曹曉鐘 夏元彩 羅皓文 劉立輝, 劉銀鋒 劉振宇 李欣 郭然 郭啟云

（1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 邢臺市氣象局，邢臺 054000）

0 引言

綜合氣象觀測是基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代科學技術(shù)相結(jié)合，多學科交叉融合的獨立學科，處于大氣科學發(fā)展的前沿[1]，其數(shù)據(jù)是開展天氣預警預報、氣候預測預估及氣象服務(wù)、科學研究的基礎(chǔ)，是推動氣象科學發(fā)展的動力。常規(guī)高空氣象觀測（簡稱“氣象探空觀測”）是指采用氣球攜帶無線電探空儀以自由升空方式（或利用飛機、飛艇和火箭等各種新型技術(shù)載體平臺的方式）對大氣中各個高度的氣壓、溫度、濕度、風等氣象要素進行直接接觸式探測。氣象探空觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分，可獲取地面至30 km高空的溫度、濕度、氣壓、風速、風向等氣象要素[2]，在數(shù)值預報、天氣分析、短時臨近潛勢預報、遙感設(shè)備比對等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[3]。世界氣象組織（WMO）和全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）對氣象探空觀測的準確度提出了更高要求，因此，各國不斷進行新技術(shù)攻克與方法研究，以提高氣象探空觀測的準確度及其資料質(zhì)量[4]。

1 氣象探空觀測發(fā)展歷程

1.1 氣象探空觀測歷史發(fā)展

1749年，英國氣象學家將溫度計捆綁在風箏上進行最低層大氣溫度的測量，這是氣象探空觀測最早開始的標志。1783年，法國科學家研制出攜帶溫度、氣壓自記裝置的氫氣球，用以測定高空溫度和氣壓。1809年，英國科學家首創(chuàng)用測風氣球探測高空風。1928年，蘇聯(lián)科學家發(fā)明了無線電探空儀，極大推動了氣象探空觀測事業(yè)的發(fā)展。20世紀30年代，維薩拉發(fā)明了芬式無線電探空儀，探測高度達30～40 km，迅速在全世界推廣使用[5]。另外，飛機、火箭載體技術(shù)的成熟和應用，特別是火箭探測的應用使探空高度達到60 km以上[6]。

我國20世紀50年代以來，開始建設(shè)并形成氣象探空觀測網(wǎng)。初期探空儀全部依賴進口，為改變這種局面，我國開始仿制生產(chǎn)原蘇聯(lián)49型探空儀，并于20世紀60年代完成了國產(chǎn)59型機械式探空儀生產(chǎn)定型，實現(xiàn)了探空儀國產(chǎn)化。59型機械式探空儀-701二次測風雷達探空系統(tǒng)（簡稱59-701探空系統(tǒng)）作為主力探測設(shè)備在我國的氣象探空觀測中發(fā)揮了重要的作用，一直延續(xù)使用到2009年[7]。20世紀末，中國氣象局啟動了新型氣象探空雷達的研制；2001年，L波段二次測風雷達-GTS1型電子探空儀系統(tǒng)（簡稱L波段雷達探空系統(tǒng)）研制成功并定型列裝，隨后中國氣象局逐步開始探空站的L波段探空系統(tǒng)升級，至2010年，完成了全國120個探空站設(shè)備的更新?lián)Q代[8]。

1.2 氣象探空觀測技術(shù)發(fā)展

隨著技術(shù)的發(fā)展，氣象探空觀測先后經(jīng)歷了無線電經(jīng)緯儀、雷達、導航等不同技術(shù)體制的發(fā)展。無線電經(jīng)緯儀用無線電定向技術(shù)跟蹤并接收無線電探空儀信號，測量探空儀升空期間隨時間變化的方位、仰角，并配合測高方法測量高空風向風速。雷達測風精度明顯高于無線電經(jīng)緯儀，但雷達需要大功率發(fā)射機，因而地面設(shè)備的投資較大。我國目前業(yè)務(wù)在用的L波段雷達探空系統(tǒng)在雷達低仰角情況下，測風誤差顯著增大，不滿足氣候觀測需求[9]。衛(wèi)星導航定位探空系統(tǒng)因其定位準確、測風準確度高等優(yōu)越性凸顯，特別是地面設(shè)備簡單，采用計算機進行數(shù)據(jù)處理，自動化程度高，可以大幅度地減少地面設(shè)備的運行和維護經(jīng)費，逐漸成為探空主流[10]。2010年WMO高性能探空儀國際比對試驗以后，GPS導航測風探空儀得到了迅速推廣，美國和歐洲的雷達、無線電經(jīng)緯儀及羅蘭-C等探空系統(tǒng)逐步被GPS導航測風探空系統(tǒng)替代。我國近年也成功研制了北斗/GPS聯(lián)合導航定位系統(tǒng)，并通過技術(shù)鑒定[11]。目前，正在進行臺站業(yè)務(wù)試運行，試驗成功后可替代L波段雷達探空系統(tǒng)，以提高我國的探空觀測水平[12]。

1.3 氣象探空觀測站網(wǎng)布局

目前，WMO將全球探空站主要分為3類：全球資料交換探空站（818個）、GCOS探空站（177個）與國內(nèi)探空站。全球高空探測的站網(wǎng)布局見圖1。為彌補探空站網(wǎng)長期穩(wěn)定的空間不足，歐洲加強了商用飛機觀測系（AMDAR）的應用開發(fā)，美國發(fā)展衛(wèi)星掩星系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)量大氣垂直廓線觀測系統(tǒng)建設(shè)[13]。

圖1 全球探空站網(wǎng)布局Fig.1 The layout of global sounding station network

我國現(xiàn)有氣象探空站120個（不含港臺），站網(wǎng)布局如圖2所示，承擔全球資料交換任務(wù)的有89個站，含7個GUAN（全球氣候觀測網(wǎng)）站和1個GRUAN（全球基準氣候觀測網(wǎng)）站。還有3套自動探空系統(tǒng)自2014年開始一直在西藏那曲、申扎和改則進行青藏高原科考試驗服務(wù)。我國整體站網(wǎng)呈現(xiàn)“東密西疏”的布局，整體站網(wǎng)間距在300 km左右，存在觀測空白區(qū)。在探空資料拓展方面，AMDAR、掩星的建設(shè)和研究均處于起步階段。我國與美國、德國的常規(guī)氣象探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對比如表1所示。

圖2 中國探空業(yè)務(wù)站網(wǎng)布局Fig.2 The layout of China’s operational sounding station network

表1 常規(guī)探空觀測業(yè)務(wù)布局現(xiàn)狀對比Table 1 The comparison of the current situation of conventional operational sounding layout

2 氣象探空觀測設(shè)備

2.1 載體平臺

2.1.1 氣球

氣球按照是否密閉及內(nèi)部壓力的不同，可以分為零壓氣球和超壓氣球兩大類。零壓氣球是最常見的自由氣球，從20世紀初一直使用至今，采用“自然形”的外形設(shè)計，外皮選用耐低溫聚乙烯薄膜。超壓氣球是一種新型的氣球，與零壓氣球的開放式結(jié)構(gòu)不同，采用耐高壓的薄膜材料以及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，球體封閉。超壓氣球是科學氣球研究的熱點，按照囊體的個數(shù)可以分為一元和二元兩大類，一元超壓氣球的目標是中低緯度長航時飛行（ULDB），二元超壓氣球的目標是長航時區(qū)域駐留及組網(wǎng)區(qū)域覆蓋（project loon）。從平飛高度的外觀形態(tài)上，可以輕易區(qū)分零壓氣球和超壓氣球，如圖3所示，零壓氣球呈水滴自然型，而超壓氣球外形則與南瓜類似。另外，零壓氣球下部明顯有數(shù)條排氣管道與大氣相通，而超壓氣球是密閉的[14]。

圖3 超壓氣球和零壓氣球的飛行高度對比Fig.3 The comparison of flight height between overpressure balloons and zero pressure balloons

現(xiàn)有的氣象探空觀測采用氣球單程升空方式，升空至28 km左右高度，氣球爆炸，探空截止。所采用的氣球是零壓氣球，采用乳膠制成。按照球的重量區(qū)分型號，有測風和探空氣球兩種，測風氣球通常為20 g或30 g，探空氣球根據(jù)不同探測高度的需要，可采用300 g、750 g、1600 g、2000 g等，氣球質(zhì)量越大，施放的高度越高[15]。

2.1.2 飛機

有人駕駛飛機一直是下投探空的主要平臺，如美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的飛機運行中心，主要任務(wù)之一就是為熱帶颶風研究進行飛機下投探空探測。美國空軍的“颶風獵人”飛行中隊，使用多架WC-130大力神飛機進行氣象偵察活動，主要任務(wù)就是對大西洋和西太平洋上生成的熱帶氣旋和臺風進行下投探空探測[16]。

21世紀以來，無人駕駛飛機成為臺風探測的新平臺，如全球鷹（Global Hawk）是美國軍方使用的一種無人駕駛飛機，其飛行速度750 km/h，續(xù)航時間為30 h，飛行高度達20 km，無論從飛行高度還是續(xù)航時間都遠遠高于用于臺風探測的有人飛機。2020年8月，中國氣象局聯(lián)合多家單位利用高空大型無人機翼龍-10，首次對臺風森拉克外圍云系開展了精細探測。翼龍-10無人機機身長度9 m，翼展17.8 m，巡航速度550 km/h，續(xù)航時間6 h。翼龍-10無人機攜帶了吊艙式下投探空系統(tǒng)和毫米波測云雷達，其中吊艙式下投探空系統(tǒng)可以機動、高效地對指定地區(qū)的大氣環(huán)境進行高分辨率探測監(jiān)測，以獲取航行探測范圍內(nèi)垂直高度的溫度、氣壓、濕度、風向、風速等大氣參數(shù)的垂直廓線，為研究氣候變化、氣象科學及極端天氣（如臺風、龍卷風等）提供實時、準確、高空間分辨率的氣象信息作為支撐[17]。

2.1.3 降落傘

降落傘主要作為下投探空儀的載體，攜帶其在下降過程中進行探測，同時也可作為測風的示蹤物，通過測量下降過程中傘物系統(tǒng)的運動速度或軌跡進行風場測量。與氣球勻速運動不同，降落傘在垂直方向上存在加速度，一般下降速度隨高度降低而變小。因此，降落傘在水平方向的運動不能認為僅是風造成的，特別是在下降初始階段。用于下投探空的降落傘應能盡快消除初始階段自由落體形成的加速度和從載體中拋出時的初始速度，使其盡快達到平衡。常見的降落傘有圓形、錐形、十字形（如圖4）[18]。機載下投多采用沖壓式立方錐形降落傘，通過充氣，可保持降落傘的外形基本穩(wěn)定，其阻力系數(shù)也基本保持不變，探空儀的擺動幅度較小，而圓形傘和十字傘則有較大的擺角。

圖4 常見降落傘示意圖Fig.4 The schematic diagram of commonly-used parachutes

2.1.4 飛艇

20世紀80年代美國開始研制飛艇，日本、英國、德國等國家也開展了大量的飛艇技術(shù)攻關(guān)。自“十五”計劃以來，我國多家單位啟動了飛艇的研究工作。其中，北京航空航天大學研制的飛艇可以在19～20 km高度駐空飛30天以上，巡航空速設(shè)計為25 m/s，目前已完成3天的飛艇關(guān)鍵技術(shù)試飛試驗和探空儀投放試驗。飛艇利用空氣浮力攜帶大載重的載荷，可長時間駐留在空中，其工作流程如圖5所示。中國工程院分別對衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機按照部署靈活性、續(xù)航時間、飛行高度、效費比等九個方面進行比較，根據(jù)圖6可以看出，平流層飛艇具有持久留空、廣域感知、動態(tài)跟蹤、精準干預的主要特點，與無人機、衛(wèi)星相比，平流層飛艇在載荷應用、區(qū)域駐留、效費比等方面有無法替換的優(yōu)勢。同時，飛艇駐空觀測可以有效彌補地面觀測與航天觀測中飛行高度、部署靈活性等方面的問題 。未來可實現(xiàn)類似于GEO衛(wèi)星的固定區(qū)域長時“凝視”，可以用來探測臺風等自然災害天氣的形成、生長、消亡過程，也可以部署在氣象觀測站少、自然條件惡劣的地區(qū)[19]。

圖5 平流層飛艇工作原理圖Fig.5 Schematic diagram for stratospheric airships

圖6 平流層飛艇與無人機、衛(wèi)星的對比Fig.6 Stratospheric airships versus drones and satellites

2.1.5 火箭

火箭攜帶探空儀快速升空，在彈道頂點附近與探空儀分離，分離后的探空儀在降落傘的控制下平穩(wěn)下降，下降過程中探空儀實時測量大氣溫度、濕度、氣壓、風等氣象信息，其具有探測快速，探測位置和方向可控的優(yōu)點（圖7）。

圖7 探空火箭組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition and internal structure of rocket sounding

目前，火箭在氣象上主要應用于海洋低空探測、人工影響天氣作業(yè)、鄰近空間探測等方面（圖8）。其中，海洋低空探測火箭高度一般為1.5 km，主要測量溫度、濕度、氣壓等氣象要素，獲取大氣波導信息；人工影響天氣領(lǐng)域中火箭探測高度一般為8 km，主要測量溫度、濕度、氣壓、風速、風向，用于人工影響天氣作業(yè)區(qū)域降雨條件及作業(yè)后效果的評估；鄰近空間探測火箭射高一般為70 km左右，測量20～60 km高度的溫度、風，并計算出氣壓和空氣密度[20]。

圖8 探空火箭探測工作示意圖Fig.8 Schematic diagram of sounding rocket detection

2.2 探空儀

2.2.1 常規(guī)探空儀

探空儀由傳感器、采集處理電路、通訊系統(tǒng)等組成，其中傳感器是探空儀最主要的部件，直接決定著探空測量的精度。傳感器又可分為機械式傳感器和電子傳感器。與電子傳感器相比，機械式傳感器探測精度較低，滯后系數(shù)較大。WMO通過8次探空儀國際比對試驗，逐步推動探空儀傳感器由機械向電子轉(zhuǎn)變[21]。

GPS探空系統(tǒng)試驗工作的開展推動我國傳感器技術(shù)進入飛速發(fā)展階段，研制出的珠狀溫度傳感器減小了傳感器體積和反應時間常數(shù)，濕敏電容濕度傳感器提高了反應速度，硅壓阻氣壓傳感器提高了氣壓探測準確性，探空儀傳感器的對比如表2。在WMO陽江第8屆國際高精度探空儀比對試驗中，CIMO組成了比對數(shù)據(jù)處理評估專家組，對各參試探空儀獲取觀測數(shù)據(jù)利用RSKOMP標準分析軟件進行了分析處理，我國L波段GTS1-2型電子探空儀及兩個國產(chǎn)GPS探空儀參加了比對。陽江國際比對試驗結(jié)束后，根據(jù)各參試探空儀得分情況，WMO最終評估報告結(jié)果如表3所示，我國參加比對的三個廠家溫度測量結(jié)果較好，其中一家GPS溫度測量精度可滿足GCOS水平的要求；另外一廠GPS的氣壓、位勢高度可滿足常規(guī)業(yè)務(wù)需求，測風可滿足GCOS要求，總體效果優(yōu)于日本和韓國[22,23]。

表2 探空儀傳感器的對比Table 2 The comparison of radiosonde sensors

表3 WMO最終評估報告結(jié)果Table 3 WMO final evaluation report results

根據(jù)WMO第8次國際探空儀比對報告建議，我國業(yè)務(wù)在用的探空儀已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)需求。因此，中國氣象局自2010年針對業(yè)務(wù)探空儀進行了全面技術(shù)改進和試驗定型[24]，并于2020年1月正式投入業(yè)務(wù)應用。GRAPES背景場評估表明，2020年1—3月全國探空站質(zhì)量有所提升，其中位勢高度（氣壓、溫度和濕度的綜合體現(xiàn)）平均偏差絕對值由11.2 gpm降為5.8 gpm，GTS11、GTS12、GTS13探空儀溫度標準差分別減小了0.2 ℃、0.06 ℃、0.04 ℃，說明改進型探空儀相對原來的探空儀，探測誤差明顯降低，整體探空觀測質(zhì)量得到提升[25]。

2.2.2 特種探空儀

在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的目的（如測定臭氧、大氣電場等）派生出了各種特殊用途的探空儀。

臭氧探空儀是在常規(guī)測量溫度、濕度、氣壓和風向風速探空儀的基礎(chǔ)上增加了臭氧傳感器。目前的臭氧傳感器通常采用化學反應方法，利用臭氧與碘化鉀反應生成自由碘的原理進行探測，這種傳感器的誤差接近±5%，探測高度可達15 hPa等壓面以上。當前國產(chǎn)臭氧探空儀已通過與美國iMet GPS探空儀附加ECC臭氧傳感器的臭氧探空儀比對試驗，證明國產(chǎn)探空儀的測量性能良好，已在北京、南京、重慶、清遠、杭州等探空站投入到臭氧探空試驗中應用[26]。

大氣電場探空儀則是在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上增加了電場傳感器。電場傳感器通常采用旋轉(zhuǎn)片式，測量范圍為±3kV，與大氣的實際電場強度相匹配。目前，中國科學院正在研制由半導體硅片制作的電場傳感器，體積很小，可作為一個測量元件直接安裝在常規(guī)探空儀上，這種傳感器目前已通過了技術(shù)鑒定[27]。

2.3 地面設(shè)備

2.3.1 制氫設(shè)施

為滿足高空氣象探測的用氫需求，我國研制了QDQ2-1A型自動水電解制氫設(shè)備（圖9），通過遠程控制可自動、安全、高效、快捷地制取高純度氫氣。QDQ2-1A自動電解水制氫設(shè)備主要由制氫機、控制裝置、儲氫罐三部分組成，包括自動制水、遠程視頻監(jiān)控、氫氣泄露報警、開機制氫參數(shù)自動記錄存儲、上位機遠程操控制氫設(shè)備等功能。該設(shè)備實現(xiàn)了一鍵開機后的全部操作自動化，能有效減輕臺站工作人員的勞動強度，保障基層高空臺站涉氫業(yè)務(wù)安全、可靠、穩(wěn)定運行。目前，QDQ2-1A自動電解水制氫設(shè)備已經(jīng)獲得中國氣象局裝備，并逐步投入業(yè)務(wù)使用[28]。

圖9 QDQ2-1A型自動水電解制氫設(shè)備Fig.9 The Qdq2-1a automatic water electrolysis hydrogen production equipment

2.3.2 基測設(shè)備

電子探空儀基測箱是探空業(yè)務(wù)主要配套保障設(shè)備，用于L波段雷達探空系統(tǒng)、衛(wèi)星導航探空系統(tǒng)電子探空儀基值測定的標準設(shè)備，是為探空儀施放前進行溫度、濕度、氣壓基點準確度比對提供綜合測試的儀器，可為基點比對提供溫度、相對濕度、氣壓標準器和穩(wěn)定的溫度、濕度比對環(huán)境。基測箱主要由標準器單元、濕度環(huán)境產(chǎn)生單元、測量顯示單元、檢測室（包含通風器）、數(shù)據(jù)傳輸單元、探空儀供電電源和機箱等組成。目前我國業(yè)務(wù)在用的主要有JKZ1-1型、JKZ3-1型、TD2A型基測箱[29]（圖10）。

圖10 JKZ1-1型基測箱（a）、TD2A型基測箱（b）Fig.10 Test box of sounding of JKZ1-1（a）、Test box of sounding of TD2A (b)

2.3.3 接收系統(tǒng)

2.3.3.1 L波段二次測風雷達

L波段二次測風雷達是我國業(yè)務(wù)在用的高空探測系統(tǒng)地面接收設(shè)備（圖11），主要用于放大、解調(diào)探空儀發(fā)回的應答信號和探空信號。雷達將接收到的應答信號從高頻變成視頻，送給測距系統(tǒng)，以完成距離測定，同時送給顯示分系統(tǒng)，供雷達操作員觀測。此外，還將探空信號從高頻變換成視頻，再解調(diào)出數(shù)字探空碼送給數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)，完成探空碼的錄取、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、存儲及打印輸出；同時將天線波瓣掃描所形成的測角誤差信號解調(diào)出來，提供給天控分系統(tǒng)，完成雷達天線對探空儀的跟蹤[30]。

圖11 L波段二次測風雷達Fig.11 L-band secondary wind radar

2.3.3.2 衛(wèi)星導航探空接收機

衛(wèi)星導航探空接收機是目前國際主流先進探空系統(tǒng)接收設(shè)備（圖12）。目前，我國最新研制的多通道衛(wèi)星導航探空接收機是新一代高空氣象探測體系的重要組成部分，用于完成新型衛(wèi)星導航探空儀的數(shù)據(jù)接收。該設(shè)備采用P波段（400.15～406 MHz）進行數(shù)據(jù)通信，具有8個通道，最大通信距離大于200 km，既可在普通探空模式下應用，又可以實現(xiàn)多探空儀的平漂和下降段數(shù)據(jù)接收，即多通道并行高空觀測數(shù)據(jù)接收。通過組網(wǎng)可最大程度降低遠距離、低仰角造成的信號遮擋數(shù)據(jù)丟失，提高頻率使用效率，滿足探空儀信號跨區(qū)接收識別，可以最大化提升探空網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力[31]。該設(shè)備于2018年開始在長江中下游開展了大量的動態(tài)試驗，在海南永興島、三亞進行組網(wǎng)建設(shè)，設(shè)備運行穩(wěn)定、圓滿完成試驗任務(wù)，其工作機制、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性均得到了良好的驗證。

圖12 衛(wèi)星導航探空接收機Fig.12 Satellite navigation radiosonde receiver

2.4 氣象探空自動化設(shè)備

2.4.1 自動探空系統(tǒng)

目前，自動探空系統(tǒng)主要有芬蘭VAISALA公司的ASAP型、法國MODEM公司的ARL-9000型、日本MEISEI公司的ARS型等三種型號，被廣泛應用于歐美等發(fā)達國家，其中ASAP型的應用最為普遍。當前全球資料交換站中已經(jīng)有超過60個自動探空站，并逐年遞增，為此，WMO/CIMO也提出了應對自動探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)化后帶來的觀測資料變化分析的技術(shù)任務(wù)[32]。

我國自主研制的自動探空系統(tǒng)已于2011年研制成功，到目前經(jīng)歷了兩代技術(shù)發(fā)展，最新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)探空儀遠程控制和無人控制條件下連續(xù)（最多60個）探空儀自動準備、氣球自動充灌、探空儀自動施放和探空數(shù)據(jù)自動獲取，可通過地面風向風速自動采集，可以控制放球筒頂蓋的開啟方向，突破了國外無法大風放球的技術(shù)瓶頸，完成了能夠抵抗20 m/s天氣下進行放球的技術(shù)設(shè)計，在八級大風條件下實施自動放球，是該領(lǐng)域世界領(lǐng)先產(chǎn)品[33]。

2.4.2 自動放球系統(tǒng)

自動放球系統(tǒng)是用于探空站自動實施放球的裝置，是氣象探空觀測的輔助系統(tǒng)。我國的自動放球系統(tǒng)與自動探空系統(tǒng)同時研制成功，可與測風雷達或其它探空測風設(shè)備配合，自動實施完成氣象探空的放球工作，其自動充氣、探空儀自動施放的可用性能夠滿足業(yè)務(wù)使用要求，試驗期間業(yè)務(wù)適用性、業(yè)務(wù)穩(wěn)定性較好。目前，我國有40部自動放球系統(tǒng)已投入業(yè)務(wù)，與L波段二次測風雷達配套應用[34]。

3 氣象探空觀測數(shù)據(jù)處理

在探空觀測資料處理及應用方面，歐美等發(fā)達國家朝著更加精細化方向發(fā)展，在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、質(zhì)量評估、交叉檢驗方面均有進展。當前我國氣象探空數(shù)據(jù)的實時質(zhì)量控制仍主要依托于人工，在精細化探空資料處理應用和檢驗方面存在較大差距[35]（圖13）。

圖13 我國自動探空系統(tǒng)和自動放球系統(tǒng)Fig.13 The automatic sounding system and automatic ball release system of China

3.1 傳感器測量修正

影響探空儀溫度測量的誤差源主要包括探空儀自身的誤差和外界環(huán)境輻射、熱交換引起的誤差。熱敏電阻溫度傳感器短波反射率大于93%，長波吸收率超過90%，在沒有進行輻射誤差訂正的情況下，高空溫度測量能造成大約3 K的偏差。2011年，中國氣象局對氣象探空溫度測量輻射訂正算法進行了改進，利用傳感器的橫截面積、質(zhì)量、比熱及太陽高度角和背景輻射等參數(shù)建立訂正模型，提出了溫度傳感器訂正方程，使溫度輻射誤差減小了1/3。利用研制的輻射訂正模型對GTS11型探空儀進行溫度輻射訂正，2013年11月5日14時的訂正個例如圖14所示，訂正后的溫度輻射誤差明顯減小近一半[36]。

圖14 輻射訂正前的溫度偏差（a）和輻射訂正后的溫度偏差（b）Fig.14 (a) The temperature bias before radiation correction;(b) the temperature bias after radiation correction

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

歐美等發(fā)達國家常規(guī)探空通過設(shè)備段、臺站段、站網(wǎng)段相結(jié)合的實時質(zhì)量控制方法，建立了完善的分級質(zhì)量控制體系，而我國臺站級質(zhì)量控制自動化程度不高，省級和國家級數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量評估體系尚不完善[37]，如表4所示。在現(xiàn)有探空質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過細致分析我國往返式智能探空觀測資料的特點，建立了往返式智能探空質(zhì)量控制流程（圖15）。該流程精減了現(xiàn)有質(zhì)量控制流程，并將部分質(zhì)量控制下沉至芯片端，推進了我國探空質(zhì)量控制模式改進[38]。

圖15 往返式智能探空系統(tǒng)質(zhì)量控制流程Fig.15 The quality control process of the return sounding system

表4 探空觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制現(xiàn)狀對比Table 4 The comparison of quality control status of sounding observation data

3.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成

氣象探空提供的高分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠更加細致地描述大氣溫、濕、壓、風的垂直分布，對天氣系統(tǒng)的反映更清晰準確，通過探空分析大氣的層結(jié)狀況，對暴雨、強對流、大霧、臺風等災害性天氣預報至關(guān)重要。探空產(chǎn)品可實現(xiàn)對大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)和強度變化進行監(jiān)測，為天氣預報提供強有力支持[39]。目前，我國的氣象探空觀測產(chǎn)品主要包括單站產(chǎn)品、多站產(chǎn)品和全國產(chǎn)品[40]。單站產(chǎn)品主要包括：溫度對數(shù)壓力圖、溫濕曲線、水平風垂直剖面、對流層頂高度、零度層高度、抬升凝結(jié)高度、自由對流高度、平衡高度等。多站產(chǎn)品主要包括：溫度曲線對比、濕度曲線對比、風垂直剖面對比、對流層頂高度對比、零度層對比、抬升凝結(jié)高度對比、自由對流高度對比、平衡高度對比等。全國產(chǎn)品主要包括：等壓面產(chǎn)品、云產(chǎn)品、逆溫層分布、對流層頂分布、溫度平流、比濕、散度、零度層分布、A指數(shù)、K指數(shù)、山崎指數(shù)、沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)、總指數(shù)、強天氣威脅指數(shù)、垂直風切變指數(shù)等。

3.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

歐、美、日等在探空資料精細化評估、應用以及與其他觀測系統(tǒng)交叉檢驗校準方面取得了顯著的進展。日本氣象廳（JMA）以其全球預報模式（JMA Global Model）初猜場為基準，定期發(fā)布月報告和半年報告，報告中包括生成低質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的可疑臺站綜合清單；歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）以全球預報模式為基準，每月發(fā)布EC全球數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測評估報告，對不同要素、不同高度層觀測數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)可用性”和“數(shù)據(jù)質(zhì)量”等進行評估，形成可疑臺站清單[41]。

在探空觀測與其他觀測交叉檢驗方面，中國臺灣和美國于2006年合作推出的COSMIC掩星星座計劃，共有6顆在軌衛(wèi)星，每天可提供2500個有效的大氣參數(shù)剖面及3000多個電離層剖面，這些全球分布的高精度掩星探測對于提高全球天氣預報的精度、促進大氣和氣候研究及電離層的探測和研究等具有重要的應用價值。美國NOAA建設(shè)了NPROVS產(chǎn)品檢驗系統(tǒng)，通過衛(wèi)星對西北太平洋進行觀測，每日匯編探空儀、下投探空儀、數(shù)值天氣預報（NWP）和衛(wèi)星觀測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集，用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)真實性檢驗，并進行探空質(zhì)量的交叉檢驗[42]。

中國氣象局以GRAPES預報產(chǎn)品為基準，完成全國及二區(qū)協(xié)探空設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，定期發(fā)布月報告。在風云03A衛(wèi)星地面應用工程中，我國于2020年起開展錫林浩特高空基準氣候觀測站的業(yè)務(wù)建設(shè)，建立以基準探空系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“0～35 km垂直大氣柱基準觀測能力”，為氣候觀測、衛(wèi)星真實性檢驗和預報產(chǎn)品檢驗提供基礎(chǔ)，并為未來高空氣候觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供應用示范[43]。

4 往返式智能探空系統(tǒng)

近年來，隨著“云大物移智”技術(shù)的發(fā)展，我國獨創(chuàng)完成往返式智能探空系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)如圖16所示，以北斗衛(wèi)星導航定位測風體制為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的氣象氣球上升階段觀測拓展為“上升－平漂－下降”三階段觀測，拓展了平流層長航時直接觀測能力，將氣象探空的有效觀測時間延至6個小時以上，通過08時和20時兩次探空施放，同時實現(xiàn)了14時和02時的加密觀測[44]。該系統(tǒng)采用地－空物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳統(tǒng)的由單接收站接收單個探空儀數(shù)據(jù)并定時發(fā)報的應用模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟邮照究赏瑫r接收多個探空儀數(shù)據(jù)并實時進行數(shù)據(jù)處理上傳的應用方式。通過高并發(fā)的時分、頻分自適應廣域地－空物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全網(wǎng)的智能化運行管理[45]。

圖16 往返式智能探空系統(tǒng)示意圖Fig.16 The schematic diagram of the return sounding system

往返式智能探空系統(tǒng)至今已經(jīng)開展了2000多次外場試驗，通過對試驗的數(shù)據(jù)分析表明，上升段的溫度、濕度、風的測量達到了WMO CIMO8規(guī)定的理想目標要求。平漂段除了日間溫度外，其他要素的測量均達到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標要求；下降段各要素的測量均達到了WMO CIMO8規(guī)定的突破目標要求[46]。下降探測實現(xiàn)了在原有單次放球探空基礎(chǔ)上的時間加密，結(jié)合上升探測可以實現(xiàn)捕獲天氣細微變化，平漂探測彌補了平流層長時效連續(xù)直接探測的資料空白，具有很好的應用前景[47-49]。

5 未來展望

為與國際探空技術(shù)接軌，我國在做好L波段雷達探空系統(tǒng)業(yè)務(wù)建設(shè)的同時，開展了衛(wèi)星導航探空技術(shù)的技術(shù)儲備和研發(fā)試驗。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術(shù)逐漸成熟，建立以衛(wèi)星導航定位測風系統(tǒng)為主要特征的下一代探空系統(tǒng)，是我國氣象探空近期發(fā)展的主要目標。同時，開展系統(tǒng)智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的硬件裝備升級，建立包括往返式智能平漂探空系統(tǒng)、自動探空系統(tǒng)、自動放球系統(tǒng)、自動化制氫系統(tǒng)、智能化基測箱等技術(shù)裝備的升級，也是氣象探空系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在傳感器領(lǐng)域，需要不斷提升國產(chǎn)化技術(shù)水平，實現(xiàn)我國自主濕度和氣壓傳感器的業(yè)務(wù)應用，使探空整體裝備技術(shù)水平達到國際先進。另外，隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，臭氧、大氣成分、空間電場、太陽輻射等在內(nèi)的新型探空傳感器也將在氣球探空中大量應用。面向探空資料應用需求，開展全球探空資料評估技術(shù)研究，特別是引入全球多元數(shù)值背景場產(chǎn)品、預報產(chǎn)品、再分析產(chǎn)品、AMDAR資料、掩星資料等，開展與探空廓線資料的時空匹配和比對，開展交叉檢驗，并在此基礎(chǔ)上基于探空傳感器的探測原理和特征分析，實現(xiàn)探空資料的精細化質(zhì)量控制，進一步開展精細化探空資料產(chǎn)品開發(fā)，為后續(xù)應用提供基礎(chǔ)支撐，為新型探空傳感器的觀測方法研究提供試驗支撐平臺。