高空觀測
定義
【高空觀測】（upper air observation）利用氣象氣球或由氣象氣球攜帶的儀器對自由大氣進(jìn)行的觀測。
簡介
高空觀測的要素有氣溫、氣壓、空氣濕度及風(fēng)向風(fēng)速等項(xiàng)，探測高度一般約3Okm。 高空觀測每日進(jìn)行2—4次，時(shí)間為00、06、12、18時(shí)（世界時(shí)）。
觀測結(jié)果被編成高空氣象報(bào)，通過全球氣象通信電路及時(shí)傳送給各國用戶。自1783年發(fā)明氣球以來，利用氣球進(jìn)行的高空氣象觀測已為大氣科學(xué)研究、天氣氣候分析預(yù)報(bào)提供了大量實(shí)況資料，即使在氣象衛(wèi)星、地面遙感等新技術(shù)迅速發(fā)展的今天，它仍然是提供高空氣象信息的主要來源。
氣象氣球
用橡膠或塑料制成的球皮，充以氫氣、氮?dú)獾缺瓤諝廨p的氣體，能攜帶儀器升空進(jìn)行高空氣象觀測的觀測平臺(tái)。氣球的大小和制作材料由它們的用途來確定，主要有以下幾種：
測風(fēng)氣球
氣象上稱小球，用橡膠制作，球皮重約30克，主要用于經(jīng)緯儀測風(fēng)或邊界層探空，最大升空高度在10-15公里。 探空氣球
用橡膠或氯丁乳膠制作，球皮重0.8─2.0千克，攜帶1千克儀器升速為5─6米/秒，最大升空高度可達(dá)30公里。是日常高空觀測使用的氣球。
系留氣球用纜繩拴在地面絞車上，能控制浮升高度的氣球。通常用聚脂薄膜做成流線形，纜繩長度及與地面交角可以估算氣球距地面高度，它可以攜帶測量儀器在指定高度作數(shù)小時(shí)連續(xù)測量，用完后收回作多次使用。特別適用于大氣污染監(jiān)測和研究大氣邊界層等。
定高氣球在大氣中保持在等密度面上平穩(wěn)地隨氣流飄移的氣球，也稱等密度氣球或等容氣球。氣球由塑料制成多層復(fù)合膜，耐壓性強(qiáng)，保氣性好。在地面施放時(shí)僅部分充氣，升到預(yù)定高度時(shí)，因球內(nèi)氣體量不變因而密度不變，保持在一個(gè)等密度面上飄行，氣球大小視飛行高度和所帶儀器的重量而定，其直徑小至一米，大至數(shù)十米不等，在空中可飄行數(shù)天至數(shù)月。大型定高氣球直徑22米，距地高24公里，可攜帶200個(gè)探空儀，能接受衛(wèi)星指令，每隔一定飄浮距離投下一架探空儀，下投的探空儀帶降落傘，觀測數(shù)據(jù)由無線電信號發(fā)到母球，再由母球轉(zhuǎn)送到衛(wèi)星，最后由衛(wèi)星播發(fā)到地面站接收。這種與衛(wèi)星結(jié)合的定高氣球稱為母子定高氣球系統(tǒng)，在測量氣團(tuán)屬性變化和大氣電學(xué)特性等方面已廣泛應(yīng)用。
無線電探空儀
測定自由大氣各高度的氣象要素，并將氣象情報(bào)用無線電訊號發(fā)送到地面的遙測儀器。由于儀器是在上升（或下降）過程中測量的，空中氣象要素隨高度有較大的空間變率，要求探空儀感應(yīng)元件應(yīng)具有較高的靈敏度，準(zhǔn)確度，感應(yīng)快，量程大，儀器整體體積小、重量輕、牢固可靠，能經(jīng)受風(fēng)云雨雪和減少高空強(qiáng)輻射的影響。依據(jù)測量內(nèi)容不同，分為如下兩類。
常規(guī)探空儀
借助探空氣球攜帶升空，測量高空對流層、平流層氣象資料的主要儀器。它由感應(yīng)器，轉(zhuǎn)換器和發(fā)射裝置三個(gè)部分組成。感應(yīng)器感應(yīng)大氣溫度、氣壓、濕度等參數(shù)，采用變形元件（雙金屬片，空盒、腸衣）和電子元件（熱敏電阻、空盒、濕敏電阻或電容）兩類。轉(zhuǎn)換開關(guān)輪流將感應(yīng)元件依次接入變換器，將氣象信息變換成電信號。中國制探空儀的變換器采用電碼式和變低頻式兩種。發(fā)射裝置是一個(gè)高頻或超高頻發(fā)射機(jī)，以載波方式將氣象信息發(fā)到地面。
特種探空儀
在常規(guī)探空儀的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的目的（如測定臭氧、平流層露點(diǎn)、各種輻射通量、大氣電場，監(jiān)視低層大氣污染等）或不同儀器施放方式（如氣球升空或氣象飛機(jī)、氣象火箭、定高氣球下投等）派生了多種特殊探空儀，如臭氧探空儀，火箭探空儀等。
高空風(fēng)觀測
測量近地面直至30公里高空的風(fēng)向風(fēng)速。通常將飛升氣球作為隨氣流移動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，用地面設(shè)備（經(jīng)緯儀或雷達(dá)）跟蹤氣球的飛升軌跡，讀取其時(shí)間間隔的仰角、方位角、斜距，確定其空間位置的座標(biāo)值，可求出氣球所經(jīng)過高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速。根據(jù)地面測風(fēng)設(shè)備不同，分為如下幾種：
經(jīng)緯儀測風(fēng)
有單經(jīng)緯儀測風(fēng)和雙經(jīng)緯儀測風(fēng)兩種。單經(jīng)緯儀只能測出氣球的仰角和方位角，氣球高度由升速和施放時(shí)間推算。氣球升速是根據(jù)當(dāng)時(shí)空氣密度、球皮等附加物重量計(jì)算出氣球凈帶力，按照凈舉力灌充氫氣來確定。但由于大氣湍流和空氣密度隨高度變化，以及氫氣泄漏等因素的影響，氣球升速不均勻?qū)е赂叨日`差大，測風(fēng)精度低。在配合探空儀觀測時(shí)，氣象站用探空儀測得的溫度，氣壓、濕度資料計(jì)算出氣球高度。雙經(jīng)緯儀測風(fēng)是在已知基線長度的兩端，架設(shè)兩架經(jīng)緯儀同步觀測，分別讀出氣球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法計(jì)算氣球高度和風(fēng)向風(fēng)速。經(jīng)緯儀測風(fēng)只適用于能見度好的少云天氣，夜間必需配掛可見光源，陰雨天氣只能在可見氣球高度內(nèi)測風(fēng)。
無線電經(jīng)緯儀測風(fēng)
利用無線電定向原理，跟蹤氣球攜帶的探空儀發(fā)射機(jī)信號，測得角座標(biāo)數(shù)據(jù)，氣球高度則由探空資料計(jì)算得出。因此無線電經(jīng)緯儀適用于全天候，但當(dāng)氣球低于其最低工作仰角時(shí)，測風(fēng)精度將迅速降低。
雷達(dá)測風(fēng)
是利用雷達(dá)測定飛升的氣球位置。它不僅測定氣球的角座標(biāo)，而且能測定氣球與雷達(dá)的距離，即斜距。由仰角、方位角、斜距計(jì)算高空風(fēng)。雷達(dá)測風(fēng)法又可分為一次雷達(dá)測風(fēng)法和二次雷達(dá)測風(fēng)法。前者是利用氣球上懸掛的金屬反射體反射雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號，測定氣球角座標(biāo)和斜距；后者利用氣球懸掛的發(fā)射回答器，當(dāng)發(fā)射回答器受雷達(dá)發(fā)射的脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生回答信號，由回答信號測定氣球角座標(biāo)和斜距。顯然，在相同的發(fā)射功率下，二次雷達(dá)比一次雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)，可測更高的高空風(fēng)。但隨著技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射功率已不是大的技術(shù)障礙時(shí)，著眼于提高測風(fēng)精度和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等方面，一次雷達(dá)測風(fēng)也有其獨(dú)特優(yōu)勢。
氣象飛機(jī)探測
為科學(xué)研究或?yàn)橥瓿赡稠?xiàng)特殊任務(wù)，用飛機(jī)攜載氣象儀器進(jìn)行的專門探測。使用飛機(jī)的種類要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)來選擇。必要時(shí)需添加特殊裝備。例如遠(yuǎn)程大中型飛機(jī)適用探測臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)暴等天氣；進(jìn)入雷暴區(qū)要用裝甲機(jī)，小型飛機(jī)和直升飛機(jī)適用于中小尺度系統(tǒng)和云霧物理探測，民航機(jī)可兼作航線氣象觀測，探測飛機(jī)高度以下的大氣狀況需攜帶下投探空儀，探測云、雨、風(fēng)、湍流需裝設(shè)機(jī)載雷達(dá)，了解云中雷電現(xiàn)象、含水量、云滴譜、升降氣流時(shí)，均需分別配備相應(yīng)的儀器。
氣象火箭探測
用火箭攜帶儀器對中高層大氣進(jìn)行探測。探測高度主要在30公里以上，80公里以下自由氣球所達(dá)不到的高度。探測項(xiàng)目包括溫度、密度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象要素，以及大氣成份和太陽紫外輻射等。當(dāng)火箭達(dá)到頂端時(shí)，拋射出探空儀，利用絲綢或尼龍制成的降落傘使儀器阻尼下落，可探測20─70公里高度的氣象要素，如果火箭上升到頂端，放出金屬化尼龍充氣氣球或尼龍條帶或其它輕質(zhì)材料，用精密雷達(dá)跟蹤，可探測30─100公里上空風(fēng)、密度，再推算出溫度、氣壓等氣象要素。此外，還有用取樣火箭測定大氣成份和臭氧含量等，以及用火箭來研究電離層、太陽紫外輻射等。
高空觀測場
（1）在半徑 20m范圍內(nèi)的場地必須平坦，不種植任何農(nóng)作物；在半徑50m范圍內(nèi)，不應(yīng)有架空電線、高大建筑物等障礙。
（2）場地四周開闊，特劇是當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)的下風(fēng)方向，必須空曠無阻，其仰角不大于3°，且500m范圍內(nèi)無高大建筑物；其它方向仰角不超過5°。
（3）工作場地與值班室有通信聯(lián)絡(luò)設(shè)備。
（4）供水、供電、通信、道路方便。
（5）力求避開或減輕基本建設(shè)工程和有源于擾對雷達(dá)效能的影響。
（6）適當(dāng)考慮工作和生活方便。這些條件互相聯(lián)系又互相制約，選擇場地時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，全面衡量。
