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