探秘气象探空
来源:气象知识   发布时间:2018-09-14
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  气象探空的测量项目主要有气温、气压、湿度、风向和风速,此外,还包括一些特殊项目,如大气成分、臭氧、辐射、大气电场等。从大气科学萌芽到现代成熟的探空技术,气象探空经历了一个漫长的过程。

  什么是气象探空?它到底都“探”些什么?探空数据又是如何影响天气预报的?下面,就让我们一探究竟。

  风筝、气球和吊篮

  气象探空,顾名思义,就是探测高空中的气象数据。具体来讲,是利用各种现代科学技术方法与手段,观测高空大气中任意高度上气象要素瞬时分布的状况。气象部门所说的常规探空,通常是指从地面到高度约40千米的范围,包括大气边界层和自由大气。气象探空的测量项目主要有气温、气压、湿度、风向和风速,此外,还包括一些特殊项目,如大气成分、臭氧、辐射、大气电场等。从大气科学萌芽到现代成熟的探空技术,气象探空经历了一个漫长的过程。

  在最初的时候,人们主要依靠原始、零星的目测以及感官感知来感性地认识天气的变化。随着科学技术的发展,人们相继发明了温度计、气压计、湿度计、风速计等气象观测仪器。气象观测开始走向定量化,地面气象要素观测兴起。18世纪中叶,人们逐步将目光转向了天空,开始进行高空观测的尝试。那么如何实现呢?

  有人想到了风筝。风筝是我国古人发明的,早期主要用于战时通信与侦察,后来逐步传到世界各地,放风筝也成为人们喜爱的户外运动。然而,也许让古人永远想不到的是,他们发明的风筝,对后来世界科学技术的发展产生了多么深远的影响。气象探空的发展就得益于此。1749年,英国一位名叫威尔逊的科学家,在苏格兰将小型温度计绑在风筝上,用6只风筝将其带到1000多米的高空中进行科学试验, 以测量温度随高度的变化。他也第一次测到了低层大气的温度,并取得了一些重要的理论数据。这个简易版的“风筝气象站”可以说是气象探空的先驱。

  1893年,英国人劳伦斯为美国气象局设计了一种可以装在箱子里面的可拆卸的风筝,以便将仪器带到高空测量风速、温度和高度,有力地推动了气象事业的发展。后来又经过了不断的改进,风筝成为了19世纪至20世纪初期观测低空温度的重要工具。当时使用的风筝是由棉布或者棉纸制成,内有自制气压计、自记温度计和自记湿度计,用手摇式轱辘释放风筝的拉线。但是风力过强或过弱时都不合适(放过风筝的应该都能体会到这一点),探空高度最多只能达到3000米,所以并不是理想的探空仪器。

  18世纪初,法国造纸商蒙格尔菲兄弟受到碎纸屑在火炉中不断升起的启发,于是用纸袋聚集热气做实验,终于在1783年制造出原始热气球,并乘着它在巴黎上空飞行25分钟后安全着陆,实现了人类首次飞上蓝天的壮举。从此拉开了载人飞天的大幕,气球也成了携带气象仪器到空中进行测量的良好载体。蒙格尔菲兄弟在首次表演热气球飞行之后,向巴黎科学院报告了他们的成就。科学院随后赞助了年轻的物理学家查理教授进行研究。查理从前人的研究中得知,氢气是空中最轻的一种气体,人类可以利用氢气飞行,并且当时法国工程师罗伯特兄弟已研究出在丝绸上涂橡胶的方法,这是当时最好的不透气材料。在罗伯特兄弟的帮助下,查理造出了世界上第一个氢气球。后来通过改进在氢气球下悬挂可载人的吊篮。1783年12月1日,他和一位同伴乘氢气球的吊篮在空中飘行时间超过2小时,完成了氢气球载人的首次飞行。查理还利用自己制成的氢气球进行了高空温度和气压的测定。他将自记温度计和自记气压计系在氢气球下面,释放到高空,气球达到一定高度爆裂,气象仪器就随降落伞降落到地面。查理用这种方法测定了巴黎高空温度和气压的变化情形。1784年英国人杰弗里斯在英国也进行了类似的试验。

  1809年,英国人沃利斯和福雷斯首创用测风气球探测高空风。1862年9月5日,格林威治气象台台长格列塞尔与助手在不带氧气设备的情况下,一同乘气球升入8800米高空,进行了高空探测飞行。1864年英国气象学家首用系留气球下悬挂的气象仪器进行低空气象观测,系留气球是使用缆绳将其拴在地面绞车上并可控制其在大气中飘浮高度的气球,相对比较安全可靠。载人吊篮和系留气球携带自记仪器的方法是早期低空探测和大气监测的有效手段之一。与此同时,科学家们还探索使用了如降落伞法(气球上升一定高度破裂后开伞)和双球法(一球破裂后,另一球不足以支持仪器的重量而下降)等,来保证仪器和资料的回收,都有一定的效果。由于氢气球的升高性能好、滞空时间长,所以应用得比较广泛。但氢气球有易燃易爆的缺点,于是20世纪20年代又出现了氦气球。

  这些早期的气象探空的尝试和探索,多为科研和实验的性质,并且存在一定的限制和不足,如升空高度有限、数据连续性差、难以实现常态化观测等,但毋庸置疑的是,它们都对气象探空的发展起到了极大的推动作用。

  探空仪和雷达的“对话”

  真正让气象探空迈入业务化运行时代的,是无线电探空仪的出现。

  无线电探空仪是由前苏联的莫尔恰夫在1928年发明的。这种仪器的优点是不受地点的制约和天气的影响,探空高度能够达到15~20千米。1930年,他在白俄罗斯首次完成平流层的无线电探空仪观测。1931年12月,芬兰人维萨拉也发明了著名的芬式无线电探空仪,并创办了以自己名字命名的公司,至今已成为世界上最专业的气象仪器生产商。这类探空仪非常轻巧,只有250克,大概相当于文具盒的大小,而且不受恶劣天气的影响,可以获得不同高度的气象资料,无需回收。这类探空仪至今仍是探测30~40千米以下高度气象要素的主要仪器,全世界都在使用。

  那么,目前气象探空是如何实现的呢?我国一般采用的探空技术是“地面雷达+探空仪”模式,简单地说,大致分四步:探空仪升空;雷达定位;观测;数据回传雷达。

  无线电探空仪升空,一般是依靠施放探空气球来进行。因此,气球在当前气象探空中仍然占有重要的地位。气球分为膨胀型和非膨胀型两类,气象探空中通常采用胶乳膨胀型气球。气球在空中以300~500米/分钟的速度上升,荷载质量为1~2千克,探测高度在0~40千米,在测风的同时测量空中的温度、气压和湿度。

  风的测量是通过雷达和探空仪的“对话”来实现的。探空气球携带无线电回答器升空,地面雷达对探空仪进行追踪,在地面向它发出“询问信号”,探空气球的回答器接收到以后,对应地发回“回答信号”。根据每一对“问”与“答”信号之间的间隔和回答信号的来向,就可以测定每一瞬间探空气球在空间的位置,即它离雷达的直线距离、方位角、仰角,然后根据气球随风漂移的情况,就可以推算出高空的风向与风速。

  气压、温度、湿度3个气象要素的探测,是利用探空仪里的传感器实现的。探空仪由对温度、气压、湿度反应灵敏的感应元件及转换电路组成,敏感元件的电参量随着空气中的温度、气压、湿度的变化而变化。而转换电路则对变化的电参量进行采集、编码而形成探空数字信号,并通过探空仪发射机发回地面,雷达把探空数据接收下来,就得到空中不同高度的温度、气压和湿度3个气象要素的资料了。

  地面和高空,一个都不能少

  众所周知,气象科学是基于观测发展起来的科学,最先开始的是地面的气象观测。然而,地球上各种天气现象是大气运动的反映,如果仅仅依靠地面的气象观测,而没有与天气系统密切联系的空中的气象要素观测资料,人们就难以深入了解和研究复杂的天气。气象探空让气象观测从二维空间发展到三维空间,揭示了地面气压系统与高空气流之间的关系。大气中各个高度上的温度、湿度、气压等数据,对分析和研究大气各种热力、动力以及天气分析、预报都具有十分重要的意义。

  现代天气预报中,都是首先通过观测大气变化情况,将观测数据汇集到高性能计算机计算,得出各类天气图表和数值预报产品,天气预报员结合自身专业知识进行综合分析、判断做出未来不同时间段的具体天气预报。可见,观测数据是天气预报的最前端。另外,数值预报在现代天气预报中占据着重要的位置,它“算”出来的预报结果直接影响到天气预报准确率的高低。而对于气象探空数据而言,它本身就是数值预报模式初值场的重要资料来源。资料本身的连续性、稳定性以及准确性,必然会对数值模式的初始场产生影响,而初始场的改变必然引起模式预报结果的变化,最终影响到天气预报的准确性。

  所以,如果将天气预报比喻为一顿大餐,那么气象观测的数据资料就是“食材”,气象探空数据更是这些“食材”中的“主角”之一。要想做出一顿美味可口的天气预报“大餐”,高品质、种类全的“食材”必不可少。

  说到这里,文章开头中央气象台的微博内容就更容易理解了。俄罗斯在我国的上游地区,很多天气系统是从他们境内移过来的,尤其是俄罗斯的西伯利亚地区,是影响我国的冷空气经过且积聚加强的区域,即天气学中的寒潮关键区。分析和预报我国的天气,那里的探测数据具有重要的参考价值。而卢布贬值导致货币购买力下降,俄罗斯政府对气象投入减少,使得西伯利亚不少站点探空频次降低,某些时刻的探空数据就缺失了。由此导致数值预报结果受到影响,我国的预报员在分析天气图时也会多少有些偏差,于是天气预报的准确性就难免会受到影响了。

(来源:《气象知识》 责任编辑:王美丽)

  
 

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