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新型北斗探空破题 走出探空资料不足之困

发布时间:2021年12月22日 来源:中国气象报社

  ■ 攻克探空气球预定高度长时平漂技术

  ■ 研制基带射频一体化北斗导航卫星SoC芯片及其探空模组

  ■ 攻克低成本获取适应上升-平漂-下降三阶段气温、湿度和风的测量技术及观测方法

  ■ 攻克地-空物联网构建与智能化管理应用技术,获取平流层大气连续高时空密度直接观测数据集

  ■ 观测-预报互动,为预报模式改进、往返探空提供支撑。

  早晚8点两次放球,获取两组风温湿压等大气垂直廓线基准探测资料,这是自1902年德国气象学家阿斯曼首创橡胶气球结合经纬仪追踪探测大气以来,国际探空界普遍采用的模式。

  100多年来,分布全球的探空站不仅为数值预报模式、天气预报、全球资料交换提供了重要数据,且为地基、空基等遥感探测手段提供校准验证基础。

  探空数据如此重要,但目前我国120个探空站每天两次观测数据难以满足实际预报业务需求。如何低成本加密探空,解决目前每天两次探空无法完整刻画大气三维结构日变化的难题?在国家重点研发项目支持下,往返平漂探空组网观测-预报互动试验(以下简称试验)正在提供一种新技术思路。

  来自零压气球的“平漂术”

  目前,我国探空使用的气球为一次性耗材。气球乳胶材料对低温、紫外线和臭氧较为敏感,高空长时间飞行容易出现低温结晶、球皮老化等现象,试验项目组从天然胶乳改性、耐寒性能、防老化性能等三方面开展“配方”试验,并经过极寒、高温、高湿等适应性试验后研制出低成本、抗老化、耐低温的平漂零压气球。

  多次试验结果显示,零压气球升空高度可达20千米至40千米,可调节上升速度、可降解,且成本大大低于国外超压和零压气球。

  经过大量反复试验,项目组采用内外套球的方式,即外球按照正常情况进行充气,内球适量充气,到达预定高度后,外球爆炸,内球受到气压差影响内部空气膨胀,保持浮力和重力平衡,在平流层空气稀薄的环境下保持平漂探测。

  由于平流层上下方向的气流运动很少,主要受到水平方向风的影响,气球可随着气流漂移4小时-6小时。技术人员通过固定时间控制或者远程控制装置发射指令,让探空仪脱离气球,同时打开降落伞,探空仪缓慢下降。这个过程就是往返、平漂探测,即升空-平漂-下降探测过程。由此,气球技术的革新将原有的一次放球获取一段数据,调整为一次放球获取上升-平漂-下降3段数据,使原本12小时间隔变为6小时左右。

  此外,往返平漂探空的零压气球还可以根据天气过程监测需求开展探测,控制其上升高度、漂移时间、下降时间和下降区域,即根据天气过程开展“定制化”探测服务。

  来自春分Ⅰ号+北斗导航的突破技术

  探空气球是载体,系在气球下方的探空仪由定位、探测、通信3大部分组成,用于解算、输出卫星定位信息,并实现对温度、湿度和气压等关键气象环境数据的实时监测及数据传输。

  如何将探空仪上各功能模块进行高度集成,实现功能集约且重量有效控制是有待突破的关键技术。由项目组研制、具有完全自主知识产权的“春分Ⅰ号”气象探空专用芯片集成了信号采集、数据处理、质量控制、编码传输等运算和控制功能,实现了探空原始观测质控算法芯片级集成,解决了卫星导航原始观测数据、定位数据等“空中数据”无法全部

  下传以及数据质量控制能力不足等瓶颈问题,并通过指令调用和函数处理方法的标准化和透明化,解决了当前探空仪算法的“黑盒子问题”。

  此外,它还可兼容北斗卫星导航系统、GPS、GLONASS、GALILEO等全球主要导航系统。因此,将探空仪采集、质量控制等标准算法嵌入芯片后,探空仪厂家生产时只需要调用芯片算法即可。此举既提高了探空仪的质量、可靠性以及标准化程度,又降低了探空仪开发的成本与难度。经过改造后的探空仪,重量由原来的300多克降到100克左右。

  另外,针对气球探空的垂直运动,项目组还研制了专门的定位算法,水平定位精度可达到0.8米、垂直定位精度达到1.3米,“春分Ⅰ号”的定位精度已经达到国际先进水平,水平定位精度与国外Ublox G7020相当,垂直定位精度优于Ublox G7020。

往返式智能探空系统工作示意图。

  基于地-空物联的探空数据传输技术

  气球升空后继续平漂,受到风力、气流等影响,由于平漂的原因,探空仪下降点与施放点的水平距离可达到400千米-500千米,甚至更远。然而,空中探空仪数据发送装置与地面的接收机之间的有效直线传输距离在200千米左右,现有探空单站接收的模式已经不能适应往返平漂探空的模式。

  因此,往返平漂探空系统的地面接收站按照间距150千米以内,以网格状的方式均匀布设。

  一个探空仪的数据可由多个地面接收站接收,一个地面接收站也可以同时接收多个探空仪发送的数据,各个地面接收站通过地面网络将接收到的数据及时传送到云端。

  往返平漂探空系统的地面接收机采用超外差二次变频与中频数字化技术方案,结合时分多址、频分多址、码分多址等技术,确保单个接收机具备多通道并发接收能力。另外,为解决围绕天气过程的“定制化”服务,项目通过研制地面远程通信控制装置,实现对往返平漂探空系统的上行控制,直线通信距离可达到200千米以上,可及时对往返平漂探空系统发送控制指令,实现对天气系统的机动式目标观测。

  实现观测+预报互动的应用技术

  2018年以来,项目组在湖北、湖南、江西和安徽四省超过60万平方千米区域内开展了3000多次组网试验,其中2021年连续开展观测试验7个月,形成了往返平漂探空数据集。

  之所以选择这些区域开展试验,是因为上述区域地处长江中下游,天气复杂多变,强对流等灾害性天气多发。

  对于数值预报模式,探空是大气观测系统中唯一的三维直接观测手段,对于反映大气三维结构日变化有很显著的作用。此外,探空观测能够提供完整的三维大气的温度、气压、湿度、风等直接观测信息,是高空观测的基准资料。

2021年长江中下游安庆站试验人员施放气球。

  目前,全球探空每天只有2个时次的资料,时间分辨率较低,难以满足每天的预报需求。项目组发展了一套质量控制方法,对往返平漂试验数据进行质量控制,使模式可以更好地“消化吸收”。结果表明,往返平漂探空的探测精度达到了世界气象组织(WMO)规定的突破目标,部分探测要素甚至实现了理想目标。

  研究表明,往返平漂探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定,可直接同化;日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正,从而更有效地发挥资料价值。在GRAPES区域高分辨率模式中同化长江中下游往返平漂探空试验的数据,能够明显提高除08时和20时以外其他时刻起报的降水预报技巧。

  此外,往返平漂试验可对数值模式进行检验和验证,为预报员评估模式的准确率提供了基础数据。

  项目组在观测与预报互动两方面开展了研究工作。一方面,基于GRAPES区域高分辨率模式初步建立了往返平漂轨迹预测和模拟仿真系统,开展了往返平漂探空观测系统模拟观测同化影响评估,评估结果表明往返平漂探空全国组网观测将显著提高我国数值天气预报的预报技巧,特别是14时和02时起报的预报技巧,为未来往返平漂探空业务组网观测提供了重要支撑;另一方面,提出了基于奇异向量和集合卡曼滤波技术的

  敏感区识别方法、利用往返平漂探空开展适应性目标观测的实施方案,为对重点灾害天气过程开展目标观测研究奠定了技术基础。

  另外,项目组还开展了往返平漂探空数据在天气分析中的应用研究,初步建立了往返平漂探空天气分析原型系统,在中央气象台,安徽、湖北、江西、湖南、内蒙古等省(区)气象台进行示范,在天气环境演变监测、强对流天气预报预警中得到应用,尤其是在今年5月份长江中下游多次强对流天气过程的监测预报预警,以及预报复盘和个例总结中发挥了重要作用。

  ■ 本文专家顾问:

  国家重点研发计划“往返式智能探空系统研制及其试验”

  项目负责人、中国气象局综合观测司曹晓钟

  中国气象局气象探测中心正研级高工郭启云、杨荣康

  中国气象局地球系统数值预报中心正研级高工王金成

  中国化工株洲橡胶研究设计院有限公司正研级高工肖迪娥

  深圳华大北斗科技有限公司总工程师梁佳祥

  北京华云东方探测技术有限公司总工程师刘银锋

  科研创新应以解决业务痛点为出发点

  历时5年,基于北斗导航定位的往返平漂探空组网观测-预报互动试验成果面世。其成果应用,将以较低成本有效提高探空数据的时间分辨率。WMO认为,往返平漂探空可引领国际探空新模式潮流。

  习近平总书记多次指出,科学研究既要追求知识和真理,也要服务于经济社会发展和广大人民群众;广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上,把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中。许多科学家对此深以为然,并积极以行动践行。中国科学院院士吕达仁曾表示,真正的科研问题要从国家的重大需求中去提炼,无论是集体做项目还是个人搞科研,面向国家重大需求绝不意味着“凑热闹”。笔者认为,往返平漂探空试验做到了以解决业务痛点为科技创新的出发点,在独创独有上下功夫,坚持气象核心科技自主可控,加大创新力度,在探空领域实现跨越式发展,跟上甚至引领世界科技发展新方向。

  100多年来,探空技术发展已经形成固定模式——每天两次放球、获取两次探空资料。随着天气预报业务发展和需求不断提升,原有的探空模式成为预报前端的一个痛点,一方面“太烧钱”,探空气球、探空仪均为一次性耗材,各种隐形成本也自不必提;另一方面,“一刀切”式加密不实际,对于天气过程平稳的时间段和区域而言,其资料可用性不高。

  如何低成本、有效加密探空?近年来,往返平漂探空试验项目团队面对气象预报业务的实际需求,拿出啃硬骨头的勇气,面向世界探空科技前沿、国家气象服务经济社会发展以及防灾减灾等重大需求,加快自主科学技术创新,一举突破平漂零压气球、多通道双向通信接收设备、高精度气象专用北斗导航SoC芯片“春分Ⅰ号”及新型北斗导航探空仪等8项探空装备关键技术瓶颈。

  从常用的探空气球改造、专用芯片研制到地空物联网,科研团队持之以恒、久久为功,创新技术手段解决探空业务中的基础性、关键性技术问题,并将我国探空整体技术提升到国际先进水平行列。

  把科研成果的“好钢”用在解决气象业务需求的“刀刃”上,让业务的新突破成为百姓的新福祉,这正是所有气象科研人员服务国家、服务人民的初心。(简菊芳)

  

(作者:简菊芳 责任编辑:张林)

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