L波段雷达大风低空丢球应对方法研究[1]

L波段雷达大风低空丢球应对方法研究[1]

贺黔阳，冉光辉*，李彦军

（西藏自治区林芝市气象局，林芝  860000） 

摘要：林芝市高空探测站（56312）GPF1型自动放球系统位于台站盛行风的侧上方，容易造成大风丢球和气球过顶丢球，为解决以前没从事过高空业务人员指挥抓球难的问题，研究一套全新的、简单易行的、操作性强的抓球方法非常必要。

关键词：L波段雷达 ；大风丢球；拐点； 应对方法

引言

随着气象业务现代化的快速发展，新型观测仪器设备不断投入应用于气象测报业务中，气象测报业务逐渐实现了自动化、智能化发展。GPF1型自动放球系统是高空气象观测系统的关键辅助设备，与 L 波段雷达配合来完成高空气象探测业务自动放球。GPF1型自动放球系统实现了高空气象探测业务中人工放球向自动放球的转变，减轻了工作人员工作量，提高了工作效率，在一定程度上克服了基层台站在大风等恶劣天气条件下放球难等弊端。但在业务运行过程中，因环境因素的限制[1]，经常出现大风丢球的现象，对高空气象观测业务质量[2]的影响很大。加之综合观测改革后，以前没从事过高空业务的人员，在大风丢球瞬间要马上判断出气球运行的仰角、风位难度很大，基于此，研究一套全新的抓球方法意义重大。

1、资料来源

论文主要数据资料为林芝高空业务探测站GPF1型自动放球系统2022年1月1日准入启用以来容易出现大风(这里的大风指施放瞬间＞7m的风，与气象学的大风有别)丢球的时段（2022年1月—3月；10月—12月）施放瞬间[3]的风向、风速；气球离仓40秒所在的方位、仰角；历年气球飞行轨迹。

2、L波段雷达丢球的应对措施

因台站大风丢球主要发生在19时，且丢球90%以上出现在地面风≧7m/s时，根据统计，在上述时段，2022年冬春季符合条件的样本数有92个，在这92个样本中，大风丢球、过顶和侧过顶丢球达到43次，丢球率高达46.7%。

林芝站GPF1型自动放球系统方位为95°的，在本站盛行风[4]（本站盛行风为135°）的侧上方，在地面风速≧7m/s时，探空仪离开自动放球系统后，在10秒左右就会被吹到方位315°左右的位置，这一过程中，雷达短时间需要转动方位达140°左右，GFE(L)1型雷达跟踪角度为≥15°/S，10秒左右L波段雷达天线要转动140°，若按匀速跟踪，从理论上来说是可行的，但在实践中，有3秒的跟踪角度会达到20°以上，雷达因其方位转速限制[5]，这就造成丢球。

下面从近5年冬春季节19时的高空探测放球瞬间地面的风向风速、气球离开放球点的飞行轨迹、L波段雷达摄像头的妙用、气球离仓40秒所在的方位仰角等方面求证应对方法的可行性。

根据近5年来冬春季节19时的高空探测资料统计，当地面风速≧7m/s时，98%的气球离开放球点都会往西北角快速飞行，从图1(a)可知，当探空气球飞行到一定的方位时，由于受较强的西风影响，气球的飞行轨迹将出现较为明显的折返，转为往东飞行，文中把气球运行轨迹中的折返点称为拐点。之所以要选取气球离仓40秒所在的风位仰角作为数据统计分析的切入点，一是基于气球离仓40秒后风位仰角的变化趋于稳定，不再聚烈；尤为重要的是大风丢球40秒时为人工抓球创造了一个绝佳的机会。图1(b)是球离仓40秒方位和拐点方位的年平均对比图，从图1(b)可知，在2018-2022的5年中，2019、2020、2021的3年里的平均差值都为4，最大差值出现在2022年，也仅为8，球离仓40秒方位和拐点方位的关联度规律性很强。

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         图1 年芝探空站冬春季节19时历年气球飞行轨迹示意图和40秒方位与拐点年平均图

从资料统计可知，拐点85%出现时间在气球离开放球仓40—100秒之间，在所选取的2022年冬春季的92个样本中，气球离仓40秒时的15个样本的方位角＝施放瞬间的方位角+180°，占到样本数的16%，这为大风丢球时方位角的跟踪锁定了目标。

那么所剩84%的样本方位以及仰角如何去定位呢？从近5年来林芝站冬春季19时的高空测风秒数据资料可以得出气球离开放球点40秒时仰角的分布情况与施放瞬间的地面风速关联度很高（这里剔除了气球正过顶和侧过顶的情况），见表1。

 表-1  2018—2022林芝站冬春季19时放球 40秒仰角的分布情况 

单位:风速（m/s）、仰角（°）

L波段雷达天线正中央装有一高清摄像头，每次施放气球时可正常开启，正常跟踪时，可清晰看到探空气球位于摄像头界面的正中。摄像头界面的仰角为±4.6°；方位角为±6.3°，表-1中放球40秒的仰角均有±4.6°由此而来，比如施放瞬间地面风速为7m/s时，即气球离仓40秒时仰角在35.4°—44.6°之间都可在摄像头界面上显示。

   在施放过程中，气球离开放球仓40s时方位角≠施放瞬间的方位角+180°；仰角不在统            计分布情况范围的现象也不少，比如气球正过顶或侧过顶时，仰角比常规分布要高出5°—20°，这种情况怎么办?我们以2022年11月19时GPF1型自动放球系统符合大风丢球条件的数据统计为例，见表-2

表-2  2022年11月19时符合丢球条件施放瞬间风向风速  40s方位仰角   瞬间风向+180°及拐点方位

单位：风向、仰角、方位（  °）风速（m/s）

由表-2可见，22022年11月19时GPF1型自动放球系统符合大风丢球条件的相关数据统计表，样本数为16个，根据GPF1型自动放球系统日志统计，该月大风丢球12次，其中正过顶丢球1次，侧过顶丢球6次，样本非常具有代表性。假定16个样本在施放过程中前39s都未抓到球，在第40s时，根据施放瞬间地面风向风速，测算出40s时人工抓球的方位仰角，方位角＝施放瞬间的方位角+180°；仰角可根据施放瞬间地面风速从表1查取。算出仰角方位的数值后，开始第一次抓扫：方位不动， L波段雷达天线向下扫10°，向上扫20°，一次抓扫6s可完成，通过第一次抓扫，探空气球能进入摄像头界面（方位仰角同时被L波段雷达天线跟踪到）上的样本数有9个，分别为2日、10日、14日、16日、23日、27日、28日、29日、30日，以2日为例，施放瞬间地面方向136°+180°＝316°，在丢球40s时，把雷达方位手动摇到316°，此时的实际方位为321°，321-316＝5°，在摄像头方位±6.3的范围内；地面瞬间风速10.7m,接近11m，从表2查取地面瞬间风速11m对应的仰角为29°，而40s时实际仰角为33°，33-29＝4°，在摄像头±4.6°的范围内，这样在40s时，不用手抓，气球就自动飞进摄像头界面，只需通过雷达天线手柄快速调整气球方位仰角，把气球置于摄像头界面正中，把天线跟踪模式马上转为自动即可。

通过第一次抓扫，还剩7个样本未跟踪到，分别为7日、9日、11日、12日、13日、20日、21日，这7个样本中，气球离仓40s所在方位-（地面瞬间风向+180）的差值分别为8°、8°、10°、10°、10°、9°、9°，此时把方位摇到40s时方位测算值+7的位置，重复第一次的抓扫操作。根据近5年符合丢球条件测风秒数据资料统计，气球离开放球点41—52秒间的方位变化＜3°，以上7个样本在第二次抓扫过程中均可被抓到。

这里需要进一步说明在第二次人工抓扫时预计的方位为什么是气球飞行40s时的方位测算值+7°，而不是-7°或其它。这和地面风速、气球的飞行轨迹的关系十分密切。据统计，当地面风速≥10m时，气球离仓40s的方位角80%以上和施放瞬间的风向+180°大致吻合，而此时的方位80%以上在拐点方位±5°的范围。而当地面风速＜10m时，尤其在7m至9m之间时，气球离仓40s的方位测算值70%以上小于实际方位10°左右，这时气球还在往拐点风向运行，第二次人工抓扫时方位+7°，气球在离仓后的41s至52s之间的方位运行大多会减小2至3°，这正好能把气球离仓40s的方位测算值小于实际方位10°左右的情况抵消。这就是第二次人工抓扫时方位需要加7°的逻辑。

3、结论：

3.1  L波段雷达低空丢球有据可寻，它与施放瞬间风向、风速关系密切。

3.2  根据放球 40秒仰角的分布情况统计、施放瞬间的风向风速和气球飞行轨迹的拐点，可接近精确判断出丢球的方位、仰角。

3.3  该抓球方法通过课题组两名高空业务人员四个月的不断实践，操作简单，切实可行，它能解决台站95%以上的丢球问题，能最大限度避免重放球，提高高空气象观测业务质量。

3.4   在实际工作中，丢球一般发生在球离仓5s—12s之间，据统计在20s左右，站组能把球抓回的几率约占55%。该方法解决了手动抓球最后一公里问题，给大风丢球和过顶丢球提供了安全保障。

参考文献：

[1]吴立群，段炯杰，温金翠．L波段雷达丢球的原因及解决方法[J]．内蒙古气象，2009，5：56．

[2]中国气象局主编，高空气象观测业务质量考核办法［M］．北京：气象出版社，2010．

[3]中国气象局主编．常规高空气象观测业务规范［M］．北京：气象出版社，2010．

[4]潘志祥，李艾卿主编，高空气象观测［M］．气象出版社，2013．

[5]吴兴洋，周处强，闵昌洪，等．L波段控空雷达丢球对策[J]．贵州气象，2006，4：35-37．

作者简介：贺黔阳， 男， 副高，苗族，1975年生， 从事综合气象观测工作，E-mail：598108988@qq.com。

*通信作者：E-mail：524213110@qq.com。