小、重量轻、牢固可靠,能经受风云雨雪和减少高空强辐射的影响。依据测量内容不同,探空仪分为如下两类:

中国制探空仪

(1) 常规探空仪:借助探空气球携带升空,是测量高空对流层、平流层气象资料的主要仪器。它由感应器,转换器和发射装置三个部分组成。感应器感应大气温度、气压、湿度等参数,采用变形元件(双金属片,空盒、肠衣)和电子元件(热敏电阻、空盒、湿敏电阻或电容)两类。转换开关轮流将感应元件依次接入变换器,将气象信息变换成电信号。中国制探空仪的变换器采用电码式和变低频式两种。发射装置是一个高频或超高频发射机,以载波方式将气象信息发到地面。

(2) 特种探空仪:在常规探空仪的基础上,根据不同的目的(如测定臭氧、平流层露点、各种辐射通量、大气电场,监视低层大气污染等)或不同仪器施放方式(如气球升空或气象飞机、气象火箭、定高气球下投等)派生了多种特殊探空仪,如臭氧探空仪,火箭探空仪等。

高空风观测

探空仪即将拖放701雷达待命工作

  测量近地面直至30公里高空的风向风速。通常将飞升气球作为随气流移动的质点,用地面设备(经纬仪或雷达)跟踪气球的飞升轨迹,读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距,确定其空间位置的座标值,可求出气球所经过高度上的平均风向风速。根据地面测风设备不同,分为如下几种:

  经纬仪测风:有单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。单经纬仪只能测出气球的仰角和方位角,气球高度由升速和施放时间推算。气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量计算出气球净带力,按照净举力灌充氢气来确定。但由于大气湍流和空气密度随高度变化,以及氢气泄漏等因素的影响,气球升速不均匀导致高度误差大,测风精度低。在配合探空仪观测时,气象站用探空仪测得的温度,气压、湿度资料计算出气球高度。双经纬仪测风是在已知基线长度的两端,架设两架经纬仪同步观测,分别读出气球的仰角、方位角,利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气,夜间必需配挂可见光源,阴雨天气只能在可见气球高度内测风。

  无线电经纬仪测风: 利用无线电定向原理,跟踪气球携带的探空仪发射机信号,测得角座标数据,气球高度则由探空资料计算得出。因此无线电经纬仪适用于全天候,但当气球低于其最低工作仰角时,测风精度将迅速降低。 雷达测风 是利用雷达测定飞升的气球位置。它不仅测定气球的角座标,而且能测定气球与雷达的距离,即斜距。由仰角、方位角、斜距计算高空风。雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法。前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号,测定气球角座标和斜距;后者利用气球悬挂的发射回答器,当发射回答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号,由回答信号测定气球角座标和斜距。显然,在相同的发射功率下,二次雷达比一次雷达探测距离更远,可测更高的高空风。但随着技术的发展,发射功率已不是大的技术障碍时,着眼于提高测风精度和经济效应等方面,一次雷达测风也有其独特优势。

气象飞机探测


  为科学研究或为完成某项特殊任务,用飞机携载气象仪器进行的专门探测。使用飞机的种类要根据任务性质来选择。必要时需添加特殊装备。例如远程大中型飞机适用探测台风、强风暴等天气;进入雷暴区要用装甲机,小型飞机和直升飞机适用于中小尺度系统和云雾物理探测,民航机可兼作航线气象观测,探测飞机高度以下的大气状况需携带下投探空仪,探测云、雨、风、湍流需装设机载雷达,了解云中雷电现象、含水量、云滴谱、升降气流时,均需分别配备相应的仪器。

气象火箭探测


  
  用火箭携带仪器对中高层大气进行探测。探测高度主要在30公里以上,80公里以下自由气球所达不到的高度。探测项目包括温度、密度、气压、风向和风速等气象要素,以及大气成份和太阳紫外辐射等。当火箭达到顶端时,抛射出探空仪, 利用丝绸或尼龙制成的降落伞使仪器阻尼下落,可探测20─70公里高度的气象要素,如果火箭上升到顶端,放出金属化尼龙充气气球或尼龙条带或其它轻质材料,用精密雷达跟踪,可探测30─100公里上空风、密度,再推算出温度、气压等气象要素。此外,还有用取样火箭测定大气成份和臭氧含量等,以及用火箭来研究电离层、太阳紫外辐射等。

气象测站网

  大气是个整体,要掌握大气变化的规律,就必须了解从地面到高空大气中尽可能多的情况。由于纬度、海陆、地形地势、地面覆盖的不同,各个地方各有自己的天气、气候特色。为了整体和当地的需要,监视天气、气候变化的气象台站遍布全球。无论天涯海角,到处都有气象人员在坚持工作,气象仪器在监视探测,夜以继日、年复一年连续不断地获取大量气象信息。

  由气象观测所取得的数以亿计的气象数据,要为当前及今后全世界所公用,必须有代表性、准确性和比较性,因此从观测场址的选择、仪器的安装布置、仪器的性能型号、观测的手续、方法、观测的时间和时限、观测数值的精确程度,到计算、记录、统计、编发报的方法,都有国际上统一的规定。同时,为了及时的应用,大量信息又必须通过各种传送手段,迅速地集中到一定的机构。在这里经过编排、加工,生产出可供各方面使用的气象产品有组织地向外传送出去。

气象信息网络

  遍布全球的气象台站和各种探测设施,组成监视天气变化的观测网,昼夜不停地捕捉地球大气中的各种气象信息。这些网点获取的信息通过有线、无线电报电传,迅速集中到各国的气象中心或通信中心,有时是经过几次中转后达到。从各个中心里又以有线或无线的电报、电传、广播发送出去,供各地气象台站、业务单位使用。气象台站、天气中心和各种业务单位把这些信息制作成各种成品,向世界范围或向本国、本地区范围,以及向某特定地区、特定部门和局地的各个用户,用各种通信手段传送出去,供使用或进行气象服务。这样,在环球上就组成了层层叠叠的,大的覆盖全球、小的限于局地,不同规模、不同作用的气象信息网;在这些网上,日日夜夜有数以亿计的气象信息不断地交流着。从下面介绍的其中几个部分,也可以略见一斑。

  国际气象信息网国际气象信息的传输,主要由世界天气广播网和气象电传线路网承担。

  全球各处通过各种探测手段取得的气象情报,其中一部分供国际公用,分别集中到世界各地86个气象通信中心,然后分区广播出去。全球共分8个广播区,每区有8—11个中心。这些中心部分是各国的首都,我国的北京就是其中的一个。各地的气象台可以根据需要选收任一中心的广播,把收到的气象电报填绘在天气图上,五洲风云便尽收眼底了。
除上述的无线广播网以外,现在又建立起国际有线电传网络。华盛顿、莫斯科、墨尔本为三个世界中心;布拉克内尔、巴黎、奥芬巴赫、布拉格、内罗毕、开罗、新德里、巴西利亚、东京、北京为区域通信枢纽。由中心和各枢纽又联接许多国家、地方的气象中心、气象台、气象业务单位,组成了电传气象情报网。通过这个网的数据信道和传真信道传输了大量的正规和非正规的各种气象资料、天气实况图和预报图。这种电传网络载荷量大,收发方便,传送迅速及时,而且还传送大量无线广播所不能传送的内容。

  我国的气象通信网我国的气象通信网于五十年代后期起,逐步发展建成国内和国际的有线电传线路。以北京为中心,国际上通奥芬巴赫、莫斯科、乌兰巴托、伯力、平壤、东京等地。国内通沈阳、上海、成都、武汉、长沙、广州、兰州、乌鲁木齐、太原、西安等区域气象通信中心。这些中心又联接负责区域内的省、市气象台,由气象台联接下属的气象台站。区域中心负责本区域内基本气象情报的集中和传输,交换国内外各种气象情报,接收、加工和转发负责区的国外气象广播,组织区域内的无线电传、气象广播及有线电传线路网。这样组成的通信网络象人体全身血管一般,外联国际线路,内联全国各地台站,成千上万的气象数据上下交流,日夜不停。

  七十年代中期开始,我国在北京及区域中心相继组建气象传真广播,各级气象台站由此可获得制作天气预报所需要的工具图表,减少了收报、填绘图、分析等重复性劳动。特别是能直接利用卫星云图、数值预报产品等资料,为提高天气预报时效和准确率,开展灾害性天气预报、警报,更好地为国民经济和国防建设服务创造了良好的条件。现在全国接收台站已近2000个。

  除无线电传和传真以外,我国还有莫尔斯气象广播,分别设在西安和太原,主要为解决某些气象台还不能改善通信条件的困难而暂时保留的。

  八十年代以来,我国开始引进了通信专用电子计算机,建成了北京通信枢纽中心,实现了通信处理和编辑处理的自动化,提高了通信速率。现在已达到“气象情报共享”的水平,即凡与本系统有全双工电路连接的国内台站或单位,都可以向中心检索所需的实时资料,可向中心自动答应远程终端询问。