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无线电探空仪.doc

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测定自由大气各高度的气象要素,并将气象情报用无线电讯号发送到地面的遥测仪器。由于仪器是在上升(或下降)过程中测量的,空中气象要素随高度有较大的空间变率,要求探空仪感应元件应具有较高的灵敏度、准确度、感应快、量程大,仪器整体体积小、重量轻、牢固可靠,能经受风云雨雪和减少高空强辐射的影响。依据测量内容不同,探空仪分为如下两类:(1) 常规探空仪:借助探空气球携带升空,是测量高空对流层、平流层气象资料的主要仪器。它由感应器,转换器和发射装置三个部分组成。感应器感应大气温度、气压、湿度等参数,采用变形元件(双金属片,空盒、肠衣)和电子元件(热敏电阻、空盒、湿敏电阻或电容)两类。转换开关轮流将感应元件依次接入变换器,将气象信息变换成电信号。中国制探空仪的变换器采用电码式和变低频式两种。发射装置是一个高频或超高频发射机,以载波方式将气象信息发到地面。(2) 特种探空仪:在常规探空仪的基础上,根据不同的目的(如测定臭氧、平流层露点、各种辐射通量、大气电场,监视低层大气污染等)或不同仪器施放方式(如气球升空或气象飞机、气象火箭、定高气球下投等)派生了多种特殊探空仪,如臭氧探空仪,火箭探空仪等。气象气球用橡胶或塑料制成的球皮,充以氢气、氮气等比空气轻的气体,能携带仪器升空进行高空气象观测的观测平台。气球的大小和制作材料由它们的用途来确定,主要有以下几种:中国制探空仪(1) 测风气球 气象上称小球,用橡胶制作,球皮重约 30 克,主要用于经纬仪测风或边界层探空,最大升空高度在 10-15 公里。(2) 探空气球 用橡胶或氯丁乳胶制作,球皮重0.8─2.0 千克,携带 1 千克仪器升速为 5─6 米/秒,最大升空高度可达 30 公里。是日常高空观测使用的气球。(3) 系留气球 用缆绳拴在地面绞车上,能控制浮升高度的气球。通常用聚脂薄膜做成流线形,缆绳长度及与地面交角可以估算气球距地面高度,它可以携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量,用完后收回作多次使用。特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等。(4) 定高气球 在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的气球,也称等密度气球或等容气球。气球由塑料制成多层复合膜,耐压性强,保气性好。在地面施放时仅部分充气,升到预定高度时,因球内气体量不变因而密度不变,保持在一个等密度面上飘行,气球大小视飞行高度和所带仪器的重量而定,其直径小至一米,大至数十米不等,在空中可飘行数天至数月。大型定高气球直径 22 米,距地高 24 公里,可携带 200 个探空仪,能接受卫星指令,每隔一定飘浮距离投下一架探空仪,下投的探空仪带降落伞,观测数据由无线电信号发到母球,再由母球转送到卫星,最后由卫星播发到地面站接收。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统,在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。高空风观测测风气球系留气球测量近地面直至 30 公里高空的风向风速。通常将飞升气球作为随气流移动的质点,用地面设备(经纬仪或雷达)跟踪气球的飞升轨迹,读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距,确定其空间位置的座标值,可求出气球所经过高度上的平均风向风速。根据地面测风设备不同,分为如下几种: 经纬仪测风:有单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。单经纬仪只能测出气球的仰角和方位角,气球高度由升速和施放时间推算。气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量计算出气球净带力,按照净举力灌充氢气来确定。但由于大气湍流和空气密度随高度变化,以及氢气泄漏等因素的影响,气球升速不均匀导致高度误差大,测风精度低。在配合探空仪观测时,气象站用探空仪测得的温度,气压、湿度资料计算出气球高度。双经纬仪测风是在已知基线长度的两端,架设两架经纬仪同步观测,分别读出气球的仰角、方位角,利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气,夜间必需配挂可见光源,阴雨天气只能在可见气球高度内测风。无线电经纬仪测风: 利用无线电定向原理,跟踪气球携带的探空仪发射机信号,测得角座标数据,气球高度则由探空资料计算得出。因此无线电经纬仪适用于全天候,但当气球低于其最低工作仰角时,测风精度将迅速降低。 ③雷达测风 是利用雷达测定飞升的气球位置。它不仅测定气球的角座标,而且能测定气球与雷达的距离,即斜距。由仰角、方位角、斜距计算高空风。雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法。前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号,测定气球角座标和斜距;后者利用气球悬挂的发射回答器,当发射回答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号,由回答信号测定气球角座标和斜距。显然,在相同的发射功率下,二次雷达比一次雷达探测距离更远,可测更高的高空风。但随着技术的发展,发射功率已不是大的技术障碍时,着眼于提高测风精度和经济效应等方面,一次雷达测风也有其独特优
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