《气象仪器和观测方法指南》(第六版)第13章 高空风的测量

264第13章高空风的测量13.1概述13.1.1定义以下定义摘自《全球观测系统手册》（WMO，1981）测风气球的观测（Pilot-ballonobservation）：由光学经纬仪跟踪一自由浮升气球确定高空风。无线电测风(Radiowindobservation)：用电子方法跟踪一自由浮升气球确定高空风。无线电探空测风(Rawinsondeobservation)：一种无线电探空和无线电测风相结合的观测方法。高空观测(Upper-airobservation)：一种在自由大气中直接或间接进行的气象观测。高空风观测(Upper-windobservation)：在大气中规定高度进行的风的观测或在大气中完整的高空风速和风向的探测结果。本章将主要探讨光学经纬仪和无线电测风观测方法。气球技术、用特殊平台、特殊设备或间接用遥感技术测量的方法，将在第Ⅱ编的有关章节中介绍。13.1.2高空风测量的单位高空风的风速通常使用的单位是米/秒或节（海里/时），有时也使用千米/时。风向以气流的来向为准，以正北起算的度表示。在陆地测站高空压、温、湿、风（TEMP）报告中，风向约整至最近的5°。报告达到这种准确度的分辨率是由最先进的测风系统完成的，特别适用于高空风非常强的时候。更准确的风向报告，尽量使用BUFR（二进制）编码，在要求最高准确度时使用。用来指示高空观测值垂直位置的位势单位是标准位势米，符号为m（原文如此，我国采用gpm）*，定义为0.980655动力米。在对流层中位势高度很接近以m（几何米）表示的高度。高空风报告中的高度是海拔高度，但在计算时用从观测站求算的高度较方便。13.1.3气象要求13.1.3.1在气象业务中的使用高空风的观测主要应用于所有尺度和所有纬度的业务气象预报，也用于质量场（温度和相对湿度）的观测。高空风对保证飞机航行的安全和经济非常重要。高空风测定的不准确性是制约现代火炮准确性的主要因素。因此也影响着军事行动的安全性。高空风和风的垂直切变测定是否准确，将直接危及空中运输工具和其它类型火箭施放的成功。可靠的高空风垂直切变数据对环境污染的预测十分重要。13.1.3.2报告程序中的改进高空风通常以在各气层中的平均值输入数值天气预报模式。各气层的厚度依赖于同预报相关的大气运动尺度，这些数据并非是必须在各标准气压或高度输入的，但常需转换至各标准气压高度，就像把局地气压观测值转换成海平面气压。所以，在高空风报告中准确地表明风在不同标准层之间的变化是很重要的。这就要进行附加的转换以确保各标准层报告的风是准确的。早些年，高空风探测的处理采用手工操作或借助于小的计算器，因此要作出垂直风结构的详细报告是不现实的。但是，价廉的计算机系统的出现，保证了在与气象业务和科学研究有关的详细资料能够得到及时处理和报告。高空风报告必须具有足够的信息，才能清楚地确定在质量场内跨越各气层间*译注265的界面上风的垂直切变，例如穿过逆温层的风切变或是在一垂直层有明显的风切变伴随相对湿度有大的变化，这些都应尽可能的在报告中反映。当高空风使用FM-35-XExt.TEMP（探空报）码或FM-32-1XPILOT（测风报）码（WMO，1995）报告时，在特性层间线性内插，偏差最高可达5ms-1，具有这种拟合限的自动算法所产生的误差，要比观测误差大得多。有时编码过程也会降低在第12章中所要求的准确度。这种误差可使用多种方法来避免。在TEMP和PILOT的电文中就使用3ms-1的拟合限风速来取代5ms-1，在TEMP或PILOT发出前还要对高空风的测量细节进行认真的目视检查，把一些偏差在编辑过程中删除。使用适合的BUFR（二进制码），可以不必进行通常必需的特性层的选择。13.1.3.3准确度要求第12章附录12.A中提出了高空风速和风向测量值的准确度要求。用标准风矢量表示的高空风测量值的性能误差限在第12章附录12.B表1中也有概略介绍。另外，风向的系统误差一定要控制得尽可能地小，要远小于5°，特别是在高空风较强处。事实上很多维护良好的测风系统，可以提供标准矢量误差的高空风（2σ），在对流层低层中≥3ms-1，在对流层高层和平流层中≥5~6ms-1（Nash，1994）。第12章附录12.B表1中提到了不同测点有可能遇到的风速范围。大部分的高空风系统测量范围可达0～100ms-1。但当系统主要测量低层风时，便无需设计如此大的风速范围。高空风的垂直分辨率在平流层为300～400m，在对流层为600～800m（第12章附录12.B表1），更高的垂直分辨率（50~150m）将对在大气边界层（从地面到2km）中的各种气象业务都有应用。但是，如果在提高分辨率有效益的情况下，跟踪系统必须保证可以支持较高垂直分辨率测风的准确度。第12章附录12A中提到的最严格的高空风测量值的要求，是与中尺度大气运动的观测相关联的，另外，很高准确度的高空风观测，常用于特殊的场合，例如火箭的发射。由于观测时间表要求十分接近指定的时间和地点，因此要有一个十分认真的观测计划和确保准确度的详细说明。以下的大气变化特性在观测中一定要关注。在相同高度（以300m的垂直分辨率取样）上进行两次无误差的高空风观测的均方根矢量差，如果观测在同一时间，而且水平距离小于5km，则通常会小于1.5ms-1，如果观测在同一地点，但时间间隔小于10min，也应记录。13.1.3.4最大高度要求本章考虑的是用球载设备来观测高空风，在某些测点要求达到或超过35km，这已成为全球气候观测系统的一部分。达到这样测量高度的气球比用小的气球携带无线电探空测风仪上升到20-25km要昂贵得多。理想的高空测风站网，必须适合于在对流层和低层平流层中，从行星尺度到中尺度对所有运动尺度取样。这种观测站网也要求辨认出明显的小尺度的风结构，相应的可使用高时间分辨率的遥感系统。然而在平流层的中层和高层，为气象业务需要观测到的最多的运动尺度是较大的，主要是行星尺度和较大的天气尺度。因此所有在国家观测站网的观测站点的间距，是对对流层观测属于最佳的，它的探测高度无须超过25km。如果本章描述的观测系统和第Ⅱ编描述的测定系统协同使用，则所有运作费用将会降低。若是这样，国家基础技术设施必能为各使用中的系统提供足够的维护。13.1.4测量方法266高空风测量主要采用无线电探空测风技术，当要求附加高空风时，可以使用测风气球和无线电测风系统，而不必施放昂贵的探空仪。在全球观测系统中，在陆地上高空站的补充观测主要采用飞机、风廓线仪和多普勒天气雷达，在海上高空风主要由民航飞机在巡航时进行，在轮船或遥远的岛屿上施放无线电探空测风仪，以补充包括风等要素的垂直廓线，也可通过地球静止气象卫星的观测来跟踪云和水汽结构。未来，通过星载激光雷达和雷达对风进行测量，将使现有探测系统的全球覆盖率有很大提高，声雷达、激光雷达和风筝风速表也可用于特殊用途的高时间分辨率风的测量，低成本的无人驾驶飞机技术正在发展用于气象探测。用无线电探空测风仪来观测高空风向、风速，一般依赖观测自由气球的大致匀速上升运动或一个物体的自由下落，如带降落伞的下投探空仪，由于测量的是大气的水平运动，因此在观测过程中，跟踪的目标不能有任何相对于大气的明显的水平运动。直接跟踪系统必须提供的信息，应包括目标的高度，平面位置的测量，或在已知时间间隔内的水平速度。在第12章附录12.A的准确度要求中，包括给定的测风中高度或气压产生的误差对测风准确度产生的影响。一般的业务准确度要求，用任何跟踪方法均需假设气球的上升速率，在边界层以上的各个高度虽能达到，但宁可使用测量高度的无线电经纬仪跟踪系统或使用附在目标上的无线电探空仪跟踪系统。遥感测量系统测量大气的运动是通过获取以下测量目标的电磁波或声波来实现的：水凝物、沙尘、气溶胶或由小尺度大气湍流或大气分子本身产生的折射指数的不均匀性。本章所考虑的直接测风所采用的目标，其位置能被连续地跟踪，虽然有大量的方法可用以跟踪这些目标，但这里只考虑广泛使用的两种典型方法。13.1.4.1用定向天线跟踪地面系统用定向天线测量方位角来跟踪目标，加上以下任何两项参数：仰角、斜距和高度。用一次雷达跟踪气球携带的可反射的目标来进行测量，或使用无线电经纬仪，或二次雷达跟踪气球携带的探空仪，或用光学经纬仪来跟踪气球。雷达和无线电经纬仪对仰角和方位角的跟踪可以准确到0.1°，同时雷达系统的测距误差一般应小于30m。当气球的仰角超过10°~15°时，无线电经纬仪系统是最合适的高空风测量方法。一部雷达要求技术熟练的人员进行有成效的维护，同时初始资金投入较高。但是当不需要用无线电探空仪测量时，一次雷达也可以采用价廉的无线电测风，并确保在任何情况下的高空风测量准确度。当有适合的制造厂时，二次雷达的确是可以选择的测量方法。但是在许多国家的实践中，用此方法进行的成功操作，需要很宽的气象用无线电频谱。在高空风的测量中选择使用一次雷达还是无线电经纬仪，部分地受到观测点所能达到的最大斜距的影响。一次雷达系统或导航测风（助航系统）在较长的斜距上准确度很高。一次雷达测距也明显地随纬度的变化而改变，在赤道地区和极地地区70km合适，而在温带的一些纬度测距至少200km以上。表13.1表示在欧洲纬度50°~60°N之间气球高度为30km时，实际探测超过某一给定斜距的比例。表中给出的比例是全年的。但值得注意的是超出给定值的比例主要集中在冬季。表13.1超过某些斜距（气球在30km高度）出现的比率267超过的斜距（km）140160175190出现的比率（%）5210.513.1.4.2使用无线电导航跟踪把一个能接收无线电导航系统信号的无线电探空仪装载至观测目标上（上升的气球或系在降落伞上的下投探空仪）相位亦即多普勒频移或无线电探空仪上收到无线电导航信号的时间，这两种变化都可用于计算目标的水平移动。使用地基无线电信标的方法，如奥米伽（甚低频VLF）和罗兰，在WMO（1985）中有介绍。从1995年在无线电探空仪生产商已提供带有卫星全球定位系统（GPS）的无线电探空仪（WMO，1994和Kaisti，1995），但是它们尚未达到必要的业务运行可靠性。由于目前日常气象运作中的自动化程度已经相当高，完全可以采用导航测风系统进行观测。因此在常规高空风探测中，用导航系统跟踪已越来越多地使用，导航地面设备的维护所要求的总量也很低。使用地区传输导航测风的准确度取决于几何学、相位、稳定性以及在指定位置无线电导航信号的信噪比。只要在其长距离飞行过程中，无线电探空仪接收到的导航信号和从无线电探空仪传输到地面处理系统的导航数据是合适的，那么准确度就不会有很大的改变。导航探空仪在刚刚施放后要接收可靠的导航信号常出现一些困难，这对奥米伽（VLF）系统的操作施加了明显的限制，因为在可以测出风之前，需要有几分钟时间实现有效地跟踪数据，因此，奥米伽系统无法满足在边界层中对准确度的严格要求。如果高空风非常强或地面系统接收到的来自无线电探空仪的信号很弱时，导航测量结果的质量就会降低。在使用奥米伽（甚低频）和罗兰导航系统中，当有雷电或带电的冰云天气时，无线电探空仪导航天线上常产生静电荷，导致在飞行过程中遭遇长时间的信号丢失。这种无线电探空仪天线上的静电，在正常放电后的飞行中仍有可能再现满意的测量结果。13.2高空风的传感器和设备13.2.1光学经纬仪当无线电测风方法费用高而不能适应时，可采用光学经纬仪来跟踪气球。只要操作人员受过有效的培训并具有熟练技巧，当气球升达边界层以上，高空风测量的误差不会迅速增加。气球测风经纬仪的光学系统必须满足无论望远镜指向什么方向，目镜的光轴始终保持水平的要求。三棱镜比直角棱镜好，因为前者稍有位移不会影响两个部件光轴的垂直性。在望远镜的目镜焦点上，应有十字线或标线，望远镜放大率应为20～25倍，视场不小于2°。经纬仪的底座要牢固，并应能用手在方位圆和高度圆迅速转动或通过摩擦或蜗旋传动装置缓慢转动。两个圆的刻度应不大于1°，并装有游尺或手轮测微尺，允许角度读数至0.05°,并可能估计至0.01°,标尺的配置和照明使得白天和夜间都能读数。度盘齿轮