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微波遥感:新一代气象探空方法

【字体:   2018-05-15 17:29:32   来源: 中国气象报社  

气象探空,顾名思义,就是探测高空中的气象数据。具体来讲,是利用各种现代科学技术方法与手段,观测高空大气中任意高度上气象要素瞬时分布的状况。

地球上发生的各类天气现象都是大气运动的反映,对大气气象要素的观测则是描述大气运动的基础,气象科学从古人对天气变化感性的感官感知发展到现代的天气气象业务,经历了一个漫长的过程。

最初人们仅依靠目测及感受来感性认识天气变化,随后人们相继发明了温度计、气压计、湿度计、风速计等气象观测仪器,气象观测走向定量化,地面气象观测兴起。然而仅依靠地面观测,没有与天气系统密切联系的空中气象要素资料,人们就难以深入了解和研究复杂的天气。

1809年,英国人沃利斯和福雷斯首先利用测风气球探测高空风。1862年格林威治气象台台长格列塞尔与助手在不带氧气设备的情况下,一同乘气球升入8800米高空,进行了高空探测飞行。1864年英国气象学家首次用系留气球下悬挂的气象仪器进行低空气象观测。系留气球携带自记仪器的方法是早期低空探测的有效手段之一,由于氢气球的升高性能好、滞空时间长,所以应用得比较广泛,但氢气球有易燃易爆的缺点,20世纪20年代又出现了氦气球。

高空气象观测发展到今天,气球在气象探空中仍然占有重要的地位,当前我国气象部门采用的气象探空方法是“地面雷达+探空仪”,探空仪依靠探空气球升空,气球在空中以300~500米/分钟的速度上升,探测从地面到高度约40千米的范围,包括大气边界层和自由大气,测量项目主要有气温、气压、湿度、风向和风速,此外还包括一些特殊项目,如大气成分、臭氧、辐射、大气电场等。

全国有气象探空观测任务的气象站每天进行两次探空观测,有特殊气象保障任务时加密到每天4次探空观测。这种高空气象探测的方式缺点在于需要人工操作,两次探测间隔时间为12小时,时间跨度大。为解决这个问题,目前气象科学家利用遥感原理,研发出自动化的高空气象探测设备,如多通道微波辐射计可实现自动化无人操作,每5分钟完成一次高空气象探测,收集气象数据。

曾担任NOAA/ESRL/GSD预报应用室专家、中国气象科学研究院谢元富教授研究发现,气象雷达、微波辐射计等遥感设备进行高空气象探测所反演的高空气象要素数据,在经过资料同化后作为数值预报模式的初始气象要素场数据,可以提升数值预报产品质量,提高天气预报准确率,比如大气垂直湿度廓线对数据模拟系统就有重大作用。

但目前自动化高空气象探测仪器自身也仍存在技术缺陷,除去气象数据采集硬件、计算方法导致的误差外,针对不同天气尺度与强度的天气系统,仪器设备对时间精度、垂直精度和径向精度等选项上的权衡选择,构建最优组合方案上也存在不足。截至2017年底全国仅部署90台多通道微波辐射计,部分省(市)部署不超过10台。

2018年4月18日至19日,第三届微波辐射计及高敏感气溶胶激光雷达研究与应用技术国际研讨会在杭州召开,来自国内高等院校、国外科研所和气象、环保、海洋等行业部门以及仪器生产企业的150余名代表参会,会议对多通道微波辐射计和气溶胶激光雷达在降雪、沙尘等天气中的分析应用和监控城市污染物演变效果,观测仪器的误差分析以及数据资料的质量控制等进行了研讨。

“目前国外气象仪器生产企业在微波辐射计和激光雷达方面有技术优势,我们现在通过引进国外技术、强化与国内高等院校合作研发将外国技术本土化,形成我国在微波辐射计和高敏感激光雷达方面的技术成果。同时我们会继续紧跟形势、拓展思维,搭建多方合作平台、提供多方面服务。”参会的仪器设备企业负责人介绍道。


作者: 12_anhuizhan
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