《氣象儀器和觀測(cè)方法指南》(第六版)第13章 高空風(fēng)的測(cè)量

1、第13章 高空風(fēng)的測(cè)量13.1 概述 13.1.1定義以下定義摘自全球觀測(cè)系統(tǒng)手冊(cè)（WMO，1981）測(cè)風(fēng)氣球的觀測(cè)（Pilot-ballon observation）：由光學(xué)經(jīng)緯儀跟蹤一自由浮升氣球確定高空風(fēng)。無線電測(cè)風(fēng)(Radio wind observation)：用電子方法跟蹤一自由浮升氣球確定高空風(fēng)。無線電探空測(cè)風(fēng)(Rawinsonde observation)：一種無線電探空和無線電測(cè)風(fēng)相結(jié)合的觀測(cè)方法。高空觀測(cè)(Upper-air observation)：一種在自由大氣中直接或間接進(jìn)行的氣象觀測(cè)。高空風(fēng)觀測(cè)(Upper-wind observation)：在大氣中規(guī)定高度進(jìn)行的

2、風(fēng)的觀測(cè)或在大氣中完整的高空風(fēng)速和風(fēng)向的探測(cè)結(jié)果。本章將主要探討光學(xué)經(jīng)緯儀和無線電測(cè)風(fēng)觀測(cè)方法。氣球技術(shù)、用特殊平臺(tái)、特殊設(shè)備或間接用遙感技術(shù)測(cè)量的方法，將在第編的有關(guān)章節(jié)中介紹。13.1.2高空風(fēng)測(cè)量的單位高空風(fēng)的風(fēng)速通常使用的單位是米/秒或節(jié)（海里/時(shí)），有時(shí)也使用千米/時(shí)。風(fēng)向以氣流的來向?yàn)闇?zhǔn)，以正北起算的度表示。在陸地測(cè)站高空壓、溫、濕、風(fēng)（TEMP）報(bào)告中，風(fēng)向約整至最近的5。報(bào)告達(dá)到這種準(zhǔn)確度的分辨率是由最先進(jìn)的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)完成的，特別適用于高空風(fēng)非常強(qiáng)的時(shí)候。更準(zhǔn)確的風(fēng)向報(bào)告，盡量使用BUFR（二進(jìn)制）編碼，在要求最高準(zhǔn)確度時(shí)使用。用來指示高空觀測(cè)值垂直位置的位勢(shì)單位是標(biāo)準(zhǔn)位勢(shì)米，符

3、號(hào)為m（原文如此，我國采用gpm）* 譯注，定義為0.動(dòng)力米。在對(duì)流層中位勢(shì)高度很接近以m（幾何米）表示的高度。高空風(fēng)報(bào)告中的高度是海拔高度，但在計(jì)算時(shí)用從觀測(cè)站求算的高度較方便。13.1.3氣象要求13.1.3.1在氣象業(yè)務(wù)中的使用高空風(fēng)的觀測(cè)主要應(yīng)用于所有尺度和所有緯度的業(yè)務(wù)氣象預(yù)報(bào)，也用于質(zhì)量場(chǎng)（溫度和相對(duì)濕度）的觀測(cè)。高空風(fēng)對(duì)保證飛機(jī)航行的安全和經(jīng)濟(jì)非常重要。高空風(fēng)測(cè)定的不準(zhǔn)確性是制約現(xiàn)代火炮準(zhǔn)確性的主要因素。因此也影響著軍事行動(dòng)的安全性。高空風(fēng)和風(fēng)的垂直切變測(cè)定是否準(zhǔn)確，將直接危及空中運(yùn)輸工具和其它類型火箭施放的成功。可靠的高空風(fēng)垂直切變數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境污染的預(yù)測(cè)十分重要。13.1.3.2

4、報(bào)告程序中的改進(jìn)高空風(fēng)通常以在各氣層中的平均值輸入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。各氣層的厚度依賴于同預(yù)報(bào)相關(guān)的大氣運(yùn)動(dòng)尺度，這些數(shù)據(jù)并非是必須在各標(biāo)準(zhǔn)氣壓或高度輸入的，但常需轉(zhuǎn)換至各標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度，就像把局地氣壓觀測(cè)值轉(zhuǎn)換成海平面氣壓。所以，在高空風(fēng)報(bào)告中準(zhǔn)確地表明風(fēng)在不同標(biāo)準(zhǔn)層之間的變化是很重要的。這就要進(jìn)行附加的轉(zhuǎn)換以確保各標(biāo)準(zhǔn)層報(bào)告的風(fēng)是準(zhǔn)確的。早些年，高空風(fēng)探測(cè)的處理采用手工操作或借助于小的計(jì)算器，因此要作出垂直風(fēng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)報(bào)告是不現(xiàn)實(shí)的。但是，價(jià)廉的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，保證了在與氣象業(yè)務(wù)和科學(xué)研究有關(guān)的詳細(xì)資料能夠得到及時(shí)處理和報(bào)告。高空風(fēng)報(bào)告必須具有足夠的信息，才能清楚地確定在質(zhì)量場(chǎng)內(nèi)跨越各氣層間

5、的界面上風(fēng)的垂直切變，例如穿過逆溫層的風(fēng)切變或是在一垂直層有明顯的風(fēng)切變伴隨相對(duì)濕度有大的變化，這些都應(yīng)盡可能的在報(bào)告中反映。當(dāng)高空風(fēng)使用FM-35-X Ext. TEMP（探空?qǐng)?bào)）碼或FM-32-1XPILOT（測(cè)風(fēng)報(bào)）碼（WMO，1995）報(bào)告時(shí)，在特性層間線性內(nèi)插，偏差最高可達(dá)5ms-1，具有這種擬合限的自動(dòng)算法所產(chǎn)生的誤差，要比觀測(cè)誤差大得多。有時(shí)編碼過程也會(huì)降低在第12章中所要求的準(zhǔn)確度。這種誤差可使用多種方法來避免。在TEMP和PILOT的電文中就使用3ms-1的擬合限風(fēng)速來取代5ms-1，在TEMP或PILOT發(fā)出前還要對(duì)高空風(fēng)的測(cè)量細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的目視檢查，把一些偏差在編輯過程中

6、刪除。使用適合的BUFR（二進(jìn)制碼），可以不必進(jìn)行通常必需的特性層的選擇。13.1.3.3準(zhǔn)確度要求第12章附錄12.A中提出了高空風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量值的準(zhǔn)確度要求。用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)矢量表示的高空風(fēng)測(cè)量值的性能誤差限在第12章附錄12.B表1中也有概略介紹。另外，風(fēng)向的系統(tǒng)誤差一定要控制得盡可能地小，要遠(yuǎn)小于5，特別是在高空風(fēng)較強(qiáng)處。事實(shí)上很多維護(hù)良好的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，可以提供標(biāo)準(zhǔn)矢量誤差的高空風(fēng)（2），在對(duì)流層低層中3ms-1，在對(duì)流層高層和平流層中56ms-1（Nash，1994）。第12章附錄12.B表1中提到了不同測(cè)點(diǎn)有可能遇到的風(fēng)速范圍。大部分的高空風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量范圍可達(dá)0100ms-1。但當(dāng)系統(tǒng)主要測(cè)量

7、低層風(fēng)時(shí)，便無需設(shè)計(jì)如此大的風(fēng)速范圍。高空風(fēng)的垂直分辨率在平流層為300400m，在對(duì)流層為600800m（第12章附錄12.B表1），更高的垂直分辨率（50150m）將對(duì)在大氣邊界層（從地面到2km）中的各種氣象業(yè)務(wù)都有應(yīng)用。但是，如果在提高分辨率有效益的情況下，跟蹤系統(tǒng)必須保證可以支持較高垂直分辨率測(cè)風(fēng)的準(zhǔn)確度。第12章附錄12A中提到的最嚴(yán)格的高空風(fēng)測(cè)量值的要求，是與中尺度大氣運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)相關(guān)聯(lián)的，另外，很高準(zhǔn)確度的高空風(fēng)觀測(cè)，常用于特殊的場(chǎng)合，例如火箭的發(fā)射。由于觀測(cè)時(shí)間表要求十分接近指定的時(shí)間和地點(diǎn)，因此要有一個(gè)十分認(rèn)真的觀測(cè)計(jì)劃和確保準(zhǔn)確度的詳細(xì)說明。以下的大氣變化特性在觀測(cè)中一定要

8、關(guān)注。在相同高度（以300m的垂直分辨率取樣）上進(jìn)行兩次無誤差的高空風(fēng)觀測(cè)的均方根矢量差，如果觀測(cè)在同一時(shí)間，而且水平距離小于5km，則通常會(huì)小于1.5ms-1，如果觀測(cè)在同一地點(diǎn)，但時(shí)間間隔小于10min，也應(yīng)記錄。13.1.3.4最大高度要求本章考慮的是用球載設(shè)備來觀測(cè)高空風(fēng)，在某些測(cè)點(diǎn)要求達(dá)到或超過35km，這已成為全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)的一部分。達(dá)到這樣測(cè)量高度的氣球比用小的氣球攜帶無線電探空測(cè)風(fēng)儀上升到20-25km要昂貴得多。理想的高空測(cè)風(fēng)站網(wǎng)，必須適合于在對(duì)流層和低層平流層中，從行星尺度到中尺度對(duì)所有運(yùn)動(dòng)尺度取樣。這種觀測(cè)站網(wǎng)也要求辨認(rèn)出明顯的小尺度的風(fēng)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的可使用高時(shí)間分辨率的

9、遙感系統(tǒng)。然而在平流層的中層和高層，為氣象業(yè)務(wù)需要觀測(cè)到的最多的運(yùn)動(dòng)尺度是較大的，主要是行星尺度和較大的天氣尺度。因此所有在國家觀測(cè)站網(wǎng)的觀測(cè)站點(diǎn)的間距，是對(duì)對(duì)流層觀測(cè)屬于最佳的，它的探測(cè)高度無須超過25km。如果本章描述的觀測(cè)系統(tǒng)和第編描述的測(cè)定系統(tǒng)協(xié)同使用，則所有運(yùn)作費(fèi)用將會(huì)降低。若是這樣，國家基礎(chǔ)技術(shù)設(shè)施必能為各使用中的系統(tǒng)提供足夠的維護(hù)。13.1.4測(cè)量方法高空風(fēng)測(cè)量主要采用無線電探空測(cè)風(fēng)技術(shù)，當(dāng)要求附加高空風(fēng)時(shí)，可以使用測(cè)風(fēng)氣球和無線電測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，而不必施放昂貴的探空儀。在全球觀測(cè)系統(tǒng)中，在陸地上高空站的補(bǔ)充觀測(cè)主要采用飛機(jī)、風(fēng)廓線儀和多普勒天氣雷達(dá)，在海上高空風(fēng)主要由民航飛機(jī)在巡航時(shí)

10、進(jìn)行，在輪船或遙遠(yuǎn)的島嶼上施放無線電探空測(cè)風(fēng)儀，以補(bǔ)充包括風(fēng)等要素的垂直廓線，也可通過地球靜止氣象衛(wèi)星的觀測(cè)來跟蹤云和水汽結(jié)構(gòu)。未來，通過星載激光雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)風(fēng)進(jìn)行測(cè)量，將使現(xiàn)有探測(cè)系統(tǒng)的全球覆蓋率有很大提高，聲雷達(dá)、激光雷達(dá)和風(fēng)箏風(fēng)速表也可用于特殊用途的高時(shí)間分辨率風(fēng)的測(cè)量，低成本的無人駕駛飛機(jī)技術(shù)正在發(fā)展用于氣象探測(cè)。用無線電探空測(cè)風(fēng)儀來觀測(cè)高空風(fēng)向、風(fēng)速，一般依賴觀測(cè)自由氣球的大致勻速上升運(yùn)動(dòng)或一個(gè)物體的自由下落，如帶降落傘的下投探空儀，由于測(cè)量的是大氣的水平運(yùn)動(dòng)，因此在觀測(cè)過程中，跟蹤的目標(biāo)不能有任何相對(duì)于大氣的明顯的水平運(yùn)動(dòng)。直接跟蹤系統(tǒng)必須提供的信息，應(yīng)包括目標(biāo)的高度，平面位置的測(cè)

11、量，或在已知時(shí)間間隔內(nèi)的水平速度。在第12章附錄12.A的準(zhǔn)確度要求中，包括給定的測(cè)風(fēng)中高度或氣壓產(chǎn)生的誤差對(duì)測(cè)風(fēng)準(zhǔn)確度產(chǎn)生的影響。一般的業(yè)務(wù)準(zhǔn)確度要求，用任何跟蹤方法均需假設(shè)氣球的上升速率，在邊界層以上的各個(gè)高度雖能達(dá)到，但寧可使用測(cè)量高度的無線電經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)或使用附在目標(biāo)上的無線電探空儀跟蹤系統(tǒng)。遙感測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量大氣的運(yùn)動(dòng)是通過獲取以下測(cè)量目標(biāo)的電磁波或聲波來實(shí)現(xiàn)的：水凝物、沙塵、氣溶膠或由小尺度大氣湍流或大氣分子本身產(chǎn)生的折射指數(shù)的不均勻性。本章所考慮的直接測(cè)風(fēng)所采用的目標(biāo)，其位置能被連續(xù)地跟蹤，雖然有大量的方法可用以跟蹤這些目標(biāo)，但這里只考慮廣泛使用的兩種典型方法。13.1.4.1用

12、定向天線跟蹤地面系統(tǒng)用定向天線測(cè)量方位角來跟蹤目標(biāo)，加上以下任何兩項(xiàng)參數(shù)：仰角、斜距和高度。用一次雷達(dá)跟蹤氣球攜帶的可反射的目標(biāo)來進(jìn)行測(cè)量，或使用無線電經(jīng)緯儀，或二次雷達(dá)跟蹤氣球攜帶的探空儀，或用光學(xué)經(jīng)緯儀來跟蹤氣球。雷達(dá)和無線電經(jīng)緯儀對(duì)仰角和方位角的跟蹤可以準(zhǔn)確到0.1，同時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距誤差一般應(yīng)小于30m。當(dāng)氣球的仰角超過1015時(shí)，無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)是最合適的高空風(fēng)測(cè)量方法。一部雷達(dá)要求技術(shù)熟練的人員進(jìn)行有成效的維護(hù)，同時(shí)初始資金投入較高。但是當(dāng)不需要用無線電探空儀測(cè)量時(shí)，一次雷達(dá)也可以采用價(jià)廉的無線電測(cè)風(fēng)，并確保在任何情況下的高空風(fēng)測(cè)量準(zhǔn)確度。當(dāng)有適合的制造廠時(shí)，二次雷達(dá)的確是可以選擇

13、的測(cè)量方法。但是在許多國家的實(shí)踐中，用此方法進(jìn)行的成功操作，需要很寬的氣象用無線電頻譜。在高空風(fēng)的測(cè)量中選擇使用一次雷達(dá)還是無線電經(jīng)緯儀，部分地受到觀測(cè)點(diǎn)所能達(dá)到的最大斜距的影響。一次雷達(dá)系統(tǒng)或?qū)Ш綔y(cè)風(fēng)（助航系統(tǒng)）在較長的斜距上準(zhǔn)確度很高。一次雷達(dá)測(cè)距也明顯地隨緯度的變化而改變，在赤道地區(qū)和極地地區(qū)70km合適，而在溫帶的一些緯度測(cè)距至少200km以上。表13.1表示在歐洲緯度5060N之間氣球高度為30km時(shí)，實(shí)際探測(cè)超過某一給定斜距的比例。表中給出的比例是全年的。但值得注意的是超出給定值的比例主要集中在冬季。表13.1 超過某些斜距（氣球在30km高度）出現(xiàn)的比率超過的斜距（km）1401

14、60175190出現(xiàn)的比率（%） 5 2 1 0.513.1.4.2使用無線電導(dǎo)航跟蹤把一個(gè)能接收無線電導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的無線電探空儀裝載至觀測(cè)目標(biāo)上（上升的氣球或系在降落傘上的下投探空儀）相位亦即多普勒頻移或無線電探空儀上收到無線電導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間，這兩種變化都可用于計(jì)算目標(biāo)的水平移動(dòng)。使用地基無線電信標(biāo)的方法，如奧米伽（甚低頻VLF）和羅蘭，在WMO（1985）中有介紹。從1995年在無線電探空儀生產(chǎn)商已提供帶有衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）的無線電探空儀（WMO，1994和Kaisti，1995），但是它們尚未達(dá)到必要的業(yè)務(wù)運(yùn)行可靠性。由于目前日常氣象運(yùn)作中的自動(dòng)化程度已經(jīng)相當(dāng)高，完全可以采用導(dǎo)航

15、測(cè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。因此在常規(guī)高空風(fēng)探測(cè)中，用導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤已越來越多地使用，導(dǎo)航地面設(shè)備的維護(hù)所要求的總量也很低。使用地區(qū)傳輸導(dǎo)航測(cè)風(fēng)的準(zhǔn)確度取決于幾何學(xué)、相位、穩(wěn)定性以及在指定位置無線電導(dǎo)航信號(hào)的信噪比。只要在其長距離飛行過程中，無線電探空儀接收到的導(dǎo)航信號(hào)和從無線電探空儀傳輸?shù)降孛嫣幚硐到y(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)是合適的，那么準(zhǔn)確度就不會(huì)有很大的改變。導(dǎo)航探空儀在剛剛施放后要接收可靠的導(dǎo)航信號(hào)常出現(xiàn)一些困難，這對(duì)奧米伽（VLF）系統(tǒng)的操作施加了明顯的限制，因?yàn)樵诳梢詼y(cè)出風(fēng)之前，需要有幾分鐘時(shí)間實(shí)現(xiàn)有效地跟蹤數(shù)據(jù)，因此，奧米伽系統(tǒng)無法滿足在邊界層中對(duì)準(zhǔn)確度的嚴(yán)格要求。如果高空風(fēng)非常強(qiáng)或地面系統(tǒng)接收到的來自無

16、線電探空儀的信號(hào)很弱時(shí)，導(dǎo)航測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量就會(huì)降低。在使用奧米伽（甚低頻）和羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)中，當(dāng)有雷電或帶電的冰云天氣時(shí)，無線電探空儀導(dǎo)航天線上常產(chǎn)生靜電荷，導(dǎo)致在飛行過程中遭遇長時(shí)間的信號(hào)丟失。這種無線電探空儀天線上的靜電，在正常放電后的飛行中仍有可能再現(xiàn)滿意的測(cè)量結(jié)果。13.2高空風(fēng)的傳感器和設(shè)備13.2.1光學(xué)經(jīng)緯儀當(dāng)無線電測(cè)風(fēng)方法費(fèi)用高而不能適應(yīng)時(shí)，可采用光學(xué)經(jīng)緯儀來跟蹤氣球。只要操作人員受過有效的培訓(xùn)并具有熟練技巧，當(dāng)氣球升達(dá)邊界層以上，高空風(fēng)測(cè)量的誤差不會(huì)迅速增加。氣球測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀的光學(xué)系統(tǒng)必須滿足無論望遠(yuǎn)鏡指向什么方向，目鏡的光軸始終保持水平的要求。三棱鏡比直角棱鏡好，因?yàn)榍罢呱杂形?/p>

17、移不會(huì)影響兩個(gè)部件光軸的垂直性。在望遠(yuǎn)鏡的目鏡焦點(diǎn)上，應(yīng)有十字線或標(biāo)線，望遠(yuǎn)鏡放大率應(yīng)為2025倍，視場(chǎng)不小于2。經(jīng)緯儀的底座要牢固，并應(yīng)能用手在方位圓和高度圓迅速轉(zhuǎn)動(dòng)或通過摩擦或蝸旋傳動(dòng)裝置緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)圓的刻度應(yīng)不大于1，并裝有游尺或手輪測(cè)微尺，允許角度讀數(shù)至0.05,并可能估計(jì)至0.01,標(biāo)尺的配置和照明使得白天和夜間都能讀數(shù)。度盤齒輪間的齒隙游移不應(yīng)超過0.025,水平和垂直的準(zhǔn)直誤差不應(yīng)超過0.1。為了便于追蹤快速移動(dòng)的氣球，經(jīng)緯儀應(yīng)能采用目視對(duì)準(zhǔn),而為了達(dá)到這一要求，經(jīng)緯儀上附有一個(gè)不小于8的寬視角的第二個(gè)望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)緯儀的底座設(shè)計(jì)成能固定在標(biāo)準(zhǔn)三角架或其它支架上，并能調(diào)整其水平。支

18、架還應(yīng)能根據(jù)觀測(cè)人員的身高來調(diào)整其高度。經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)要牢固并能防腐蝕。13.2.2無線電測(cè)風(fēng)系統(tǒng)概述測(cè)量云天的高空風(fēng)，最先由無線電測(cè)風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施，當(dāng)氣球升達(dá)30km以上時(shí)，該系統(tǒng)仍可在長距離內(nèi)保持高的測(cè)量準(zhǔn)確度。當(dāng)前采用這種系統(tǒng)主要是能最大限度地滿足現(xiàn)代高空風(fēng)測(cè)量的高準(zhǔn)確度要求。最現(xiàn)代化的無線電測(cè)風(fēng)系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化水平，已能消除在大多數(shù)測(cè)量過程中的操作人員的人為干擾，這是降低氣象業(yè)務(wù)成本的一個(gè)主要進(jìn)展。13.2.3無線電經(jīng)緯儀無線電經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)最適合于氣球在整個(gè)飛行過程中始終保持高仰角狀態(tài)。如果氣球的仰角在16以上，第12章中提及的高空風(fēng)測(cè)量的準(zhǔn)確度要求，用相對(duì)較小的跟蹤天線就可達(dá)到。隨著氣球仰

19、角的減小，用無線電經(jīng)緯儀即使是使用較大的跟蹤天線，測(cè)量誤差都會(huì)迅速升高（見13.5.3節(jié)）。如果高空風(fēng)持續(xù)很強(qiáng)，則使用無線電經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)想要達(dá)到第12章中提出的準(zhǔn)確度要求是極端困難的，除非用回答器提供斜距測(cè)量數(shù)據(jù)（見13.2.4.2節(jié)）。無線電經(jīng)緯儀通常跟蹤懸掛在探空球之下的無線電探空儀發(fā)射的電磁波。配置有無線電接收器的一個(gè)定向天線，采用適合的伺服系統(tǒng)，使之繞水平和垂直軸旋轉(zhuǎn)以確定最大信號(hào)強(qiáng)度。無線電經(jīng)緯儀使用的頻率是1680MHz。好的天線設(shè)計(jì)直徑應(yīng)為2m，旁瓣的靈敏度應(yīng)相對(duì)地低于主波束，這樣跟蹤角可以準(zhǔn)確到0.1，如何在這樣的情況下，當(dāng)直接從無線電探空儀接收到的信號(hào)與接收到的來自鄰近表面反射

20、的信號(hào)之間互不干涉的情況下，無線電經(jīng)緯儀就能跟蹤到仰角低至6到10。直接的信號(hào)和反射的信號(hào)之間的干涉稱為多路徑干涉，通常是在較低仰角下對(duì)無線電經(jīng)緯儀跟蹤能力的限制因素。有關(guān)無線電經(jīng)緯儀天線性能、探測(cè)系統(tǒng)、伺服控制和資料處理算法的詳細(xì)說明，應(yīng)在購置前從制造商那里獲悉?，F(xiàn)代便攜式無線電經(jīng)緯儀，其天線一般小于2m，當(dāng)仰角達(dá)到16時(shí)，就能遇到多路徑干涉問題。當(dāng)多路徑干涉出現(xiàn)時(shí)，一般就無法確定在氣球方向的最大信號(hào)，相應(yīng)的仰角誤差隨時(shí)間而變化，它起因于多路徑干涉情況的改變和無線電探空儀的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致大的系統(tǒng)性測(cè)風(fēng)誤差（大于10ms-1）。無線電經(jīng)緯儀跟蹤無線電探空儀時(shí)，觀測(cè)到的方位角和仰角就從無線電經(jīng)緯

21、儀輸送至地面計(jì)算機(jī)中，收到的探空儀測(cè)量結(jié)果給出相應(yīng)于觀測(cè)方向的位勢(shì)高度隨時(shí)間的變化，這樣氣球位置的變化率就可以推算出來。計(jì)算機(jī)則用列表或圖示的方式顯示出高空風(fēng)的測(cè)量結(jié)果。操作人員對(duì)風(fēng)在垂直方向的連續(xù)性進(jìn)行審核以防出現(xiàn)錯(cuò)誤的跟蹤，一旦操作人員對(duì)跟蹤過程滿意了，則一份合適的高空?qǐng)?bào)告即可提交給用戶了。氣球在剛施放不久，由于地面風(fēng)的作用有時(shí)使氣球方向產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)而飛回?zé)o線電經(jīng)緯儀的上方。當(dāng)這種狀況發(fā)生時(shí)，如果無線電經(jīng)緯儀正處于持續(xù)的準(zhǔn)確的自動(dòng)跟蹤之中，則能觀測(cè)到氣球的方位角和仰角的很高的掃描率，這就要求無線電經(jīng)緯儀的機(jī)械性能比在大多數(shù)氣球斜距較遠(yuǎn)時(shí)所需的更高、更好。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤同時(shí)減低所需的機(jī)械性能，

22、在一些現(xiàn)代化的無線電經(jīng)緯儀的設(shè)計(jì)中把干涉測(cè)量跟蹤作用結(jié)合在一起，在這些系統(tǒng)中，干涉儀對(duì)比所收到的來自跟蹤天線不同部位的相位信號(hào)，以確定傳輸源相對(duì)于天線方位的部位。實(shí)際上，當(dāng)一個(gè)簡(jiǎn)單的伺服器的天線定位趨近于氣球上的探空儀方向時(shí)，相位數(shù)據(jù)在微處理機(jī)中的取樣率就會(huì)很高，伺服器天線這種近似定位，為干涉儀提供了一個(gè)良好的信噪比，并把地面接收到的反射減至最小。于是由天線位置的組合來推算出仰角和方位角，而源的方向則通過干涉儀由相位測(cè)量結(jié)果進(jìn)行推算，該系統(tǒng)的觀測(cè)準(zhǔn)確度類似于較好的標(biāo)準(zhǔn)無線電經(jīng)緯儀。干涉測(cè)量無線電經(jīng)緯儀系統(tǒng)可望提供更可靠的服務(wù)，而且維護(hù)費(fèi)用也低。13.2.4雷達(dá)與無線電經(jīng)緯儀相比，雷達(dá)跟蹤技術(shù)的

23、最基本特征是：斜距同方位角和仰角一起直接測(cè)量。一次雷達(dá)基于探測(cè)接收由氣球攜帶的合適目標(biāo)反射的超短無線電脈沖波。使用可靠的一次雷達(dá)，幾乎在所有情況下都可以達(dá)到第12章中提及的高空風(fēng)測(cè)量的準(zhǔn)確度要求。用高準(zhǔn)確度的跟蹤雷達(dá)可以測(cè)得很高準(zhǔn)確度的高空風(fēng)。為了使測(cè)量準(zhǔn)確度好于1ms-1，一個(gè)重要的條件是寧可使用鍍金屬表面的氣球（非常昂貴）而不使用標(biāo)準(zhǔn)的探空氣球。用一次雷達(dá)測(cè)風(fēng)，并不一定非使用無線電探空儀不可，把耗費(fèi)在無線電探空儀的費(fèi)用減至最少是可能的，只要有技術(shù)支持設(shè)備，用以維護(hù)雷達(dá)和支付工作人員的費(fèi)用是很低的。但是在許多國家，當(dāng)與導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的費(fèi)用相比，更換和操作一次雷達(dá)的費(fèi)用甚高，這樣就導(dǎo)致了在日常氣

24、象業(yè)務(wù)中縮減使用一次雷達(dá)系統(tǒng)。大多數(shù)測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)由調(diào)制器，射頻振蕩器、測(cè)向天線系統(tǒng)、接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理單元組成，后者給地面系統(tǒng)計(jì)算機(jī)提供斜距、方位角和仰角。調(diào)制器產(chǎn)生很強(qiáng)的約1s時(shí)間的電壓尖脈沖，平均每秒鐘400-1000個(gè)脈沖。這些脈沖激勵(lì)一個(gè)磁控管，使它突然在超高頻段產(chǎn)生幾百千瓦功率的無線電脈沖，然后通過波導(dǎo)管把這一能量聚集到拋物面反光鏡的焦點(diǎn)上，當(dāng)拋物面天線正好指向氣球目標(biāo)時(shí)，脈沖被反射回同一天線系統(tǒng)，并由接收器轉(zhuǎn)換。從磁控管發(fā)射脈沖到從氣球目標(biāo)返回信號(hào)的接收之間的時(shí)間可以測(cè)得，經(jīng)對(duì)信號(hào)在電子檢測(cè)中延遲的補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換成到目標(biāo)的斜距。使用的波長有3.2、5.7和10.6cm，但大多數(shù)設(shè)備使用3

25、.2cm波長，因?yàn)樗褂幂^小的天線，仍能達(dá)到所要求的跟蹤準(zhǔn)確度，但是在大雨天氣下信號(hào)的衰減在3.2cm波長，因?yàn)樗仍?0.6cm大得多。大雨常見的地區(qū)，必須使用較長波長的雷達(dá)，以確保全天候長距離的觀測(cè)。13.2.4.1雷達(dá)反射靶上述波長的雷達(dá)，其最有效的反射靶形狀是角狀反射體，主要由三個(gè)互相垂直的導(dǎo)電平面組成。在一種設(shè)計(jì)中，頂平面是正方形，在飛行中保持水平。用于遠(yuǎn)距離的型號(hào)采用山墻形結(jié)構(gòu)，并具有使反射體轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，以避免發(fā)生反射體的“零位”點(diǎn)向著雷達(dá)的時(shí)間過長的可能性。目標(biāo)的重量和阻力應(yīng)使其在飛行中盡可能地減少，要求目標(biāo)可分折以便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。由角狀反射體截獲雷達(dá)光束中的能量，與反射體邊長的

26、平方成正比。普遍的雷達(dá)理論表明，雷達(dá)接收的能量與雷達(dá)傳播的能量之比率與反射體尺度的平方成正比，與從雷達(dá)至反射體的斜距的四次方成反比。所采用的反射體應(yīng)足夠大，以確保在預(yù)期的氣象狀況下能準(zhǔn)確地跟蹤至最遠(yuǎn)距離。在高空風(fēng)較弱時(shí)，可使用較小、較便宜的反射靶。角狀反射靶的性能在一定程度上取決于雷達(dá)的波長。短波雷達(dá)（3cm）可從給定的目標(biāo)反回較多的能量，屬于實(shí)際上的低耗能系統(tǒng)，但在雨中因受衰減，目標(biāo)會(huì)被湮沒，波長愈短愈嚴(yán)重。尺度0.5至1m的角狀反射靶在大多數(shù)場(chǎng)合均可應(yīng)用。這里，其尺度取成組成三角形的角狀反射靶的外邊的長度（斜邊），粘合在紙或聚苯乙烯上的金屬箔反射片，或具有篩孔的約0.5cm的鍍金屬纖維網(wǎng)，

27、或鍍金屬的聚酯薄膜均已成功地用于做成合適的傳導(dǎo)平面，這些平面應(yīng)是好的電導(dǎo)體。例如這些平面上距離相隔30cm的兩點(diǎn)間的電阻值低于20歐姆即可得到滿意的結(jié)果。在裝配反射靶時(shí)，其表面應(yīng)平坦，高差不應(yīng)超過0.6cm且各平面應(yīng)互相垂直，偏差要在1以內(nèi)。13.2.4.2發(fā)射機(jī)回答器系統(tǒng)在二次雷達(dá)系統(tǒng)中，由地面站發(fā)射的能量脈沖，為氣球上攜帶的回答器所接收，它既可以是一單獨(dú)的脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器組件，也可以設(shè)計(jì)成組合在無線電探空儀中。返回的信號(hào)頻率不一定要與發(fā)射時(shí)的一樣，所取得脈沖發(fā)射與回答器反應(yīng)之間的時(shí)間間隔可直接測(cè)量出斜距。這種技術(shù)比一次雷達(dá)的有利之處在于，對(duì)從地面發(fā)射機(jī)給定的功率輸出來說，它可以跟蹤更遠(yuǎn)的距離。這

28、是由于回答器所傳輸?shù)哪芰渴仟?dú)立的，通常都比收到的地面發(fā)射器發(fā)射的能量大，因而地面接收器接收的能量是回答器發(fā)射的能量與斜距的平方成反比，而不是像一次雷達(dá)那樣與斜距的四次方成反比。但是若在給定測(cè)點(diǎn)有大量的無線電測(cè)風(fēng)觀測(cè)而沒有同時(shí)進(jìn)行無線電探空儀觀測(cè)的要求，則二次雷達(dá)的業(yè)務(wù)耗費(fèi)高于一次雷達(dá)，此時(shí)選擇一次雷達(dá)更合適。該系統(tǒng)的復(fù)雜性和二次雷達(dá)的維護(hù)要求，通常介于無線電經(jīng)緯儀和一次雷達(dá)之間。13.2.5導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)由無線電探空儀和接收無線電導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的天線組成。此無線電導(dǎo)航系統(tǒng)由獨(dú)立于國家氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)以外的部門管理，該系統(tǒng)的主要目的是用于飛機(jī)或船舶的業(yè)務(wù)導(dǎo)航以及支持軍事目的的導(dǎo)航。目前使用的

29、測(cè)風(fēng)導(dǎo)航是奧米伽（Omega）和羅蘭（Loran）系統(tǒng)，采用地基發(fā)射器。使用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）是目前導(dǎo)航跟蹤發(fā)展的先進(jìn)水平。為了保持無線電探空儀處理信號(hào)的成本降至最低，從導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生結(jié)果的絕大部分處理工作是在無線電探空儀接收到導(dǎo)航信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)至地面系統(tǒng)后完成的。地面系統(tǒng)天線的位置必須在所有方向上對(duì)探空儀都應(yīng)具有高的視線，以求地面測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)自無線電探空儀的信號(hào)具有好的接收能力。無線電探空儀的頻率設(shè)計(jì)要確保在探空狀況下，不中斷地發(fā)向地面站的載頻。使用導(dǎo)航跟蹤的高空風(fēng)測(cè)量的準(zhǔn)確度隨地理位置和所用的導(dǎo)航信號(hào)的變化而變化，只要能提供足夠的可產(chǎn)生有用的導(dǎo)航信號(hào)，其測(cè)量準(zhǔn)確度就能達(dá)到類似于無線電經(jīng)緯

30、儀和雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是地面系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，它不包含可移動(dòng)的部分，不需要很準(zhǔn)確的跟蹤天線配置，使得該系統(tǒng)適合于在飛機(jī)，船舶以及地基站使用。在地基系統(tǒng)中，用無線電探空儀測(cè)量高空風(fēng)規(guī)定采用位勢(shì)高度，由地面系統(tǒng)處理導(dǎo)航測(cè)風(fēng)資料的時(shí)間標(biāo)記要與探空儀高度測(cè)量的時(shí)間標(biāo)記一致，這點(diǎn)很重要。13.2.5.1未來應(yīng)用導(dǎo)航信號(hào)的可行性導(dǎo)航信號(hào)的可應(yīng)用性一直有進(jìn)展，目前國際導(dǎo)航業(yè)務(wù)已主要采用環(huán)繞地球排列的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，這些發(fā)射信號(hào)已大量地取代由固定地面發(fā)射機(jī)信賴的信號(hào)。但是由于種種原因，一些國家仍堅(jiān)持使用地面導(dǎo)航系統(tǒng)作為地區(qū)或國家的導(dǎo)航網(wǎng)。導(dǎo)航權(quán)威當(dāng)局在考慮對(duì)選定的系統(tǒng)進(jìn)行長期投資前，

31、必須商討此類導(dǎo)航信號(hào)未來的可應(yīng)用性。使用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算高空風(fēng)比使用地面發(fā)射機(jī)的導(dǎo)航信號(hào)要復(fù)雜，因?yàn)樾l(wèi)星相對(duì)于無線電探空儀連續(xù)地運(yùn)動(dòng)，測(cè)風(fēng)系統(tǒng)必須能確定在任何時(shí)刻所接收的信號(hào)和衛(wèi)星的位置和移動(dòng)。GPS信號(hào)的頻率比奧米伽和羅蘭-C信號(hào)高得多，因此GPS信號(hào)在傳輸至地面接收器前，必須在無線電探空儀上先進(jìn)行高水平的預(yù)處理。從而GPS無線電探空儀要比至今所用的一般探空儀具有更高的處理能力。雖然如此，預(yù)期的GPS測(cè)風(fēng)結(jié)果的準(zhǔn)確度將相當(dāng)于或甚至超過好的一次雷達(dá)。13.2.5.2甚低頻（VLF）奧米伽導(dǎo)航網(wǎng)從1980年代初期起，在氣象業(yè)務(wù)和研究中，奧米伽導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的使用擴(kuò)大了，但業(yè)務(wù)人士指出，該系統(tǒng)可能

32、在今后的幾年內(nèi)將退出使用。俄羅斯阿爾法（Alpha）導(dǎo)航網(wǎng)同奧米伽系統(tǒng)使用同樣的頻率，還有有限數(shù)量的附加的正規(guī)的VLF傳輸裝置，它們具有足夠的穩(wěn)定性且可用以開發(fā)進(jìn)行測(cè)風(fēng)。因而隨著奧米伽系統(tǒng)關(guān)閉，在有些地區(qū)仍有可能使用VLF測(cè)風(fēng)。因此在確定可以使用其它的VLF信號(hào)的設(shè)備投資前，要先確信多年來每日進(jìn)行例行觀測(cè)的附加的VLF信號(hào)的可應(yīng)用性。奧米伽是一個(gè)由原子鐘控制的工作在甚低頻帶的8個(gè)發(fā)射機(jī)組成的網(wǎng)，該系統(tǒng)提供接近于全球覆蓋，但在很有限的地區(qū)（如南極部分地區(qū)）就沒有適于進(jìn)行定時(shí)準(zhǔn)確測(cè)風(fēng)的信號(hào)。每個(gè)站在0.91.2s內(nèi)陸續(xù)發(fā)射4個(gè)規(guī)定頻率10.2、11.05、11.33和13.6kHz的信號(hào)，并附有一

33、個(gè)賦予給定站的特征頻率。不會(huì)有任何兩個(gè)站在同一時(shí)刻發(fā)射同一頻率信號(hào)，同時(shí)任何一站也不會(huì)在同一時(shí)刻發(fā)射兩個(gè)頻率信號(hào)，此循環(huán)每10s重復(fù)一次。在選定的頻率（波長2230km），電離層與地面間起著波導(dǎo)作用。VLF和奧米伽發(fā)射機(jī)激發(fā)出多種方式的波傳播，它們的振幅和相速度隨電離層的高度、傳播的方向和離發(fā)射機(jī)的距離而變化。由于出現(xiàn)許多高階波傳播方式，在發(fā)射機(jī)約1000km內(nèi)信號(hào)相位難以預(yù)測(cè)和利用。在此距離以外，相位是距離的一個(gè)有用的線性函數(shù)。電離層高度具有日變化，這就使得在一給定位置上從一固定發(fā)射機(jī)接收到的相位產(chǎn)生變化，尤其是若日落或日出正出現(xiàn)在沿發(fā)射機(jī)至接收機(jī)的大部分傳輸路徑上。當(dāng)電離層受到X-射線和太

34、陽粒子通量的干擾時(shí)，出現(xiàn)偶而發(fā)生的信號(hào)傳播失常，與太陽黑子活動(dòng)11年周期末端相關(guān)連的問題也將頻繁出現(xiàn)。奧米伽信號(hào)為無線電探空儀的奧米伽天線接收后，可用于調(diào)制無線電探空儀的載波頻率，奧米伽信號(hào)由無線電探空儀接收器接收后就從載波中分離出來，并饋入地面系統(tǒng)中的奧米伽跟蹤器。在奧米伽跟蹤器中，模擬濾波必須先于相位探測(cè)，以便限制其進(jìn)入寬帶并削減噪音的高振幅峰值。由于濾波線路在受到高能干擾（如由閃電引發(fā)）產(chǎn)生振蕩，此時(shí)輔助的數(shù)字濾波就顯得很必要了。相位檢測(cè)器可運(yùn)用付立葉變換和交叉相關(guān)技術(shù)。由無線電探空儀接收的奧米伽信號(hào)的相位變化率，用相對(duì)于一個(gè)內(nèi)部參考信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)雙曲線計(jì)算時(shí)，要求參考信號(hào)只需

35、具有中等穩(wěn)定性、高質(zhì)量的晶體振蕩器就比較滿意。13.2.5.3羅蘭-C鏈羅蘭-C是一個(gè)準(zhǔn)確度相對(duì)高的遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，工作在中心頻率為100kHz（波長3km）的低頻帶。它主要用于海上導(dǎo)航，特別是在海岸和大陸架地區(qū)，羅蘭-C只覆蓋世界上某些部分，主要在北半球的海洋區(qū)域。近些年北美海岸線以外的大多數(shù)發(fā)射機(jī)的所有權(quán)已易主或站點(diǎn)已關(guān)閉。有些新的所有權(quán)主重新裝備一些鏈以構(gòu)建區(qū)域海洋導(dǎo)航網(wǎng)。在北美，2000年前還許諾羅蘭-C維持正常運(yùn)行，但此鏈的前景并不明朗。羅蘭-C依次發(fā)射8個(gè)或9個(gè)100kHz的脈沖載波組，每個(gè)約維時(shí)150s。每一發(fā)射機(jī)鏈由一個(gè)主站和兩個(gè)或兩個(gè)以上副站組成。基本上是以主發(fā)射為標(biāo)準(zhǔn)來建立鏈

36、的聯(lián)接，每個(gè)副站在主站發(fā)射之后，以固定間隔發(fā)射其脈沖組，其發(fā)射率對(duì)給定鏈?zhǔn)且?guī)定的，典型的發(fā)射率是每100毫秒一次。羅蘭-C信號(hào)傳播，包括地波和由電離層反射的天波兩種。地波在傳播過程中比奧米伽信號(hào)穩(wěn)定得多，只有一個(gè)很小的相位修正。此修正決定于信號(hào)傳播時(shí)是否經(jīng)過陸地或海洋。當(dāng)無線電探空儀的位置改變時(shí)，相位修正有變化，但這種變化通常不會(huì)大到足以影響測(cè)風(fēng)的準(zhǔn)確度。由于天波的傳播依賴于電離層的位置，因而它會(huì)隨一天的時(shí)間的變化而發(fā)生較大的變化。地波信號(hào)來自發(fā)射機(jī)，比天波要強(qiáng)得多，但天波的衰減卻遠(yuǎn)比地波小得多。因此對(duì)羅蘭-C測(cè)風(fēng)來說，其最佳狀態(tài)相應(yīng)于無線電探空儀接收來自所有發(fā)射機(jī)的信號(hào)均以地波為主。這種情況

37、可通過羅蘭-C的服務(wù)區(qū)中的一部分地區(qū)來實(shí)現(xiàn)，但并非在理論覆蓋范圍內(nèi)所有部位。在最佳狀態(tài)下，羅蘭-C測(cè)風(fēng)系統(tǒng)比奧米伽系統(tǒng)有更高的準(zhǔn)確度和垂直分辨率。與奧米伽無線電探定儀類似，羅蘭-C無線電探空儀通過其專用的天線接收信號(hào)，然后調(diào)制無線電探空儀的載頻，以便把信號(hào)傳輸?shù)綗o線電探空儀的接收器。用來檢測(cè)羅蘭脈沖到達(dá)時(shí)間的羅蘭跟蹤器，能在一定程度上區(qū)分地波和天波信號(hào)，這是通過檢測(cè)脈沖的前鋒部分的到達(dá)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代羅蘭跟蹤器可在交叉鏈模式中進(jìn)行操作，所以來自多個(gè)羅蘭鏈的信號(hào)可以一起使用。在羅蘭-C服務(wù)區(qū)的許多部分，這種設(shè)備是獲取高質(zhì)量的測(cè)風(fēng)的重要因素。風(fēng)是從成對(duì)羅蘭-C的到達(dá)時(shí)間差的變率來計(jì)算的，計(jì)算使用

38、所有可能的可靠的信號(hào)比使用最少三個(gè)信號(hào)為好。羅蘭-C測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在北美和歐洲的氣象研究中應(yīng)用廣泛，在西北歐還用于氣象業(yè)務(wù)。羅蘭-C鏈結(jié)構(gòu)的變化，像發(fā)射器系統(tǒng)更新，已使羅蘭-C跟蹤器在業(yè)務(wù)上的需求更為突出，為適應(yīng)新鏈的結(jié)構(gòu)主要是軟件調(diào)整而不是硬件變化。13.2.5.4全球定位系統(tǒng)（GPS）全球定位系統(tǒng)（GPS）是高準(zhǔn)確度的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它基于25個(gè)在6個(gè)軌道平面上圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星群發(fā)射的無線電信號(hào)。每一軌道平面與赤道相交60，對(duì)極軸傾斜55，每顆衛(wèi)星繞行軌道的時(shí)間約為11小時(shí)58分。這些衛(wèi)星在世界范圍內(nèi)的任一位置，任何時(shí)刻，在地平線上方至少可以見到4顆，而在某些地區(qū)從地面甚至可以見到多達(dá)8顆。從

39、衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)是由原子頻率標(biāo)準(zhǔn)控制的，可以提供頻率穩(wěn)定度好于。每一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送兩個(gè)惟一的為隨機(jī)數(shù)字距離碼，其它信息包括日歷、星歷表、世界協(xié)調(diào)時(shí)以及衛(wèi)星的性能。距離代碼和系統(tǒng)資料的傳送采用雙相數(shù)字頻譜技術(shù)，距離碼信號(hào)的功率電平是-130毫分貝（dBm），遠(yuǎn)低于熱背景噪聲。下列這些碼應(yīng)作考慮：（a）用1575.42兆赫（MHz）傳輸粗獲取碼（C/A）。此碼由衛(wèi)星特有的偽隨機(jī)噪聲碼調(diào)制，定頻為1.023MHz，有效調(diào)制的粗獲取碼（C/A）傳輸?shù)念l譜帶寬為2MHz。（b）精碼（p），該碼在反電子欺騙（AS）活躍時(shí)，可以由軍用碼（y）代替。P代碼及其系統(tǒng)資料由載波L1（1575MHz）和L2（1228MH

40、z）傳輸。全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)的波長比奧米伽和羅蘭系統(tǒng)短得多，用來接收GPS信號(hào)的天線小得多。應(yīng)將天線安裝在無線電探空儀的頂端，且面向地平線的所有方向上都不能有障阻物。這種小天線比奧米伽和羅蘭系統(tǒng)的天線能更好地防止大氣電的破壞作用。但是GPS天線在無線電探空儀上的安裝位置有可能與溫度傳感器發(fā)生沖突，因?yàn)闇囟葌鞲衅饕残枰惭b在無線電探空儀的頂部（這是為了避免在白天，由于無線電探空儀上部受輻射加熱，若溫度傳感器不安裝在無線探空儀的頂部，則受熱空氣會(huì)流過溫度傳感器，使測(cè)溫受影響）。距離碼的帶寬，對(duì)于GPS信號(hào)從無線電探空儀按奧米伽和羅蘭信號(hào)所用的方式傳回地面站來說顯得太寬了。GPS信號(hào)需要在無

41、線電探空儀中進(jìn)行預(yù)處理，減少信號(hào)的GPS信息，以便可以用無線電探空儀的載頻向地面站傳送（可以作為模擬信息，如用于奧米伽和羅蘭系統(tǒng)，或者作為數(shù)字化數(shù)據(jù)流）。此預(yù)處理可以由正在發(fā)展的多種技術(shù)來完成。高質(zhì)量的無線電探空儀GPS處理器在大批量生產(chǎn)后，價(jià)格會(huì)比較低廉。第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的無線電探空儀GPS系統(tǒng)采用的是差分型C/A碼，它要求地面站和無線電探空儀的接收器同時(shí)接收GPS信號(hào)。衛(wèi)星日歷和其它的GPS信息，儲(chǔ)存在地面站的GPS處理器中，準(zhǔn)確的風(fēng)計(jì)算要求其信號(hào)來自最少4顆衛(wèi)星。在差分型中，相位或在無線電探空儀上接收的信號(hào)的多普勒頻移，將與地面站收到的那些信號(hào)參照。這對(duì)于無線電探空儀與地面站接近時(shí)是特別有

42、益的，因?yàn)橛蓮目臻g飛行器至接收器傳播的延遲或AS（反電子欺騙）引起的定位誤差對(duì)兩種接收器是相似的，可以在相當(dāng)大的程度上相抵消。GPS跟蹤系統(tǒng)與奧米伽和羅蘭系統(tǒng)相比，能以很高的取樣率準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)。因此有可能測(cè)得無線電探空儀在氣球下像鐘擺一樣作周期約10s的擺動(dòng)，所引起的視水平速度的變換。除了在大氣邊界層，我們對(duì)高空風(fēng)不需要有很高的垂直分辨率（50m），而且在發(fā)出高空風(fēng)報(bào)告前，我們可以成功地過濾掉這種擺動(dòng)的干擾。早期的GPS無線電探空儀樣機(jī)，易受外界的無線電頻率的干擾，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的無線電探空儀導(dǎo)航設(shè)備的接收器的靈敏度，設(shè)計(jì)成能接收到很弱的全球定位信號(hào)。將來隨著其它用戶數(shù)量的不斷增加，無線電探空

43、儀將不得不分享無線電頻譜。因此防止外界無線電頻率干擾是十分重要的，這將有賴于無線電探空儀設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。隨著無線電探空儀的大量生產(chǎn)，GPS無線電探空儀在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和局限性將會(huì)明顯地表現(xiàn)出來。希望GPS無線電探空儀在使用中能夠獲得證實(shí)：與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相比，它的操作更加簡(jiǎn)單，在大多數(shù)情況下，它是更準(zhǔn)確的觀測(cè)方法。13.3測(cè)量方法13.3.1數(shù)據(jù)處理概論現(xiàn)代跟蹤傳感器在1分鐘內(nèi)讀取的信息要比早期通常使用的手工操作系統(tǒng)多得多。風(fēng)的處理正常地將全自動(dòng)地使用與此關(guān)聯(lián)的地面系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。高空風(fēng)測(cè)量完成后，操作人員要先進(jìn)行顯示和檢驗(yàn)，然后將信息分發(fā)用戶。因此，跟蹤數(shù)據(jù)的取樣最好在10s或以下間隔一次。從跟蹤

44、系統(tǒng)考慮，最高取樣率是很有用的，高取樣率使跟蹤系統(tǒng)易于用自動(dòng)算法控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。編輯之后，跟蹤數(shù)據(jù)仍要用統(tǒng)計(jì)方法平滑，若有需要，就可決定跟蹤數(shù)據(jù)的位置隨時(shí)間的變化。所應(yīng)用的平滑作用可決定測(cè)量高空風(fēng)的大氣層厚度?？紤]到用戶的不同要求和所使用的高空風(fēng)系統(tǒng)的跟蹤限制，平滑過程常按氣球不同的飛行部分加以改變。若在較高層次的測(cè)量準(zhǔn)確度降得太低，則測(cè)量的垂直分辨率就不得不減至低于最佳要求，以保持測(cè)風(fēng)誤差在允許的限值以內(nèi)。編輯和平滑數(shù)據(jù)的有效算法可采用低階多項(xiàng)式（Acheson, 1970）或立方樣條函數(shù)（de Boor,1978）。用雷達(dá)和無線電經(jīng)緯儀觀測(cè)計(jì)算風(fēng)的算法可參考WMO（1986）。總之，既可以根

45、據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)從導(dǎo)出的差分定位得出風(fēng)，也可以由跟蹤系統(tǒng)平滑技術(shù)變量的轉(zhuǎn)變率得出風(fēng)（Passi,1978）。許多現(xiàn)代系統(tǒng)采用后一種方法，但是此算法必須能對(duì)付一些奇異的技術(shù)變量，例如當(dāng)氣球飛回又經(jīng)過跟蹤點(diǎn)的高仰角時(shí)，也應(yīng)能用此法處理。當(dāng)對(duì)由跟蹤數(shù)據(jù)計(jì)算得出的風(fēng)進(jìn)行顯示以供檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)指出哪些跟蹤數(shù)據(jù)缺失或判斷為噪聲太大無法使用的氣球飛行區(qū)是十分重要的。當(dāng)跟蹤數(shù)據(jù)有間隙時(shí)，使用的有些算法在作內(nèi)插時(shí)就不十分穩(wěn)定了。當(dāng)跟蹤數(shù)據(jù)缺失時(shí)，區(qū)分可靠的風(fēng)的垂直切變測(cè)量和在自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理過程中人為造成的切變很重要。當(dāng)氣球剛開始上升時(shí)，跟蹤數(shù)據(jù)的質(zhì)量一般比較差，如果該高空風(fēng)系統(tǒng)不能在氣球施放后立即對(duì)它進(jìn)行有效的測(cè)量時(shí)，則

46、寧可在其后的報(bào)告留下空缺直至有效的跟蹤數(shù)據(jù)獲得時(shí)。這是因?yàn)樵诘乇砼c最初幾層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)插，常要求具有所通過明顯的風(fēng)的垂直切變各層的插值，而在這種情況下自動(dòng)算法不具有相應(yīng)的功能。這就表明，為了確保高空風(fēng)系統(tǒng)的觀測(cè)質(zhì)量，應(yīng)采用多種跟蹤方法，在這種情況下，通過對(duì)非線性方程組的超定系統(tǒng)應(yīng)用最小二乘法，應(yīng)能得到定位信息的最佳解（Lange,1988, Passi,1978）。這種分析方式也能應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)氣球進(jìn)行跟蹤的測(cè)試分析。13.3.2測(cè)風(fēng)氣球的觀測(cè)為了觀測(cè)運(yùn)動(dòng)著的氣球的方位角和仰角，重要的是首先將光學(xué)經(jīng)緯儀準(zhǔn)確地調(diào)整水平，并按照正北校準(zhǔn)方位。方位角和仰角的讀數(shù)至少每分鐘一次，方位角要讀到

47、0.1，當(dāng)仰角等于或小于20而大于15時(shí)，要讀到0.05，但當(dāng)仰角等于及小于15時(shí)，則要讀到0.01。記時(shí)用停表或用在規(guī)定時(shí)間間隔響鈴的信號(hào)鐘。當(dāng)用光學(xué)經(jīng)緯線儀跟蹤無線電探空儀時(shí)，當(dāng)仰角較低時(shí)，高空風(fēng)測(cè)量的準(zhǔn)確度較高。因而當(dāng)仰角大于20時(shí)，應(yīng)讀到0.1，當(dāng)仰角等于或小于20而大于15時(shí)，要讀到0.05，但當(dāng)仰角等于及小于15時(shí)，則要讀到0.01。記時(shí)用停表或用在規(guī)定時(shí)間間隔響鈴的信號(hào)鐘。用單經(jīng)緯儀觀測(cè)氣球上升，風(fēng)向和風(fēng)速值采用三角法計(jì)算氣球每分鐘的平面位置的變化，用袖珍計(jì)算器即可很好地達(dá)到要求。當(dāng)要求準(zhǔn)確度較高時(shí)，應(yīng)采用雙經(jīng)緯儀方法。兩臺(tái)經(jīng)緯儀之間的基線距離至少2km長，方向最好和當(dāng)時(shí)的盛行風(fēng)

48、向垂直，若兩個(gè)跟蹤點(diǎn)在同一高度，則計(jì)算就可簡(jiǎn)化，兩點(diǎn)間用無線電或地線通訊，有利于在兩點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)同步觀測(cè)，觀測(cè)的同步對(duì)達(dá)到高準(zhǔn)確度十分重要，具有電子記錄的記錄式經(jīng)緯儀有助于改善測(cè)量準(zhǔn)確度。多經(jīng)緯儀跟蹤可用于相互檢驗(yàn)，所有多重跟蹤數(shù)據(jù)提供了多重性，可用于改善測(cè)量準(zhǔn)確度，但卻增加了復(fù)雜性，相應(yīng)的計(jì)算必須由個(gè)人電腦來完成（Lange，1988和Possi，1978）13.3.2使用定向天線觀測(cè)使用定向天線的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，要求在安裝和維護(hù)過程中都非常小心，所做的每一項(xiàng)努力都是為了確保仰角和方位角測(cè)量的準(zhǔn)確度。為此要求安裝準(zhǔn)確水平并細(xì)心維護(hù)以確保天線的電子軸的方向盡可能地接近機(jī)械軸。這可以用各種方法進(jìn)行檢驗(yàn)，比

49、如檢驗(yàn)本地傳輸器的定位或已知定位的目標(biāo)。近年來在許多高空觀測(cè)站，由于方位角不準(zhǔn)在測(cè)風(fēng)中引起了附加誤差。一次雷達(dá)的斜距校準(zhǔn)可以用已知目標(biāo)物進(jìn)行檢驗(yàn)，條件是必須存有合適的目標(biāo)物。通常雷達(dá)的跟蹤能力可以用與它同時(shí)施放的無線電探空儀的位勢(shì)高度來比較檢驗(yàn)，由跟蹤誤差引起的雷達(dá)高度測(cè)量的修正將在13.7節(jié)中討論，其原因是大氣的折射。在高度達(dá)到約24km處，雷達(dá)測(cè)量的高度與無線電探空儀的位勢(shì)高度的比較可用于鑒別雷達(dá)的跟蹤能力是否沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而如果已知雷達(dá)的斜距測(cè)量可靠，通過比較雷達(dá)高度和無線電探空儀高度，作為仰角的余切函數(shù)，可以鑒別出很小的雷達(dá)仰角的系統(tǒng)偏差。對(duì)廣泛使用的無線電探空儀來說，它的位勢(shì)高度的

50、典型誤差值，已由WMO（1987）確定。當(dāng)在很近距離內(nèi)跟蹤目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)和無線電經(jīng)緯儀都會(huì)遇到困難。這是因?yàn)樘炀€的旁瓣接收信號(hào)強(qiáng)度很高。它足以使自動(dòng)跟蹤在短距離范圍內(nèi)持續(xù)有效。但是用的是旁瓣跟蹤，接收的信號(hào)強(qiáng)度在幾分鐘內(nèi)就迅速減弱了，致使目標(biāo)很明顯地消失。如若目標(biāo)丟失，又值施放點(diǎn)云很低或下雨或出現(xiàn)霧，有些系統(tǒng)就很難再找回目標(biāo)。因此，必須找到一種方法用以檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在施放之初，就位于主瓣的中心。這種檢驗(yàn)應(yīng)由操作人員采用瞄準(zhǔn)孔、望遠(yuǎn)鏡或?qū)?zhǔn)天線軸的攝像機(jī)來實(shí)施。這種跟蹤校準(zhǔn)對(duì)用干涉測(cè)量的無線電經(jīng)緯儀來說是較難檢驗(yàn)的，因?yàn)闊o線電經(jīng)緯儀的機(jī)械跟蹤并不配有觀測(cè)與氣球移行方向完全一致的設(shè)備。13.3.4使用無線

51、電導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)以下內(nèi)容應(yīng)用于地基導(dǎo)航系統(tǒng)，地基導(dǎo)航系統(tǒng)仍是目前僅有的完全的導(dǎo)航測(cè)風(fēng)務(wù)系統(tǒng)，但同樣的原理也應(yīng)用于當(dāng)前正在發(fā)展的衛(wèi)星地基GPS系統(tǒng)為了得出滿意的高空風(fēng)測(cè)量，無線電探空儀必須從至少三個(gè)站接收信號(hào)，這些信號(hào)在接收的時(shí)間上的差，當(dāng)其中從兩點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)能前后相一致時(shí)，就可以找到一條定位線或軌跡（WMO，1985）。其在平面上具有雙曲線形狀（但在球面上變?yōu)橐粰E圓）。因此采用此技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)也稱為雙曲系統(tǒng)。兩條定位交叉線就足以確定目標(biāo)物的平面位置。但是如果兩條定位線在相交時(shí)趨于平行，則這兩個(gè)信號(hào)在接收的到達(dá)時(shí)間上有小的誤差，就會(huì)造成在確定位置時(shí)出現(xiàn)較大誤差。使用高空測(cè)風(fēng)導(dǎo)航系統(tǒng)，已鮮明地證實(shí)

52、，所有給定類型的導(dǎo)航信號(hào)（通常至少4、5個(gè)）都應(yīng)能用以提高跟蹤的可靠性。一種用于開發(fā)所有導(dǎo)航信號(hào)應(yīng)用性的算法，Karhunen（1983）已作了概述。如果在一給定點(diǎn)只有三個(gè)信號(hào)可用，則購置該導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)用于研究目的當(dāng)可接受，而用它來進(jìn)行不間斷的氣象業(yè)務(wù)，當(dāng)屬極端冒險(xiǎn)性。大多數(shù)發(fā)射機(jī)在一年內(nèi)總要關(guān)閉進(jìn)行維修，此時(shí)就不可能進(jìn)行高空風(fēng)測(cè)量。用于導(dǎo)航測(cè)風(fēng)處理的計(jì)算機(jī)軟件必定是復(fù)雜的且足以處理可能出現(xiàn)的各種異常導(dǎo)航信號(hào)（Lange，1983，Olson，1979）.當(dāng)使用導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行高空風(fēng)測(cè)量時(shí)，地面系統(tǒng)導(dǎo)航跟蹤器必須在氣球施放前準(zhǔn)確地與導(dǎo)航發(fā)射器同步。通常通過與地面系統(tǒng)接收器連接的當(dāng)?shù)靥炀€所接收的

53、信號(hào)來達(dá)到同步性要求。為了達(dá)到同步性要求，這種天線應(yīng)具有在該點(diǎn)所經(jīng)歷的任何天氣狀況下接收足夠信號(hào)的功能。地面系統(tǒng)也必須在無線電探空儀施放前和飛行中，向操作人員提供明確的指示：哪些是可供使用的導(dǎo)航測(cè)風(fēng)信號(hào)。一旦施放，導(dǎo)航測(cè)風(fēng)系統(tǒng)即行高度自動(dòng)化地工作。根據(jù)接收的導(dǎo)航信號(hào)的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，來估計(jì)期待測(cè)測(cè)量誤差，對(duì)操作人員來說是很有用的。在飛行過程中，操作人員必須能辨別那些接收器或發(fā)射器特性低于標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)要求的有問題的無線電探空儀。此類觀測(cè)要被扣下，必要時(shí)應(yīng)重新再施放。13.4 地面設(shè)備的安裝無線電經(jīng)緯儀和雷達(dá)都應(yīng)置于較高的地面上，水平方向盡可能無障礙物，不應(yīng)有從測(cè)點(diǎn)看去視角超過6的障礙物。理想的地點(diǎn)應(yīng)是一

54、個(gè)勻稱的小山，有距離400米向下約6的斜坡，周圍小山高出的仰角在12，它將消除很短距離以外的地面回波。必須為跟蹤系統(tǒng)提供一堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，把此設(shè)備牢固地固定在其上。對(duì)成功的導(dǎo)航測(cè)量來說，由本地導(dǎo)航天線和無線電探空儀的地面系統(tǒng)天線高質(zhì)量地接收信號(hào)是最基本的，這些天線安裝在高空站點(diǎn)上，該處有一個(gè)良好的水平面，以便于在各個(gè)方向接收信號(hào)。高空風(fēng)測(cè)量通常與地面風(fēng)測(cè)量一起報(bào)告，盡量在接近氣球施放點(diǎn)處測(cè)量地面風(fēng)。施放點(diǎn)應(yīng)選擇在適合于進(jìn)行高空風(fēng)測(cè)量要求的場(chǎng)所，若要求高空風(fēng)測(cè)量能檢測(cè)局地效應(yīng)影響的氣流場(chǎng)，則最佳的位置應(yīng)不同于要求觀測(cè)較大區(qū)域的中尺度和天氣尺度運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的高空站點(diǎn)。13.5誤差源13.5.1概述高空風(fēng)測(cè)

55、量的誤差是由對(duì)目標(biāo)水平運(yùn)動(dòng)的不完全跟蹤引起的誤差，對(duì)目標(biāo)高度確定的誤差和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際大氣運(yùn)動(dòng)之間的差異的合成誤差。13.5.1.1目標(biāo)跟蹤誤差風(fēng)的誤差與跟蹤誤差之間的關(guān)系，隨觀測(cè)方法而異，對(duì)于一些系統(tǒng)，如無線電經(jīng)緯儀，風(fēng)的誤差明顯地隨距離，方位角和仰角而變化，即使這些跟蹤參數(shù)的誤差保持隨時(shí)間不變也是如此。相反，對(duì)于導(dǎo)航跟蹤系統(tǒng)，風(fēng)的誤差幾乎不受氣球離施放點(diǎn)的距離或高度變化的影響。由于風(fēng)的手工計(jì)算產(chǎn)生的不確定性已在WMO（1975）中作了評(píng)述，其結(jié)論是用手工方法計(jì)算高空風(fēng)（如繪圖盤，計(jì)算尺等）引起明顯誤的危險(xiǎn)太大，因而高空風(fēng)計(jì)算的自動(dòng)化越早越好。所有高空風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)刻在變化，這種變化

56、可能出現(xiàn)在給定目標(biāo)飛行的一小段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)跟蹤暫時(shí)衰變，或在整個(gè)飛行過程中衰變，例如從導(dǎo)航無線電探空儀傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤。在有些地方，高空風(fēng)跟蹤準(zhǔn)確度在幾個(gè)月內(nèi)可隨時(shí)間逐漸降低，它起因于跟蹤能力的不穩(wěn)定性或者地面系統(tǒng)設(shè)立的不穩(wěn)定性。在所有情形中，若能把高空風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行的準(zhǔn)確度估計(jì)，補(bǔ)充到高空風(fēng)觀測(cè)報(bào)告中，這將是非常有用的。報(bào)告的誤差可用來鑒別出質(zhì)量低下的測(cè)量，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，可對(duì)其少給予權(quán)重。在實(shí)際工作中，誤差的報(bào)告可使用TEMP或PILT碼和BUFR表（WMO,1995）。當(dāng)目標(biāo)跟蹤中的誤差在給定的垂直分辯率下開始導(dǎo)致不可接受的測(cè)風(fēng)誤差時(shí)，這種情況通常要用在較低垂直分辨率下對(duì)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算予以

57、補(bǔ)償。在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，在垂直方向高空風(fēng)的變化不是很快，常常難以發(fā)現(xiàn)在150m高空風(fēng)測(cè)量的垂直分辨率同在1.2km測(cè)量得到的垂直分辯率有什么大的差異。奧米伽測(cè)風(fēng)系統(tǒng)使用的就是1.2km的垂直分辨率，與第12章的要求相比，這個(gè)分辨率低于理想值，但是，奧米伽測(cè)風(fēng)系統(tǒng)仍被認(rèn)為是可接受的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。然而當(dāng)垂直風(fēng)切變的測(cè)量作為主要的準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，這種系統(tǒng)就不能適用了。采用逐步降低高空風(fēng)在對(duì)流層高層和平流層低層的垂直分辨率，是克服無線電經(jīng)緯儀跟蹤局限性主要采取的做法。這種做法在實(shí)際觀測(cè)的大氣垂直結(jié)構(gòu)中并未獲得證實(shí)。而在急流的上層10到18km之間發(fā)現(xiàn)許多大的垂直風(fēng)切變（參見在Nash ,1994中介紹的詳細(xì)垂直風(fēng)廓線的例子）。13.5.1.2高度確定的誤差高度確定的誤差通常并不顯著，除非在假設(shè)氣球上升速率和由飛行時(shí)間導(dǎo)出的高度的場(chǎng)合。然而，在檢驗(yàn)全自動(dòng)高空風(fēng)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)?？梢员┞冻鲞@樣的矛盾現(xiàn)象，確定的測(cè)風(fēng)時(shí)間與相聯(lián)系的無線電探空儀確定的時(shí)間并不一致。在有些情況下，風(fēng)的計(jì)時(shí)并沒有同無線電探空儀在同一時(shí)間開始，另一些情況下，同步性由于某些原因而在飛行過程中丟失了。在幾個(gè)其它系統(tǒng)中，對(duì)報(bào)告的風(fēng)所確定的時(shí)間，不是對(duì)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算相應(yīng)的取樣數(shù)據(jù)，而是取樣開始或結(jié)束時(shí)的數(shù)據(jù)。所有類型的計(jì)時(shí)誤差都會(huì)造成測(cè)定確定高度的大的誤差，因此在可靠的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中對(duì)于這些