数不清的空中观测员：气象解析全球高空观测现况

数不清的空中观测员

这儿的空中观测员可不是地面气象站的观测人员，它们是在空中进行各种气象探测的工具。从空中对各种大气现象进行探测，改变了过去气象观测的单一形式，呈现出一种立体的效果。

风筝

风筝能够飞上天，当然可以用于大气探测。据说，大约在1749年时，携有温度表的风筝就到达了云层深处进行过温度测量。大家熟悉的科学家富兰克林也于1725年把风筝升到了雷雨云中，从而证明了闪电与摩擦生电是一个道理。所以说，风筝在大气探测史上还有过功勋呢。风筝最大的好处在于它设备简单、造价低廉、上升容易，但是它的上升高度有限，充其量不过三千多米。再者风筝容易断线，在地面建筑物和丛林多的地方还不能施放。这样一来，到19世纪之后，风筝就只作为玩具形式而存在了。

探空气球

早期的气球充满了热空气，后来为了安全，由乳胶制成的气球出现，灌入适量的氢气，借助空气的浮力就可以上升。现代的载人气球高度已达三十多公里，是在20世纪60年代创下的纪录，对于探测大气的风筝高度来说，是个不小的突破。气球用于大气探测大约是在1893年，当时法国使用的是橡胶做成的气球，上面携有气象仪器升到了16公里的高空。早些时期，气球上面的气象仪器需要气球破裂，然后摔下来后才能获得各种气象数据；而现代常常使用无线电探空仪器，无需回收。

气球探测可以分成以下几种：

一是系留气球，又称风筝气球。它用绳索维系在地面上，其形状有的像船，有的像球。气球上面都带有测量温度、湿度、风向、风速的仪器。这些仪器要么用无线电发送测得的数据信号、要么直接采用有线传输的方式。系留气球的高度可以由绳索控制，不过一般只有几百米，它主要用于低空大气的探测。

二是探空气球。这种气球下面悬挂着探空仪。探空仪带有温度、湿度、气压三个传感器、转换器和发射机。气球升空后，会随时把测得的气压、温度、湿度等数据转换成无线电信号，再发送到地面，地面再经过信号转换得出探测结果。探空气球有的很低，只能测定2000米以下范围的大气物理状态；有的很高，可达到3万米的高空。我国的探空气球可达离地面2．5万米以上的位置。

目前全球约有一千多个高空气象观测站，每天定时施放探空气球，由此获得常规的高空气象资料。这些资料可以加工成气象台预报人员使用的高空天气图。

三是平衡气球。它也叫无外力气球或定高气球。此气球施放后，球体可以保持在某一高度上，随着空气水平飘移。如果使用经纬仪和测风雷达，就可以判断其所在的位置；再根据其时间的变化，就可以求出同一高度层的大气各个气象数据。

平衡气球有的定点于平流层上，顺着西风带，可以围绕地球飘行。平衡气球的探测仪器和无线电发报机常常靠太阳能电池来供电，其信号则通过卫星直接转发到地面接收站。

四是“母球”系统。它包括一个大型气球和在飘飞途中逐次下投的探空仪。探空仪在下落时一边探测大气一边发报，母球接收到它的数据后，再经过卫星中继站传给地面站。

气象火箭

火箭有上千年的历史，但现代火箭投入运用的时间却不长，至于气象火箭的使用年限更短。目前使用气象火箭进行大气探测的国家有二十多个。一些国家，如美、苏、英、法、日等设置了许多气象火箭探测点，建成了全球气象火箭网，定期发射火箭，互相传递信息。我国的探空火箭已能发射到离地面120～140公里的高度，在海南省还建有探空火箭发射场。

火箭飞行依靠的是它本身携带的固、液体燃料，它的速度快，可以达到上百公里的高度，因而它填补了气球和卫星所在高度之间空白区的大气探测。但是火箭飞行的时间短，仪器因空气摩擦产生的温度也高，而且火箭本身需要制导系统，这些都给火箭的大气探测带来了不便。为了取得更大的收获，一些光学经纬仪、高精度气象雷达、计算机等常常与气象火箭配合，以弥补气象火箭的先天性不足。

运用火箭探测大气的方法有以下几个：一方面，火箭在上升途中运用其所带的仪器直接测量，这种方法常见于早期，现已淘汰；另一方面，火箭在上升时，可以按时将其携有的仪器分开，仪器再依靠降落伞缓慢下降，自动测量；还有一个就是火箭在上升或下降时，陆续释放出不同的仪器。这些仪器有的是探空仪，它们将所测的温度、湿度、气压和风向的数据，通过无线电发射机准确地发回地面；有的是各种跟踪物，如纳云、金属丝、无声榴弹、带反射靶的气球带，用以测量不同高度的风速、风向等。还有的你怎么也想不到，它们竟然是取样瓶，在取得空气样品后，能返回到地面。(www.xing528.com)

气象火箭的类型有大有小。小的只测几种常规要素，大的能探上十种要素。气象火箭美国有洛基、阿卡斯型号；日本有MT—135型号；英国有大鸥火箭；俄罗斯有MP—100和MMP—06型号等。

多面手的飞机

飞机的诞生到现在还不到100年，但由于飞机有其卓越的性能，这使它在高空大气探测上显示出得天独厚的优势。飞机在垂直高度和水平范围的机动灵活性都比较好，因此它比气球、火箭的本领要大得多。飞机在气象上得到运用的有螺旋桨飞机和喷气式飞机；也有少量中低空飞行的各种飞机，如直升机。

飞机有一个最大的优点，就是能够载上各种遥感仪器。这等于是说在空中设置了一个气象平台，有利于提高天气预报水平。另外，经过特殊改装后的飞机可以在台风眼中飞行，在核爆炸后的蘑菇云中飞行，甚至可以在积雨云的附近探测云中的水量及气流分布的情况。当然，飞机还可以用来人工降雨，这里已是题外话了。

气象飞机是为了填补空中气象情报的不足，或者是为了执行某种特殊任务而用的，它需要安装有特殊的仪器设备。一般地讲，气象飞机除了装有测量大气温度、湿度、气压、风速、风向的仪器和数据处理机外，部分的还有红外线、微波遥感设备，用以测量海水温度、云粒子分布、臭氧等。

飞机的外表也很独特，如有的飞机机身某处有凸出的雷达天线罩，它是为保护雷达而设置的，为的是使雷达天线更方便地获取云、降水、台风、冰雹等数据参数；还有的头部有一个尖尖的鼻子，可别以为它是歼击机的空速管，其实它是特地用来测量温度的设备。

运筹帷幄的雷达

雷达运用于气象上，是二战期间的事。由于雷达在搜索敌方飞机、舰艇目标时，云和雨在荧光屏上的意外出现严重干扰了军事搜索，但受其启发却产生了气象雷达。此后，精明的英国人首次用军事雷达对一块降水云体进行了成功的观测，并做出了天气预报。于是，各种气象探测雷达如雨后春笋般地发展起来。

气象雷达是如何测定天气的呢？说到这儿，大家会情不自禁地想起蝙蝠飞行和捕食的原理。没错，蝙蝠靠的是嘴发出的超声波，它的耳朵能接收回声，并由此判断前方障碍物的位置距离。气象雷达的发射机按时通过天线发射高频的电磁波，电磁波遇到云雨等目标后，经过折射、散射、绕射，就产生了回波，雷达天线接收后再交给接受机处理，这样就观察到了云雨的存在。电磁波的传播速度是每秒30万公里，根据发射脉冲和接收回波的时间间隔，经过核算，就可以得出云雨和雷达之间的距离。另外，根据雷达天线的仰角与方位角，也可以确定降水的性质和降水强度。

气象雷达测定内容有测云、测雨、测风、测雹等等。测云和测雨雷达使用的波长较短。如有用8．6毫米或1．25厘米波长的测云雷达，测量不降水的云；用波长3．5厘米或10厘米的测雨雷达，可探测可能降水的云。10厘米波长的雷达宜用于探测大粒子降水（如冰雹）或大范围强降水（如暴雨、台风雨）。测风雷达常需要悬挂有一个角反射耙的气象气球的帮助。

雷达按使用效应不同也可分成不同种类，这里举多普勒雷达、声雷达、激光雷达简要谈谈。

多普勒雷达，是用多普勒效应来测定云和降水粒子等运动速度的雷达。激光雷达，是利用一种特殊的光——激光制造的雷达。激光亮度高，方向性强，发射角小，有人称它为“目光犀利”、“明察秋毫”，一点也不为过。它的亮度比太阳光还高，红宝石激光器产生的亮度比太阳光要亮上百亿倍，可以看到大气中的气体分子、烟尘等溶胶粒子。而且它单色性好，一般普通光源有很宽的光谱，而激光只有单一频率。激光雷达中，红宝石激光雷达有几十年的历史，我国在1966年就研制出了第一台百兆级的红宝石激光雷达。激光技术发展很快，并出现了分枝，如多普勒激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达等，它们在监测大气环境方面起了不少作用。

声波在不均匀的大气中散射本领要比无线电波和光波大，利用这一特点制造出来的雷达叫声雷达。大气温度、湿度、风速变化对声波折射率的影响，一般要比无线电波和光波要大上千倍，所以声波的散射量要比无线电波和光波长。

声雷达最简单的用途就是测定大气中某些目标物的位置。如果要测定大气湿度，则需要通过发射两个不同频率的声波；如果再加一个温度，就要发射四种不同频率的声波。声雷达对低层大气的遥感探测成效显著，它造价低廉，使用方便，深受各国的青睐。我国在1975年就研制出了声雷达，据悉，在大气探测方面已经取得了可喜的成果。

雷达技术发展迅速，目前与之相关的一些较完善的探测系统相继问世。如计算机与天气雷达相连的数字化天气雷达探测系统，它已经远远超出了对天气现象的监测，对洪水预报、江河水位的监视都完成得很好。再如多普勒天气雷达系统，它对警戒龙卷风有特殊的本领。还有一些天气雷达系统，如双波长雷达探测系统、圆盘振波雷达系统，也在发展中。