《气象仪器和观测方法指南》(第六版)第13章 高空风的测量

1、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-ballon observation）：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(Radio wind observation)：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(Rawinsonde observation)：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-air observation)：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-wind observation)：在大气中规定高度进行的

2、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

3、号为m（原文如此，我国采用gpm）* 译注，定义为0.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

4、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

5、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-X Ext. 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

6、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（2），在对流层低层中3ms-1，在对流层高层和平流层中56ms-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0100ms-1。但当系统主要测量

7、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300400m，在对流层为600800m（第12章附录12.B表1），更高的垂直分辨率（50150m）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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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1015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

13、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5060N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）出现的比率超过的斜距（km）1401

14、60175190出现的比率（%） 5 2 1 0.513.1.4.2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

15、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

16、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

17、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2025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。度盘齿轮间的齿隙游移不应超过0.025,水平和垂直的准直误差不应超过0.1。为了便于追踪快速移动的气球，经纬仪应能采用目视对准,而为了达到这一要求，经纬仪上附有一个不小于8的宽视角的第二个望远镜。经纬仪的底座设计成能固定在标准三角架或其它支架上，并能调整其水平。支

18、架还应能根据观测人员的身高来调整其高度。经纬仪的结构要牢固并能防腐蚀。13.2.2无线电测风系统概述测量云天的高空风，最先由无线电测风系统实施，当气球升达30km以上时，该系统仍可在长距离内保持高的测量准确度。当前采用这种系统主要是能最大限度地满足现代高空风测量的高准确度要求。最现代化的无线电测风系统具有高度自动化水平，已能消除在大多数测量过程中的操作人员的人为干扰，这是降低气象业务成本的一个主要进展。13.2.3无线电经纬仪无线电经纬仪测风最适合于气球在整个飞行过程中始终保持高仰角状态。如果气球的仰角在16以上，第12章中提及的高空风测量的准确度要求，用相对较小的跟踪天线就可达到。随着气球仰

19、角的减小，用无线电经纬仪即使是使用较大的跟踪天线，测量误差都会迅速升高（见13.5.3节）。如果高空风持续很强，则使用无线电经纬仪测风想要达到第12章中提出的准确度要求是极端困难的，除非用回答器提供斜距测量数据（见13.2.4.2节）。无线电经纬仪通常跟踪悬挂在探空球之下的无线电探空仪发射的电磁波。配置有无线电接收器的一个定向天线，采用适合的伺服系统，使之绕水平和垂直轴旋转以确定最大信号强度。无线电经纬仪使用的频率是1680MHz。好的天线设计直径应为2m，旁瓣的灵敏度应相对地低于主波束，这样跟踪角可以准确到0.1，如何在这样的情况下，当直接从无线电探空仪接收到的信号与接收到的来自邻近表面反射

20、的信号之间互不干涉的情况下，无线电经纬仪就能跟踪到仰角低至6到10。直接的信号和反射的信号之间的干涉称为多路径干涉，通常是在较低仰角下对无线电经纬仪跟踪能力的限制因素。有关无线电经纬仪天线性能、探测系统、伺服控制和资料处理算法的详细说明，应在购置前从制造商那里获悉。现代便携式无线电经纬仪，其天线一般小于2m，当仰角达到16时，就能遇到多路径干涉问题。当多路径干涉出现时，一般就无法确定在气球方向的最大信号，相应的仰角误差随时间而变化，它起因于多路径干涉情况的改变和无线电探空仪的运动，从而导致大的系统性测风误差（大于10ms-1）。无线电经纬仪跟踪无线电探空仪时，观测到的方位角和仰角就从无线电经纬

21、仪输送至地面计算机中，收到的探空仪测量结果给出相应于观测方向的位势高度随时间的变化，这样气球位置的变化率就可以推算出来。计算机则用列表或图示的方式显示出高空风的测量结果。操作人员对风在垂直方向的连续性进行审核以防出现错误的跟踪，一旦操作人员对跟踪过程满意了，则一份合适的高空报告即可提交给用户了。气球在刚施放不久，由于地面风的作用有时使气球方向产生逆转而飞回无线电经纬仪的上方。当这种状况发生时，如果无线电经纬仪正处于持续的准确的自动跟踪之中，则能观测到气球的方位角和仰角的很高的扫描率，这就要求无线电经纬仪的机械性能比在大多数气球斜距较远时所需的更高、更好。为了实现准确跟踪同时减低所需的机械性能，

22、在一些现代化的无线电经纬仪的设计中把干涉测量跟踪作用结合在一起，在这些系统中，干涉仪对比所收到的来自跟踪天线不同部位的相位信号，以确定传输源相对于天线方位的部位。实际上，当一个简单的伺服器的天线定位趋近于气球上的探空仪方向时，相位数据在微处理机中的取样率就会很高，伺服器天线这种近似定位，为干涉仪提供了一个良好的信噪比，并把地面接收到的反射减至最小。于是由天线位置的组合来推算出仰角和方位角，而源的方向则通过干涉仪由相位测量结果进行推算，该系统的观测准确度类似于较好的标准无线电经纬仪。干涉测量无线电经纬仪系统可望提供更可靠的服务，而且维护费用也低。13.2.4雷达与无线电经纬仪相比，雷达跟踪技术的

23、最基本特征是：斜距同方位角和仰角一起直接测量。一次雷达基于探测接收由气球携带的合适目标反射的超短无线电脉冲波。使用可靠的一次雷达，几乎在所有情况下都可以达到第12章中提及的高空风测量的准确度要求。用高准确度的跟踪雷达可以测得很高准确度的高空风。为了使测量准确度好于1ms-1，一个重要的条件是宁可使用镀金属表面的气球（非常昂贵）而不使用标准的探空气球。用一次雷达测风，并不一定非使用无线电探空仪不可，把耗费在无线电探空仪的费用减至最少是可能的，只要有技术支持设备，用以维护雷达和支付工作人员的费用是很低的。但是在许多国家，当与导航测风系统的费用相比，更换和操作一次雷达的费用甚高，这样就导致了在日常气

24、象业务中缩减使用一次雷达系统。大多数测风雷达系统由调制器，射频振荡器、测向天线系统、接收机和数据处理单元组成，后者给地面系统计算机提供斜距、方位角和仰角。调制器产生很强的约1s时间的电压尖脉冲，平均每秒钟400-1000个脉冲。这些脉冲激励一个磁控管，使它突然在超高频段产生几百千瓦功率的无线电脉冲，然后通过波导管把这一能量聚集到抛物面反光镜的焦点上，当抛物面天线正好指向气球目标时，脉冲被反射回同一天线系统，并由接收器转换。从磁控管发射脉冲到从气球目标返回信号的接收之间的时间可以测得，经对信号在电子检测中延迟的补偿后转换成到目标的斜距。使用的波长有3.2、5.7和10.6cm，但大多数设备使用3

25、.2cm波长，因为它使用较小的天线，仍能达到所要求的跟踪准确度，但是在大雨天气下信号的衰减在3.2cm波长，因为它比在10.6cm大得多。大雨常见的地区，必须使用较长波长的雷达，以确保全天候长距离的观测。13.2.4.1雷达反射靶上述波长的雷达，其最有效的反射靶形状是角状反射体，主要由三个互相垂直的导电平面组成。在一种设计中，顶平面是正方形，在飞行中保持水平。用于远距离的型号采用山墙形结构，并具有使反射体转动的功能，以避免发生反射体的“零位”点向着雷达的时间过长的可能性。目标的重量和阻力应使其在飞行中尽可能地减少，要求目标可分折以便于储存和运输。由角状反射体截获雷达光束中的能量，与反射体边长的

26、平方成正比。普遍的雷达理论表明，雷达接收的能量与雷达传播的能量之比率与反射体尺度的平方成正比，与从雷达至反射体的斜距的四次方成反比。所采用的反射体应足够大，以确保在预期的气象状况下能准确地跟踪至最远距离。在高空风较弱时，可使用较小、较便宜的反射靶。角状反射靶的性能在一定程度上取决于雷达的波长。短波雷达（3cm）可从给定的目标反回较多的能量，属于实际上的低耗能系统，但在雨中因受衰减，目标会被湮没，波长愈短愈严重。尺度0.5至1m的角状反射靶在大多数场合均可应用。这里，其尺度取成组成三角形的角状反射靶的外边的长度（斜边），粘合在纸或聚苯乙烯上的金属箔反射片，或具有筛孔的约0.5cm的镀金属纤维网，

27、或镀金属的聚酯薄膜均已成功地用于做成合适的传导平面，这些平面应是好的电导体。例如这些平面上距离相隔30cm的两点间的电阻值低于20欧姆即可得到满意的结果。在装配反射靶时，其表面应平坦，高差不应超过0.6cm且各平面应互相垂直，偏差要在1以内。13.2.4.2发射机回答器系统在二次雷达系统中，由地面站发射的能量脉冲，为气球上携带的回答器所接收，它既可以是一单独的脉冲转发器组件，也可以设计成组合在无线电探空仪中。返回的信号频率不一定要与发射时的一样，所取得脉冲发射与回答器反应之间的时间间隔可直接测量出斜距。这种技术比一次雷达的有利之处在于，对从地面发射机给定的功率输出来说，它可以跟踪更远的距离。这

28、是由于回答器所传输的能量是独立的，通常都比收到的地面发射器发射的能量大，因而地面接收器接收的能量是回答器发射的能量与斜距的平方成反比，而不是像一次雷达那样与斜距的四次方成反比。但是若在给定测点有大量的无线电测风观测而没有同时进行无线电探空仪观测的要求，则二次雷达的业务耗费高于一次雷达，此时选择一次雷达更合适。该系统的复杂性和二次雷达的维护要求，通常介于无线电经纬仪和一次雷达之间。13.2.5导航跟踪系统导航跟踪系统由无线电探空仪和接收无线电导航系统信号的天线组成。此无线电导航系统由独立于国家气象服务机构以外的部门管理，该系统的主要目的是用于飞机或船舶的业务导航以及支持军事目的的导航。目前使用的

29、测风导航是奥米伽（Omega）和罗兰（Loran）系统，采用地基发射器。使用卫星全球定位系统（GPS）是目前导航跟踪发展的先进水平。为了保持无线电探空仪处理信号的成本降至最低，从导航信号产生结果的绝大部分处理工作是在无线电探空仪接收到导航信号并转发至地面系统后完成的。地面系统天线的位置必须在所有方向上对探空仪都应具有高的视线，以求地面测风系统对发自无线电探空仪的信号具有好的接收能力。无线电探空仪的频率设计要确保在探空状况下，不中断地发向地面站的载频。使用导航跟踪的高空风测量的准确度随地理位置和所用的导航信号的变化而变化，只要能提供足够的可产生有用的导航信号，其测量准确度就能达到类似于无线电经纬

30、仪和雷达系统的准确度。导航系统的一个最主要的优点是地面系统很简单，它不包含可移动的部分，不需要很准确的跟踪天线配置，使得该系统适合于在飞机，船舶以及地基站使用。在地基系统中，用无线电探空仪测量高空风规定采用位势高度，由地面系统处理导航测风资料的时间标记要与探空仪高度测量的时间标记一致，这点很重要。13.2.5.1未来应用导航信号的可行性导航信号的可应用性一直有进展，目前国际导航业务已主要采用环绕地球排列的GPS导航卫星的信号，这些发射信号已大量地取代由固定地面发射机信赖的信号。但是由于种种原因，一些国家仍坚持使用地面导航系统作为地区或国家的导航网。导航权威当局在考虑对选定的系统进行长期投资前，

31、必须商讨此类导航信号未来的可应用性。使用GPS导航系统计算高空风比使用地面发射机的导航信号要复杂，因为卫星相对于无线电探空仪连续地运动，测风系统必须能确定在任何时刻所接收的信号和卫星的位置和移动。GPS信号的频率比奥米伽和罗兰-C信号高得多，因此GPS信号在传输至地面接收器前，必须在无线电探空仪上先进行高水平的预处理。从而GPS无线电探空仪要比至今所用的一般探空仪具有更高的处理能力。虽然如此，预期的GPS测风结果的准确度将相当于或甚至超过好的一次雷达。13.2.5.2甚低频（VLF）奥米伽导航网从1980年代初期起，在气象业务和研究中，奥米伽导航测风系统的使用扩大了，但业务人士指出，该系统可能

32、在今后的几年内将退出使用。俄罗斯阿尔法（Alpha）导航网同奥米伽系统使用同样的频率，还有有限数量的附加的正规的VLF传输装置，它们具有足够的稳定性且可用以开发进行测风。因而随着奥米伽系统关闭，在有些地区仍有可能使用VLF测风。因此在确定可以使用其它的VLF信号的设备投资前，要先确信多年来每日进行例行观测的附加的VLF信号的可应用性。奥米伽是一个由原子钟控制的工作在甚低频带的8个发射机组成的网，该系统提供接近于全球覆盖，但在很有限的地区（如南极部分地区）就没有适于进行定时准确测风的信号。每个站在0.91.2s内陆续发射4个规定频率10.2、11.05、11.33和13.6kHz的信号，并附有一

33、个赋予给定站的特征频率。不会有任何两个站在同一时刻发射同一频率信号，同时任何一站也不会在同一时刻发射两个频率信号，此循环每10s重复一次。在选定的频率（波长2230km），电离层与地面间起着波导作用。VLF和奥米伽发射机激发出多种方式的波传播，它们的振幅和相速度随电离层的高度、传播的方向和离发射机的距离而变化。由于出现许多高阶波传播方式，在发射机约1000km内信号相位难以预测和利用。在此距离以外，相位是距离的一个有用的线性函数。电离层高度具有日变化，这就使得在一给定位置上从一固定发射机接收到的相位产生变化，尤其是若日落或日出正出现在沿发射机至接收机的大部分传输路径上。当电离层受到X-射线和太

34、阳粒子通量的干扰时，出现偶而发生的信号传播失常，与太阳黑子活动11年周期末端相关连的问题也将频繁出现。奥米伽信号为无线电探空仪的奥米伽天线接收后，可用于调制无线电探空仪的载波频率，奥米伽信号由无线电探空仪接收器接收后就从载波中分离出来，并馈入地面系统中的奥米伽跟踪器。在奥米伽跟踪器中，模拟滤波必须先于相位探测，以便限制其进入宽带并削减噪音的高振幅峰值。由于滤波线路在受到高能干扰（如由闪电引发）产生振荡，此时辅助的数字滤波就显得很必要了。相位检测器可运用付立叶变换和交叉相关技术。由无线电探空仪接收的奥米伽信号的相位变化率，用相对于一个内部参考信号进行计算，当使用标准双曲线计算时，要求参考信号只需

35、具有中等稳定性、高质量的晶体振荡器就比较满意。13.2.5.3罗兰-C链罗兰-C是一个准确度相对高的远程导航系统，工作在中心频率为100kHz（波长3km）的低频带。它主要用于海上导航，特别是在海岸和大陆架地区，罗兰-C只覆盖世界上某些部分，主要在北半球的海洋区域。近些年北美海岸线以外的大多数发射机的所有权已易主或站点已关闭。有些新的所有权主重新装备一些链以构建区域海洋导航网。在北美，2000年前还许诺罗兰-C维持正常运行，但此链的前景并不明朗。罗兰-C依次发射8个或9个100kHz的脉冲载波组，每个约维时150s。每一发射机链由一个主站和两个或两个以上副站组成。基本上是以主发射为标准来建立链

36、的联接，每个副站在主站发射之后，以固定间隔发射其脉冲组，其发射率对给定链是规定的，典型的发射率是每100毫秒一次。罗兰-C信号传播，包括地波和由电离层反射的天波两种。地波在传播过程中比奥米伽信号稳定得多，只有一个很小的相位修正。此修正决定于信号传播时是否经过陆地或海洋。当无线电探空仪的位置改变时，相位修正有变化，但这种变化通常不会大到足以影响测风的准确度。由于天波的传播依赖于电离层的位置，因而它会随一天的时间的变化而发生较大的变化。地波信号来自发射机，比天波要强得多，但天波的衰减却远比地波小得多。因此对罗兰-C测风来说，其最佳状态相应于无线电探空仪接收来自所有发射机的信号均以地波为主。这种情况

37、可通过罗兰-C的服务区中的一部分地区来实现，但并非在理论覆盖范围内所有部位。在最佳状态下，罗兰-C测风系统比奥米伽系统有更高的准确度和垂直分辨率。与奥米伽无线电探定仪类似，罗兰-C无线电探空仪通过其专用的天线接收信号，然后调制无线电探空仪的载频，以便把信号传输到无线电探空仪的接收器。用来检测罗兰脉冲到达时间的罗兰跟踪器，能在一定程度上区分地波和天波信号，这是通过检测脉冲的前锋部分的到达时间来实现的。现代罗兰跟踪器可在交叉链模式中进行操作，所以来自多个罗兰链的信号可以一起使用。在罗兰-C服务区的许多部分，这种设备是获取高质量的测风的重要因素。风是从成对罗兰-C的到达时间差的变率来计算的，计算使用

38、所有可能的可靠的信号比使用最少三个信号为好。罗兰-C测风系统在北美和欧洲的气象研究中应用广泛，在西北欧还用于气象业务。罗兰-C链结构的变化，像发射器系统更新，已使罗兰-C跟踪器在业务上的需求更为突出，为适应新链的结构主要是软件调整而不是硬件变化。13.2.5.4全球定位系统（GPS）全球定位系统（GPS）是高准确度的无线电导航系统，它基于25个在6个轨道平面上围绕地球运行的卫星群发射的无线电信号。每一轨道平面与赤道相交60，对极轴倾斜55，每颗卫星绕行轨道的时间约为11小时58分。这些卫星在世界范围内的任一位置，任何时刻，在地平线上方至少可以见到4颗，而在某些地区从地面甚至可以见到多达8颗。从

39、卫星发送的信号是由原子频率标准控制的，可以提供频率稳定度好于。每一个卫星发送两个惟一的为随机数字距离码，其它信息包括日历、星历表、世界协调时以及卫星的性能。距离代码和系统资料的传送采用双相数字频谱技术，距离码信号的功率电平是-130毫分贝（dBm），远低于热背景噪声。下列这些码应作考虑：（a）用1575.42兆赫（MHz）传输粗获取码（C/A）。此码由卫星特有的伪随机噪声码调制，定频为1.023MHz，有效调制的粗获取码（C/A）传输的频谱带宽为2MHz。（b）精码（p），该码在反电子欺骗（AS）活跃时，可以由军用码（y）代替。P代码及其系统资料由载波L1（1575MHz）和L2（1228MH

40、z）传输。全球定位系统（GPS）信号的波长比奥米伽和罗兰系统短得多，用来接收GPS信号的天线小得多。应将天线安装在无线电探空仪的顶端，且面向地平线的所有方向上都不能有障阻物。这种小天线比奥米伽和罗兰系统的天线能更好地防止大气电的破坏作用。但是GPS天线在无线电探空仪上的安装位置有可能与温度传感器发生冲突，因为温度传感器也需要安装在无线电探空仪的顶部（这是为了避免在白天，由于无线电探空仪上部受辐射加热，若温度传感器不安装在无线探空仪的顶部，则受热空气会流过温度传感器，使测温受影响）。距离码的带宽，对于GPS信号从无线电探空仪按奥米伽和罗兰信号所用的方式传回地面站来说显得太宽了。GPS信号需要在无

41、线电探空仪中进行预处理，减少信号的GPS信息，以便可以用无线电探空仪的载频向地面站传送（可以作为模拟信息，如用于奥米伽和罗兰系统，或者作为数字化数据流）。此预处理可以由正在发展的多种技术来完成。高质量的无线电探空仪GPS处理器在大批量生产后，价格会比较低廉。第一个实际应用的无线电探空仪GPS系统采用的是差分型C/A码，它要求地面站和无线电探空仪的接收器同时接收GPS信号。卫星日历和其它的GPS信息，储存在地面站的GPS处理器中，准确的风计算要求其信号来自最少4颗卫星。在差分型中，相位或在无线电探空仪上接收的信号的多普勒频移，将与地面站收到的那些信号参照。这对于无线电探空仪与地面站接近时是特别有

42、益的，因为由从空间飞行器至接收器传播的延迟或AS（反电子欺骗）引起的定位误差对两种接收器是相似的，可以在相当大的程度上相抵消。GPS跟踪系统与奥米伽和罗兰系统相比，能以很高的取样率准确地跟踪目标。因此有可能测得无线电探空仪在气球下像钟摆一样作周期约10s的摆动，所引起的视水平速度的变换。除了在大气边界层，我们对高空风不需要有很高的垂直分辨率（50m），而且在发出高空风报告前，我们可以成功地过滤掉这种摆动的干扰。早期的GPS无线电探空仪样机，易受外界的无线电频率的干扰，这是因为当时的无线电探空仪导航设备的接收器的灵敏度，设计成能接收到很弱的全球定位信号。将来随着其它用户数量的不断增加，无线电探空

43、仪将不得不分享无线电频谱。因此防止外界无线电频率干扰是十分重要的，这将有赖于无线电探空仪设计的最优化。随着无线电探空仪的大量生产，GPS无线电探空仪在业务应用中的优势和局限性将会明显地表现出来。希望GPS无线电探空仪在使用中能够获得证实：与其它导航系统相比，它的操作更加简单，在大多数情况下，它是更准确的观测方法。13.3测量方法13.3.1数据处理概论现代跟踪传感器在1分钟内读取的信息要比早期通常使用的手工操作系统多得多。风的处理正常地将全自动地使用与此关联的地面系统计算机。高空风测量完成后，操作人员要先进行显示和检验，然后将信息分发用户。因此，跟踪数据的取样最好在10s或以下间隔一次。从跟踪

44、系统考虑，最高取样率是很有用的，高取样率使跟踪系统易于用自动算法控制数据质量。编辑之后，跟踪数据仍要用统计方法平滑，若有需要，就可决定跟踪数据的位置随时间的变化。所应用的平滑作用可决定测量高空风的大气层厚度。考虑到用户的不同要求和所使用的高空风系统的跟踪限制，平滑过程常按气球不同的飞行部分加以改变。若在较高层次的测量准确度降得太低，则测量的垂直分辨率就不得不减至低于最佳要求，以保持测风误差在允许的限值以内。编辑和平滑数据的有效算法可采用低阶多项式（Acheson, 1970）或立方样条函数（de Boor,1978）。用雷达和无线电经纬仪观测计算风的算法可参考WMO（1986）。总之，既可以根

45、据跟踪数据从导出的差分定位得出风，也可以由跟踪系统平滑技术变量的转变率得出风（Passi,1978）。许多现代系统采用后一种方法，但是此算法必须能对付一些奇异的技术变量，例如当气球飞回又经过跟踪点的高仰角时，也应能用此法处理。当对由跟踪数据计算得出的风进行显示以供检验时，应指出哪些跟踪数据缺失或判断为噪声太大无法使用的气球飞行区是十分重要的。当跟踪数据有间隙时，使用的有些算法在作内插时就不十分稳定了。当跟踪数据缺失时，区分可靠的风的垂直切变测量和在自动化数据处理过程中人为造成的切变很重要。当气球刚开始上升时，跟踪数据的质量一般比较差，如果该高空风系统不能在气球施放后立即对它进行有效的测量时，则

46、宁可在其后的报告留下空缺直至有效的跟踪数据获得时。这是因为在地表与最初几层实测数据之间的内插，常要求具有所通过明显的风的垂直切变各层的插值，而在这种情况下自动算法不具有相应的功能。这就表明，为了确保高空风系统的观测质量，应采用多种跟踪方法，在这种情况下，通过对非线性方程组的超定系统应用最小二乘法，应能得到定位信息的最佳解（Lange,1988, Passi,1978）。这种分析方式也能应用于多个系统同时对气球进行跟踪的测试分析。13.3.2测风气球的观测为了观测运动着的气球的方位角和仰角，重要的是首先将光学经纬仪准确地调整水平，并按照正北校准方位。方位角和仰角的读数至少每分钟一次，方位角要读到

47、0.1，当仰角等于或小于20而大于15时，要读到0.05，但当仰角等于及小于15时，则要读到0.01。记时用停表或用在规定时间间隔响铃的信号钟。当用光学经纬线仪跟踪无线电探空仪时，当仰角较低时，高空风测量的准确度较高。因而当仰角大于20时，应读到0.1，当仰角等于或小于20而大于15时，要读到0.05，但当仰角等于及小于15时，则要读到0.01。记时用停表或用在规定时间间隔响铃的信号钟。用单经纬仪观测气球上升，风向和风速值采用三角法计算气球每分钟的平面位置的变化，用袖珍计算器即可很好地达到要求。当要求准确度较高时，应采用双经纬仪方法。两台经纬仪之间的基线距离至少2km长，方向最好和当时的盛行风

48、向垂直，若两个跟踪点在同一高度，则计算就可简化，两点间用无线电或地线通讯，有利于在两点间实现同步观测，观测的同步对达到高准确度十分重要，具有电子记录的记录式经纬仪有助于改善测量准确度。多经纬仪跟踪可用于相互检验，所有多重跟踪数据提供了多重性，可用于改善测量准确度，但却增加了复杂性，相应的计算必须由个人电脑来完成（Lange，1988和Possi，1978）13.3.2使用定向天线观测使用定向天线的测风系统，要求在安装和维护过程中都非常小心，所做的每一项努力都是为了确保仰角和方位角测量的准确度。为此要求安装准确水平并细心维护以确保天线的电子轴的方向尽可能地接近机械轴。这可以用各种方法进行检验，比

49、如检验本地传输器的定位或已知定位的目标。近年来在许多高空观测站，由于方位角不准在测风中引起了附加误差。一次雷达的斜距校准可以用已知目标物进行检验，条件是必须存有合适的目标物。通常雷达的跟踪能力可以用与它同时施放的无线电探空仪的位势高度来比较检验，由跟踪误差引起的雷达高度测量的修正将在13.7节中讨论，其原因是大气的折射。在高度达到约24km处，雷达测量的高度与无线电探空仪的位势高度的比较可用于鉴别雷达的跟踪能力是否没有达到标准。进而如果已知雷达的斜距测量可靠，通过比较雷达高度和无线电探空仪高度，作为仰角的余切函数，可以鉴别出很小的雷达仰角的系统偏差。对广泛使用的无线电探空仪来说，它的位势高度的

50、典型误差值，已由WMO（1987）确定。当在很近距离内跟踪目标时，雷达和无线电经纬仪都会遇到困难。这是因为天线的旁瓣接收信号强度很高。它足以使自动跟踪在短距离范围内持续有效。但是用的是旁瓣跟踪，接收的信号强度在几分钟内就迅速减弱了，致使目标很明显地消失。如若目标丢失，又值施放点云很低或下雨或出现雾，有些系统就很难再找回目标。因此，必须找到一种方法用以检验目标在施放之初，就位于主瓣的中心。这种检验应由操作人员采用瞄准孔、望远镜或对准天线轴的摄像机来实施。这种跟踪校准对用干涉测量的无线电经纬仪来说是较难检验的，因为无线电经纬仪的机械跟踪并不配有观测与气球移行方向完全一致的设备。13.3.4使用无线

51、电导航系统的观测以下内容应用于地基导航系统，地基导航系统仍是目前仅有的完全的导航测风务系统，但同样的原理也应用于当前正在发展的卫星地基GPS系统为了得出满意的高空风测量，无线电探空仪必须从至少三个站接收信号，这些信号在接收的时间上的差，当其中从两点传输的信号能前后相一致时，就可以找到一条定位线或轨迹（WMO，1985）。其在平面上具有双曲线形状（但在球面上变为一椭圆）。因此采用此技术的导航系统也称为双曲系统。两条定位交叉线就足以确定目标物的平面位置。但是如果两条定位线在相交时趋于平行，则这两个信号在接收的到达时间上有小的误差，就会造成在确定位置时出现较大误差。使用高空测风导航系统，已鲜明地证实

52、，所有给定类型的导航信号（通常至少4、5个）都应能用以提高跟踪的可靠性。一种用于开发所有导航信号应用性的算法，Karhunen（1983）已作了概述。如果在一给定点只有三个信号可用，则购置该导航跟踪系统用于研究目的当可接受，而用它来进行不间断的气象业务，当属极端冒险性。大多数发射机在一年内总要关闭进行维修，此时就不可能进行高空风测量。用于导航测风处理的计算机软件必定是复杂的且足以处理可能出现的各种异常导航信号（Lange，1983，Olson，1979）.当使用导航跟踪系统进行高空风测量时，地面系统导航跟踪器必须在气球施放前准确地与导航发射器同步。通常通过与地面系统接收器连接的当地天线所接收的

53、信号来达到同步性要求。为了达到同步性要求，这种天线应具有在该点所经历的任何天气状况下接收足够信号的功能。地面系统也必须在无线电探空仪施放前和飞行中，向操作人员提供明确的指示：哪些是可供使用的导航测风信号。一旦施放，导航测风系统即行高度自动化地工作。根据接收的导航信号的结构和质量，来估计期待测测量误差，对操作人员来说是很有用的。在飞行过程中，操作人员必须能辨别那些接收器或发射器特性低于标准观测要求的有问题的无线电探空仪。此类观测要被扣下，必要时应重新再施放。13.4 地面设备的安装无线电经纬仪和雷达都应置于较高的地面上，水平方向尽可能无障碍物，不应有从测点看去视角超过6的障碍物。理想的地点应是一

54、个匀称的小山，有距离400米向下约6的斜坡，周围小山高出的仰角在12，它将消除很短距离以外的地面回波。必须为跟踪系统提供一坚实的基础，把此设备牢固地固定在其上。对成功的导航测量来说，由本地导航天线和无线电探空仪的地面系统天线高质量地接收信号是最基本的，这些天线安装在高空站点上，该处有一个良好的水平面，以便于在各个方向接收信号。高空风测量通常与地面风测量一起报告，尽量在接近气球施放点处测量地面风。施放点应选择在适合于进行高空风测量要求的场所，若要求高空风测量能检测局地效应影响的气流场，则最佳的位置应不同于要求观测较大区域的中尺度和天气尺度运动相应的高空站点。13.5误差源13.5.1概述高空风测

55、量的误差是由对目标水平运动的不完全跟踪引起的误差，对目标高度确定的误差和目标的运动与实际大气运动之间的差异的合成误差。13.5.1.1目标跟踪误差风的误差与跟踪误差之间的关系，随观测方法而异，对于一些系统，如无线电经纬仪，风的误差明显地随距离，方位角和仰角而变化，即使这些跟踪参数的误差保持随时间不变也是如此。相反，对于导航跟踪系统，风的误差几乎不受气球离施放点的距离或高度变化的影响。由于风的手工计算产生的不确定性已在WMO（1975）中作了评述，其结论是用手工方法计算高空风（如绘图盘，计算尺等）引起明显误的危险太大，因而高空风计算的自动化越早越好。所有高空风系统的测量准确度时刻在变化，这种变化

56、可能出现在给定目标飞行的一小段时间内，当跟踪暂时衰变，或在整个飞行过程中衰变，例如从导航无线电探空仪传输的信号产生错误。在有些地方，高空风跟踪准确度在几个月内可随时间逐渐降低，它起因于跟踪能力的不稳定性或者地面系统设立的不稳定性。在所有情形中，若能把高空风系统实时进行的准确度估计，补充到高空风观测报告中，这将是非常有用的。报告的误差可用来鉴别出质量低下的测量，在进行数值分析时，可对其少给予权重。在实际工作中，误差的报告可使用TEMP或PILT码和BUFR表（WMO,1995）。当目标跟踪中的误差在给定的垂直分辩率下开始导致不可接受的测风误差时，这种情况通常要用在较低垂直分辨率下对风进行计算予以

57、补偿。在大多数时间内，在垂直方向高空风的变化不是很快，常常难以发现在150m高空风测量的垂直分辨率同在1.2km测量得到的垂直分辩率有什么大的差异。奥米伽测风系统使用的就是1.2km的垂直分辨率，与第12章的要求相比，这个分辨率低于理想值，但是，奥米伽测风系统仍被认为是可接受的业务系统。然而当垂直风切变的测量作为主要的准确测量时，这种系统就不能适用了。采用逐步降低高空风在对流层高层和平流层低层的垂直分辨率，是克服无线电经纬仪跟踪局限性主要采取的做法。这种做法在实际观测的大气垂直结构中并未获得证实。而在急流的上层10到18km之间发现许多大的垂直风切变（参见在Nash ,1994中介绍的详细垂直风廓线的例子）。13.5.1.2高度确定的误差高度确定的误差通常并不显著，除非在假设气球上升速率和由飞行时间导出的高度的场合。然而，在检验全自动高空风测量系统时，经常可以暴露出这样的矛盾现象，确定的测风时间与相联系的无线电探空仪确定的时间并不一致。在有些情况下，风的计时并没有同无线电探空仪在同一时间开始，另一些情况下，同步性由于某些原因而在飞行过程中丢失了。在几个其它系统中，对报告的风所确定的时间，不是对风进行计算相应的取样数据，而是取样开始或结束时的数据。所有类型的计时误差都会造成测定确定高度的大的误差，因此在可靠的业务系统中对于这些