閔昌紅 周和平

摘 要：L波段雷達(dá)即GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)，與GTS1型數(shù)字探空儀構(gòu)成新一代高空氣象探測系統(tǒng)。L波段雷達(dá)于2003年1月在貴陽正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，是全國120個常規(guī)高空探測站最早建設(shè)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的5個臺站之一。2011年8月，該系統(tǒng)完成大修。本文依據(jù)《GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)大修標(biāo)準(zhǔn)（初稿）》 及中國氣象局《2010年GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)大修試點實施方案大修標(biāo)準(zhǔn)（初稿）對L波段高空氣象探測雷達(dá)大修技術(shù)工作進(jìn)行總結(jié)，以期為后繼業(yè)務(wù)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：GFE（L）1型雷達(dá)；大修；探測環(huán)境；評估

高空氣象探測是天氣預(yù)報、氣候分析和各種大氣遙感儀器校驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。我國常規(guī)高空觀測近十余來來取得飛速發(fā)展。

目前，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)-GTS1型數(shù)字探空系統(tǒng)（即L波段高空探測系統(tǒng)）已經(jīng)成為我國常規(guī)高空探測的主導(dǎo)體制。該系統(tǒng)依據(jù)中國氣象局《氣象探測系統(tǒng)高空氣象探測系統(tǒng)和地面氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1991—2020）》列為大氣監(jiān)控自動化系統(tǒng)工程一期工程被列為國家重點投資建設(shè)項目[ 1 ]。

2002年1月1日，第一臺L波段雷達(dá)在北京觀象臺投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，至2010年，全國120個常規(guī)高空觀測站全部完成該系統(tǒng)的建設(shè)并投入業(yè)務(wù)工作。自此，L波段探空系統(tǒng)已取代使用達(dá)四十余年的59-701探測系統(tǒng)，成為我國目前高空探測的主要方式。

L波段基本上實現(xiàn)了從自動跟蹤、數(shù)據(jù)采集分析集成處理的自動

化[ 2 ]。國際國內(nèi)對該系統(tǒng)從系統(tǒng)穩(wěn)定性、探測精度等進(jìn)行動態(tài)對比分析評估。

李柏[ 3 ]等分析了該系統(tǒng)與國際探空系統(tǒng)比對試驗中各參試系統(tǒng)的技術(shù)觀測數(shù)據(jù)及評估結(jié)果，提出了我國參試系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)措施；

馬穎[ 4 ]、張立功[ 5 ]、苑躍[ 6 ]、閔昌紅[ 7 ]等分析了系統(tǒng)換型后溫壓濕等氣象要素的差異特征，為建立連續(xù)的高空氣象數(shù)據(jù)集及要素均一性分析研究進(jìn)行了有益探討。

該系統(tǒng)與59-701探空系統(tǒng)相比，其自動化程度高、精度高、時效快，時空分辨率高。

世界氣象組織認(rèn)為探測環(huán)境和觀測儀器是影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的多樣化因素[ 8 ]。探測環(huán)境影響氣象觀測資料“三性”。

目前，文獻(xiàn)[ 9，10 ]對地面氣象觀測站的環(huán)境評估較深入，而對高空探測鮮少介紹。本文對本站L波段雷達(dá)探測環(huán)境進(jìn)行簡要分析。另一方面，貴陽作為首批投入使用L波段雷臺站，經(jīng)過8年運(yùn)行，許多電子元器件已進(jìn)入老化期和故障高發(fā)期，對高空探測數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生一定影響。運(yùn)行后期，信號衰減，飛點增多，丟球，死機(jī)造成遲測重放等故障也降低了探測質(zhì)量。為此，對L波段高空氣象探測雷達(dá)大修技術(shù)工作進(jìn)行總結(jié)，以期為后繼業(yè)務(wù)工作提供借鑒。

1 L波段雷達(dá)大修的推進(jìn)、實施介紹

2010年4月，中國氣象局將《標(biāo)準(zhǔn)》和《方案》下發(fā)。省市兩級主管及業(yè)務(wù)部門成立了貴陽L波段雷達(dá)大修項目工作組，負(fù)責(zé)組織和部署大修工作。

通過調(diào)研，了解雷達(dá)天線基座、避雷針、電纜管線、值班室等技術(shù)條件和工作環(huán)境，探討業(yè)務(wù)切換期間可能出現(xiàn)的問題和處置辦法。

1）改造業(yè)務(wù)工作平臺，做到舒適，美觀，設(shè)備布局合理。

2）參與大修的部門和業(yè)務(wù)技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)對《標(biāo)準(zhǔn)》和《方案》的學(xué)習(xí)和掌握，做到心中有數(shù)。

3）大修任務(wù)下達(dá)之后，除按常規(guī)技術(shù)規(guī)定要求外，大修前一個月，應(yīng)保證經(jīng)緯儀、GTC2型探空數(shù)據(jù)接收機(jī)工作正常，大修前一星期，探空數(shù)據(jù)接收機(jī)每天07、19時次同步觀測，以便清楚了解備用設(shè)備工作狀態(tài)。

4）按照《貴陽高空氣象探測應(yīng)急預(yù)案》做好應(yīng)急工作，站領(lǐng)導(dǎo)及業(yè)務(wù)骨干全程參與，保證大修工作順利進(jìn)行，業(yè)務(wù)工作正常切換。

5）在各級媒體加強(qiáng)宣傳和新聞報道。

6）大修完成后，密切監(jiān)視雷達(dá)工作狀態(tài)，及時分析探測資料質(zhì)量，實事求是評估大修完成后L波段探空雷達(dá)質(zhì)量效益及其改進(jìn)措施。

經(jīng)過改建的探空業(yè)務(wù)平臺寬敞明亮整潔舒適，為雷達(dá)機(jī)箱、驅(qū)動箱、檢定箱及計算機(jī)系統(tǒng)、GTC2探空數(shù)據(jù)接收機(jī)等預(yù)留了充足的空間；按照合理分工、各司其職配合做好大修雷達(dá)的拆收，替換雷達(dá)安裝、調(diào)試、標(biāo)定，對比觀測等工作。

2011年8月，受中國氣象局委托貴州省氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)處等單位組成的安裝驗收測試組對貴陽GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)場安裝、產(chǎn)品技術(shù)要求、系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、主要性能參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)軟件功能等項目進(jìn)行了現(xiàn)場檢查。形成《貴陽GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)安裝測試報告》。測試組一致認(rèn)為貴陽L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)符合《GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品驗收規(guī)范》中有關(guān)產(chǎn)品技術(shù)要求，運(yùn)行性能穩(wěn)定，雷達(dá)系統(tǒng)功能設(shè)置、控制和實時顯示等軟件符合有關(guān)業(yè)務(wù)要求。

2 貴陽GFE（L）1型雷達(dá)探測環(huán)境影響評估分析

高空氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不僅取決于精準(zhǔn)的觀測方法，探測環(huán)境情況也十分重要。隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展， 高空氣象觀測環(huán)境受到周邊工程建筑、臺站地理環(huán)境、同頻干擾等環(huán)境因素影響日益突出。

例如，貴陽站換型前59-701系統(tǒng)受400MHZ同頻干擾源影響，探測高度降低，嚴(yán)重影響溫壓溫風(fēng)向風(fēng)速氣象要素的準(zhǔn)確性；障礙物在低仰角遠(yuǎn)距離使探空儀信號衰減。又如，施放場地有高大的建筑物、林木等影響施放成功率。

因此，為保證高空氣象資料“三性”，客觀、定量地評價高空氣象站觀測環(huán)境狀況，對于了解觀測數(shù)據(jù)的來源，進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，實現(xiàn)全國高空氣象臺站觀測環(huán)境的實時跟蹤和動態(tài)管理，以加強(qiáng)對氣象臺站觀測環(huán)境的保護(hù)與管理都具有重要的意義[ 11 ]。

2.1 評估依據(jù)

2000年施行的《中華人民共和國氣象法》對氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)境的保護(hù)作了原則規(guī)定。

2012年12月1日 起 的 實 施 的《氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)境保護(hù)條例》（國務(wù)院第623號令）從國家層面首次以法律規(guī)范的形式對探測環(huán)境的保護(hù)提供依據(jù)。此后各省市地方政府依據(jù)條件出臺新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)。

2007年中國氣象局氣象制定了《氣象臺站觀測環(huán)境綜合調(diào)查評估方法（試行）》，2013年中國氣象局修訂完善了《國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環(huán)境調(diào)查評估方法》[ 12 ]。

筆者2010年依據(jù)2007版《試行》規(guī)定主持了中國氣象局《貴陽高空氣象站環(huán)境評估報告書》的測繪和報告書編寫工作。

本文以《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》，《氣象探測環(huán)境保護(hù)規(guī)范 高空氣象探測站》（GB 31222一2014）和最新版本《國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環(huán)境調(diào)查評估方法》對本站L波段雷達(dá)探測環(huán)境進(jìn)行分析評估。

2.2 評估內(nèi)容和方法

主要內(nèi)容包括臺站基本情況、下墊面地貌概況、高空觀測環(huán)境評分。環(huán)境調(diào)查以GFE（L）1型雷達(dá)為中心，雷達(dá)障礙物角度用GYR1型電子式光學(xué)經(jīng)緯儀以方位每間隔2°測量遮蔽障礙物。

經(jīng)緯儀仰角測量范圍：0～90°，方位角測量范圍：0～360°，測量精度0.1°，測量誤差≤±0.1°。

2.3 評估結(jié)果分析

2.3.1臺站基本情況

表1列出了貴陽探空站遷站及探測方式的歷史變遷。從表中看出，歷經(jīng)5次遷址，貴陽真正開始高空全氣象要素探測始于1955年10月20日。1967年12月1日遷站爛泥溝后，使用59-701高空探測方式，標(biāo)志進(jìn)入現(xiàn)代高空探測，這一基本方式終止于2002年12月31日，達(dá)45年。1990年1月遷至貴陽市指光洞后，2003年1月1日正式投入使用GTS1型L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)。因本文論述主旨關(guān)系，在此只作簡單介紹。

2.3.2下墊面地貌概況

測站半徑100公里范圍內(nèi)地貌上屬以山地、丘陵地貌為主的丘原盆地地區(qū)，平均海拔高度1250米。其中山地面積4217.97平方公里、丘陵面積2842.37平方公里，各占土地總面積的52.3%和35.2%；壩較少，僅911.98平方公里，占土地總面積的11. 3%；此外還有約1.2%的峽谷等地貌。耕地：占土地總面積的35.91%，園地：占土地總面積的0.70%，牧草地：占土地總面積的3.59%，水面：占土地總面積的1.89%，其中河流水面4421.27公頃、水庫水面9255.28公頃和坑塘水面1 570.42公頃，分別占水面的29.19%、60.51%和10.30%。

2.3.3臺站環(huán)境

貴陽探空站位于貴陽東山紫光洞山上（扶風(fēng)東路92號），26°35′N， 106°44′E，水銀槽拔海高度1223.4米，探測系統(tǒng)天線拔海高度1226.0米。東西長約150米，南北寬約70米。山上有多普勒雷達(dá)站、貴陽基準(zhǔn)站、貴陽市農(nóng)網(wǎng)中心、貴陽市氣象科普園基地等單位。

貴陽市氣象局探空雷達(dá)處于地面基準(zhǔn)站觀測場（地基抬高3m）中心區(qū)域草坪靠北邊緣。SSW方向的天氣雷達(dá)主樓及WNW方向約270米位置的貴陽電視發(fā)謝塔對探空氣球施放點的選擇有一定影響[ 13 ]，此外，周邊的生長茂盛的樹木對施放也有一定影響。測站距離貴陽龍洞堡機(jī)場8.6千米。

與周邊探空站位置及距離：重慶（N，330km），懷化（ENE，351km），桂林（ESE，394km），河池（SE，256km），百色（S，306km）昆明（WSW，427km），威寧（W，246km）宜賓（WN，309km）。

2.3.4施放環(huán)境影響分析

圖1為貴陽探空站雷達(dá)天線障礙物遮蔽圖。從圖示可以看出天線障礙物遮蔽仰角>5°和>2°情況，L波段雷達(dá)探測歷史（2003-2010年）各方位雷達(dá)最低工作仰角。

天線四周仰角>5°障礙物累計遮擋方位52°，方位占比14.4%，主要影響障得物有天氣雷達(dá)站建筑樓群及周圍林木，方位S～WSW，方位范圍累計24°，最高處多普勒天線圓球頂方位220°，仰角38.5°，偏西方向為貴陽電視發(fā)視塔方位范圍累計7°，塔頂最高處方位290°，仰角33.7°，位于觀測場距離L波段雷達(dá)約20米的自動氣象站風(fēng)塔方位范圍累計6°，風(fēng)塔響方位15°，最高仰角10.7°。

測站盛行風(fēng)下風(fēng)方向120°范圍內(nèi)仰角>2°障礙物累計遮擋方位58°，主要為包括前述遮蔽建筑物及環(huán)繞觀測場邊緣的林木，集中在S～W及NE一帶，L波段雷達(dá)天線其余方位山脈丘陵較遠(yuǎn)，仰角大都在3°以下，尤其在方位65～170°范圍內(nèi)，仰角<2°，對施放和信號強(qiáng)弱影響很小。

雷達(dá)探測歷史（2003～2010）最低仰角曲線可以看出，方位（42～125°）之間，雷達(dá)最低工作仰角幾乎均<10°，大約90°±20°范圍，仰角<7°，記錄集中在冬季12月至次年2月之間，這是因為主要受地轉(zhuǎn)偏向力和冬季高空風(fēng)強(qiáng)勁的西風(fēng)帶共同作用，探空儀飛行距離遠(yuǎn)，仰角低，信號逐漸衰減，實際探測時發(fā)現(xiàn)100hpa后飛點增多，影響探測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

方位（150～360～10°）之間，<15°雷達(dá)最低工作仰角<28°，平均>20°，夏半年受副熱帶高壓影響西風(fēng)帶減弱，受偏南風(fēng)影響，高空風(fēng)相比較冬季迅速減小，探空儀飛升距離縮短，仰角較高，回波信號強(qiáng)，若雷達(dá)性能優(yōu)良，維護(hù)保養(yǎng)良好，地面接收到的T、P，U信號飛點極少，探空信號質(zhì)量高。

當(dāng)風(fēng)向以東南方為主，介于130～170°之間時，最低仰角達(dá)到25°以上。方位（10～42°）、方位（120～150°）之間，分別受高空SW、NW風(fēng)影響時，最低仰角浙次行從約20°降至10°左右。高空風(fēng)漸次向強(qiáng)西風(fēng)帶過渡階段，探測信號將隨著探空儀斜距增大仰向偏低而減弱。

規(guī)范要求放球場半徑50m范圍內(nèi)平坦空曠，雷達(dá)距SE方主放球區(qū)域40～47m，基本能滿足施放條件，當(dāng)NE、偏E風(fēng)較大時，由于近處建筑和林木，風(fēng)壓使探空球平移或下墜被掛破（舉例），探空儀碰撞摔壞，造成重放。若風(fēng)速>5m.s-1，采用 型放球器，增加施放成功率。

副放球區(qū)域距離較遠(yuǎn)>70m，為偏S風(fēng)施放場地，南北向空曠，夾在儲氫房、農(nóng)網(wǎng)中心及地面高空觀測站之間，若SW>6m.s-1，使用長達(dá)33m的探空繩，需盡量移至最遠(yuǎn)處，防止陣風(fēng)將球刮碰至農(nóng)網(wǎng)房頂上；此外，若因風(fēng)大使用大風(fēng)放球器，雷達(dá)仰角自動跟蹤超出下限（負(fù)仰角< 6°），放出易丟球，此時應(yīng)將雷達(dá)方位對準(zhǔn)探空儀，仰角抬升至0～2°附近，調(diào)整攝像頭最大范圍，天控處于手動狀態(tài)，施放后探空儀升至鏡頭中央附近，再切換自動即能施放成功。

2.3.5環(huán)境影響評分

高空探測環(huán)境采用百分制分8項（代碼G1～G8）各項按影響分值進(jìn)行評估，表2列出了代碼定義和評分標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計共計得分74分，基本滿足雷達(dá)探測環(huán)境要求。

扣分26分，G1=-2.2，G2=-9.8，G3=-5，G4=-3，G6=-6。

G2、G3對探空儀施放有影響，2003～2010年，共發(fā)生6次施放失敗案例，4次較大東北風(fēng)，東風(fēng)時球被掛破，或探空儀被撞。2次發(fā)生在較大偏南風(fēng)時，探空儀施放時撞壞重放。

G8為氫氣安全項，主要由于地面、探空業(yè)務(wù)樓離制氫室較近，農(nóng)網(wǎng)中心（原省氣象計量檢定所）毗鄰，被扣5分。由于本站業(yè)務(wù)用氫采用購氫方式，只要嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)輸、儲存，使用氫氣相關(guān)規(guī)范，可以達(dá)到安全的要求。

G4為雷達(dá)探測歷史最低仰角與障礙物擬合曲線交叉次數(shù)，反映回波信號受減弱甚至失真，歷史統(tǒng)計時段為3次。

G5為設(shè)臺執(zhí)照和頻率干擾項，由于取得了1675MHZ專用頻段并保證無同頻干擾源，使得影響探測精度的最重要因素電磁環(huán)境得以保障。

3 討論與結(jié)論

本文實例介紹了貴陽GFE（1）型二次探空雷達(dá)大修及技術(shù)要點。雷達(dá)維護(hù)的好壞，標(biāo)定的準(zhǔn)確度關(guān)系探空資料的真實性。中國局及省局業(yè)務(wù)主管部門要加強(qiáng)對基層探空站的技術(shù)指導(dǎo)。建議對技術(shù)薄弱探空站每年年檢時由廠家對臺站雷達(dá)實行一次全面檢查。

介紹了貴陽高空觀測站歷史變遷，遷站L波段臺站下墊面地貌、周邊環(huán)境、臺站環(huán)境。重點分析了雷達(dá)障礙物遮蔽情況及其對施放的影響。8項指標(biāo)分總分74分。電磁環(huán)境優(yōu)良，用氫安全有較好保障，2014年砍除東南方向高大林木，改善了施放環(huán)境。例如對臺站天氣雷達(dá)樓等建筑，采用結(jié)合風(fēng)向特點、天氣狀況、施放方式（大風(fēng)放球器、繩子）、初始跟蹤方式（手動，自動）和室內(nèi)外密切配合綜合分析，即可最大限度避免和減少丟球。

與地面探測環(huán)境儀器的多樣性不同，高空探測以單一的二次雷達(dá)為最主要方式。因此采用以雷達(dá)安裝點天線中心周邊探測環(huán)境進(jìn)行分析評估方式滿足世界氣象組織（WMO）對于評估要求的科學(xué)性。采用計分法可以直觀有效地大致反映高空氣象探測的環(huán)境影響狀況。但是就各個臺站而言，對探空資料質(zhì)量的影響并不是均勻的。調(diào)查分析評估的目的是為了取得準(zhǔn)確的探空資料，因此建立起探測環(huán)境與實際探測資料影響的關(guān)系評估系統(tǒng)，從大背景和小環(huán)境兩個角度對探測環(huán)境狀況和變化進(jìn)行綜合分析評估更實用有效。

對高空探測環(huán)境調(diào)查與評估，對于確保全面了解氣象高空觀測環(huán)境現(xiàn)狀，積累觀測環(huán)境基本資料、建立高空站觀測環(huán)境動態(tài)管理檔案，觀測環(huán)境的實時跟蹤和動態(tài)管理，加強(qiáng)對高空臺站觀測環(huán)境的保護(hù)與管理。有利于今后建立科學(xué)的氣象觀測環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李偉，李峰，趙志強(qiáng)，等.L波段氣象探測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)評估報告[M].北京：氣象出版社，2009，03：1-6.

[2] 李偉，劉鳳琴，徐磊，等.L波段高空氣象探測系統(tǒng)軟件[J].氣象科技，2008，36（2）：237-239.

[3] 李柏，李偉.陽江第八屆國際探空系統(tǒng)比對試驗綜述[J].氣象科技進(jìn)展，2011，1（3）：6-13.

[4] 馬穎，姚雯，黃炳勛，等.59型與L波段探空儀溫度與位勢高度對比分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2010，21（2）：214-220.

[5] 張立功，陳志斌，王勇，等.L波段雷達(dá)—電子探空儀系統(tǒng)對比觀測分析[J].氣象科技，2007，35（1）：123-125.

[6] 苑躍，陳中鈺，趙曉莉，等.L波段與701-400M探空系統(tǒng)對比資料比較評估[J].氣象科技，2014，42（1）：42-47.

[7] 閔昌紅.GTS1型數(shù)字探空儀和59型探空儀對比觀測記錄的差異統(tǒng)計分析[J].貴州氣象，2007，31（2）：39-41.

[8] WMO. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation （V7. 0）[M].Geneva，2006.

[9] 楊元建，石濤，唐為安，等.氣象臺站環(huán)境的衛(wèi)星遙感調(diào)查與評估[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（6）：791-797.

[10] 王小蘭，張建磊，施麗娟，等.國家級地面氣象觀測站探測環(huán)境評估方法比較分析[J].氣象水文海洋儀器，2015，9（3）：1-6.

[11] GB 31222-2014氣象探測環(huán)境保護(hù)規(guī)范 高空氣象探測站[S].

[12] 中國氣象局.國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環(huán)境調(diào)查評估方法[M].北京：氣象出版社，2013.

[13] 閔昌紅.貴陽L波段氣象雷達(dá)小風(fēng)條件下探空球施放技術(shù)的探討[J].科技風(fēng)，2016，285（3）：26-27.

作者簡介：

閔昌紅（1966-），男，貴州遵義人，本科，工程師，從事綜合氣象觀測工作。