氣象探空的測(cè)量項(xiàng)目主要有氣溫,、氣壓、濕度,、風(fēng)向和風(fēng)速,，此外，還包括一些特殊項(xiàng)目,，如大氣成分,、臭氧、輻射,、大氣電場(chǎng)等,。從大氣科學(xué)萌芽到現(xiàn)代成熟的探空技術(shù)，氣象探空經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程,。

什么是氣象探空?它到底都“探”些什么?探空數(shù)據(jù)又是如何影響天氣預(yù)報(bào)的?下面,，就讓我們一探究竟。

風(fēng)箏,、氣球和吊籃

氣象探空,，顧名思義，就是探測(cè)高空中的氣象數(shù)據(jù),。具體來講,，是利用各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方法與手段，觀測(cè)高空大氣中任意高度上氣象要素瞬時(shí)分布的狀況,。氣象部門所說的常規(guī)探空,，通常是指從地面到高度約40千米的范圍,，包括大氣邊界層和自由大氣。氣象探空的測(cè)量項(xiàng)目主要有氣溫,、氣壓,、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速,，此外,，還包括一些特殊項(xiàng)目，如大氣成分,、臭氧、輻射,、大氣電場(chǎng)等,。從大氣科學(xué)萌芽到現(xiàn)代成熟的探空技術(shù)，氣象探空經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程,。

在最初的時(shí)候,，人們主要依靠原始、零星的目測(cè)以及感官感知來感性地認(rèn)識(shí)天氣的變化,。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，人們相繼發(fā)明了溫度計(jì)、氣壓計(jì),、濕度計(jì),、風(fēng)速計(jì)等氣象觀測(cè)儀器。氣象觀測(cè)開始走向定量化,，地面氣象要素觀測(cè)興起,。18世紀(jì)中葉，人們逐步將目光轉(zhuǎn)向了天空,，開始進(jìn)行高空觀測(cè)的嘗試,。那么如何實(shí)現(xiàn)呢?

有人想到了風(fēng)箏。風(fēng)箏是我國古人發(fā)明的,，早期主要用于戰(zhàn)時(shí)通信與偵察,，后來逐步傳到世界各地，放風(fēng)箏也成為人們喜愛的戶外運(yùn)動(dòng),。然而,，也許讓古人永遠(yuǎn)想不到的是，他們發(fā)明的風(fēng)箏,，對(duì)后來世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了多么深遠(yuǎn)的影響,。氣象探空的發(fā)展就得益于此。1749年,英國一位名叫威爾遜的科學(xué)家,在蘇格蘭將小型溫度計(jì)綁在風(fēng)箏上,，用6只風(fēng)箏將其帶到1000多米的高空中進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn), 以測(cè)量溫度隨高度的變化,。他也第一次測(cè)到了低層大氣的溫度,并取得了一些重要的理論數(shù)據(jù),。這個(gè)簡易版的“風(fēng)箏氣象站”可以說是氣象探空的先驅(qū)。

1893年,，英國人勞倫斯為美國氣象局設(shè)計(jì)了一種可以裝在箱子里面的可拆卸的風(fēng)箏,，以便將儀器帶到高空測(cè)量風(fēng)速、溫度和高度,，有力地推動(dòng)了氣象事業(yè)的發(fā)展,。后來又經(jīng)過了不斷的改進(jìn)，風(fēng)箏成為了19世紀(jì)至20世紀(jì)初期觀測(cè)低空溫度的重要工具,。當(dāng)時(shí)使用的風(fēng)箏是由棉布或者棉紙制成,，內(nèi)有自制氣壓計(jì)、自記溫度計(jì)和自記濕度計(jì),，用手搖式轱轆釋放風(fēng)箏的拉線,。但是風(fēng)力過強(qiáng)或過弱時(shí)都不合適(放過風(fēng)箏的應(yīng)該都能體會(huì)到這一點(diǎn))，探空高度最多只能達(dá)到3000米,，所以并不是理想的探空儀器,。

18世紀(jì)初，法國造紙商蒙格爾菲兄弟受到碎紙屑在火爐中不斷升起的啟發(fā),，于是用紙袋聚集熱氣做實(shí)驗(yàn),，終于在1783年制造出原始熱氣球，并乘著它在巴黎上空飛行25分鐘后安全著陸,，實(shí)現(xiàn)了人類首次飛上藍(lán)天的壯舉,。從此拉開了載人飛天的大幕,，氣球也成了攜帶氣象儀器到空中進(jìn)行測(cè)量的良好載體,。蒙格爾菲兄弟在首次表演熱氣球飛行之后,，向巴黎科學(xué)院報(bào)告了他們的成就,?？茖W(xué)院隨后贊助了年輕的物理學(xué)家查理教授進(jìn)行研究,。查理從前人的研究中得知,，氫氣是空中最輕的一種氣體,，人類可以利用氫氣飛行,，并且當(dāng)時(shí)法國工程師羅伯特兄弟已研究出在絲綢上涂橡膠的方法,，這是當(dāng)時(shí)最好的不透氣材料。在羅伯特兄弟的幫助下,，查理造出了世界上第一個(gè)氫氣球,。后來通過改進(jìn)在氫氣球下懸掛可載人的吊籃。1783年12月1日,他和一位同伴乘氫氣球的吊籃在空中飄行時(shí)間超過2小時(shí),，完成了氫氣球載人的首次飛行,。查理還利用自己制成的氫氣球進(jìn)行了高空溫度和氣壓的測(cè)定。他將自記溫度計(jì)和自記氣壓計(jì)系在氫氣球下面,，釋放到高空,，氣球達(dá)到一定高度爆裂,，氣象儀器就隨降落傘降落到地面。查理用這種方法測(cè)定了巴黎高空溫度和氣壓的變化情形,。1784年英國人杰弗里斯在英國也進(jìn)行了類似的試驗(yàn),。

1809年，英國人沃利斯和福雷斯首創(chuàng)用測(cè)風(fēng)氣球探測(cè)高空風(fēng),。1862年9月5日,，格林威治氣象臺(tái)臺(tái)長格列塞爾與助手在不帶氧氣設(shè)備的情況下，一同乘氣球升入8800米高空,，進(jìn)行了高空探測(cè)飛行,。1864年英國氣象學(xué)家首用系留氣球下懸掛的氣象儀器進(jìn)行低空氣象觀測(cè)，系留氣球是使用纜繩將其拴在地面絞車上并可控制其在大氣中飄浮高度的氣球,，相對(duì)比較安全可靠,。載人吊籃和系留氣球攜帶自記儀器的方法是早期低空探測(cè)和大氣監(jiān)測(cè)的有效手段之一。與此同時(shí),，科學(xué)家們還探索使用了如降落傘法(氣球上升一定高度破裂后開傘)和雙球法(一球破裂后，另一球不足以支持儀器的重量而下降)等,，來保證儀器和資料的回收,，都有一定的效果。由于氫氣球的升高性能好,、滯空時(shí)間長,，所以應(yīng)用得比較廣泛。但氫氣球有易燃易爆的缺點(diǎn),，于是20世紀(jì)20年代又出現(xiàn)了氦氣球,。

這些早期的氣象探空的嘗試和探索，多為科研和實(shí)驗(yàn)的性質(zhì),，并且存在一定的限制和不足,，如升空高度有限、數(shù)據(jù)連續(xù)性差,、難以實(shí)現(xiàn)常態(tài)化觀測(cè)等,，但毋庸置疑的是，它們都對(duì)氣象探空的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用,。

探空儀和雷達(dá)的“對(duì)話”

真正讓氣象探空邁入業(yè)務(wù)化運(yùn)行時(shí)代的,，是無線電探空儀的出現(xiàn)。

無線電探空儀是由前蘇聯(lián)的莫爾恰夫在1928年發(fā)明的,。這種儀器的優(yōu)點(diǎn)是不受地點(diǎn)的制約和天氣的影響,，探空高度能夠達(dá)到15～20千米。1930年,，他在白俄羅斯首次完成平流層的無線電探空儀觀測(cè),。1931年12月,，芬蘭人維薩拉也發(fā)明了著名的芬式無線電探空儀，并創(chuàng)辦了以自己名字命名的公司,，至今已成為世界上最專業(yè)的氣象儀器生產(chǎn)商,。這類探空儀非常輕巧，只有250克,，大概相當(dāng)于文具盒的大小,，而且不受惡劣天氣的影響，可以獲得不同高度的氣象資料,，無需回收,。這類探空儀至今仍是探測(cè)30～40千米以下高度氣象要素的主要儀器，全世界都在使用,。

那么,，目前氣象探空是如何實(shí)現(xiàn)的呢?我國一般采用的探空技術(shù)是“地面雷達(dá)+探空儀”模式，簡單地說,，大致分四步：探空儀升空;雷達(dá)定位;觀測(cè);數(shù)據(jù)回傳雷達(dá),。

無線電探空儀升空，一般是依靠施放探空氣球來進(jìn)行,。因此,，氣球在當(dāng)前氣象探空中仍然占有重要的地位。氣球分為膨脹型和非膨脹型兩類,，氣象探空中通常采用膠乳膨脹型氣球,。氣球在空中以300～500米/分鐘的速度上升，荷載質(zhì)量為1～2千克,，探測(cè)高度在0～40千米,，在測(cè)風(fēng)的同時(shí)測(cè)量空中的溫度、氣壓和濕度,。

風(fēng)的測(cè)量是通過雷達(dá)和探空儀的“對(duì)話”來實(shí)現(xiàn)的,。探空氣球攜帶無線電回答器升空，地面雷達(dá)對(duì)探空儀進(jìn)行追蹤,，在地面向它發(fā)出“詢問信號(hào)”,，探空氣球的回答器接收到以后，對(duì)應(yīng)地發(fā)回“回答信號(hào)”,。根據(jù)每一對(duì)“問”與“答”信號(hào)之間的間隔和回答信號(hào)的來向,，就可以測(cè)定每一瞬間探空氣球在空間的位置，即它離雷達(dá)的直線距離,、方位角,、仰角，然后根據(jù)氣球隨風(fēng)漂移的情況,，就可以推算出高空的風(fēng)向與風(fēng)速,。

氣壓,、溫度、濕度3個(gè)氣象要素的探測(cè),，是利用探空儀里的傳感器實(shí)現(xiàn)的,。探空儀由對(duì)溫度、氣壓,、濕度反應(yīng)靈敏的感應(yīng)元件及轉(zhuǎn)換電路組成,，敏感元件的電參量隨著空氣中的溫度、氣壓,、濕度的變化而變化,。而轉(zhuǎn)換電路則對(duì)變化的電參量進(jìn)行采集、編碼而形成探空數(shù)字信號(hào),，并通過探空儀發(fā)射機(jī)發(fā)回地面,，雷達(dá)把探空數(shù)據(jù)接收下來，就得到空中不同高度的溫度,、氣壓和濕度3個(gè)氣象要素的資料了,。

地面和高空，一個(gè)都不能少

眾所周知,，氣象科學(xué)是基于觀測(cè)發(fā)展起來的科學(xué),，最先開始的是地面的氣象觀測(cè)。然而,，地球上各種天氣現(xiàn)象是大氣運(yùn)動(dòng)的反映，如果僅僅依靠地面的氣象觀測(cè),，而沒有與天氣系統(tǒng)密切聯(lián)系的空中的氣象要素觀測(cè)資料,，人們就難以深入了解和研究復(fù)雜的天氣。氣象探空讓氣象觀測(cè)從二維空間發(fā)展到三維空間,，揭示了地面氣壓系統(tǒng)與高空氣流之間的關(guān)系,。大氣中各個(gè)高度上的溫度、濕度,、氣壓等數(shù)據(jù),，對(duì)分析和研究大氣各種熱力、動(dòng)力以及天氣分析,、預(yù)報(bào)都具有十分重要的意義,。

現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)中，都是首先通過觀測(cè)大氣變化情況,，將觀測(cè)數(shù)據(jù)匯集到高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算,，得出各類天氣圖表和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，天氣預(yù)報(bào)員結(jié)合自身專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合分析,、判斷做出未來不同時(shí)間段的具體天氣預(yù)報(bào),?？梢姡^測(cè)數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)的最前端,。另外,，數(shù)值預(yù)報(bào)在現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)中占據(jù)著重要的位置，它“算”出來的預(yù)報(bào)結(jié)果直接影響到天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的高低,。而對(duì)于氣象探空數(shù)據(jù)而言,，它本身就是數(shù)值預(yù)報(bào)模式初值場(chǎng)的重要資料來源。資料本身的連續(xù)性,、穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性,，必然會(huì)對(duì)數(shù)值模式的初始場(chǎng)產(chǎn)生影響，而初始場(chǎng)的改變必然引起模式預(yù)報(bào)結(jié)果的變化,，最終影響到天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,。

所以，如果將天氣預(yù)報(bào)比喻為一頓大餐,，那么氣象觀測(cè)的數(shù)據(jù)資料就是“食材”,，氣象探空數(shù)據(jù)更是這些“食材”中的“主角”之一。要想做出一頓美味可口的天氣預(yù)報(bào)“大餐”,，高品質(zhì),、種類全的“食材”必不可少。

說到這里,，文章開頭中央氣象臺(tái)的微博內(nèi)容就更容易理解了,。俄羅斯在我國的上游地區(qū)，很多天氣系統(tǒng)是從他們境內(nèi)移過來的,，尤其是俄羅斯的西伯利亞地區(qū),，是影響我國的冷空氣經(jīng)過且積聚加強(qiáng)的區(qū)域，即天氣學(xué)中的寒潮關(guān)鍵區(qū),。分析和預(yù)報(bào)我國的天氣,，那里的探測(cè)數(shù)據(jù)具有重要的參考價(jià)值。而盧布貶值導(dǎo)致貨幣購買力下降,，俄羅斯政府對(duì)氣象投入減少,，使得西伯利亞不少站點(diǎn)探空頻次降低，某些時(shí)刻的探空數(shù)據(jù)就缺失了,。由此導(dǎo)致數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果受到影響,，我國的預(yù)報(bào)員在分析天氣圖時(shí)也會(huì)多少有些偏差，于是天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性就難免會(huì)受到影響了,。