高空温、湿、压的无线电探空仪探测法.ppt

1,第十章 高空温、湿、压的 无线电探空仪探测法,向卫国,2,10.1 概论,大气中个高度上的温度、湿度和气压资料，是研究大气中各种热力、动力过程，以及天气分析和预报的最重要的资料 测量方法有多种： 探空气球携带无线电探空仪升空 气象卫星遥感仪器反演 地基遥测遥感设备探测,3,10.1 概论（续）,无线电探空仪是主要方法： 一是它的资料具有较高的精度和分辨率 二是长期以来形成了较严密的全球探测网，资料有一定的可比性 费用较低,4,10.1 概论（续）,无线电探空仪介绍： 是一种遥测仪器 可以将感应的气象要素值转换为无线电信号，不断地向地面接收站发送 地面接收机将信号收录、解调、转换和处理成空中个高度上的温、湿、压探测结果5,中国制探空仪,6,探空仪即将拖放 701雷达待命工作,7,10.1 概论（续）,无线电探空仪的优势： 结果精度高 实时性强 操作方便 几乎不受天气条件限制 如配合适当的设备(无线电经纬仪或测风追踪雷达)，可以同时获得高空风场的资料8,10.1 概论（续）,无线电探空仪还可以装配各种类型的特种探空仪，例如： 测量臭氧 大气电场 云内含水量 和各种辐射通量的探空仪 按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：,9,10.1 概论（续）,(1)常规探空仪 由上升气球携带，升空30~40km 最长工作时间2h 信号传播距离200km 气球可携带重量0.5~2kg 升逑：400m／min 探测项目：温、湿、压和风。

10,10.1 概论（续）,(2)定高气球探空仪 由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，可绕地球某个纬度带进行 工作时间 数天 为节电，常间隔数小时定时发报，地面接收站可设数个，采取接力方式接收 探测项目：温、湿、压，一些专门项目11,10.1 概论（续）,(3)下投式和火箭探空仪 多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，由气球或降落伞携带下落 工作距离 300km 工作时间 几个小时 可由地面站或飞机接收信号 探测项目：温、湿、压等12,10.1 概论（续）,探空仪使用的探测元件： 与地面常规观测使用的元件相同 注意要满足高空探测方面的基本精度要求 探测仪为一次性使用产品： 力求结构简单、体积小、重量轻，且较坚固 具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及耐高空低温的能力,13,10.1 概论（续）,高空探测的特点： 从地面到30～40km的高空，大气中各要素的值远 大于地面站的年变化范围 气压：从1000hPa到10hPa以下 温度：从+40℃到-60℃以下 相对湿度：0到100％ 可见，要满足在全量程范围内的低相对误差和绝对误差是较难办到的14,10.1 概论（续）,在较短时间(1小时)，较大升空(从地面到高空30～40km)的条件下，探测元件必须快速响应飞升各高度的上的气象要素变化 要求探测元件应具有足够小的滞后系数，包括在高层低密度流量的条件下。

15,10.1 概论（续）,探空仪信号解调之后，需经过一定的关系曲线或拟和公式换算成对应的气象要素变量，称之为检定关系 检定结果由厂家进行 使用前只能进行单点，最多两点的基值校准 基值校准合格与否取决于元件的长煳稳定性16,10.1 概论（续）,无线电探空系统由两个大的部分组成： 升空装置(探空仪与气球) 地面设备 图10.1是通用的探空系统框图 探空仪的型号不同其工作原理有所不同 探空仪的升空装置由三部分组成：,17,10.1 概论（续）,(1)感应元件——分两类： 变形元件：即产生一定的变形位移 测温度的双金属片 测湿的毛发或肠膜 测气压的空盒,18,19,10.1 概论（续）,电于元件：即要素的变化引起元件的电学特征量的变化 温度元件中的热敏电阻和铂电阻 湿度元件中的碳膜湿度片和湿敏电容 在一些特殊型号的探空仪上，还使用了比较复杂的测量单元： 湿度测量中的露点／霜点仪 低气压测量用的沸点气压表等,20,10.1 概论（续）,(2)编码部分——两部分： 转换开关：用来将温、湿、压感应输出量转换接入编码器中的控制单元 对升速400m／min的气球，转换周期腑小于15s， 保证每个要索相邻的信号在高度上市H距小于 100m。

编码器：将原元件输出量转换成某种无线电波形式21,10.1 概论（续）,(3)发射机部分 将编码器上的信号进行某种形式的调制后向地面发送 调制的方式是：调幅、调频、调相三种 要求发射机的功率达到500mW，以保证在200km距离内能使地面接收到信号22,10.1 概论（续）,近20年来，无线电探空仪的更新工作正在进行： 变高频式探空仪：由于通讯干扰，已弃用 电码式探空仪：由于探测精度和灵敏度不高，只 有少数国家住使用 时距式探空仪：只在瑞士制造使用 旧型探空仪只有变频调幅式还有不少国家继续使用，并在技术细节上继续予以提高23,10.1 概论（续）,新探空仪的推广： 在业务上已普篇使用芬兰Vaisala公司的RS一80型 新型号RS-90型也开始批量生产 它的所有探测元件基本上是变电容式，采用射频 调频特制 美国AIR公司生产的GPS-700型已是全数字调频式探空仪24,10.1 概论（续）,引人注目的事件是GPS测风技术引入探空测风体系，目前只有Vaisala和AIR公司生产正式的产品 但能否规模引入到日常观测系统，正是各国专家关注的焦点 GPS测风技术的优势是：系统自动化程度高，地面测站轻便省电。

缺点是：探空仪售价过高25,10.1 概论（续）,无线电探空仪的测量单位： 气压：百帕(hPa) 温度：摄氏度(℃) 相对湿度：百分数(％) 露点温度：摄氏度(℃) 高度：位势米(gpm)， 1位势米 ≈ 0.980665动力米,26,10.1 概论（续）,无线电探空仪的测量精度： 原则：根据探测数据应为大气本身波动值的一半，以满足天气分析时对等压面高度偏差值的限制 世界气象组织提出的精度指标，表10.1 当前实际使用的探空仪离表10.1的测量精度指标还有很大差距27,1 0.2 五九型转筒式电码探空仪,简称GZZ型探空仪，是我国使用的常规仪器 发射机频率： 一种是24.5MHz 一种是400MHz 使用“回答器”，可配合701二次雷达测风28,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构,外形如图10.2 中间长方形白色纸盒具有良好的防水性和反射太阳辐射的能力 机体(见图10.3)放在盒中下部： 机体支架上放置温度、湿度、气压三个感应器，以及微电机及其减速机构和电码筒等 纸盒上部放置电池及发电机 纸盒两侧分别是温度感应器和湿度感应器的铝质防辐射罩29,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,感应元件 温度感应器： 螺旋形双金属片 气压感应器： 两个膜盒组成的空盒组，加双金属片温度补偿器 湿度感应器： 鼓膜状的肠衣,30,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,编码部分：微电机、电码筒组成 微电机经过减速装置带动电码筒转动。

电码筒由卷成半圆形的电码片做表面，筒轴上附有一扇形接触片用来发出参考信号 电码筒相当于一个刻度盘，用来表示温、压、湿指针的位置，同时又是一个转换器，能把指针位置转换为探空电码，由发射机变成电波发出31,10.2.1 五九型转筒式电码探空仪的结构（续）,发射机：两种 (1)工作频率为24.5MHz的发射机 (2)GPZ5-1型测风回答器 与701型二次雷达配合进行温、压、湿、风综合探测 两种工作状态：探空状态、回答状态,32,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能,检定曲线 是表示探空仪信号与气象要素关系的曲线 获得检定曲线： 把探空仪放在检定设备中，将标准仪器的读数与探空仪的测量结果点绘在坐标图上 表10.3 五九型电码探空仪的性能,33,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量温度的误差 主要是滞后误差(双金属片的热滞系数)和辐射误差(太阳辐射加热) 还有因元件沾湿和气球的热空气尾流引起的误差,34,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量气压的误差 使用测压膜盒，因金属的弹性随泓度和时间有变化，使测压有误差 由锡、磷、青铜制成的膜盒温度系数较大 经检测对比，五九型转筒式电码探空仪在低压测量精度较差。

35,10.2.2 五九型转筒式电码探空仪的性能（续）,测量湿度的误差 各种湿度元件不同程度存在多种误差 五九型的测湿元件——肠膜，因其性能不稳 定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿 度平均偏差可达±4％ 由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在 低温时的测湿误差较大，在-30度以下几乎无法使用36,10.2.3 探空仪性能的检查,探空仪经运输和长期保存，性能会改变 在使用前必须进行两次检查： 一次在使用前半个月到一个月内进行，叫“探空仪的就地检定和灵敏度检查” 一次在施放前半小时进行，叫“基值测定”,37,10.2.3 探空仪性能的检查（续）,探空仪的就地检定和灵敏度检查 就地检定：和出厂前的检定相同，做出新的检定曲线 灵敏度检查：只检定几个点，比较，求出偏差 基值测定 在施放前，最后确定仪器是否合格的一个重要步骤,38,10.3 变低频式探空仪,将元件的变量(电阻、电容或电感碴)通过电于线路中的测量震荡器转换成低频信号，就形成了气象要素与信号频率的关系 低频信号经射频进行调制后，由探空仪发送至地面接收机，解调后，恢复为原始的低频信号39,10.3 变低频式探空仪（续）,此类仪器目前仍在大量使用，美国的GMD型，英国的Mark 2和Mark 3，日本的RS2—80，俄罗斯的MAP 3型，我国也在70年代完成了GZZ 7型。

各国的仪器结构略有差异，使用的探测元件多为： 气压——空盒 温度——热敏电阻 湿度——碳湿度片,40,10.3 变低频式探空仪（续）,美式变低频探空仪： 转换开关使JH的是梳齿形的气压开关，探空仪上升过程中空盒带动指针在气压梳齿上自左向右移动 图10.8,41,10.3 变低频式探空仪（续）,随着无线电通讯技术的发展，通讯发射频率向高频段不断发展高频通讯的优势在于它的接收系统趋于小型化 各国探空仪的频率逐渐从几十MHz达到403MHz的C波段，近年开始往1680MHz的L波段设置频点 为适应这种形势，一批电容式的感应元件被研制出来，如：电容空盒气压表、硅单晶空盒气压表以及湿敏电容42,10.3 变低频式探空仪（续）,芬兰RS一90探空仪 双湿度元件：克服沾湿的影响可启动加热电路 蒸发掉元件表面所凝结的露或霜，此时无法正常 观测，设置双元件，交替使用 测压元件：用硅单晶空盒代替金属空盒 测温元件：电容式进行改进，大大增强反射太 阳辐射的能力 RS-90的技术指标，表10.7,43,10.4 带GPS测风的无线电探空仪,目前大量使用的探空测风系统： 无线电经纬仪 一次、二次雷达 其主要缺点： 设备庞大；耗电量高 低仰角下测风精度低 地面设站按规划，不利于临时观测。

44,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,GPS定位系统的出现，提供了一种精度极高、使用较为方便的测风系统 与原先的地断导航系统相比，GPS可以覆盖全球，无线电导航信号的传播不受地形、地物的干扰，因而各个国家的飞机、船舶，甚至汽车的导航都纷纷转向GPS系统45,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,GPS卫星接收机可在市场上直接购买，通称OEM(原始设备制造商)板 具体到GPS测风系统的探空仪的结构设计，可以将整块OEM板安装上去，但成本太高 已投产的GPS探空仪只将OEM板的部分功能安装在探空仪上，而将GPS信号处理的功能移到地面接收站接收系统中46,10.4 带GPS测风的无线电探空仪（续）,对已经定型的产品进行分析，其主要技术措施有： (1)探空仪上的压、温、湿信号采用模拟或数字调频式 (2)GPS收到的定位信号与探测信号一起发回到地面站处理 (3)不直接计算山探空仪各个。