浅谈大气探测技术

摘要：近年来，随着自然科学与技术的进步，国际气象探测技术也取得了显著的发展。本文在此阐述了以下几种探测技术，希望能与同行取得交流。

关键词：大气探测 技术

一、利用微波折射率仪探测

探测对流层中大气时，折射率仪是众多测试手段中的唯一一种直接测量大气折射率的设备。它的研制可上溯到40年代。历史上有以谐振腔为传感器和以电容为传感器的两类折射率仪。后者虽重量轻，但其精度相对较低。目前常用的是前一种。以谐振腔测量空气折射率的原理是，通过测量谐振腔内空气折射率变化δN引起的谐振频率f的变化量盯来得到空气折射率N。δN=-δf/f。典型的仪器是3公分微波折射率仪，这种仪器的特点是测量精度高、响应速度快，其测量精度一般都达到IN单位，采样速度可在100次/秒以上。仪器稳定度可达士10-7/℃。采样腔的开口部分使折射率仪能够瞬间响应空气的折射率变化。它在雷达定位等系统的工作中是大气结构精确测定的必需设备。目前美国、前苏联、英国、法国、日本、印度等国都拥有微波折射率仪，并且在评价大气对雷达系统和通信系统的影响中，一直进行机载测量。

国内是电子部22所首先研制成功微波折射率仪并且是目前国内的唯一拥有单位，“八五”期间又自行研制成功的小型折射率仪，通过了部级鉴定。微波折射率仪的轻型微型化是其一个发展方向，这可以解决测量平台的困难，前苏联可生产重约1.5kg的微波折射率仪。

二、利用天气雷达探测探测

由于天气雷达探测在气象业务和科研工作中占有重要地位，其在监视和预报强风暴天气、洪水、咫风以及开展外场大气科学试验等方面，起着日益重要的作用，其发展也非常迅速。近年来主要是采用loCM雷达，探测距离一般迈45oKM，组成较完善的雷达网，配备有较完善的伺服系统，依靠电子计算机实现了回波资料的数字化处理，和用户之间也有较好的传输设备。

我国武汉的数字化天气雷达系统由WSR一815雷达、数据处理(用PDP一11/44计算机)，终端显示和自动雨量站校准4个子系统组成，有8种彩色图象和数据产品:PPI、RHI、ZPPI、CAPPI、VIL、ECTOP、COI、MAX及HYDRA(64个河流子区域平均攀积降雨量)。微机远程终端网络作为数字化天气雷达系统的产品分发子系统。

英国气象局的雷达观测网的建设积20多年的研究和发展，已形成覆盖全英主要地区的雷达网。另外，再加上西欧的气象雷达网，这些为短时预报提供分辨率极高(雷达站附近ZXZKM，全国范围sx5KM，每五分钟扫描一次)的降水(雨或雪)资料。与这些雷达配套，英国近年发展的FRONTIERS系统，采用最新的增强显示技术能将卫星与雷达观测资料进行优化综合，给出短时的降雨预报。

三、利用无线电掩星探测

目前在探测中高层大气工作中，探测大气参数垂直剖面的手段主要有无线电探空气球和气象卫星、雷达等遥感技术，但它们都存在一定的缺陷。无线电探空气球是大气高精度的常规探测工具之一，因受经费和条件限制，站点间距大，且在海洋、沙漠、高山等地留下大片空白。卫星垂直探测遥感技术对大气参数的反演精度尚未完全达到实用要求，而且垂直分辨率低。雷达等其它地基遥感技术也存在空间间距大、探测参数单一，无法在海洋、沙漠等荒凉区域进行常规探测等缺陷。在国际上，掩星技术探测地球大气就是一个旨在克服以上困难的创新性课题。

GPS无线电掩星技术探测地球大气被认为是当前大气探测中最具有潜力的手段之一。它是20世纪80年代末发展起来的一门新兴学科，综合了天文学、大气科学、遥感技术、卫星动力学等各学科的研究成果，是近几年国际空间测量技术中最热门的研究方向之一。从GPS掩星反演的地球大气弯曲场、折射场、密度场和中性大气层的气压、温度、湿度剖面，以及电离层剖面是国防建设、大气科学、气象、地球灾害预报等应用部门的重要的数据。自从1995年4月3日美国发射GPS/MET计划的第一颗无线电掩星探测地球大气试验卫星MicroLabl以后，丹麦、阿根廷和德国等国分别成功发射了Orsted、SAC-C和CHAMP等卫星，美国和台湾联合制订了COSMIC计划，欧洲共同体制定了ACE计划。日本、澳大利亚等国均有相应的掩星观测计划。目前，我国也制定了自己的掩星观测用的小卫星计划。它们的主要研究课题之一就是利用GPS无线电掩星技术进行地球大气剖面反演。MicroLabl、Orsted ，SAC-C和CHAMP等卫星都已获得重要的观测结果。目前，我国台湾与美国计划联合发射的COSMIC卫星将为这一领域的研究提供更丰富的GPS掩星资料。由于掩星探测基本上在全球是均匀分布的，掩星资料是对传统气象探测手段的有力补充。

尽管这只是一项新的技术，但无线电掩星技术已在空间探测方面显示出了巨大的应用潜力。它提供全天候的全球观测，具有垂直分辨率高、准确、稳定性好和探测参量多等特点。许多先前的文章已将GPS掩星技术与其他众多探测手段进行了对比，发现由掩星技术所获得的大气数据参量与其他手段得到的数据相当一致。曾祯等利用瑞利和钠激光雷达对中层大气密度和温度廓线观测结果与掩星的比较，研究30 km以上的掩星资料，结果证实掩星反演得到的30~50 km高度范围的大气密度剖面是可靠的；从掩星观测得到的温度剖面与激光观测的基本上是一致的。

结语

气象学是以大气为研究对象的一门应用科学，其任务是认识大气运动的规律，预报大气的行为，进而对天气进行人工控制，对大气进行探测是气象站一项重要的工作。

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