飞升3万米给大气“做CT”，广东的气象北斗探空系统藏着什么秘密？

今年1月1日早晨，4个一人多高的气球分别从河源、清远、阳江、汕头的气象观测站上升，带着探空仪去到3万多米高空。

新年第一飞，也标志着广东的气象高空探测业务，在全国率先全面转入北斗探空模式。

高空探测是什么？它和我们又究竟有什么关系？

气球从河源国家高空气象观测站升空。

全球同时段释放气球

早上出门前，打开手机App看天气预报，已成了很多人的习惯。但你是否想过，天气预报是怎么来的？

天气预报的形成需要数据支撑，尤其是高空大气的温度、气压、湿度、风向、风速等基础资料。为获取这些数据，高空探测应运而生。

气象上说的高空探测，通常指利用气象气球携带探空仪，在飞升的过程中，探测收集周围环境的气象数据，并将其传输至地面，地面人员经过计算整理得到上空气象要素的垂直分布情况，最终用于天气预报、气候分析、科学研究等。

一些欧美国家在18世纪就开始进行高空气象探测——人们先后用风筝、载人气球携带仪器等方式进行高空气象要素探测的试验。我国则是在19世纪开始开展高空气象观测业务。

而现代探空始于20世纪初，随着无线电、气象卫星和大气遥感技术等的发展，人们逐步实现了全天候、全球性的高空气象探测，也直接推动了现代大气科学的产生。

气球从清远气象观测站升空。

“现在做气象高空探测，一方面是为气象预报员提供地面到高空的垂直气象观测数据，另一方面也为全球气象研究提供数据交换。”省气象局气象数据中心工程师徐黄飞介绍，世界气象组织要求全球必须在相同时间（国际标准时每天0时和12时前一小时内）施放气球，对应到我国，便规定全国探空站在每天7时15分和19时15分施放。“全球都同一时段观测，数据才有可比性，也方便探空资料的全球交互。”

因此你可以想象，清晨、傍晚，气球从世界各地的探空站飞向3万米的高空，感知着天空的“呼吸”，守护着我们的每一天。

数据接收从“点对点”变“点对面”

“探空仪经过检查没问题，设备状态也反馈到北斗探空系统了，可以释放。”清晨，在清远气象观测站，高级工程师董福镇用绳子将探空仪与氢气球连在一起。当时间来到7点15分，他放开手，气球迎着阳光直冲而上。

释放气球前检测探空仪。

在此前的高空探测中，雷达是各国使用频率最高的设备。以广东为例，近20年均采用L波段探空系统进行观测，通过地面的雷达对气球跟踪定位，最后接收探空数据。

但这种探空方式有个很大的局限：只能点对点接收，即一台雷达只能接收一个探空仪的数据。因此，一旦遇上大风等恶劣天气，容易出现丢球情况，导致探空失败。

而且随着天气预报业务发展，每天2次获取的探空资料，其时空分辨率已难以满足精细化预报和服务的要求，需要加密探测。另外，高空探测的探空气球不回收，一次释放成本也较高。

如何提升高空探测的成功率和效率，并尽可能节约成本？北斗探空系统，便是破局之法。

平漂探空模式。

从2017年开始，中国气象局牵头组织开展新型北斗智能探空系统的原型研制。2022年8月8日，在中国气象局的部署下，清远探空站释放了第一个北斗探空试验球，拉开了北斗探空系统在广东落地试验的序幕。

这一系统由探空站、接收站、台站服务器、省级服务器和国家级服务器组成，探空仪观测数据发回地面，地面接收站收到数据后，通过台站服务器将数据进行互联网加密后发到国家级服务器，国家级服务器再将数据处理后传输给省级服务器。

这一过程中，高空数据的接收实现从“点对点”转为“点对面”。

“北斗探空采用组网观测方式，探空仪在天上的时候，除了释放地，其他地方的接收机也可以接收数据。”广东省气象数据中心工程师徐黄飞介绍。以清远探空站为例，记者从监测屏看到，气球在移动的过程中，韶关、连州、郁南等地的接收站均收到探空仪的数据。因此，即使气球飞出清远站的接收范围，广东其他的地面接收站也能收到数据上传。

多个地面接收站能接收探空仪数据。

“目前，广东建了13个地面接收点，每个的接收范围约150-200公里，基本覆盖全省，今年还将再建7个接收点。”徐黄飞介绍。

我国也正逐步成为气球高空气象观测业务大国，全国已有120个高空站，占全球总量6%，其中全球资料交换站89个，提交了占比全球共享资料的10%左右。

同时，芯片保证了气象数据的准确性。

在探空仪中，安装了我国首颗探空专用SoC北斗芯片，中国气象局将其命名为“春分1号”。这一芯片包含118类标准函数的开发包，实现数据处理的集成化和标准化，水平、垂直定位的精度达到0.8米、1.3米，与国际主流探空芯片（UBLOX_G7020）的0.7米、1.5米相比，几乎没有差距。

“广东北斗探空试验数据表明，北斗探空系统数据稳定可靠，数据质量达到世界气象组织（WMO）探空数据最高目标要求，其中测风误差由L波段探空系统的3米/秒提升到0.3米/秒。”徐黄飞表示。

气球从清远气象观测站升空。

平漂观测模式降低成本

“外部气球顺利爆炸，内部气球膨胀，开始进入平漂探测阶段。”董福镇盯着监控屏，到达高空3万米左右后，气球已穿过对流层到达平流层，“这一段气流平稳，气球将平漂5.5小时左右，最后再下落。”

传统的单球模式下，气球带着探空仪以5-6m/s的速度上升，当气球爆炸后，观测任务便结束。这一过程中，只有上升段数据会被保存，下降段则因速度太快导致观测数据不连续，没有价值。

但北斗探空系统可以实现平漂观测模式，即一次释放实现“上升、平漂、下降”3次观测，这是省钱秘诀。

平漂模式使用的是“双模气球”，即双层气球，并携带探空仪、熔断器、降落伞进行高空气象观测。双模气球上升到平流层后，外面的气球会炸开，内部的球保留下来，随后继续携带探空仪等设备在平流层观测。此后到达指定时间后，熔断器会将绳子切断，随后由降落伞带着探空仪开始下降段垂直观测。

“这个过程中，会在1.5小时左右从对流层进入平流层，随后在平流层平漂5.5小时，最后在1.2小时左右下降。”徐黄飞介绍，以这一模式，上升、平漂、下降过程中的观测数据都会保留，“也就是飞一次得到3段数据，相比传统单球模式更省钱。”

北斗探空系统中的平漂路线。

但要让这个过程顺利进行，需攻克很多难题。

气球在上升的过程中，便面临着天气状况、气温、气压等诸多考验。“当遇到下雨天时，充气就要比平时更足一些，才能达到上升速度；而且，气球也要专门定制，必须防冻，因为在3万米高空，气温低于-70℃。”徐黄飞说，并且由于探空仪需要在平流层继续平漂，因此还用泡沫盒进行外层包裹，尽量给探测仪器保温。再比如，还要解决如何在理想高度实现熔断、如何应对飞鸟影响、如何保证内部气球不破等难题。

因此，从2022年到2023年底的这段时间，广东4个探空站便持续进行着这一系列的试验，让气球、探空仪适应广东的气候条件。同时，测试北斗探空系统的整体业务运行能力，包括探空仪性能、接收机性能、基测箱性能、集成控制器性能、配套的台站软件等，最终才得以实现业务切换。

“北斗探空系统是一次重大的高空观测改革。”徐黄飞说，系统的数据准确性相比L波段探空系统有了较大提高，尤其是在风向和风速观测的准确性上。

工作人员绑扎冲好氢气的气球。

如今，广东气象部门已将北斗探空资料常态化应用于气象预报、数值预报、卫星遥感等领域。譬如在去年7月27日早上8点，省气象局针对台风“杜苏芮”开展天气会商，而北斗探空系统在台风登陆前24小时，就为会商提供了精准的数据支撑。未来，广东还计划在海上石油平台、海岛等区域布设中继接收站，拓宽探测范围，弥补海上高空探测的空白。

目前，北斗探空系统也写入世界气象组织技术委员会高级别指导意见文件。广东在全国率先全面启动的北斗导航探空业务，为全球气象探空发展提供了中国方案，并将于2025年在全国完成推广应用。“我们的气象探空技术已经跻身世界先进水平，未来北斗探空系统还将进一步优化完善。”广东省气象局监测网络处副处长赵晓利说。

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北斗探空系统成防灾减灾利器

早上6时30分，天气微冷。河源国家高空气象观测站工程师马佩强已开始检测北斗探空系统的探空仪，另有一名工作人员正充灌氢气球。

待到7时15分，带着探空仪的气球准时施放。气球上升过程中，仪器实时获取气球位置的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，实时传向地面接收设备，并同步上传至国家级云端中心平台。

河源国家高空气象观测站工作人员施放气球。

7时34分4秒，平台已生成第一份数据产品，最终将供全国天气预测平台使用。

“高空大气探测工作就相当于给大气做了一次CT。”马佩强说，所有站点在统一时刻释放，同步对大气做监测、扫描。

河源这次进行的是单球观测模式，如果遇到台风、暴雨等特殊天气需要加密观测时，北斗探空系统的平漂探空能力就有“用武之地”，实现一次放球就能获取上升、平漂、下降三个阶段的数据。“这项功能，打破了上百年的高空观测模式。”马佩强说。

与上一代探空仪器——雷达探空仪相比，北斗探空系统在数据传输、监测精度上有很大提升。

在精度方面，北斗探空系统卫星定位比雷达更加精确，风向、风速的监测精度比以前更高。“雷达探空仪只能从一个面上向前探测，没法钻到大气内部做探测，而探空气球则是深入大气内部，这是最直接的探测手段。”马佩强介绍，尤其是北斗探空系统启用以后，北斗探空系统平漂探测方式在全球是独一无二的，其他国家还没有做这类大规模的应用。

河源国家高空气象观测站工作人员查看气球传回来的数据。

而今，北斗探空系统已成为河源防灾减灾的利器。

河源位于广东省东北部、东江中上游，属于亚热带季风气候，降水充沛，降水集中在汛期，且存在时空分布不均、洪涝干旱常发等特征。2005年6月18日，河源遭遇百年一遇特大暴雨。据气象部门统计，强降水过程各地最大降水量达989毫米，日最大降水量达286.3毫米，是河源市有气象记录以来的历史第二个日最大降水量。

北斗探空站启用后，当地气象部门基于高分辨率北斗探空数据，研制出用于天气预报、数值预报的高质量数据集，最终提高天气预报的准确率，为河源防灾减灾、实现高质量发展做好气象服务。

【文字】南方+记者 张子俊 黄敏立

【视频/剪辑】张浩森

【图片】南方+记者 石磊 张浩森

【通讯员】王天巍 陈盈 刘志明 曾慧明 刘子文 

【策划/统筹】张志超