羅春麗，馬梅青，李健英

(1.四川省宜賓市氣象局，四川 宜賓 644000;2.四川省涼山州氣象局，四川 西昌 615000)

0 引言

宜賓站自2009年1月1日起啟動(dòng)L波段雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。由于地勢(shì)限制，L波段雷達(dá)架設(shè)在距地15 m的樓頂上，氣球施放瞬間雷達(dá)工作仰角達(dá)到-5.2°，易造成低仰角限位導(dǎo)致雷達(dá)自動(dòng)跟蹤失敗。氣球施放后短時(shí)間內(nèi)從雷達(dá)天線上空正過(guò)頂時(shí)，該雷達(dá)因其仰角不能直接翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行跟蹤，又受方位轉(zhuǎn)速的限制，也會(huì)造成目標(biāo)丟失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)時(shí)探測(cè)過(guò)程中，由于雷達(dá)自動(dòng)跟蹤失敗造成的高空探測(cè)資料缺失比例占2.1%～7.8%左右。如何獲得及時(shí)準(zhǔn)確的探測(cè)資料，特別是500 hPa氣象資料的精準(zhǔn)對(duì)天氣預(yù)報(bào)有著至關(guān)重要的作用，保證探空資料的完整性、準(zhǔn)確性已成為高空探測(cè)工作的重點(diǎn)。

1 L波段雷達(dá)丟球的原因

1.1 L波段雷達(dá)機(jī)械特性限制造成丟球

①仰角限位、方位限速丟球。其中仰角限位是因L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)其仰角被限制在-6°～92°之間，當(dāng)氣球施放瞬間雷達(dá)仰角<-6°或氣球過(guò)頂仰角>92°，雷達(dá)便無(wú)法自動(dòng)跟蹤，致使數(shù)據(jù)缺測(cè)。方位限速丟球，由于雷達(dá)角速度限制，無(wú)法跟上過(guò)頂氣球的方位變化。

②雷達(dá)接收機(jī)模塊有問題引起接收的探測(cè)信號(hào)弱和其它突發(fā)雷達(dá)故障造成天線亂轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)等，致使的丟球問題。

1.2 受外部環(huán)境因素影響造成丟球

①第一分鐘氣球過(guò)頂。由于施放氣球地點(diǎn)選擇不當(dāng)，致使丟球缺測(cè)。

②受電磁環(huán)境影響，有外界強(qiáng)干擾信號(hào)，導(dǎo)致接受機(jī)接收錯(cuò)誤信號(hào)，致使丟球。

2 臺(tái)站基本情況

宜賓高空站位于四川南部，海拔340.8 m，104°36′E，28°48′N，統(tǒng)計(jì)2009—2017年宜賓站使用L波段高空探測(cè)系統(tǒng)的資料，顯示該站地面瞬時(shí)風(fēng)盛行東北風(fēng)，其次是東風(fēng)，每年3—9月風(fēng)速較大。下圖為宜賓站多年地面風(fēng)向玫瑰圖。

宜賓站盛行東北風(fēng)，放球場(chǎng)地應(yīng)選在雷達(dá)安裝點(diǎn)的西南面為最佳，但是由于周邊環(huán)境的限制，達(dá)不到這樣的要求，經(jīng)過(guò)多方選址和論證，最后將放球場(chǎng)地定在距雷達(dá)90 m的東北偏東面(64°)，另在雷達(dá)東南偏東面(107°)設(shè)置了第二放球點(diǎn)，基本滿足L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的要求。由于測(cè)站周圍遮擋物較多，還有地面觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)桿等，為了滿足雷達(dá)天線的仰角跟蹤條件，雷達(dá)天線建在距地15 m高的樓頂上，雷達(dá)負(fù)仰角>6°。

圖1 宜賓氣象站2009—2017年地面風(fēng)向玫瑰圖Fig.1 Rose chart of surface wind direction from 2009 to 2017 at yibin meteorological station

3 宜賓站L波段雷達(dá)低空歷年丟球數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)歷年宜賓L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)失測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)測(cè)風(fēng)低空失測(cè)原因主要有以下3種：①氣球施放后20 s左右，因雷達(dá)高仰角限位導(dǎo)致自動(dòng)跟蹤失?。虎跉馇蚴┓徘袄走_(dá)天線偏離目標(biāo)導(dǎo)致旁瓣跟蹤；③氣球施放瞬間雷達(dá)低仰角限位致使低空失測(cè)。各類測(cè)風(fēng)失測(cè)比例見表1。

4 宜賓站L波段雷達(dá)仰角限位丟球分析

仰角限位可分為高仰角限位和低仰角限位。

表1 2009—2017年宜賓高空站測(cè)風(fēng)低空失測(cè)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Wind loss at low altitude measured at yibin upper air station during 2009—2017

高仰角限位，即雷達(dá)天線仰角>92°時(shí)，雷達(dá)天線出現(xiàn)限位。低仰角限位，即雷達(dá)天線仰角<-6°時(shí)，雷達(dá)天線出現(xiàn)限位。

4.1 高仰角限位丟球分析

從2010年1月27日19時(shí)球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)(如表2)可以看出24 s后，即仰角>92°，仰角、方位數(shù)據(jù)混亂，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了跳變現(xiàn)象，不符合雷達(dá)主瓣定向時(shí)仰角、方位角變化的特點(diǎn)。同時(shí)從風(fēng)隨高度的變化曲線數(shù)據(jù)圖(如圖2)可以看出該時(shí)次5 000 m以下的風(fēng)向、風(fēng)速跳變大且不連續(xù)?？梢?，此次低空測(cè)風(fēng)資料因雷達(dá)高仰角限位而缺測(cè)。

表2 高仰角限位時(shí)每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.2 Spherical coordinate data per second at high elevation limit

圖2 風(fēng)隨高度變化曲線Fig.2 Wind variation curve with height

4.2 低仰角限位丟球分析

低仰角限位，即雷達(dá)天線仰角<-6°時(shí)，雷達(dá)天線出現(xiàn)死位現(xiàn)象。表3(2014年4月13日07時(shí)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù))的球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)中表明氣球施放后第1～11 s仰角讀數(shù)幾乎不變，第5 s方位有明顯的跳變現(xiàn)象，斜距及高度數(shù)據(jù)異常，量得風(fēng)層8.5分出現(xiàn)了39 m/s的大風(fēng)(表4)。可見，此次低空測(cè)風(fēng)資料因雷達(dá)低仰角限位而缺測(cè)。

表3 施放瞬間雷達(dá)低仰角限位Tab.3 Low elevation limit of the radar at the moment of casting

表4 2014年4月13日07時(shí)量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速異常Tab.4 Abnormal wind direction and speed in the wind layer

分析當(dāng)時(shí)次記錄發(fā)現(xiàn)，地面瞬時(shí)風(fēng)為西北風(fēng)，7 m/s，較大的風(fēng)速使氣球在空中擺動(dòng)幅度大，造成雷達(dá)天線在氣球施放瞬間因仰角過(guò)低而限位。

5 氣球施放前雷達(dá)天線偏離目標(biāo)物丟球分析

此類情況多發(fā)生在雨霧天、冬季早晚探測(cè)時(shí)段，因能見度差，放球前在攝像頭畫面里看不到球影，此時(shí)若雷達(dá)天線偏離目標(biāo)物不易察覺。

例如2015年2月18日07時(shí)的球坐標(biāo)秒數(shù)據(jù)(表5)表明在氣球施放前雷達(dá)天線未對(duì)準(zhǔn)探空儀，仰角偏離角度為12.58°,方位偏離角度為6.52°，而值班員未能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)天線已偏離目標(biāo)物，氣球脫手后導(dǎo)致雷達(dá)旁瓣跟蹤。L波段雷達(dá)的水平、垂直波瓣寬度均不大于6°，目標(biāo)丟失后不易找回，旁瓣定向表現(xiàn)為高差報(bào)警，探空信號(hào)不清，仰角、方位數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律，量得風(fēng)層的風(fēng)向混亂，風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，明顯看出雷達(dá)沒有跟蹤到目標(biāo)物，屬于丟球記錄。(詳見表6)。

表5 氣球施放瞬間雷達(dá)天線偏離放球點(diǎn)Tab.5 Radar antenna deviates from the ball release point at the instant of balloon release

表6 2015年2月18日07時(shí)量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速異常Tab.6 abnormal wind direction and speed in the wind layer

6 對(duì)策與建議

①高仰角限位丟球，根據(jù)宜賓探空站多年的經(jīng)驗(yàn)，在保證正確選擇氣球施放點(diǎn)(即下風(fēng)方向)情況下，當(dāng)出現(xiàn)限位報(bào)警時(shí)，立即將天控自動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)，通過(guò)控制操作桿，讓“四條亮線”始終保持四條亮線平齊，待仰角<90°時(shí)，再將天控開關(guān)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，從而保證氣球過(guò)頂時(shí)不出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

②低仰角限位丟球，多由于地面瞬時(shí)風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致。遇大風(fēng)天放球，應(yīng)使用大風(fēng)放球器，通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，宜賓站在使用大風(fēng)放球時(shí)，采用先手動(dòng)后自動(dòng)的方法避免由于仰角過(guò)低導(dǎo)致雷達(dá)限位，即氣球脫手后1～2 s時(shí)先通過(guò)手控盒上的操縱桿手動(dòng)跟蹤氣球，等探空儀升到一定高度之后，立即將天控切換為“自動(dòng)”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)自動(dòng)跟蹤。此方法不但能有效避免雷達(dá)因過(guò)低的仰角限位，也可使雷達(dá)天線少受磨損。宜賓站在地面風(fēng)速較大時(shí)多次采用此方法施放氣球，獲得了良好的效果。

③對(duì)于施放氣球前雷達(dá)天線已經(jīng)偏離目標(biāo)物的情況，需值班員要養(yǎng)成“眼快手慢”的習(xí)慣，“眼快”指隨時(shí)注意放球軟件的仰角、方位角顯示區(qū)，氣球施放前天控開關(guān)處于“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)天線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)探空儀，仰角、方位讀數(shù)有微小變化，但與放球點(diǎn)仰角、方位讀數(shù)差值很小，表明天線自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，可以施放氣球?！笆致敝阜徘蚯叭舭l(fā)現(xiàn)仰角、方位顯示區(qū)的讀數(shù)不是放球點(diǎn)的仰角、方位讀數(shù)，說(shuō)明天線已經(jīng)偏離探空儀，此時(shí)切不可因慌亂而誤點(diǎn)了放球界面的“確定”按鈕造成旁瓣定向。應(yīng)取消“放球”功能，天控開關(guān)轉(zhuǎn)為“手動(dòng)”，將天線重新?lián)u回放球點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)雷達(dá)頻率，使四條亮線火柴頭飽滿，凹口清晰，確定天線能自動(dòng)跟蹤后方可放球。

④在常規(guī)探測(cè)過(guò)程中，L波段雷達(dá)接收機(jī)均處于增益自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)遇到丟球情況時(shí)，無(wú)論是何種原因?qū)е碌膩G球，都可以采用“增益手動(dòng)”狀態(tài)下人工追蹤尋找氣球的方法。具體操作如下：當(dāng)發(fā)現(xiàn)丟球時(shí)，首先將“增益”開關(guān)打到手動(dòng)狀態(tài)，并將增益值手動(dòng)調(diào)整到95左右，讓信號(hào)接近飽和；示波器顯示為“四條亮線”的角度跟蹤顯示方式，通過(guò)控制操作桿，手動(dòng)搖天線，當(dāng)觀察到示波器顯示四條亮線中有兩條亮線長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到滿屏?xí)r，微搖天線，使天線向亮線短的方向轉(zhuǎn)動(dòng)直到四條亮線長(zhǎng)度均達(dá)到滿屏，立即將天控及增益開關(guān)切換為自動(dòng)狀態(tài)，觀察頻率是否較小，四條亮線是否平齊，再用“天線扇掃”功能進(jìn)行扇掃，此時(shí)如果仰角方位數(shù)據(jù)不再跳變，表明已經(jīng)找回目標(biāo)物，這時(shí)將探空亂點(diǎn)去掉，將斜距凹口對(duì)準(zhǔn)，高差不再報(bào)警。

7 結(jié)論

①宜賓探空站低空丟球主要原因是由于高仰角限位和施放氣球瞬間雷達(dá)偏離放球點(diǎn)導(dǎo)致的旁瓣跟蹤。

②宜賓站L波段雷達(dá)低仰角限位卡死現(xiàn)象，多由于地面瞬時(shí)風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致。

③據(jù)2009—2017年宜賓站探空資料統(tǒng)計(jì)，宜賓站地面瞬時(shí)風(fēng)多盛行東北風(fēng)，其次是東風(fēng)。宜賓站的放球場(chǎng)地應(yīng)選擇在L波段雷達(dá)架設(shè)點(diǎn)的西南面。