《气象仪器和观测方法指南》第六版第13章高空风的测量.docx
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《气象仪器和观测方法指南》第六版第13章高空风的测量
第13章高空风的测量
13.1概述
13.1.1定义
以下定义摘自《全球观测系统手册》（WMO1981）
测风气球的观测（Pilot-ballonobservation）：
由光学经纬仪跟踪一自由浮升气球确定高空风。
无线电测风（Radiowindobservation）:
用电子方法跟踪一自由浮升气球确定高空风。
无线电探空测风（Rawinsondeobservation）:
—种无线电探空和无线电测风相结合的观测方法。
高空观测（Upper-airobservation）:
—种在自由大气中直接或间接进行的气象观测。
高空风观测（Upper-windobservation）:
在大气中规定高度进行的风的观测或在大气中完整的高空风速和风向的探测结果。
本章将主要探讨光学经纬仪和无线电测风观测方法。
气球技术、用特殊平台、特殊设备或间接用
遥感技术测量的方法，将在第n编的有关章节中介绍。
13.1.2高空风测量的单位
高空风的风速通常使用的单位是米/秒或节（海里/时），有时也使用千米/时。
风向以气流的来向
为准，以正北起算的度表示。
在陆地测站高空压、温、湿、风（TEMP报告中，风向约整至最近的5°。
报告达到这种准确度的分辨率是由最先进的测风系统完成的，特别适用于高空风非常强的时候。
更准
确的风向报告，尽量使用BUFR（二进制）编码，在要求最高准确度时使用。
用来指示高空观测值垂直位置的位势单位是标准位势米，符号为m（原文如此，我国采用gpm）*,
定义为0.980655动力米。
在对流层中位势高度很接近以m（几何米）表示的高度。
高空风报告中的
高度是海拔高度，但在计算时用从观测站求算的高度较方便。
13.1.3气象要求
13.1.3.1在气象业务中的使用
高空风的观测主要应用于所有尺度和所有纬度的业务气象预报，也用于质量场（温度和相对湿度）
的观测。
高空风对保证飞机航行的安全和经济非常重要。
高空风测定的不准确性是制约现代火炮准确
性的主要因素。
因此也影响着军事行动的安全性。
高空风和风的垂直切变测定是否准确，将直接危及空中运输工具和其它类型火箭施放的成功。
可靠的高空风垂直切变数据对环境污染的预测十分重要。
13.1.3.2报告程序中的改进
高空风通常以在各气层中的平均值输入数值天气预报模式。
各气层的厚度依赖于同预报相关的大
气运动尺度，这些数据并非是必须在各标准气压或高度输入的，但常需转换至各标准气压高度，就像把局地气压观测值转换成海平面气压。
所以，在高空风报告中准确地表明风在不同标准层之间的变化
是很重要的。
这就要进行附加的转换以确保各标准层报告的风是准确的。
早些年，高空风探测的处理采用手工操作或借助于小的计算器，因此要作出垂直风结构的详细报
告是不现实的。
但是，价廉的计算机系统的出现，保证了在与气象业务和科学研究有关的详细资料能够得到及时处理和报告。
高空风报告必须具有足够的信息，才能清楚地确定在质量场内跨越各气层间
译注的界面上风的垂直切变，例如穿过逆温层的风切变或是在一垂直层有明显的风切变伴随相对湿度有大的变化，这些都应尽可能的在报告中反映。
当高空风使用FM-35-XExt.TEMP（探空报）码或FM-32-1XPILOT（测风报）码（WMQ1995）报告时，在特性层间线性内插，偏差最高可达5ms-1，具有这种拟合限的自动算法所产生的误差，要比
观测误差大得多。
有时编码过程也会降低在第12章中所要求的准确度。
这种误差可使用多种方法来
-1-1
避免。
在TEMF和PILOT的电文中就使用3ms的拟合限风速来取代5ms，在TEMP或PILOT发出前还要对高空风的测量细节进行认真的目视检查，把一些偏差在编辑过程中删除。
使用适合的BUFR（二
进制码），可以不必进行通常必需的特性层的选择。
13.1.3.3准确度要求
第12章附录12.A中提出了高空风速和风向测量值的准确度要求。
用标准风矢量表示的高空风测量值的性能误差限在第12章附录12.B表1中也有概略介绍。
另外，风向的系统误差一定要控制得尽可能地小，要远小于5°，特别是在高空风较强处。
事实上很多维护良好的测风系统，可以提供标准矢量误差的高空风（2c）,在对流层低层中》3ms1,在对流层高层和平流层中》5~6ms（Nash,1994）。
第12章附录12.B表1中提到了不同测点有可能遇到的风速范围。
大部分的高空风系统测量范围可达0〜100ms1。
但当系统主要测量低层风时，便无需设计如此大的风速范围。
高空风的垂直分辨率在平流层为300〜400m,在对流层为600〜800m（第12章附录12.B表1）,
更高的垂直分辨率（50~150m）将对在大气边界层（从地面到2km）中的各种气象业务都有应用。
但
是，如果在提高分辨率有效益的情况下，跟踪系统必须保证可以支持较高垂直分辨率测风的准确度。
第12章附录12A中提到的最严格的高空风测量值的要求，是与中尺度大气运动的观测相关联的，
另外，很高准确度的高空风观测，常用于特殊的场合，例如火箭的发射。
由于观测时间表要求十分接近指定的时间和地点,因此要有一个十分认真的观测计划和确保准确度的详细说明。
以下的大气变化
特性在观测中一定要关注。
在相同高度（以300m的垂直分辨率取样）上进行两次无误差的高空风观
测的均方根矢量差，如果观测在同一时间，而且水平距离小于5km,则通常会小于1.5ms-1，如果观测
在同一地点，但时间间隔小于10min，也应记录。
13.1.3.4最大高度要求
本章考虑的是用球载设备来观测高空风，在某些测点要求达到或超过35km,这已成为全球气候
观测系统的一部分。
达到这样测量高度的气球比用小的气球携带无线电探空测风仪上升到20-25km要
昂贵得多。
理想的高空测风站网,必须适合于在对流层和低层平流层中,从行星尺度到中尺度对所有运动尺度取样。
这种观测站网也要求辨认出明显的小尺度的风结构,相应的可使用高时间分辨率的遥感系统。
然而在平流层的中层和高层,为气象业务需要观测到的最多的运动尺度是较大的,主要是行星尺度和
较大的天气尺度。
因此所有在国家观测站网的观测站点的间距,是对对流层观测属于最佳的,它的探测高度无须超过25km。
如果本章描述的观测系统和第n编描述的测定系统协同使用，则所有运作费用将会降低。
若是这样,国家基础技术设施必能为各使用中的系统提供足够的维护。
13.1.4测量方法
高空风测量主要采用无线电探空测风技术，当要求附加高空风时，可以使用测风气球和无线电测风系统，而不必施放昂贵的探空仪。
在全球观测系统中，在陆地上高空站的补充观测主要采用飞机、风廓线仪和多普勒天气雷达，在海上高空风主要由民航飞机在巡航时进行，在轮船或遥远的岛屿上施放无线电探空测风仪，以补充包括风等要素的垂直廓线，也可通过地球静止气象卫星的观测来跟踪云和水汽结构。
未来，通过星载激光雷达和雷达对风进行测量，将使现有探测系统的全球覆盖率有很大提高，声雷达、激光雷达和风筝风速表也可用于特殊用途的高时间分辨率风的测量，低成本的无人驾驶飞机技术正在发展用于气象探测。
用无线电探空测风仪来观测高空风向、风速，一般依赖观测自由气球的大致匀速上升运动或一个物体的自由下落，如带降落伞的下投探空仪，由于测量的是大气的水平运动，因此在观测过程中，跟踪的目标不能有任何相对于大气的明显的水平运动。
直接跟踪系统必须提供的信息，应包括目标的高度，平面位置的测量，或在已知时间间隔内的水平速度。
在第12章附录12.A的准确度要求中，包括给定的测风中高度或气压产生的误差对测风准确度产生的影响。
一般的业务准确度要求，用任何跟踪方法均需假设气球的上升速率，在边界层以上的各个高度虽能达到，但宁可使用测量高度的无线电经纬仪跟踪系统或使用附在目标上的无线电探空仪跟踪系统。
遥感测量系统测量大气的运动是通过获取以下测量目标的电磁波或声波来实现的：
水凝物、沙尘、气溶胶或由小尺度大气湍流或大气分子本身产生的折射指数的不均匀性。
本章所考虑的直接测风所采用的目标，其位置能被连续地跟踪，虽然有大量的方法可用以跟踪这些目标，但这里只考虑广泛使用的两种典型方法。
13.1.4.1用定向天线跟踪
地面系统用定向天线测量方位角来跟踪目标，加上以下任何两项参数：
仰角、斜距和高度。
用一次雷达跟踪气球携带的可反射的目标来进行测量，或使用无线电经纬仪，或二次雷达跟踪气球携带的探空仪，或用光学经纬仪来跟踪气球。
雷达和无线电经纬仪对仰角和方位角的跟踪可以准确到0.1°，
同时雷达系统的测距误差一般应小于30m。
当气球的仰角超过10°~15°时，无线电经纬仪系统是最合适的高空风测量方法。
一部雷达要求技术熟练的人员进行有成效的维护，同时初始资金投入较高。
但是当不需要用无线电探空仪测量时，一次雷达也可以采用价廉的无线电测风，并确保在任何情况下的高空风测量准确度。
当有适合的制造厂时，二次雷达的确是可以选择的测量方法。
但是在许多国家的实践中，用此方法进行的成功操作，需要很宽的气象用无线电频谱。
在高空风的测量中选择使用一次雷达还是无线电经纬仪，部分地受到观测点所能达到的最大斜距的影响。
一次雷达系统或导航测风（助航系统）在较长的斜距上准确度很高。
一次雷达测距也明显地随纬度的变化而改变，在赤道地区和极地地区70km合适，而在温带的一些纬度测距至少200km以上。
表13.1表示在欧洲纬度50°~60°N之间气球高度为30km时，实际探测超过某一给定斜距的比例。
表中给出的比例是全年的。
但值得注意的是超出给定值的比例主要集中在冬季。
表13.1超过某些斜距（气球在30km高度）出现的比率
超过的斜距（km
140
160
175
190
出现的比率（%
5
2
1
0.5
13.142使用无线电导航跟踪
把一个能接收无线电导航系统信号的无线电探空仪装载至观测目标上（上升的气球或系在降落伞
上的下投探空仪）相位亦即多普勒频移或无线电探空仪上收到无线电导航信号的时间，这两种变化都
可用于计算目标的水平移动。
使用地基无线电信标的方法，如奥米伽（甚低频VLF）和罗兰，在WMO
（1985）中有介绍。
从1995年在无线电探空仪生产商已提供带有卫星全球定位系统（GPS的无线电探空仪（WMQ1994和Kaisti，1995），但是它们尚未达到必要的业务运行可靠性。
由于目前日常气象运作中的自动化程度已经相当高，完全可以采用导航测风系统进行观测。
因此
在常规高空风探测中，用导航系统跟踪已越来越多地使用，导航地面设备的维护所要求的总量也很低。
使用地区传输导航测风的准确度取决于几何学、相位、稳定性以及在指定位置无线电导航信号的
信噪比。
只要在其长距离飞行过程中，无线电探空仪接收到的导航信号和从无线电探空仪传输到地面处理系统的导航数据是合适的，那么准确度就不会有很大的改变。
导航探空仪在刚刚施放后要接收可
靠的导航信号常出现一些困难，这对奥米伽（VLF）系统的操作施加了明显的限制，因为在可以测出
风之前，需要有几分钟时间实现有效地跟踪数据，因此，奥米伽系统无法满足在边界层中对准确度的严格要求。
如果高空风非常强或地面系统接收到的来自无线电探空仪的信号很弱时，导航测量结果的质量就
会降低。
在使用奥米伽（甚低频）和罗兰导航系统中，当有雷电或带电的冰云天气时，无线电探空仪导航天线上常产生静电荷，导致在飞行过程中遭遇长时间的信号丢失。
这种无线电探空仪天线上的静
电，在正常放电后的飞行中仍有可能再现满意的测量结果。
13.2高空风的传感器和设备
13.2.1光学经纬仪
当无线电测风方法费用高而不能适应时，可采用光学经纬仪来跟踪气球。
只要操作人员受过有效
的培训并具有熟练技巧，当气球升达边界层以上，高空风测量的误差不会迅速增加。
气球测风经纬仪的光学系统必须满足无论望远镜指向什么方向，目镜的光轴始终保持水平的要
求。
三棱镜比直角棱镜好，因为前者稍有位移不会影响两个部件光轴的垂直性。
在望远镜的目镜焦点上，应有十字线或标线，望远镜放大率应为20〜25倍，视场不小于2°。
经纬仪的底座要牢固，并应能用手在方位圆和高度圆迅速转动或通过摩擦或蜗旋传动装置缓慢转动。
两个圆的刻度应不大于1°,并装有游尺或手轮测微尺，允许角度读数至0.05°,并可能估计至0.01°,
标尺的配置和照明使得白天和夜间都能读数。
度盘齿轮间的齿隙游移不应超过0.025°,水平和垂直
的准直误差不应超过0.1°。
为了便于追踪快速移动的气球，经纬仪应能采用目视对准，而为了达到这一要求，经纬仪上附有
一个不小于8°的宽视角的第二个望远镜。
经纬仪的底座设计成能固定在标准三角架或其它支架上，并能调整其水平。
支架还应能根据观测
人员的身高来调整其高度。
经纬仪的结构要牢固并能防腐蚀。
13.2.2无线电测风系统概述
测量云天的高空风，最先由无线电测风系统实施，当气球升达30km以上时，该系统仍可在长距
离内保持高的测量准确度。
当前采用这种系统主要是能最大限度地满足现代高空风测量的高准确度要求。
最现代化的无线电测风系统具有高度自动化水平，已能消除在大多数测量过程中的操作人员的人为干扰，这是降低气象业务成本的一个主要进展。
13.2.3无线电经纬仪
无线电经纬仪测风最适合于气球在整个飞行过程中始终保持高仰角状态。
如果气球的仰角在16°
以上，第12章中提及的高空风测量的准确度要求，用相对较小的跟踪天线就可达到。
随着气球仰角的减小，用无线电经纬仪即使是使用较大的跟踪天线，测量误差都会迅速升高（见13.5.3节）。
如果高空风持续很强，则使用无线电经纬仪测风想要达到第12章中提出的准确度要求是极端困难的，除非用回答器提供斜距测量数据（见13.2.4.2节）。
无线电经纬仪通常跟踪悬挂在探空球之下的无线电探空仪发射的电磁波。
配置有无线电接收器的一个定向天线，采用适合的伺服系统，使之绕水平和垂直轴旋转以确定最大信号强度。
无线电经纬仪使用的频率是1680MHz好的天线设计直径应为2m旁瓣的灵敏度应相对地低于主波束，这样跟踪角
可以准确到0.1°，如何在这样的情况下，当直接从无线电探空仪接收到的信号与接收到的来自邻近表面反射的信号之间互不干涉的情况下，无线电经纬仪就能跟踪到仰角低至6°到10°。
直接的信号
和反射的信号之间的干涉称为多路径干涉，通常是在较低仰角下对无线电经纬仪跟踪能力的限制因素。
有关无线电经纬仪天线性能、探测系统、伺服控制和资料处理算法的详细说明，应在购置前从制
造商那里获悉。
现代便携式无线电经纬仪，其天线一般小于2m当仰角达到16°时，就能遇到多路
径干涉问题。
当多路径干涉出现时，一般就无法确定在气球方向的最大信号，相应的仰角误差随时间而变化，它起因于多路径干涉情况的改变和无线电探空仪的运动，从而导致大的系统性测风误差（大于10ms-1）。
无线电经纬仪跟踪无线电探空仪时，观测到的方位角和仰角就从无线电经纬仪输送至地面计算机
这样气球位置的变化率就
操作人员对风在垂直方向的
中，收到的探空仪测量结果给出相应于观测方向的位势高度随时间的变化，
可以推算出来。
计算机则用列表或图示的方式显示出高空风的测量结果。
连续性进行审核以防出现错误的跟踪，
一旦操作人员对跟踪过程满意了，
则一份合适的高空报告即可
提交给用户了。
气球在刚施放不久，由于地面风的作用有时使气球方向产生逆转而飞回无线电经纬仪的上方。
当
这种状况发生时，如果无线电经纬仪正处于持续的准确的自动跟踪之中，则能观测到气球的方位角和仰角的很高的扫描率，这就要求无线电经纬仪的机械性能比在大多数气球斜距较远时所需的更高、更
好。
为了实现准确跟踪同时减低所需的机械性能，在一些现代化的无线电经纬仪的设计中把干涉测量跟踪作用结合在一起，在这些系统中，干涉仪对比所收到的来自跟踪天线不同部位的相位信号，以确定传输源相对于天线方位的部位。
实际上，当一个简单的伺服器的天线定位趋近于气球上的探空仪方向时，相位数据在微处理机中的取样率就会很高，伺服器天线这种近似定位，为干涉仪提供了一个良好的信噪比，并把地面接收到的反射减至最小。
于是由天线位置的组合来推算出仰角和方位角，而源的方向则通过干涉仪由相位测量结果进行推算，该系统的观测准确度类似于较好的标准无线电经纬仪。
干涉测量无线电经纬仪系统可望提供更可靠的服务，而且维护费用也低。
13.2.4雷达与无线电经纬仪相比，雷达跟踪技术的最基本特征是：
斜距同方位角和仰角一起直接测量。
一次雷达基于探测接收由气球携带的合适目标反射的超短无线电脉冲波。
使用可靠的一次雷达，几乎在所有情况下都可以达到第12章中提及的高空风测量的准确度要求。
用高准确度的跟踪雷达可以测得很高准确度的高空风。
为了使测量准确度好于1ms1,一个重要的条件是宁可使用镀金属表面的气球（非
常昂贵）而不使用标准的探空气球。
用一次雷达测风，并不一定非使用无线电探空仪不可，把耗费在无线电探空仪的费用减至最少是可能的，只要有技术支持设备，用以维护雷达和支付工作人员的费用是很低的。
但是在许多国家，当与导航测风系统的费用相比，更换和操作一次雷达的费用甚高，这样就导致了在日常气象业务中缩减使用一次雷达系统。
大多数测风雷达系统由调制器，射频振荡器、测向天线系统、接收机和数据处理单元组成，后者
给地面系统计算机提供斜距、方位角和仰角。
调制器产生很强的约1卩s时间的电压尖脉冲，平均每
秒钟400-1000个脉冲。
这些脉冲激励一个磁控管，使它突然在超高频段产生几百千瓦功率的无线电脉冲，然后通过波导管把这一能量聚集到抛物面反光镜的焦点上，当抛物面天线正好指向气球目标时，
脉冲被反射回同一天线系统，并由接收器转换。
从磁控管发射脉冲到从气球目标返回信号的接收之间的时间可以测得，经对信号在电子检测中延迟的补偿后转换成到目标的斜距。
使用的波长有3.2、5.7和10.6cm，但大多数设备使用3.2cm波长，因为它使用较小的天线，仍能达到所要求的跟踪准确度，但是在大雨天气下信号的衰减在3.2cm波长，因为它比在10.6cm大得
多。
大雨常见的地区，必须使用较长波长的雷达，以确保全天候长距离的观测。
13.2.4.1雷达反射靶
上述波长的雷达，其最有效的反射靶形状是角状反射体，主要由三个互相垂直的导电平面组成。
在一种设计中，顶平面是正方形，在飞行中保持水平。
用于远距离的型号采用山墙形结构，并具有使反射体转动的功能，以避免发生反射体的“零位”点向着雷达的时间过长的可能性。
目标的重量和阻力应使其在飞行中尽可能地减少，要求目标可分折以便于储存和运输。
由角状反射体截获雷达光束中的能量，与反射体边长的平方成正比。
普遍的雷达理论表明，雷达接收的能量与雷达传播的能量之比率与反射体尺度的平方成正比，与从雷达至反射体的斜距的四次方
成反比。
所采用的反射体应足够大，以确保在预期的气象状况下能准确地跟踪至最远距离。
在高空风较弱时，可使用较小、较便宜的反射靶。
角状反射靶的性能在一定程度上取决于雷达的波长。
短波雷达（3cm）可从给定的目标反回较多
的能量，属于实际上的低耗能系统，但在雨中因受衰减，目标会被湮没，波长愈短愈严重。
尺度0.5至1m的角状反射靶在大多数场合均可应用。
这里，其尺度取成组成三角形的角状反射靶的外边的长度（斜边），粘合在纸或聚苯乙烯上的金属箔反射片，或具有筛孔的约0.5cm的镀金属纤维网，或镀金属的聚酯薄膜均已成功地用于做成合适的传导平面，这些平面应是好的电导体。
例如
这些平面上距离相隔30cm的两点间的电阻值低于20欧姆即可得到满意的结果。
在装配反射靶时，其
表面应平坦，高差不应超过0.6cm且各平面应互相垂直，偏差要在1°以内。
13.2.4.2发射机回答器系统在二次雷达系统中，由地面站发射的能量脉冲，为气球上携带的回答器所接收，它既可以是一单独的脉冲转发器组件，也可以设计成组合在无线电探空仪中。
返回的信号频率不一定要与发射时的一样，所取得脉冲发射与回答器反应之间的时间间隔可直接测量出斜距。
这种技术比一次雷达的有利之处在于，对从地面发射机给定的功率输出来说，它可以跟踪更远的距离。
这是由于回答器所传输的能量是独立的，通常都比收到的地面发射器发射的能量大，因而地面接收器接收的能量是回答器发射的能量与斜距的平方成反比，而不是像一次雷达那样与斜距的四次方
成反比。
但是若在给定测点有大量的无线电测风观测而没有同时进行无线电探空仪观测的要求，则二次雷
达的业务耗费高于一次雷达，此时选择一次雷达更合适。
该系统的复杂性和二次雷达的维护要求，通常介于无线电经纬仪和一次雷达之间。
13.2.5导航跟踪系统导航跟踪系统由无线电探空仪和接收无线电导航系统信号的天线组成。
此无线电导航系统由独立
于国家气象服务机构以外的部门管理，该系统的主要目的是用于飞机或船舶的业务导航以及支持军事目的的导航。
目前使用的测风导航是奥米伽（Omega和罗兰（Loran）系统，采用地基发射器。
使用
卫星全球定位系统（GPS是目前导航跟踪发展的先进水平。
为了保持无线电探空仪处理信号的成本降至最低，从导航信号产生结果的绝大部分处理工作是在无线电探空仪接收到导航信号并转发至地面系统后完成的。
地面系统天线的位置必须在所有方向上对
探空仪都应具有高的视线，以求地面测风系统对发自无线电探空仪的信号具有好的接收能力。
无线电
探空仪的频率设计要确保在探空状况下，不中断地发向地面站的载频。
使用导航跟踪的高空风测量的准确度随地理位置和所用的导航信号的变化而变化，只要能提供足
够的可产生有用的导航信号，其测量准确度就能达到类似于无线电经纬仪和雷达系统的准确度。
导航系统的一个最主要的优点是地面系统很简单，它不包含可移动的部分，不需要很准确的跟踪天线配置，使得该系统适合于在飞机，船舶以及地基站使用。
在地基系统中，用无线电探空仪测量高空风规定采用位势高度，由地面系统处理导航测风资料的时间标记要与探空仪高度测量的时间标记一致，这点很重要。
13.2.5.1未来应用导航信号的可行性
导航信号的可应用性一直有进展，目前国际导航业务已主要采用环绕地球排列的GPS导航卫星的
信号，这些发射信号已大量地取代由固定地面发射机信赖的信号。
但是由于种种原因，一些国家仍坚持使用地面导航系统作为地区或国家的导航网。
导航权威当局在考虑对选定的系统进行长期投资前，必须商讨此类导航信号未来的可应用性。
使用GPS导航系统计算高空风比使用地面发射机的导航信号要复杂，因为卫星相对于无线电探空
仪连续地运动，测风系统必须能确定在任何时刻所接收的信号和卫星的位置和移动。
GPS言号的频率
比奥米伽和罗兰-C信号高得多，因此GPS信号在传输至地面接收器前，必须在无线电探空仪上先进行高水平的预处理。
从而GPS无线电探空仪要比至今所用的一般探空仪具有更高的处理能力。
虽然如
此，预期的GPS测风结果的准确度将相当于或甚至超过好的一次雷达。
1325.2甚低频（VLF）奥米伽导航网
从19
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