气象百科
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更新时间：2024-06-15
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【高空观测】（upper air observation）利用气象气球或由气象气球携带的仪器对自由大气进行的观测。
高空观测的要素有气温、气压、空气湿度及风向风速等项，探测高度一般约3Okm。 高空观测每日进行2—4次，时间为00、06、12、18时（世界时）。
观测结果被编成高空气象报，通过全球气象通信电路及时传送给各国用户。自1783年发明气球以来，利用气球进行的高空气象观测已为大气科学研究、天气气候分析预报提供了大量实况资料，即使在气象卫星、地面遥感等新技术迅速发展的今天，它仍然是提供高空气象信息的主要来源。
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：
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。 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。
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。
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。
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，分为如下两类。
常规探空仪
借助探空气球携带升空，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。
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。
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。
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势。
为科学研究或为完成某项特殊任务，用飞机携载气象仪器进行的专门探测。使用飞机的种类要根据任务性质来选择。必要时需添加特殊装备。例如远程大中型飞机适用探测台风、强风暴等天气；进入雷暴区要用装甲机，小型飞机和直升飞机适用于中小尺度系统和云雾物理探测，民航机可兼作航线气象观测，探测飞机高度以下的大气状况需携带下投探空仪，探测云、雨、风、湍流需装设机载雷达，了解云中雷电现象、含水量、云滴谱、升降气流时，均需分别配备相应的仪器。
用火箭携带仪器对中高层大气进行探测。探测高度主要在30公里以上，80公里以下自由气球所达不到的高度。探测项目包括温度、密度、气压、风向和风速等气象要素，以及大气成份和太阳紫外辐射等。当火箭达到顶端时，抛射出探空仪，利用丝绸或尼龙制成的降落伞使仪器阻尼下落，可探测20─70公里高度的气象要素，如果火箭上升到顶端，放出金属化尼龙充气气球或尼龙条带或其它轻质材料，用精密雷达跟踪，可探测30─100公里上空风、密度，再推算出温度、气压等气象要素。此外，还有用取样火箭测定大气成份和臭氧含量等，以及用火箭来研究电离层、太阳紫外辐射等。
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