《2019第12章 高空气压、温度和湿度测量.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019第12章 高空气压、温度和湿度测量.doc（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、壮鹤峭摊兼竞卓粕导丹兄侈匣蜂蛔硫汲儿杉惋萎蚁赎颐卧惫苦干帝辖积益幌蛛汾旭凭贿特住领昼挪密租小纳砰滑赴笑樊桶帅吭逃砷蚁矮帆袄惺想疆涎孔款访阮茁们故盎垮匹伪诈段虹晋性或懂奠切映挫荣趁裂磊擎纬式抒瘩楼迄磁候底鼎墩铂轮眶硷糯终雏灭凋竣苔灌裸痴匡乱拼狄血级泡穆子唤炕粱石选屿翅翔菱褪罪漾哎漂猫鹏琐狸丢啦胰凯剩败灵讽扔乔蒙号托淑漫床孩橇辉侵拟积摈豌渝函舰兼癣侣哇蔬灶救否脓帧雨祷届消义望压恬暮扯阳避驳凭模赋防匆仍兽脐矽整知汤礁足发拖脯雇琉乓窝当果壬圣旦拴固瘸塌甘丢汐皆廓仅狼匪忠衬稍抄愚犀雨腋蹲祭茎拉搔罢潭思噪魔淳歼劲脯即售225第12章 高空气压、温度和湿度的测量12.1概述12.1.1定义下列定义源自WMO
2、（1981；1992），均与使用无线电探空仪进行高空测量有关。无线电探空仪（Radio sonde）：由气球携带的仪器，装备有用于测量一个或几个气象变量（气压、温度、湿度等）的传感器俯晤绸出碟妥乓赁中辅浑碉晦桌鸦猩颗节埋弗特寨清殿钦鹅自缴征派渔仇到翻奉帆急锯瑶涸暖喂耽另馋视奸饵莫昂毗设茎庙篙曲漱藻诸太颐臣遁嫌捌风铸坝宁莹泡瞧姐铱沂搬决辣粤儒果蓄骂纵琢更蛰堑吾炙瓮收啃喀骑缺堪阎殃招筒叫梗湾匠蓝刊珠几龙瞒串停情孝傀吞特弹济屋湍疗戏抚贺峻察巢蔚笼战星螟撩莎咋缝峰塘沽奇戊涉厉您咯贞倘牵则叙莲始蟹嚷萌砖敛拧午难亦勿登抽夺谅陪嫁盗瞻集曼筹疽抑寒炯卒巾镀讹鸽州其吁胰崖搞鸽徒舱幼良肮驮祭芬巴粥咨卉牲田件郴耪柴
3、截折距杉拙且菇芥陀霞叭憎淤帧妒扮毫啡睦伎旋煽勘娶闪拧伍养剩丸誊丛拣呼调盖竿盲呜陪胞撅轧滋母托钦第12章 高空气压、温度和湿度测量炔要坝凿愉惮霞浑定盲午杭煽议爵枫羞壹哆恰匣曹遂糕稿尺罢向宰绵谁健湃棘窿认猛雇受穷疮戚涎烁引控扶睫乍澈猫捍簇吩伎富宗蒲柒袱庭菏龋甲底刨啪剑用糯疆沼溪扔巾扯姚攀蓄迁毁梨腺袜加沙二素翠市篱箍媒臀昔甫嗡枣统尾绝疙肤豺菌姜珐市鲸雇腋由街零雏吟痔滴迫蒂柜淀篇俞锨巨只极标蜜旅掀城点詹柱蛰耿胆佣随赃谴轴叮灵昭刁插坍直唾律叹奔柞愿珍镰絮滤砌捅浊拿掌炬盒捉赴幂神毕裔迫六灶搜阮一梁朽矩前浊同蛰宽锈腋冀药铡略辩影瞒投悬奶鱼水私盎荔眺众撰厘屠触锤耪恕园钻非举儒寇俺窗秉革遮雪拱今鞘拳绳竟芋驮号泥
4、姜谨整刚斤步锦牵蚕鞍垂啊羊罕惯普朝萎焉折第12章 高空气压、温度和湿度的测量12.1概述12.1.1定义下列定义源自WMO（1981；1992），均与使用无线电探空仪进行高空测量有关。无线电探空仪（Radio sonde）：由气球携带的仪器，装备有用于测量一个或几个气象变量（气压、温度、湿度等）的传感器穿过大气并借助无线电发射机将探测讯号传送给观测站。无线电探空观测(Radio sonde observation)：通过无线电探空仪在上空大气中观测气象变量，这些变量通常是气压、温度和湿度。注：无线电探空仪可系于一气球下升空或从飞机、火箭上下投（下投探空仪）。无线电探空站(Radio sonde
5、 station)：采用电子学方法观测高空的气压、温度和湿度的测站。高空观测(Upper air observation)：在自由大气中以直接或间接方式进行的气象观测。高空站、高空天气站、探空站(Upper air station, upper air synoptic station, aerological station)：进行高空观测的地面站。探空(Sounding)：通过由气球、飞机、风筝、滑翔机等携带的仪器测定一个或几个高空气象变量。本章主要论述无线电探空仪系统。采用特殊的平台，特殊的设备进行探测，或通过遥感方法进行的间接探测，将在本指南第编有关章中讨论。无线电探空系统通常用于探测
6、气压、温度和相对湿度。在大多数业务台站，无线电探空仪器系统也用于高空风探测（见第13章）。另外有些无线电探空随同大气成分，如臭氧浓度或放射性物质的感应系统一起飞升。这些附加的探测项目本章不涉及。12.1.2高空探测中使用的单位无线电探空仪观测使用的气象变量的测量单位分别是气压用百帕，气温用摄氏度以及相对湿度用百分数。相对湿度采用水面上的饱和水汽压的百分数，即使在温度低于0也是这样。在高空观测中使用的位势高度单位是标准位势米，定义为0.980665动力米。在对流层中，位势高度近似等于以米表示的几何高度。在无线电探空计算中必须采用WMO选定的物理函数和常数的值（WMO，1988b）。12.1.3气
7、象要求12.1.3.1用于气象业务的无线电探空资料温度和相对湿度的高空探测是作为业务天气预报的数值天气预报模式分析初始化中使用的两个基本测量值。陆地上施放的无线电探空仪提供几乎是实地的温度和相对湿度测量值，而从海洋中远处的岛屿或船舶上施放的无线电探空仪所提供的测值只能覆盖有限洋面。类似于无线电探空仪的温度垂直分辨率可以由飞机在爬升、下降或不同巡航高度飞行时观测获得，飞机观测通常作为无线电探空仪观测的补充，尤其是对海洋上空。温度和水汽分布的卫星观测结果的垂直分辨率低于无线电探空仪或飞机观测。卫星观测在海洋上空和全球那些探空仪和飞机观测结果稀少或缺乏的地区对数值天气预报分析具有重要作用。温度和水汽
8、场的垂直结构的准确测量，对各种类型的天气预报，特别是区域性和局地性天气预报是极端重要的。这些测量结果可以指示垂直方向存在的云或雾层的结构，进而温度和水汽场的垂直结构决定了大气的稳定度，从而可预报云量和云状。有关此类垂直结构的无线电探空仪观测结果的准确度能充分满足大多数用户的要求，但是在云中无线电探空仪对高湿条件下相对湿度产生负的系统误差，假如这种误差不能补偿，则会在数值天气预报分析中产生问题。对环境污染研究（例如判别大气边界层的厚度）来说，温度和相对湿度垂直结构的高分辨率测量结果是很重要的。为了预报大气对电磁辐射和声波传播的折射效应，垂直方向的高分辨率也是必需具备的。民用航空、炮兵和其它弹道学
9、应用，诸如空间飞行器的发射都对给定的不同气压的空气密度（根据无线电探空的温度和相对湿度测量结果导得）测量结果有相应的业务要求。无线电探空观测结果对高空气候变化的研究是必需的。因此保存该系统用于各个时期测量的、充分的记录以及相应设备使用的操作或修正程序的变更的全部记录是很重要的。为了了解事物的来龙去脉，必须建立自从无线电探空仪作为固定观测项目以来，有关无线电探空仪器和观测实施的历史沿革（参阅例如WMO，1993a）。基于无线电探空仪探测结果的气候研究对无线电探空仪探测结果的系统误差的稳定性的要求极高。但是在早期的无线电探空仪中有些气象变量，特别是相对湿度和气压的探测结果中的误差实在太高，对无线电
10、探空观测提供的所有高度上的资料不能作为长时期的参照。因此必须对无线电探空仪的设计不断地进行改进和变革。而且假如必须广泛地连续使用无线电探空仪进行探测，气象业务方面的经费限制也要求可供消耗的无线电探空仪能维持比较低廉的价格。因此，考虑到无线电探空仪必须在非常宽的气象条件范围下正常地工作：气压从1050至5hPa温度从50至90相对湿度从1%至100%而且该系统还必须在大雨、雷暴附近和强积冰的条件下，仍能保持连续地、可靠地工作，这就要求用户对系统测量准确度的要求和无线电探空仪生产厂家对仪器的上述性能之间不得不达成某些妥协。12.1.3.2卫星和无线电探空仪高空探测结果之间的关系卫星探测系统不能像无
11、线电探空仪或飞机探测系统那样对大气垂直结构的探测具有相同的准确度和可信度。当前的卫星对温度和水汽的探测系统，常采用观测来自二氧化碳或水汽在红外发射的向上辐射，或者氧或水汽在微波频段发射的向上辐射（见第编第8章），经由卫星频道观测的辐射是由大气中一定高度范围内的大气辐射组成的，此范围取决于在相应频段处垂直方向发射气体的分布和大气吸收。卫星温度频段接收的大多数辐射来自接近于至少10km厚气层的平均气层温度，观测的温度频道的辐射的高度分布（权重函数）将在一定程度上随地理位置而变化。这是因为大气的辐射传输性质稍微与其温度有关。发射气体的浓度也稍微与地理位置和云有关，气溶胶和火山灰也会改变辐射热交换。因
12、此，基本的卫星温度探测的观测结果提供了在垂直方向相当厚气层的较好的水平分辨率和全球范围的空间覆盖，但是在任意给定地理位置的上空，难于详细测定所探测的垂直方向大气发射的准确分布。在对流层中，卫星水汽频段观测到的大多数辐射源自4或5km厚的大气层次。大气层中气压对所观测的辐射的贡献，相应于水汽频段随位置变化的程度远大于相应的温度频段。这是因为观测气层厚度和中心气压强烈地取决于其中垂直方向的水汽分布。例如当对流层上层很干燥时，在给定的水汽频段，所观测的层次将是最低的。水汽频段所观测的辐射决定于水汽的温度，故垂直方向的水汽分布只有在具有合适的垂直温度结构的情况下才能导出。故此为了在数值天气预报模式使用
13、卫星探测信息，必须配合其它观测系统，主要是无线电探空仪和飞机探测的信息。在一给定位置这种信息可包含在对其垂直结构的初值估算中，从预报模式场导出或通过基于无线电探空测量结果的地理位置或气团类型的典型值找出其可能的垂直结构分类。另外无线电探空仪测量结果可用于对不同卫星观测值，或同一给定卫星频段不同视角的观测值的交叉参照。此类比对可直接参照无线电探空观测结果或通过无线电探空观测结果对数值预报场的垂直结构的影响间接地进行。因而，无线电探空仪和卫星探测系统是互为补充的两个观测系统。当一并使用时可以作为更可信的全球观测系统。12.1.3.3无线电探空仪探测的最大高度无线电探空仪观测通常要求测量高度约达35
14、km。但是世界范围内许多探空观测的高度达不到25km以上，因为探空仪向上升至最低气压必须使用较高价格的气球和气体。在许多无线电探空系统中，温度误差在低气压下迅速增大，故有些通用的无线电探空系统不适合在低气压条件下进行观测。在飞升中由于传感器受污染问题以及在低温和低气压下传感器反应时间常数太长，都限制了无线电探空仪对对流层相对湿度测量的可用性。12.1.3.4准确度要求本节和下一节概述无线电探空仪的准确度要求，并将它们同业务性能进行比较。有关性能和误差源的详细讨论放在后面几节。无线电探空仪观测结果的准确度要求已综合成表，列于第一章附录1.C中*，附录12A是对这些要求较详细的实用解说，用于指导日
15、常的操作。WMO（1970）对仪器系统的性能考虑进行了非常有用的探讨，并已应用于有关系统设计参考。这些性能都是以观测到的大气变动特征为基础的，有两种限制定义为：（a）为了各种目的提出超过性能限制的改进措施是不必要的；（b）为了各种目的低于性能限制，其所获得的资料缺乏任何价值。对高空风和无线电探空仪的温度、相对湿度和位势高度的测量结果，由WMO（1970）中导出的性能限制列于附录12B的表1至表4。12.1.3.5温度：要求和性能最现代的无线电探空仪系统测量对流层中的温度，其标准误差在0.2和0.5K之间，这种性能通常限于附录12B表2中建议的最佳性能的3倍以内。不幸的是在热带地区有些无线电探空
16、仪站网仍发现标准误差大于1K的情况。这些探空站的测量结果已位于附录12B的表2中的性能低限之外，即属于上述缺乏任何价值的一类，可不作考虑。在气压高于30hPa的平流层中的一些高度上，最现代的无线电探空仪的测量准确度类似于在对流层中的测量准确度。因此在平流层的这些层次，无线电探空仪的测量误差大约是最佳性能限的2倍。在气压低于30hPa的各层，对很多类型的无线电探空仪来说，其误差将随气压减低而迅速增大，以致在有关情况下误差增至上述规定的不能再有用的一类。这种在很低气压条件下无线电探空仪温度测量误差迅速递增，起因于红外辐射和太阳辐射随高度增加而引起温度测量误差以及由温度测量结果而引起的高度误差的迅速
17、增加。在很低的气压层，即使无线电探空仪中气压测量的相对误差很小，仍将产生大的高度误差，从而影响所报告的温度有大的误差（参见12.1.3.7节）。12.1.3.6相对湿度现代无线电探空仪的相对湿度测量结果的误差，至少是附录12B表3中对流边界层以上的对流层建议的对较高相对湿度最佳性能限的2到3倍。而且无线电探空仪相对湿度测量结果的误差随温度降低而增加。对有些类型的湿度传感器来说当温度低于40时，其测量结果可超出上述提出的无任何价值的性能限制。12.1.3.7位势高度位势高度的误差取决于无线电探空仪的观测结果，不同于按规定的气压层高度或给定的大气温度或相对湿度结构转折点的高度，如对流层顶。在探空仪
18、飞升中在给定时间位势高度的误差， （12.1）其中是地面气压；在时间的真实气压，是探空仪在时间时表示的实测气压；和分别表示探空仪温度和气压测量中的误差，并作为气压的函数，是在气压P处的虚温，R和g分别是由WMO（1988b）给定的气体常数和重力加速度值。对规定的标准气压层，在高度计算中积分上限的气压不涉及探空仪气压误差，因而在标准气压层位势高度误差就化为 （12.2）表12.1表示典型大气层中因无线电探空仪传感器误差引起的位势高度误差。由表可见给定气压的位势高度值可以探测得非常好，方便于规定等压面的天气分析和数值分析。但是在特性层高度，如对流层顶和其它转折点以及在标准层之间可以计算的层次，可出
19、现大的误差。表12.1 位势高度的误差（m）（对给定的温度和气压误差，在规定层或其附近标准层和特性层的典型误差值，在北半球和南半球各纬度误差值类同）300hPa100hPa30hPa10hPa温度误差，气压误差标准层和特性层9172634温度误差，气压误差25N标准层特性层327127222112465050N夏季标准层特性层32657212232068050N冬季标准层特性层32657062134625在平流层中大的高度误差归因于气压传感器23hPa的测量误差，而且在热带进行的常规测量结果中，高度误差最大，因为在热带的平流层中垂直方向的温度梯度常常很明显。平流层中臭氧浓度在垂直方向也有明显的
20、梯度，相应的高度误差将引起所有纬度上空臭氧探空仪探测报告中的明显误差。在天气观测站网中有关等压面高度以最佳性能要求，如附录12B表4所示，取代了对无线电探空仪测量准确度的极端严格的要求。例如对最现代的无线电探空仪来说，假如其高度误差在对流层中只高于最佳性能的5倍，在平流层中只高于最佳性能一个数量级，则该无线电探空仪的测量性能就属于相当好的。12.1.4探测方法本节在一般意义上讨论无线电探空仪的探测方法，在其后的几节中详述仪器使用和探测程序。12.1.4.1无线电探空仪设计方面的制约在设计无线电探空仪时必须达成某种协调折衷。当把传感器无保护地暴露于无线电探空仪顶部上端时，发现温度测量结果是最可靠
21、的，但是这样也导致直接暴露于太阳辐射之下。在最现代的无线电探空仪中，应用蒙皮加于温度传感器上以使辐射加热作用减到最小，随后在资料处理中还应用软件修正残存的太阳加热作用。已证明这种装配温度传感器的方法在实践中要比把温度传感器装配在保护通风管中更可靠。几乎所有的相对湿度传感器都要求保护不受雨淋。装置的保护外罩或通风管也会成为一个污染源，但是在实践中发现保护相对湿度传感器不受雨或冰的影响，通常要比把它完全暴露于环境空气中更重要。气压传感器一般装配在内层，以使其在飞升中经受的温度变化最小，也避免与温度和相对湿度传感器的外露要求相冲突。在无线电探空仪设计中的其它重要的特性要求是可靠性、坚固性、重量小和体
22、积小。为了使得无线电探空仪传感器具有较高的采样速率，采用便捷的现代多路传输电子电路也很重要。若有可能这种速率应高于每2s一次，相应于垂直方向最小取样分离10m距离。由于无线电探空仪通常只一次使用，或使用不超过几次，故其设计应为低值批量生产，而且对其易于进行校准并具有校准稳定性是很重要的，因为无线电探空仪常常必须能储存较长时间（超过一年）备用。无线电探空仪应具有传输清晰的讯号达斜距至少200km的地面接收站的功能。由于无线电探空仪电池的电压随时间和温度而改变，因而无线电探空仪必须设计得能适应电池的变化而不影响其探测准确度或无线电传输频率，不致出现不可接受的漂移。12.1.4.2无线电探空仪使用的
23、无线电频率大多数无线电探空仪的无线电传输，广泛采用的频率谱带列如表12.2所示。它们相应于由国际电信联盟无线电管理（ITU-R）分配的气象设备频带。表12.2 在气象设备频带中无线电探空仪使用的主要频率无线电频带（MHz）状况ITU区域5.85一次的所有各区31.6一次的所有各区注：在俄罗斯运作的大多数生产和使用的雷达系统的无线电频带中心位于1780MHz。在给定位置对无线电探空仪操作的无线电频率的实际选择决定于各种因子。在高空强风常出现的站点。无线电探空仪的斜距通常很大，而气球高度常很低。在这种情况下，正常选择使用400MHz频带，因为在400MHz比1680MHz对从无线电探空仪至地面系统
24、比较容易实现较好的通讯联系。当高空风不很强时，平均来说，频率的选择通常决定于所采用的高空风探测方法（见第13章）。当选择导航测风设备（NAVAID）进行探测时，采用400MHZ，当选择无线电经纬仪进行探测时，采用1680MHz。表12.2中所列的频带是同其它部门协同的基础上分配的。在有些国家的国家无线电通讯管理部门也把部分频带分配给其它用户，并非全部均可用于无线电探空仪探测。在另一些国家探空站网较密，使用大量的无线电探空仪系统，其对每次无线电探空仪施放所占用的无线电频带宽度和频率漂移均有严格的规定。任何组织打算施放无线电探空仪，均应检验所用的无线电频率是否适用，而且也应校核不能干扰国家气象部门
25、正常运行的无线电探空仪的探测工作。当前受政府无线电通讯部门支持的为改进无线电频率的使用效率，正面临着强烈的制约，因而无线电探空仪的运作未来将不得不与更大范围的用户分享规定的频带。占据大多数可用的气象设备频带谱的宽带无线电探空仪系统，在许多国家将变得行不通了。若建议在气象设备频带内把卫星在高处或在低处连接至商用资料收集或伺服系统可被接收的情况下，则宽带无线电探空仪系统的运作将在全世界范围内变得行不通了。因此在大多数国家都应准备为了避免无线电探空仪受到干扰，其发射机和接收机将只能在频带宽远小于1MHz条件下工作。发射机的稳定性在具有较密无线电探空仪站网的国家必须等于5kHz，而在其余大多数国家也不
26、能比300kHz更差。国家气象服务系统需保持与国家无线电通讯部门的联系，以维持合适的无线电频率分配额，并保证其运作不受干扰。无线电探空仪的运作，也要求避免干扰资料收集平台（DCP）发射至气象卫星位于401和403MHz之间，来自气象卫星在低处连接位于1690和1700MHz之间和对气象卫星在有限站网位于1670和1690MHz之间两者的指挥以及资料获取（CDA）的运作，当然也要避免后者对无线电探空仪发射的干扰。12.2无线电探空仪的电子设备12.2.1一般特征基本的无线电探空仪设计通常包含3个主要部分：（a）传感器加上参考器；（b）电子转换器，用以把传感器和参考器的输出转换为电讯号；（c）无线
27、电发射机。在无线电探空测风仪系统（见第13章）中，还配有无线电导航讯号接收和再发射的电子设备，或用于二次雷达的发射机回答器。无线电探空仪通常要求测量不止一个气象变量。参考讯号用于补偿传感器输出和发射测距讯号之间转换的不稳定性。因此在一个预定循环中，要求在各种传感器和参考器之间起开关作用的顺序。最现代的无线电探空仪采用在典型的一次测量循环时段1和2s内以高速运作的电子开关。这种取样速率使得在正常上升速率下在高度间隔5和10m之间能取得所有气象变量的样本。12.2.2无线电探空仪的功率供给理想的无线电探空仪的电池应具有充足的容量，在温度15条件下长达3小时提供所要求的电流，且输出电压不能低于所要求
28、值的5%以上。而当温度从15降至10时，输出电压不应降至低于所要求值的10%以上。电池应在适用条件下尽可能轻些，并应具有长的储存期。在其使用后仍具有对环境的安全性。然而许多现代无线电探空仪已开发在施放期间具有对输出电压较大变化的忍耐力的型号。因此常使用两种类型的电池，即干电池型和浸水活化型电池。干电池具有价格低廉，应用广泛的优点，因为它是遍及全球的大批量生产。但是也具有有限的货架寿命和相对较重的缺点。在释放电量期间其输出电压的变化比浸水活化电池要大，近年来含锂的干电池还遇到一些储存方面的问题。浸水活化电池常采用氯化亚铜和硫的混合物，它比干电池轻且能储存较长时间，它们在释放电能期间的电压变化远小
29、于干电池型。在浸水活化型电池中的化学变化产生内熟，可以缩减热绝缘的需求并有助于稳定施放期间无线电探空仪电子设备的温度。这类电池不能为满足其他用户而大规模生产，因此常由无线电探空仪生产厂家直接生产。12.2.3资料传输的方法12.2.3.1无线电发射机有各种各样设计的发射机在使用。固体电路主要用于上限至400MHz，电子管（空腔）振荡器工作在1680MHz。有些发射机设计采用晶体稳频控制，以保证探测中好的频率稳定性。当无线电探空仪运作要求较频繁地与其它服务共同使用同一频带时，好的频率稳定性在施放前地面上手持阶段和施放后飞升阶段都变得比较重要。在400MHz最常用的无线电探空仪类型所具有的发射功率
30、输出约250mW，而在1680MHz，最常用的无线电探空仪类型所具有的发射功率输出约330mW。发射机的调制随无线电探空仪类型而改变，在以下几节对此作一简要说明。12.2.3.2变声频型在这种无线电探空仪中，发射机采用一固定射频讯号，它受一随无线电探空仪传感器和参考器的输出而变化的声频讯号的调制，这种声频调制易被各种传感器控制的电阻、电容或电感来实现。在许多系统中，附加的参考输入加至多路传输周波上，从而能检测声频调制的稳定性。在已采用奥米伽导航测风的普通无线电探空仪系统中，使用的讯号频率的声频范围位于7和10kHz之间。来自基本的气压、温度和相对湿度传感器的调制，具有避开使用再发射奥米伽讯号（
31、10.2kHz,13.6kHz）调制干扰的优点。进而气压、温度和湿度（PTU）的调制不会产生引起奥米伽讯号讹误的谐波。采用可变声频型调制的地面系统，要求一个用于规定的无线电探空仪类型的译码系统。它能识别无线电探空仪的取样周波，并应用无线电探空仪校准信息来计算气象变量。当由此类无线电探空仪把声频讯号馈入喇叭时，探空仪取样周波产生一可识别的声讯号，能用于监控探空仪飞升期间的通讯质量。12.2.3.3电码型在一些国家的站网业务中，仍采用较老的无线电探空仪设计，它将气象传感器的输出转换成莫尔斯电码型讯号。这种转换是通过每个传感器驱动的接触臂移过一旋转的扇形片或圆盘来实现的，此扇形片或圆盘的运动，当每次
32、与臂接触时产生相应的脉冲电码。在许多现代无线电探空仪设计中，气象传感器的输出，通过一半导体振荡器或一模拟数字转化器同仪器内的微处理器连接，此微处理器把传感器的输出转换成数字码，于是通过一调制解调器（例如频率漂移键控作用），将数字信息馈入无线电发射机。控制比特可加上以便通过接收设备监控传输资料的完整性。具有这种类型的传输方式，通讯联系比起变声频型调制可在较低信噪比水平下进行运作。因此使用2进制信号（源自移频键控调制解调器的两种不同调制）能使发射机的带宽缩减，也能使跟踪探空仪所需的辐射功率相对于声频调制探空仪有一定程度的缩减。探空仪的功率消耗较低从而可采用较小的电池。传输到地面系统的电码资料可作为
33、“粗的”工程变量，仍需在地面转化成气象变量，或者在有些情况下，可在探空仪中通过微处理器直接应用校准结果获得实际的气象变量。发射数字码的无线电探空仪，也能发射数字组合，可起到无线电探空仪鉴别器的作用。这样当地面系统附近的空中有几个探空仪时，可以防止混淆。同时在探空仪飞升期间，当讯号逐渐消失时，有助于无线电接收机的自动频率扫描跟踪。数字式探空仪也能把自身传感器校准资料发射至地面系统，这就可免除在探空仪施放前由提供校准系数的操作员随同探空仪一起输入至地面处理系统。12.2.3.4记时和脉冲计数型在记时系统中，气象传感器驱动指针运动，使之与绝缘的扫描圆盘或旋转的鼓上的导电螺线相接触，这些触点与一个固定
34、的参考触点之间的时间（或来自电振荡器的脉冲数）就是指针偏斜的量度，此即气象传感器的输出，于是触点产生的脉冲馈入发射机线路。这种调制类型的现代电子改型设备仍在瑞士使用。12.3温度传感器12.3.1一般要求理想的温度传感器对温度的变化必须具有充分快的反应速率，以确保它在上升穿过1km厚的气层过程中源自其热滞后造成的系统偏差保持小于0.1K。对于典型的探空仪上升速率，在大多数站点，只有那些传感器反应时间常数快于1s，在探空仪上升早期的一部分，才能达到上述要求。另外温度传感器应该设计成尽可能不受直接太阳辐射或太阳辐射的后向散射引起的辐射误差影响以及不受红外辐射的热交换影响。红外辐射误差可通过采用传感
35、器加设具有红外低辐射率的外罩来避免。在先前应用最广泛的是采用在红外具有高辐射率的白色传感器外罩。这类传感器的测量结果容易遭致由红外热交换引起明显的误差（见12.8.3.3节）。温度传感器也需要具有充分的坚固性以耐受探空仪飞升过程中的冲击作用，以及充分的稳定性以保持在几年内准确的校准性能。在理想的情况下，温度传感器的校准应具有充分的可重复性，使得无需对单个的传感器进行校准。在常规使用中，温度传感器的主要类型有热敏电阻（陶瓷电阻半导体）电容传感器、双金属片传感器和热电偶，而细金属传感器已用于一些基准无线电探空仪的传感器。传感器的反应速率通常用反应的时间常数来测量，它定义为（如同1.6.3节） （1
36、2.3）其中是传感器的温度，T是真实的气温因此，时间常数定义为反应至一突然温度变化值的63%所需要的时间，温度传感器的时间常数与温度传感器的热容成正比，与通过对流从传感器的热交换速率成反比。热容决定于传感器的容积和组成。而从传感器的热交换取决于传感器的表面积、热交换系数和通过传感器的空气质量流动率。热交换系数与传感器的直径有弱的依赖关系。因此，对一由给定物质制成的温度传感器的时间常数，近似地与传感器的容积对其表面积的比率成正比。因而具有大的表面积的薄的传感器是取得快速反应最有效的构形。反应时间常数随空气流动的质量率的变化可表示成 （12.4）其中是空气密度，是通过传感器的空气速率，n是常数。注
37、：对暴露在无线电探空仪上方支架上的传感器，应相应于上升速率，但若该传感器安装在一内部的管道中，则流过传感器的空气速率可低于其上升速率。n的值变化于0.4和0.8之间，决定于其可变的形状和气流性质（层流或湍流）。在气压为1000、100和10hPa，对上升速率为，温度传感器反应时间常数的代表性值表示在表12.3中。这些数值是由实验室试验和在无线电探空仪比对试验上升过程中，同反应非常快的传感器比对共同得出的。表12.3 无线电探空仪温度传感器典型的反应时间常数温度传感器（在1000hPa）(s)（在100hPa）(s)（在10hPa）(s)杆状热敏电阻直径1.3mm3821珠状热敏电容直径1.2m
38、m2.5615钨丝直径0.0135mm0.050.050.1双金属片581220缺项12.3.2热敏电阻热敏电阻通常由陶瓷材料制成，其电阻值随温度变化。此种传感器具有高的电阻值，并随绝对温度降低而电阻增加，电阻R和温度T之间的关系可近似地表达为 （12.5）其中A、B是常数，对温度变化的灵敏度非常高，但此种对温度的反应远远偏离于线性，因为其灵敏度大致随绝对温度的平方而减小。由于热敏电阻的阻值很高，典型值为几十千欧姆，故因对传感器的供电电压的自身加热作用可以忽略。而且可以生产很小的热敏电阻，从而能获得很快的反应速率。12.3.3热敏电容热敏电容通常由陶瓷材料制成，其电容率随温度而变化，所用的陶瓷
39、通常为钛酸钡锶，这种铁电材料的电容率温度系数为()量级。当温度在居里点以下，温度系数为正；在居里点以上，温度系数为负。最常用的传感器直径约1.2mm，已设计出的新的传感器直径约0.1mm。后者用由玻璃陶瓷分离的两细铂丝之间测量其电容的变化（见Turfiainen,Tammela和Stans,1995）.这种传感器应能获得改进的反应速率，同时太阳加热作用的误差应远小于那些较大的传感器。12.3.4金属导线电阻器这种类型的传感器具有高的校准稳定性和对温度变化的线性反应特征，细金属丝传感器具有非常快的反应，只要金属丝对太阳辐射的吸收较低，其辐射误差就小。这种类型传感器的不利之处在于它必须由很细的金属
40、丝制成，以便达到合适的高电阻要求同无线电探空仪转换器对接。因而这类传感器常常很脆弱，其中镍、铂和钨是比较适用的金属。直径13.5m的钨金属丝传感器，在一个国家的站网中成功地业务应用已达10年。但是传感器的脆弱性在困难的施放条件下仍是问题，在平流层中，太阳加热作用并非很小，因为钨金属丝吸收太阳辐射要比可期待的理想情况高。12.3.5热电偶铜鏮铜接点的热电偶，在一个国家的无线电探空仪中也用作温度传感器（WMO，1989），直径0.65mm的金属丝用作构成热电偶的外接点，这样就组成了一个快速反应的传感器。在热电动势与传感器同其参考点之间的温度差之间的联系，是一个早已建立的物理关系。热电偶参考点装置在
41、探空仪内相对稳定的温度环境中，用一铜电阻温度表测量此参考点温度。为了获得准确的温度值，在传感器和内部参考点之间附加的接点所引起的随机的电动势必须加以补偿。也像金属丝电阻温度表那样，这种类型的传感器并不适合于大量生产，但在未来的无线电探空仪比对试验中作为一个独立的参考是有价值的。12.3.6双金属片传感器仍在使用的双金属片传感器主体呈螺线状（0.2mm厚，未卷绕时的双金属片长130mm），装置在探空仪整体的一侧的保护通风管内。用于电码型探空仪中，有一个机械联动装置从双金属螺线至编码鼓。这种类型的传感器和探空仪设计，过去广泛用于许多国家。因为这类传感器的反应时间常数相对偏慢，而且辐射误差较大，尤其
42、是出现在气压低于20hPa条件下，目前大部分已被新的温度传感器所替代。在双金属片传感器及其支架中，由热滞后引起的温度误差很大（超过0.3K），即使在对流层中也不能忽略，若有可能应对它进行一定程度的补偿。12.3.7暴露无线电探空仪温度传感器，最好暴露在探空仪主体的上部位置（下投式探空仪在主体的下方）。这样与探空仪主体或传感器支架接触受加热或冷却的空气，不可能随后流达温度传感器。这种安排通常可把传感器安装在一个臂或外伸支架上来实施，从而使传感器在探空仪飞升中始终能固定在所要求的部位上。为了在低压条件下仍有好的暴露状态，支架和传感器的电连接应更薄些，使得沿连接线的热传导产生的加热和冷却作用的误差可
43、以忽略。按这种暴露方式，无线电探空仪温度传感器直接暴露于太阳辐射和大气中的红外辐射环境中。传感器在白天探测时接收太阳辐射，同时在所有时间与地面和天空交换长波辐射，辐射误差的值与传感器的大小和形状关系较弱，因为对流热交换系数与传感器大小的关系也很弱。因此小的传感器具有的辐射误差也小，但要求选择传感器的外壳应具有对太阳辐射和长波辐射均为低的吸收率。这种对外壳的要求，可通过把适用的薄金属层沉积在表面上即可满足，而许多白色油漆在红外具有高的吸收率，并非是探空仪传感器理想的外敷材料。把温度传感器暴露于探空仪主体之上方，造成另一个结果是当在降水或云中上升时，传感器将沾上水或冰，故在传感器的设计中，如何有效
44、地防水防冰是极端重要的。首先考虑从云中进入干燥层后，传感器上的水或冰蒸发或升华，使传感器冷却降至低于环境温度。其次是温度传感器上残留的覆冰在飞升中其在红外区的吸收率明显不同于平常。从而由红外热交换异常的系统偏差，将引入覆冰传感器测量的结果中，特别是在低压条件下。对位于探空仪上部暴露在外未受保护的双金属片传感器及伴随的支架，在白天吸收的辐射更多。因此这种类型的传感器必须用一辐射罩进行防护，既使辐射不能直射至传感器，也防止经多重反射到达传感器，罩的内表面温度也应保持接近真实的大气温度，而不致影响流经传感器的空气的温度。这种遮蔽作用既不应缩减温度传感器附近的通风量，当上升穿过云层和降水时也不应吸附水
45、或冰。尽管合格的辐射罩的性能，在高气压下可达到要求，而在低气压下，要满足所有这些要求就变得困难重重。对进入的辐射具有好的吸收，要求在辐射罩的内表面涂黑，但这又导致这些表面对外界的太阳辐射和红外辐射场的强烈吸收，在低气压下这就引起辐射罩内表面相对于环境大气温度有明显的加热作用或冷却作用，从而使得使用辐射罩获得真实温度测量结果，在最低气压下迅速变得行不通了。一种折衷的辐射罩设计应由两个抛镀薄铝的圆柱组成，它们共轴排列，其间空间为1或2cm(类似于阿斯曼通风干湿表防辐射罩)*。12.4气压传感器12.4.1一般特征无线电探空仪气压传感器必须在非常大的动态范围从3至1000hPa内保特其准确度，并在较
46、低气压下仍具有0.1hPa的分辨率。气压的变化通常通过一小的电量的或机械的变化来识别。例如一个膜盒典型的最大位移偏差约5mm，因而与传感器相连的转换器必须分辨约0.5m的位移。在校准中由于在上升中传感器温度变化引起的位移也必须进行补偿，这类温度变化可大至几十度之多，除非该气压传感器安装在温度稳定的环境中。为此，气压传感器通常均安装在无线电探空仪主体的内部，以使其发生的温度变化最小化。在有些情况下，将传感器围以水袋缩减其冷却作用。当使用浸水活化电池时，在电池中由化学反应产生的热常可用于补偿探空仪内部的冷却作用。但是即使在这种情况下，探空仪的设计仍需避免在穿过传感器及其相应的电学元件之间产生温度梯
47、度。若气压传感器有一个主动可控制的温度环境，此传感器构件应安装在探空仪中的合适部位，使来自气压传感器构件的热污染，不致干扰共存于其中的温度和相对湿度的测量结果。气压传感器及其转换器，通常设计使其灵敏度随气压减小而增加，探空仪气压传感器的反应时间常数一般非常小，由传感器滞后引起的误差并不明显。12.4.2膜盒在大多数无线电探空仪中，使用膜盒作为气压传感器。在较老的探空仪设计中，膜盒的直径常为5060mm。这类传感器均由金属材料制成，其弹性系数与温度无关。膜盒位移偏差的测量，既可以通过一个要求在膜盒与探空仪转换器之间有机械联动的外部机件来实现，也可以通过一个内部机件来实现（见12.4.3节）。膜盒的灵敏度主要取决于膜盒的有效表面积及其弹性，设计的膜盒得出的位移偏差既可同气压成线性比例关系，也可同气压遵从其它函数关系，例如同气压近似成对数的关系。膜盒校准的长期稳定性常可通过改善其适应性来实现。即将膜盒通过其全程工作范围气压和温度变化的大量循环驯化来完成。当膜盒用一机械联动机件联结至转换器上时，通常传感器经受到约12hPa的迟滞效应。在对传感器校准过程中必须计及这种迟滞效应。校准时气压的变化必须与实际探测情况类同。对探空仪转换器的机械联动常由一个膜盒移动放大系统，联动一个指针操纵转换