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            為大氣“畫像”的垂直觀測“大家族”

            發布時間:2022年07月15日 來源:中國氣象報社

            在氣象觀測領域,除了我們熟悉的衛星、雷達、地面等觀測手段,“垂直觀測”較少被提及。什么是垂直觀測?

            簡單解釋,垂直觀測是指地面至邊界層、對流層乃至平流層以上垂直大氣柱內(地面至70千米到100千米),以溫度、濕度、氣壓、風、水凝物和氣溶膠等五條廓線探測為主體,兼顧輻射、大氣成分等氣象要素的綜合觀測。

            垂直觀測包含毫米波測云儀、風廓線雷達、氣溶膠激光雷達、微波輻射計、GNSS/MET地基導航衛星水汽探測儀等地基遙感,飛機飛艇火箭等空基觀測,以及往返平漂智能探空等。

            因此,垂直觀測系統針對氣候、天氣、中小尺度系統監測和短臨預報等不同需求,打造以探空為基準,綜合地基遙感時空加密、商用飛機觀測網絡等為輔助的觀測站網,同時具備地基、空基應急觀測能力。

            可見,垂直觀測系統是一個“大家族”,其家族“成員”有哪些,分別有何特長,一起來探個究竟。

            毫米波測云儀——利用云粒子對電磁波的散射特性,通過對云的雷達回波分析,來了解云的特性。云的回波參數反映了云的宏觀和微觀結構,例如回波頂的高度、回波的體積面積等反映了其特征尺度,回波強度反映云中粒子的大小和密度,回波強度在時間和空間上的變化反映云內微物理過程的結構和演變特征。

            微波輻射計——一種基于大氣微波遙感技術的氣象觀測設備,通過多通道連續探測大氣水汽和氧氣的自然微波輻射,可實時連續探測對流層(含邊界層)大氣溫度、濕度、云水分布以及水汽、液態水含量等多種大氣參數,具備對中小尺度大氣層結的精細探測能力,可作為常規高空觀測的有益補充,為天氣監測、預警、數值預報、人工影響天氣指揮及作業效果評估提供連續的觀測數據和決策依據。

            氣溶膠激光雷達——可探測氣溶膠的光學和物理性質,激光雷達遙測方法是獲取大氣顆粒物時空分布信息的重要技術手段之一。激光雷達可獲取分鐘級的后向散射系數、消光系數等基本觀測產品,以及光學厚度、垂直能見度、混合層高度、顆粒物濃度等二級產品,能夠實時監測氣溶膠濃度、顆粒物分布。

            風廓線雷達——是開展天氣預報和氣象保障的新手段,利用大氣湍流對電磁波的散射作用進行風場測量,24小時無人值守,可連續提供大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度分布變化的信息,具有時空分辨率高、連續性和實時性好等特點。

            GNSS/MET地基導航衛星水汽探測儀——利用導航衛星發射的L波段信號探測大氣可降水量等氣象要素,具有全天候、高精度、高時空分辨率、自校準和低成本等優點?;谥鄙湫盘柨商綔y電離層電子濃度,基于反射信號可探測土壤濕度、積雪深度、植被含水量等信息。其遙感探測的大氣可降水量在臨近天氣預報、數值天氣預報、氣候變化研究以及探空和衛星遙感等觀測檢驗方面已實現較成熟的應用。

            除了地基垂直觀測系統,新型智能往返平漂式探空和飛機飛艇觀測也逐步由試驗走向業務試點運行。

            其中,新型智能往返平漂式探空為兩個氫氣球,大球套小球(大球正常充氣,小球少充氣)同時升空,下方系著一個由定位、探測、通信3大部分組成的探空儀。

            氣球升空過程中,獲取包括高度、經緯度以及溫度、濕度和氣壓等第一組氣象數據;兩個氣球達到既定高度(20千米至30千米),外球自爆后內球進入平流層“隨風逐流”,長達4—6小時的“流浪”中獲取第二次觀測資料;內球在平流層結束工作任務后,通過地面指令與探空儀分離,探空儀則在“滑翔傘”作用下緩慢下降,獲取第三次觀測資料。

            也就是說,一次放球實現“上升—平漂—下降”三個階段的高空氣象觀測數據,即由原來的24小時2次放球獲取2次資料,變為2次放球獲取4次探空(2次“上升段”,2次“下降段”)外加2次平流層高空氣象資料,提高了觀測數據時間精度。

            氣球探空是我國空基觀測的主流模式。但是,在無人區和海洋等區域,無人機則以其機動能力強、飛行高度高、覆蓋范圍廣、可全天候運行的優勢,成為可堪重任的使者。

            無人機可以搭載下投探空系統、毫米波測云雷達、溫濕廓線儀、SAR雷達、氣溶膠激光雷達、可見/紅外光譜成像儀,對海洋氣象目標、青藏高原水循環及生態系統進行觀測,在開展氣象載荷及天—地—空—海協同觀測方法驗證等關鍵技術攻關的同時,檢驗衛星氣象觀測的真實性,提高海洋、青藏高原的天氣、氣候模式預報預測水平及天氣系統發生發展機理科研能力。

            (作者:宛霞?責任編輯:閆泓)

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