探空儀

探空儀，是指測量天空不同高度上的大氣物理參數，以確定氣象要素的垂直分佈面施放的儀器。這種測量是通過無線信道遙測來完成的，所以又稱無線電探空儀。由通信信道聯結的無線電探空儀和地面接收處理設備構成探空系統，也叫大氣探測系統，探空儀按用途可分為通用類和專用類。有電碼式探空儀，電子式探空儀、炮兵專用探空儀、低空探空儀等。 ^[1] 

現代無線電探空儀器包裏的温度傳感器，有熱敏電限、電容傳感器、電阻絲、雙金屬元件或熱電偶（WMO,1996）。

常用的探空儀有：59型機械式電碼探空儀、CTSI型數字式探空儀、GTS(U)2一1型數字式電子探空儀和WRS80一I型電子探空儀。

長期以來，人們為了探測大氣的變化規律，一直進行着不懈的努力，在大氣科學萌芽時期，人們主要依靠眼睛觀察天氣現象的變化，憑感官感知冷暖乾濕的差異。隨着科學技術的發展，人們相繼發明了温度計、氣壓計、濕度計、風速計等。

最初的近代高空氣象探測主要是利用載人吊籃和繫留氣球攜帶自記儀器的方法。與此同時，還設計出種種方法來保證儀器和資料的回收，如降落傘法（氣球上升一定高度破裂後開傘）和雙球法（一球破裂後，另一球不足以支持儀器的重量而下降）都有一定的效果。在人煙稠密的地區，回收率較高，但在人煙稀少的地區，回收就成為極其困難的問題。再就是這些辦法都不適宜作業務觀測，因為時間上來不及，於是人們設法讓氣球攜帶發報機，把觀測到的氣象記錄化為電波訊號，即時發送到地面上來。這種試驗最早開始在1918年，但並沒有成功。

1923年,美國陸軍氣象學家布賴爾繼續試驗時，地面得到了歷時20分鐘的訊號，這是無線電探空第一次獲得成功。

1927年,德國氣象學家愛德拉格和布利歐首次把波長42米的電子管發報機系在上升氣球下面進行試驗，收到了發報機發自平流層的訊號。

最早可以用作業務的蘇式無線電探空儀是前蘇聯莫爾恰諾夫教授研製的。1932年芬蘭人維薩拉也發明了著名的芬式無線電探空儀。這類探空儀不受惡劣天氣的影響，絕大多數情況下都能釋放；它可以獲得不同高度的氣象資料，而不需要進行回收。因此，這類探空儀是現今探測30—40公里以下高度高空氣象條件的主要儀器，全世界都在使用。

無線電探空儀的出現和廣泛使用，使人們能夠積累大量的高空氣象資料，加深了對高空大氣狀況的瞭解。在此基礎上，瑞典籍美國科學家羅斯貝提出了大氣長波理論，這不僅是三維空間分析和預報大型天氣演變過程方面的創舉，而且也為五十年代業務數值天氣預報的問世開闢了道路。

小小的無線電探空儀，就象一台飛行的發報機，隨時將探測到的所在高度的氣象資料傳送到地面。“麻雀雖小，五臟俱全”，重量不到1公斤的探空儀，主要由感應元件、轉換裝置、發射機和電源四部分組成。感應元件用來感應大氣温度、壓強、濕度要素的大小與變化；然後通過轉換裝置轉換成相應於探測量的無線電訊號；而發射機產生的約數十或數百兆赫的高頻無線電振盪（載波），則能裝載着探測訊號向地面發送；電源提供了整個探空儀的能量來源，它佔據了相當大的重量。

感應元件（或稱傳感器）是探空儀的關鍵組成部分，與地面觀測儀器的感應器相比，它必須具有輕便、靈敏、響應快等性質。

因為探空儀隨氣球以300～400米/分的速度向上運動，不可能在某一高度停留下來，所以探空儀的傳感器必須惰性小，這樣才能迅速響應外界環境的變化，比較正確的反映各個高度上的氣象要素值。

由於探空儀是一次性使用，所以傳感器比較簡單。它測量的都是相對量，在正式釋放前，要進行一次“基值測定”，將傳感器的相對值與它所處環境的絕對值聯繫起來，以便事後易與探測記錄進行處理和換算。

以上兩個因素都影響觀測精度，使得高空觀測的精度不如地面觀測。另外氣球上升時間和運動軌跡對觀測精度也有影響。我們需要知道的是某點上空在一瞬間的氣象要素的垂直分佈情況（術語叫廓線），而氣球探測的是不同時間（氣球整個上升過程約一個小時）、不同地點（水平飄移約數十公里）的氣象要素，這也將造成測量誤差。

探空儀上常用的温度傳感器是扭成環狀或螺旋狀的雙金屬片，另一種用得較多的是珠狀或棒狀熱敏電阻温度傳感器。

探空儀上測壓主要用空盒傳感器，為了增加探測的靈敏度，常常將多個空盒串聯在一起使用。測量高空濕度是一個較為困難的問題，過去多采用毛髮或腸衣，也有用電阻式、電容式測濕元件。通常探空儀測風與測風氣球測風是一樣的。但在夜間、陰天或氣球入雲的情況下就得求助於無線電方法，通常用測風雷達。 ^[2] 

探空儀經過運輸和長期存放，性能往往會有所改變。為了保證探測精度，必須對探空儀的性能進行兩次檢查：一次是在使用探空儀之前的半個月到一個月內進行，稱做“探空儀的就地檢定及靈敏度檢查”，另一次是在施放探空儀之前的半小時進行，稱做“基值測定”．兩者之間的時間間隔要大於12小時。

就地檢定是指探空測站使用檢定設備重複工廠中的檢定程序，做出新的檢定曲線，並與原檢定曲線進行比較．靈敏度檢查是指只檢定幾個點，由幾組（電碼、氣象要素值）數據進行比較，求出偏差值，如果只檢查地面一個點，則稱為基點檢查。

由原檢定曲線查出某一氣象要素值對應的電碼叫檢定電碼，就地檢定時儀器發出的電碼叫儀器電碼，兩者的差值叫做變量（△n），檢定曲線的變化可以分為平行變化與靈敏度變化兩種情況．對於前一種情況，不同要素值其變量△n相同。

對五九型轉筒式電碼探空儀性能進行檢查的大量資料表明：氣壓檢定曲線的變化大多是靈敏度變化；温度檢定曲線通常是平行變化，靈敏度變化很小；濕度檢定曲線的變化則往往很大．為了滿足一般氣象資料的精度要求，中國氣象局規定了進行檢查的方法，規定了温、壓、濕三要素變量的合格標準，並規定了是否應用原檢定曲線或進行相應訂止的辦法。

基值測定是在施放探空儀前，最後確定儀器是否合格的一個重要步驟。保持探空儀的温、濕感應部分通風，同時讀取標準氣象儀器（通風乾濕球濕度表）的温度值，觀測本站氣壓並聽取探空儀的儀器電碼，由温、壓、濕數值在檢定曲線上查取檢定電碼，求取基點變量△n^'(△n^'_r、△n^’_p、△n^'_c)

△n^'=檢定電碼一儀器電碼．

按照規定，由△n^'的大小判斷儀器是否合格.如果合格，△n^'就作為訂正值，進行探空測量時，由儀器電碼加△n^'得出檢定電碼，由檢定電碼在檢定曲線上查取氣象要素值。 ^[3] 

如圖《59型機械式電碼探空儀》所示

中間的長方形白色紙盒具有良好的防水性和反射太陽輻射的能力，機體放在盒中下部，機體支架上放置温度、濕度、氣壓3個感應器，以及微電機及其減速機構和電碼筒等，紙盒上部放置電池及發射機，紙盒兩側分別是温度感應器和濕度感應器的鋁質防輻射罩。温度感應器為螺旋形雙金屬片，由厚0.2mm、寬3.8mm、各邊長60mm，人字形的雙金屬片捲曲而成，兩端固定在支架上，中心端焊有長70mm的空心指針，指針位置隨温度變化而移動。

氣壓感應器為兩個膜盒組成的空盒組，空盒組的基部固定在支架上，頂部中心通過傳動裝置帶動一指針架回轉，指針架上裝有雙金屬片温度補償器，用以補償膜盒受温度影響引起的誤差。氣壓變化時，膜盒的厚度隨之變化，使氣壓指針相應地移動位置。膜盒材料近年來改用温度係數小的鎳鉻彈性合金。

濕度感應器是鼓膜狀腸衣，腸衣鼓膜的直徑為37mm，其中心固定有連桿，連桿與傳力架焊接在一起，並與扭力彈簧連接，使腸衣處於繃緊狀態。當濕度變化時，腸衣的形變使固定在傳力架上的指針移動位置。

編碼部分由微電機及電碼筒組成。微電機經過減速裝置帶動電碼筒轉動，當電碼筒轉動時，3個感應器的指針輪流與電碼筒表面接觸，並沿電碼筒上面刻有的平行細槽滑動，當指針與導電部分接觸時，發射機的電源接通，使發射機工作，而與絕緣部分接觸時，發射機電源斷路不工作。指針經過的導電部分寬，發射機工作時間長，發出的信號用“一”表示；經過的導電部分窄，則發出信號的時間短，發出的信號用“·”表示。槽線處於花紋的不同部位就有不同的“一”與“·”組合，構成的不同電碼數。

59型電碼探空儀與701型二次測風雷達配合進行高空氣象探測時，發射機是用GPZ5一1型測風回答器，回答器有兩種工作狀態：一是擇空狀態，二是當二次雷達發出詢問脈衝時，它能及時發射回答脈衝。59型電碼探空儀裝配不同的回答器後還能與705型、706型雷達配合使用。

（1）測量範圍：

温度 一75一40℃

氣壓 1050一10hPa

濕度 15%一100%

（2）測量精度：

温度 ±0.5℃

氣壓 ±ZhPa

濕度 ±5%

CTSI型數字式探空儀採用全電子傳感器，具有探測精度高、採樣速率快、抗干擾能力強等特點，實現了數字化、模塊化。GTSI由温度傳感器、濕度傳感器、智能轉換器（含氣壓傳感器）、發射機和電池5部分組成。探空儀的外殼為白色方形紙盒，表面塗有防雨透明膠，具有良好的防水性和反射率。氣温測量採用GPW2型棒狀熱敏電阻，阻值限定在9一700KΩ之間，阻體長10mm，直徑1mm左右，表面有高反射率塗層，短波反射率高於93%，長波吸收率超過90%。GPW2熱敏電阻出廠時已焊接在探空儀紙盒內的白色塑料支架上。氣壓傳感器的附温採用GPW3型棒狀熱敏電阻，電阻體長6.5mm，直徑0.65mm左右，安裝在氣壓傳感器外殼內，用膠水固定。

濕度測量採用XGH一02型高分子濕敏電阻，具有測濕範圍廣、互換性好、響應速度快和體積小等優點。

氣壓傳感器採用24PC型硅阻壓力傳感器，在工作範圍內具有良好的彈性和重複性。為提高氣壓傳感器的測量精度，採用了軟、硬件温度補償方法對氣壓傳感器進行補償，補償動態範圍大、精度高。汽壓傳感器和温度補償傳感器直接安裝在智能轉換器的印刷電路板上。

智能轉換器的主要功能是將各類傳感器的物理量，按一定格式轉換成二進制代碼，智能轉換器由單片機、積分器、比較器、多路開關、放大器、振盪器等電路組成。A/D轉換採用軟件雙積分A/D轉換方案，轉換精度超過14位，並對温度影響採取了多種補償措施。為了降低探空儀的成本，提高數據可靠性，各傳感器所測量的氣象信息要素值轉換由地面設備中的計算機根據各個探空儀的檢定數據進行數據處理，故智能轉換器不帶外部EPROM芯片，各個探空儀的檢定數據按規定格式存入3.5in軟盤，隨探空儀一起提供給用户。

超高頻發射機除了發送探空儀測得的氣象要素外，還要接收地面雷達發射的詢問信號，因此，還必須具有接收機的功能。在智能轉換器輸出二進制碼期間，超高頻發射機受32.7kHz、800kHz和二進制氣象代碼的多重調製。每幀氣象信息發送時間約為0.2s，餘下的時間（約1s）發送超再生800kHz同步振盪脈衝，隨時等待雷達的詢問脈衝。CTSI與L波段（1型）高空氣象探測系統配合使用，可完成地面至35km高空的氣象綜合探測。

（1）測量範圍：

温度 一90一50℃

氣壓 1060一5hPa

濕度（RH） 0%一100%

（2）測量精度：

温度 ±0.2℃

氣壓 ±2hPa(≥500hPa)、±1lhPa(<500hPa)

濕度 ±5%（≥一25℃）、±10%(<一25℃）

GTS(U)2一1型數字式電子探空儀採用芬蘭Vaisala公司RS80電子探空儀傳感器，具有全固態數字化、發射頻譜窄、載波頻率温度穩定性高、探測精度高、體積小、重量輕的特點。工作頻率採用400MHz，可與701型測風雷達系統配合使用。

（l）測量範圍：

温度 –90一50℃

氣壓 1060一5hPa

濕度 0%~100%

（2）測量精度：

温度 ±0.2℃

氣壓 ±0.5hPa

濕度 ±2%

WRS80一I型電子探空儀與CTS(U)2一1一樣，也是採用芬蘭Vaisala公司RS8O電子探空儀的傳感器，工作頻率為1680MHz。

（1）測量範圍：

温度 一90~+50℃

氣壓 1060~5hPa

濕度(RH) 0%~100%

（2）測量精度：

温度 ±0.3℃

氣壓 ±0.5hPa

濕度(RH) ±3% ^[4] 

無線電探空儀搭載在氣象氣球上。它測量多個大氣參數並將這些數據用無線電傳回地面接受站。無線電頻率403MHz專門留給無線電探空儀使用。無線電探空儀由氦氣球或氫氣球搭載進入大氣層。氣球的大小重量和材料決定了氣球所能到達的高度最大值。氣球的型號從150克到3000克都有。800克的氣球在30千米的高度會由於在此高度外部大氣氣壓過低而爆裂。當代的無線電探空儀經由無線電與地面的計算機通訊。計算機實時存儲這些傳回的數據。最初無線電探空測風儀由地面通過經緯儀觀測，通過測量大氣中儀器的位置變化來估算風速。而當代無線電探空儀可選用多種裝置測定風速和風向，諸如Loran（遠距離無線電導航系統）、無線電定向儀、GPS等。當代無線電探空儀測量的重要數據包括：大氣壓力、高度、經緯度、温度、相對濕度和風速風向等。 一些無線電探空儀同時測量大氣臭氧濃度。通過對數據的分析可以繪製圖表。科學家可以用圖表解釋説明大氣現象例如大氣逆温現象。典型的無線電探空儀重250克。主要生產商是芬蘭的Vaisala(維薩拉公司)。1985年，蘇聯的金星探測器“Vega 1”和“Vega 2”分別向金星大氣層投放了一個無線電探空儀。對這兩個探空儀發出的信號可以追蹤兩天。（兩天之後可能儀器在金星大氣中損毀了。）

大氣邊界層是指受地表面影響明顯的自由大氣，具有氣流湍流係數大、温度層結不穩定並呈現明顯日變化的特點。人類的活動都是在邊界層內部進行，對其進行探測和研究有利於做好污染防治和天氣預報工作。現代邊界層探測手段有天氣雷達、衞星探測等，獲得密集的基本氣象資料是對邊界層研究的前提，探空儀作為一種在大氣內部對氣象要素進行直接測量的手段在大氣探測中佔有重要的地位。 ^[5] 

2022年9月17日，一架由我國自主研發的高空氣象探測大型無人機在阿尼瑪卿雪山7500米高空成功下投12枚探空儀，中國高空大型無人機高原氣象觀測試驗首飛作業成功完成， ^[6]