这些年，我们在京士柏追「球」的日子

2020年3月13日

李淑明 林学贤

早前香港天文台获世界气象组织颁发证书，肯定我们在过去接近70年恒常在九龙京士柏气象站作高空气象观测的贡献，有关报导载于世界气象组织网页（只以英文发表）。这些年来，天文台利用高空探测气球作气象观测的技术不断演变及改良，就让我们一起回顾过往追「球」的日子吧！

天文台常规高空气象观测始于1949年，最初地点并非京士柏，而是在尖沙咀的总部。当时天文台装置了首套无线电探空系统，每日上午8时（夏令时则为上午9时）进行高空气象观测，涵盖气温、湿度、风和气压。天文台同事以人手将挂上无线电探空仪的气球注入氢气及释放（图一），在气球上升的过程中，无线电探空仪将测量到的高空气温、湿度及气压数据，用无线电波送回天文台总部地面站。至于测量高空风向风速方面，当时依靠天文台总部屋顶的一部经纬仪来追踪气球，从气球的仰角及方位，以及升空的速度，来计算出不同高度的风向和风速。图二的照片摄于1950年，当时天文台同事在总部屋顶利用经纬仪追踪气球，进行高空气象观测的试验。由于这种方法全凭目视观测，当遇上有低云影响视野时，探空工作便无法进行。当时的高空探测气球一般上升至大概20公里高才爆破，附著的降落伞会张开，无线电探空仪最后徐徐下降到地面或海面。

到了1951年，测量高空风的技术更进一步，高空探测气球除了挂上无线电探空仪外，亦加上一个雷达反射器，而同事利用装设于地面的雷达（图三）不停追踪著雷达反射器，测定其距离、方位及仰角，从而计算上空的风向和风速。


由于天文台尖沙咀总部周围有较多建筑物，并非进行高空气象观测的最佳地点。后来天文台在京士柏一个小山上觅得一个更适合施放探空气球的地方，在1951年建立了现在的京士柏气象站。由1951年6月1日开始，每日上午8时的常规高空温度、湿度、气压、风向和风速测量改爲在京士柏气象站进行。京士柏气象站甫一建立便成爲世界气象组织的高空气象站，编号是45004，并一直沿用至今。气象站每天进行高空气象观测，收集的天气数据经由专用网络与世界各地的气象中心交换，运作至今已接近70年。在1992年，由世界气象组织、联合国教科文组织等单位筹措的全球气候观测系统Global Climate Observing System (GCOS)成立，京士柏气象站亦成为该系统高空网络GCOS Upper-Air Network (GUAN)的一员，为监测气候变化作出贡献，现时全球共有超过170个GUAN高空气象站，每日在香港时间上午8时和晚上8时一同释放探空气球收集天气数据。

京士柏是英文King's Park的音译中文地名，英文地名是为纪念英皇爱德华七世登基而命名的。如果以中文意译，应为「御花园」。事实上京士柏也是名副其实风景优美、景观开扬的好地方，所以天文台选择在此建立香港唯一的高空气象站。1951年11月9日，时任港督葛量洪爵士访问当时新建成的京士柏气象站，并主持该站的正式啓用仪式，当时报章也有广泛报导（图四及图五）。


在50至60年代，京士柏气象站使用的无线电探空仪体积颇大及相当重，仪器连电池重逾一公斤（图六），仪器上面装设了风车，连接电线至温度、湿度和气压感应器。当气球上升、风车转动时，巧妙地轮流接通三个感应器的线路，透过三个对应的声频振荡器，顺序传送温度、湿度和气压信号至地面站，再以人手计算实际温度、湿度和气压数据，此举可避免一并传送三组信号而产生混淆。随著科技进步，电子零件渐趋细小，京士柏气象站在1969年引入新款的探空仪，其温度、湿度和气压感应器可利用无线电23.6至26.2 MHz频道，把信号传回地面站，再以人手进行解码及利用校准曲线图分别计算实际温度、湿度和气压数据。由于无须装设声频振荡器，因此探空仪重量大幅减至280克。


由1954年10月16日开始，除了每日上午8时的常规高空温度、湿度、气压、风向和风速测量外，亦加上在清晨5时、下午5时和晚上11时进行高空气象观测，但只测量风向和风速。而因应世界气象组织的要求，自1957年4月1日开始，这三个时间提前到清晨2时、下午2时和晚上8时，而在1969年1月1日开始，晚上8时的观测像上午8时一样，也涵盖温度、湿度和气压测量。

初期的高空气象观测需合共三人之力方可完成，分别负责操作配备了风车的无线电探空仪、释放探测气球和操作雷达（图七）追踪气球（视频一）。到了1981年，一套微科拉（MicroCORA）探空系统在京士柏气象站投入服务，把温度、湿度和气压信号改用403 MHz频道传回地面站，系统自动把信号转化成为可用数据，不需再经人手计算。而高空测风技术也有新突破，该系统利用全球「奥米茄」长程导航站网的甚低频信号（10-13 kHz）的相位差来确定探空仪的位置，从而推断高空风向和风速，无需再用雷达追踪探空仪位置的方法。



微科拉系统于1993年7月退役，由数码科拉(DigiCORA)系统接替，自此探空工作进入了全数码化时代。数码科拉系统除了在探测高空风的技术方面有所改进及拥有更好的数据表示功能外，还可以支援特别设计的探测组件来测量高空伽马和贝他辐射水平（图八），以及臭氧含量（图九）。香港首次高空辐射及臭氧量观测分别在1993年2月26日和1993年3月4日于京士柏气象站进行，自此天文台每周一次观测高空臭氧量，及每年定期在不同的天气情况下进行高空辐射探测，以分析臭氧量和辐射水平随高度的变化。由2000年开始，京士柏气象站成为世界气象组织全球大气监测计划（Global Atmospheric Watch Programme）的臭氧监测站，每周一次的观测数据送交世界臭氧及紫外线数据中心（World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre）存档，供世界各国气象机构和学者作研究之用。


至1997年，探空仪开始使用全球卫星定位系统（Global Positioning System, GPS）测风技术，令高空风观测更进一步。在探测过程中，无线电探空仪和地面站均装有特别天线接收GPS信号，再加入有关卫星轨道的数据，便可计算出高空风向和风速。虽然GPS信号不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响，但当时的GPS系统发展尚未成熟，探空失败率颇高，故此天文台在1999年也引入「罗兰-C」无线电导航系统来定位和测量高空风，作爲GPS技术以外的另一选择。「罗兰-C」与「奥米茄」相似，也是一套长程导航系统，在没有恶劣天气情况下，其测风效果十分稳定。

踏入21世纪，2004年是香港高空气象观测的重要里程碑。天文台在京士柏气象站装设了当时东南亚首台全自动高空探测系统（视频二），令高空气象观测工作进入全自动化的年代。该系统自动将气球充气及发放，不但降低营运成本及提升工作效率，更保障员工的工作安全。自2008年底起，天文台更以氦气取代氢气为气球充气，进一步保障员工的安全。

自动高空探测系统在2016年11月进行系统升级，采用了最新型的无线电探空仪，备有更精准的感应器来探测温度和湿度，而气压和风则是利用GPS数据计算出来。新探空仪除了测量准确度更高外，亦十分轻巧，最新型号的重量只有80克（图六及图十）。


京士柏气象站的探空工作更在2018年3月成功获得国际标准化组织所订下的ISO 9001:2015认证，进一步肯定同事的专业工作和认真态度。现在除了天文台天气预报员可以利用高空气象观测数据来分析天气情况外，市民也可从天文台「高空气象观测」网页或「飞行运动天气资讯」网页的温熵图获取高空天气资料。

科技日新月异，天文台现在已增添其他仪器，利用遥感技术观测高空天气状况。例如位于深水埗的气流剖析仪能测量高空风，并分别于1999年和2007年取代探空仪提供清晨2时和下午2时的高空风向和风速资料。此外，位于京士柏气象站的微波辐射计亦能测量高空温度和湿度。虽然这些仪器方便长时间连续监测，但只能测量至大概10公里高的气象资料，而现时的探空气球由于物料更坚韧，能携带探空仪到30公里高才爆破，后者到目前爲止仍然是最有效和最准确的探空方法。

天文台同事未来会继续努力不懈，追寻更新技术，开创更精采的追「球」岁月！