大气遥测是什么？

第四节　信息采集

信息采集是天气预报业务的基础。自从1597年伽利略发明湿度表，开创了大气的定量观测以来，可以说，大气观测和探测的发展经历了三个阶段，16世纪末到20世纪初是地面气象观测的形成阶段，20世纪20年代至50年代是高空探测的形成阶段，60年代开始进入大气遥测、遥感和自动化的发展阶段。90年代，自动气象站、天气雷达、气象卫星、大气廓线仪、雷电探测仪等一批遥测、遥感设备正在气象业务中普及，而且通过计算机和现代通信技术的配套，逐渐实现信息采集的自动化。

大气遥测、遥感和自动化的发展，不仅扩大了探测范围、丰富了探测内容，促进了地面观测和高空探测设备的更新换代；而且促进了天气预报乃至整个气象业务工作的变革。

一、遥感遥测技术

1．遥感遥测技术的进展

1940年法国投降以后，法西斯德国凭借他在飞机数量和质量上的极大优势，以为可以轻而易举地摧毁英国皇家空军，为入侵英伦三岛开辟道路。结果，却遭到了惨败。自战争发生以来，希特勒还是第一次受到这么大的挫折。原来，德国飞机刚从西欧的一些基地起飞，它们的影子便在英国雷达的荧光屏上被显示出来。英国地面的指挥所根据雷达提供的情报，用无线电话遥控指挥天上的英国驾驶员作战……

雷达是这样一种电子装置：它向外发射电磁波，电磁波在传播过程中遇到物体后会被反射回来，雷达又能接收到这种回波。根据回波的情况和性质，便能感知遇到的物体的方位和距离。当时德国人在发展和运用这种电子装置方面远远落后，他们对此迷惑不解。

在利用雷达搜索空中飞机的时候，发现云、雨也和飞机一样，会反射雷达发射的波，并被雷达接收显示出来。这在战争非常时期被看成是一种“干扰”必需设法排除。然而，这个“干扰”却给了气象学者以很大的启示。原来，视线以外的无法感知的云、雨，可以用雷达来测定。这导致了大气遥感探测的兴起。所谓遥感探测，就是观测仪器不直接接触被测物体，而在远处通过感应元件测出物体的特性。

一部雷达能探测的距离，大约只有一百千米。为了监视天气的变化，现在有些地区已经建立起了雷达网，使一片广大地区完全无遗漏地处于雷达的监测之下。雷雨、小范围的大风一出现，就会被发现。雷达密切观察着它的发展变动趋势，对于将受其影响的地区，提前发出预报。尽管提前的时间不多，通常只两三小时。但这究竟比遭到突然袭击好多了。这是在遥感探测兴起以前，依靠稀稀拉拉的单点观测不可能做到的。

遥感探测可以说使气象观测从点扩展到了面。雷达是在地面上遥感大气。卫星上天后，这种探测方法被“卫星”采用，从高空来遥感大气的物理性质。这引起了监测系统的根本性变革。

2．遥感遥测设备

大气遥测通常可分为有线遥测和无线遥测两种。有线遥测是指感应器所测量的气象信息通过传输电线（缆）送到工作站，如电传风向风速仪、温湿遥测仪、遥测水银气压表等。无线遥测是指感应器将获得的气象信息经过处理后通过无线通信传送到工作站，这时感应器所获得的气象信息必须通过整理编码，并调制在发送频率（载频）上，由无线电发信机发送到工作站，如无线电探空仪、飞机探测等；无人自动气象站，也尤都是这种类型。

随着计算机技术和卫星通信技术的发展，大气遥测得到迅速发展，美国于1980年建成由中心站和野外一些子站组成的自动气象遥测系统（RANOS），日本于70年代建成由中心气象台与1300个观测站、58个地区气象台组成的雨量自动观测系统（AMEDAS），80年代后期，我国京津冀地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区都建设了自动气象站观测系统。大气遥感分为主动式和被动式两类。主动式大气遥感是人工向大气发射某种频率的高功率波信号，然后接收、分析并显示被大气散射或反射回来的波信号，从中提取有关大气信息，如激光测云仪、气象雷达等。被动式大气遥感是直接接收大气本身或天体发射的波信号，利用它们在传输过程中与大气相互作用的物理效应，提取大气信息。气象卫星、大气辐射仪、雷电探测仪就是这种类型。

二、天气雷达

天气雷达也叫测雨雷达。40年代末天气雷达已在一些国家的业务工作中应用，通过它们跟踪强对流天气能有效地促进一些灾害性天气的分析预报。60年代随着雷达灵敏度等性能的改进，雷达气象学已从回波形态研究向回波结构等发展，各种天气概念模式纷纷出现。70年代雷达测量降水已开始用于业务，多普勒雷达的问世，又使雷达测量降水和流场结构走向深入，促进了降水物理学和强风暴动力学的发展。特别是计算机技术的发展，雷达回波数字化处理得以实现，信号处理，数字显示，彩色处理等，使天气雷达走向新的里程。

1．雷达测雨的原理

测雨雷达，是用无线电方法，侦察200～400千米范围内空中降水物的距离和方位的一种探测工具。当无线电波遇到空中降水物包括雨滴、云滴、冰粒、雪花等障碍物时，有一部分无线电波就被反射回来。这种反射回来的无线电波，我们称它为“回波”信号。回波信号通过测雨雷达显示出来，这样，我们就可以根据无线电波的传播速度，发射无线电波到接收回波的时间间隔，计算出降水物离测站的距离；根据回波信号和天线所指的方向，确定降水物在空间的位置。实际上，这些都用不着临时去计算，从雷达的显示器上就可直接读出来。

2．天气雷达主要组成部分及其作用

测雨雷达结构比较复杂，其主要组成部分可分发射机、接收机、显示器、自动转换开关和天线等五个部分。

雷达开动后，首先是发射机产生高频无线电波，然后通过波导管和自动转换开关输送到天线，由天线把电波发射出去。同时，天线也接收反射回来的无线电波信号，然后经波导管和自动转换开关输送到接收机。接收机对无线电波进行检波和放大，并把电波信号变成视频讯号，最后输送到显示器的荧光屏上，这时我们就可以看到降水物的位置、距离和分布情况了。

我们在上面谈到，无线电波遇到空中降水物时，有一部分无线电波反射回来，同时也有一部分电波被吸收或散射，而使原来无线电波迅速减弱，这种现象我们称为衰减；衰减的程度与降水物粒子的大小及无线电波的波长有着密切的关系。一般来讲，探测降水物粒子越小，所需要的波长越短。相反，探测降水物粒子越大，所需要的波长越长。

因此，目前有各种不同波长的雷达，经常用到的有3厘米，5厘米和10厘米波段。3厘米波段雷达对大粒子降水物的衰减较大，穿透能力弱。如果测站附近出现较大的降水，探测距离就会受到影响。但这种3厘米波段雷达对弱回波发现能力强，观测降水区的微细结构很清楚，10厘米波段雷达遇到大粒子降水物，衰减很少，测站附近再下大雨，探测距离也不受影响，这样探测的范围要大得多。但也有它的缺点，对降水区的微细结构不会像3厘米波段雷达看得那么清楚。5厘米波段雷达夹于两者之间。这三种不同波长的雷达各有优缺点，要根据不同的目的，采用不同波长的雷达。

4．天气雷达在天气预报上的应用

降水在空间的分布有强有弱，反射回来的无线电波也有强有弱。粒子越大的降水物，反射回来的电波越强，亮度越大；而粒子小的降水物，反射回来的电波也弱，亮度也小。

大粒子降水物，通常出现在雷雨云区，一些冰雹、暴雨等灾害性天气，就在这种雷雨云区产生的。因此，要预测这种灾害性天气，必须区分回波的强弱。

怎样区分回波的强弱呢？平常采取改变接收机增益的方法。当增益大时，较弱的回波与较强的回波都在荧光屏上显示出来。当增益小时，弱的回波显示不出来，只显示出较强的回波。我们根据强回波的所在位置及其移动速度，并结合当时天气形势及高空引导气流方向，就可外推出影响本地的时间。

夏季的风暴，从发生到消失时间不长，影响的范围也不大，属于中小尺度天气系统。一般在测站记录稀少而间隔时间较久的天气图上发现不了，事先预报比较困难。有了测雨雷达后，在离测站200—400千米范围内发生的风暴都可侦察出来，并可以继续追踪它的移动方向、移动速度及加强减弱情况。预报员掌握了这些资料，就可作出预报。

但是根据测雨雷达探测的资料作出来的预报，预报时效不长，一般是1～2个小时，有时更短一些，这也是美中不足之处。

三、气象卫星

气象卫星观测是从1960年发射极地轨道卫星开始的。所谓极地轨道卫星是绕地球公转并且每一圈都经过极地附近的卫星。它可以探测到全球的情况，不过不是同一时刻的。1966年又有了地球静止卫星，这是在赤道上空35800千米处，以地球自转速度运转的卫星，故又叫同步卫星。从地球上看，它在空中是静止不动的，能连续不间断地固定观测。按现有水平，每隔30分钟左右就可完成一次观测（对小范围可以每3～5分钟观测一次）。地球静止卫星对极区的观测效果不好。但是，极地轨道卫星可以观测到该地区的较理想的资料，所以将两种卫星资料结合起来使用，可以取长补短。

气象卫星的探测项目也是逐步发展的。开始只拍摄普通云图照片（晚上就无能为力了）。后来改用红外拍摄，夜间的云图照片也能得到了。增加垂直温度廓线辐射仪后，还可以测出大气的垂直温度分布。用同步卫星观测云的运动或用追踪等高气球等方法可以测到风。现在通过卫星观测，把许多原先不清楚的情况，呈现在天气预报员的面前。除了云图外，还有海面温度图，水气总量分布图，臭氧含量图，云顶高度图，海水面积、融雪和融冰图等。在作天气预报时，了解这些情况获益非浅。据统计，自从气象卫星观测台风以来，竟没有一个台风被漏报过，这是了不起的进步。

不过请记住，目前卫星对气压、温度、湿度、风等的探测，精度还不高。所以，地面气象站和探空站仍然还在起着主导作用。

要建立一个全球范围的气象监测系统，离不开广泛的国际协作。近三十年来，在联合国下属的世界气象组织对此做了许多工作。现在除了地面和高空测站外，在天空中有地球静止气象卫星和极轨卫星，还有一批船舶和飞机的非定点定时的观测。所有这些共同配合起了一个探测全球大气的立体网络，在日夜监测着世界的风云变幻。包围地球的茫茫大气的一举一动，被尽收眼底，一览无余了！

四、自动气象站

自动气象站是自动进行地面气象观测的设备。目前，除了云状、云量和部分天气现象外，其它常规的地面观测项目自动气象站都能完成，并能自动传送观测结果。

表6－1是芬兰迈洛斯自动气象站的主要性能参数，它共有9个传感器，可测量地面温度、气压、湿度、风向、风速、太阳辐射、日照、降雨和降水量。配有微计算机，可自动计算气象要素的平均值和极值，将观测结果自动传输给用户或打印记录，也可接连到公共电话线路上，甩户通过键盘进行气象数据检索、查询。该站使用太阳能电池或风力发电机进行供电。

表6－1　芬兰迈洛斯自动气象站主要性能参数

自动气象站怎样实现数据自动采集和传输？各种气象传感器将各种气象要素的非电量数据变换成电信号，有一部分还要经过模数转换成为数字信号，电信号进入计算机进行处理，如采样、计时、编报等，然后经过调制解调器到发送频率上，通过发信机发出。自动气象站一般无人操作，实时观测利用一只精密度较高的时钟向计算机发送电信号，控制计算机开机。

五、大气廓线仪

大气廓线仪是一种新兴的地面遥感探空系统，与常规的气球携带探空仪进行控空的方法比较，它可以称为无球探空系统。这套系统的产品，可以提供温、湿、压和风等气象要素垂直廓线，所以叫做大气廓线仪。

大气廓线仪的组成，包括风廓线雷达、多通道地基微波辐射计和地面自动观测系统。有的还附加一套大功率声源发生器。风廓线雷达探测风和逆温层，对流层顶的高度。雷达与声源发生器配合，组成无线电——声学探测系统，探测大气温度垂直分布。地面自动观测系统提供地面温度、湿度、气压、风等记录。多通道地基微波辐散计探测湿度垂直分布、水气总含量和云中液体水含量；它们和风廓线雷达测得的对流层顶和逆温层高度资料，以及地面自动观测系的温、压、湿、风的资料一起反演计算温度垂直分布，可以提高精度，这些资料可以在15分钟或30分钟实时提供一次。

六、雷电探测仪

这是探测雷电的仪器，常用的主要有闪电定位系统和大气电场仪。

闪电定位系统它由一个闪电定向器阵，一个中心站位置分析器和多个显示站组成。

是闪电定位系统的结构框图。如图所见，闪电定向器阵由若干个测向仪组成，每一测向仪由二个垂直正交的磁性环形天线、一个平板电场天线、放大器和微处理机组成。闪电放电信号在正交环形天线上产生的两个电压信号经放大后用微处理机进行预处理，然后将闪电方向和强度信号传输给中心站的位置分析器，位置分析器用闪电定向器阵各站传来的信号计算闪电位置，并实时把结果输给绘图仪、磁带记录器、数据终端和彩色显示器。