广东在全国率先应用北斗探空系统:飞升3万米,感受天空的“呼吸”
南方日报 2024-01-10 09:35

新年第一天的早晨,4个一人多高的气球分别从河源、清远、阳江、汕头的气象观测站上升,带着探空仪去到3万多米高空。新年第一飞,标志着广东的气象高空探测业务,在全国率先全面转入北斗探空模式。

我国从19世纪开始开展高空气象观测业务。如今,它不仅为气象预报员提供地面到高空的垂直气象观测数据,也为全球气象研究提供数据交换。

高空探测起到什么作用?

早上出门前,打开手机APP看天气预报是很多人的习惯。但你是否想过,天气预报是怎么来的?

天气预报的形成需要数据支撑,尤其是高空大气的温度、气压、湿度、风向、风速等基础资料。为获取这些数据,高空探测应运而生。

气象上说的高空探测,通常指利用气象气球携带探空仪,在飞升的过程中,探测收集周围环境的气象数据,并将其传输至地面,地面人员经过计算整理,得到上空气象要素的垂直分布情况,最终用于天气预报、气候分析、科学研究等。

一些欧美国家在18世纪就开始进行高空气象探测——人们先后用风筝、载人气球携带仪器等方式进行高空气象要素探测的试验。我国则是从19世纪开始开展高空气象观测业务。

而现代探空始于20世纪初,随着无线电、气象卫星和大气遥感技术等的发展,人们逐步实现了全天候、全球性的高空气象探测,也直接推动了现代大气科学的产生。

“现在做气象高空探测,一方面是为气象预报员提供地面到高空的垂直气象观测数据,另一方面也为全球气象研究提供数据交换。”省气象局气象数据中心工程师徐黄飞介绍,世界气象组织要求全球必须在相同时间(国际标准时每天0时和12时前一小时内)施放气球,对应到我国,便规定全国探空站在每天7时15分和19时15分施放。“全球都同一时段观测,数据才有可比性,也方便探空资料的全球交互。”徐黄飞说。

因此你可以想象,清晨、傍晚,气球从世界各地的探空站飞向3万米的高空,感知着天空的“呼吸”。

北斗探空系统有何长处?

“探空仪经过检查没问题,设备状态也反馈到北斗探空系统了,可以释放。”清晨,在清远气象观测站,高级工程师董福镇用绳子将探空仪与氢气球连在一起。7时15分,他放开手,气球迎着阳光直冲而上。

在此前的高空探测中,雷达是各国使用频率最高的设备。以广东为例,近20年均采用L波段探空系统进行观测,通过地面的雷达对气球跟踪定位,最后接收探空数据。

但这种探空方式有个很大的局限:只能点对点接收,即一台雷达只能接收一个探空仪的数据。因此,一旦遇上大风等恶劣天气,容易出现丢球情况,导致探空失败。

而且随着天气预报业务发展,每天2次获取的探空资料,其时空分辨率已难以满足精细化预报和服务的要求,需要加密探测。另外,高空探测的探空气球不回收,释放成本也较高。

如何提升高空探测的成功率和效率,并尽可能节约成本?北斗探空系统,便是破局之法。

从2017年开始,中国气象局牵头组织开展新型北斗智能探空系统的原型研制。到2022年8月8日,在中国气象局的部署下,清远释放了第一个北斗探空试验球,拉开了北斗探空系统在广东的落地试验的序幕。

这一系统由探空站、接收站、台站服务器、省级服务器和国家级服务器组成,探空仪观测数据发回地面,地面接收站收到数据后,通过台站服务器将数据进行互联网加密后发到国家级服务器,国家级服务器再将数据处理后传输给省级服务器。

这一过程中,高空数据的接收实现从“点对点”转为“点对面”。

“北斗探空采用组网观测方式,探空仪在天上的时候,除了释放地,其他地方的接收站也可以接收数据。”徐黄飞介绍。以清远探空站为例,记者从监测屏看到,气球在移动的过程中,韶关、连州、郁南等地的接收站均收到探空仪的数据。因此,即使气球飞出清远站的接收范围,广东其他的地面接收站也能收到数据并上传。

“目前,广东建了13个地面接收点,每个的接收范围约150—200公里,基本覆盖全省,今年还将再建7个接收点。”徐黄飞介绍。

而且,我国也正逐步成为气球高空气象观测业务大国。全国已有120个高空站,占全球总量6%,其中全球资料交换站89个,提交了占比全球共享资料的10%左右。

同时,芯片保证了气象数据的准确性。

在探空仪中,安装了我国首颗探空专用SoC北斗芯片,中国气象局将其命名为“春分1号”。这一芯片包含118类标准函数的开发包,实现数据处理的集成化和标准化,水平、垂直定位的精度达到0.8米、1.3米,与国际主流探空芯片(UBLOX_G7020)的0.7米、1.5米相比,几乎没有差距。

“广东北斗探空试验数据表明,北斗探空系统数据稳定可靠,数据质量达到世界气象组织(WMO)探空数据最高目标要求,其中测风误差由L波段探空系统的3米/秒提升到0.3米/秒。”徐黄飞表示。

平漂观测模式降低成本

“外部气球顺利爆炸,内部气球膨胀,开始进入平漂探测阶段。”董福镇盯着监控屏,到达高空3万米左右后,气球已穿过对流层到达平流层,“这一段气流平稳,气球将平漂5.5小时左右,最后再下落。”

传统的单球模式下,气球带着探空仪以5—6m/s的速度上升,当气球爆炸后,观测任务便结束。这一过程中,只有上升段数据会被保存,下降段则因速度太快导致观测数据不连续,没有价值。

但北斗探空系统可以实现平漂观测模式,即一次释放实现“上升、平漂、下降”3次观测,这是省钱秘诀。

平漂模式使用的是“双模气球”,即双层气球,并携带探空仪、熔断器、降落伞进行高空气象观测。双模气球上升到平流层后,外面的气球会炸开,内部的球保留下来,随后继续携带探空仪等设备在平流层观测。此后到达指定时间后,熔断器会将绳子切断,随后由降落伞带着探空仪开始下降段垂直观测。

“这个过程中,会在1.5小时左右从对流层进入平流层,随后在平流层平漂5.5小时,最后耗时1.2小时左右下降。”徐黄飞介绍,以这一模式,上升、平漂、下降过程中的观测数据都会保留,“也就是飞一次得到3段数据,相比传统单球模式更省钱。”

但要让这个过程顺利进行,需攻克很多难题。

譬如气球在上升的过程中,便面临着天气状况、气温、气压等诸多考验。“当遇到下雨天时,充气就要比平时更足一些,才能达到上升速度;而且,气球也要专门定制,必须防冻,因为在3万米高空,气温低于-70℃。”徐黄飞说,并且由于探空仪需要在平流层继续平漂,因此还用泡沫盒进行外层包裹,尽量给探测仪器保温。再比如,还要解决如何在理想高度实现熔断、如何应对飞鸟影响、如何保证内部气球不破等难题。

因此,从2022年到2023年底的这段时间,广东4个探空站便持续进行着这一系列的试验,让气球、探空仪适应广东的气候条件。同时,测试北斗探空系统的整体业务运行能力,包括探空仪性能、接收机性能、基测箱性能、集成控制器性能、配套的台站软件等,最终广东才得以实现业务切换。

“北斗探空系统是一次重大的高空观测改革。”徐黄飞说,系统的数据准确性相比L波段探空系统有了较大提高,尤其是在风向和风速观测的准确性上。

如今,广东气象部门已将北斗探空资料常态化应用于气象预报、数值预报、卫星遥感等领域。譬如在2023年7月27日早上8时,省气象局针对台风“杜苏芮”开展天气会商,而北斗探空系统在台风登陆前24小时,就为会商提供了精准的数据支撑。未来,广东还计划在海上石油平台、海岛等区域布设中继接收站,拓宽探测范围,弥补海上高空探测的空白。

放眼全球,北斗探空系统也写入世界气象组织技术委员会高级别指导意见文件。广东在全国率先全面启动的北斗导航探空业务,为全球气象探空发展提供了中国方案,并将于2025年在全国完成推广应用。“我们的气象探空技术已经跻身世界先进水平,未来北斗探空系统还将进一步优化完善。”广东省气象局监测网络处副处长赵晓利说。

北斗探空系统已成防灾减灾利器

早上6时30分,天气微冷。河源国家高空气象观测站工程师马佩强,已开始检测北斗探空系统的探空仪,另有一名工作人员正充灌氢气球。

待到7时15分,带着探空仪的气球准时施放。气球上升过程中,仪器实时获取气球位置的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素,实时传向地面接收设备,并同步上传至国家级云端中心平台。

7时34分4秒,平台已生成第一份数据产品,最终将供全国天气预测平台使用。

“高空大气探测工作就相当于给大气做了一次CT。”马佩强说,所有站点在统一时刻释放,同步对大气做监测、扫描。

河源这次进行的是单球观测模式,如果遇到台风、暴雨等特殊天气需要加密观测时,北斗探空系统的平漂探空能力就有“用武之地”,实现一次放球就能获取上升、平漂、下降三个阶段的数据。

“这项功能,打破了上百年的高空观测模式。”马佩强说,与上一代探空仪器——雷达探空仪相比,北斗探空系统在数据传输、监测精度上有很大提升。

在精度方面,北斗探空系统卫星定位比雷达更加精确,风向、风速的监测精度比以前更高。“雷达探空仪只能从一个面上向前探测,没法钻到大气内部做探测,而探空气球则是深入大气内部,这是最直接的探测手段。”马佩强介绍,尤其是北斗探空系统启用以后,北斗探空系统平漂探测方式在全球是独一无二的,其他国家还没有做这类大规模的应用。

而今,北斗探空系统已成为河源防灾减灾的利器。

河源位于广东省东北部、东江中上游,属于亚热带季风气候,降水充沛,降水集中在汛期,且存在时空分布不均、洪涝干旱常发等特征。2005年6月18日,河源遭遇百年一遇特大暴雨。据气象部门统计,强降水过程各地最大降雨水量达989毫米,日最大降水量达286.3毫米,是河源市有气象记录以来的历史第二个日最大降水量。

北斗探空站启用后,当地气象部门基于高分辨率北斗探空数据,研制出用于天气预报、数值预报的高质量数据集,最终提高天气预报的准确率,为河源防灾减灾、实现高质量发展做好气象服务。

文/张子俊 黄敏立 王天巍 陈盈

编辑/倪家宁

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