不同氣象條件下探空氣球的充灌

程正飛，陽(yáng)小群，鄭皖生，董方有

(安慶市氣象局，安徽安慶 246400)

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不同氣象條件下探空氣球的充灌

程正飛，陽(yáng)小群，鄭皖生，董方有

(安慶市氣象局，安徽安慶 246400)

控制探空氣球升速是提高高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。分析多種天氣形勢(shì)和天氣現(xiàn)象對(duì)氣球升速的影響，總結(jié)不同氣象條件下調(diào)整氣球充氣量的依據(jù)，為提高高空氣象探測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量提供參考。

高空氣象探測(cè)；氣象條件；氣球升速；凈舉力

根據(jù)2015年1月1日實(shí)施的《地面高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)綜合質(zhì)量考核辦法(試行)》，其中“觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指數(shù)”有關(guān)氣球施放高度的指標(biāo)有兩項(xiàng)：探空平均高度和測(cè)風(fēng)平均高度(各占15分)[1]。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展, 先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化業(yè)務(wù)軟件的使用，各臺(tái)站的業(yè)務(wù)質(zhì)量都有了較大提高，在全國(guó)高空氣象臺(tái)站的綜合業(yè)務(wù)評(píng)分中，各臺(tái)站的報(bào)文資料質(zhì)量、探測(cè)環(huán)境、儀器設(shè)備、規(guī)章制度等方面評(píng)分值不相上下, 探空高度和雷達(dá)測(cè)風(fēng)高度成為決定綜合業(yè)務(wù)分值高低的決定因素[2]。目前我國(guó)高空氣象探測(cè)，大都采用氫氣球攜帶探空儀升空，氣球在飛升過(guò)程中，探空感應(yīng)元件不斷地感應(yīng)周圍大氣的氣象要素變化。為了確保垂直方向溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，《常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》要求高空探測(cè)氣球的升速需控制在400 m/min左右。凈舉力(充氣量)大小決定氣球的升速，凈舉力較大是氣球提早爆炸的主要原因，合適的氣球升速，既能保證探測(cè)的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，又能使氣球達(dá)到最佳球炸高度[2]。可見控制氣球升速是提高高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。正常天氣條件下，值班員一般能夠把握充氣量控制氣球升速，以獲得較高的探測(cè)高度，在復(fù)雜天氣條件下，充氣量過(guò)多過(guò)少都會(huì)造成氣球過(guò)早爆炸，需要根據(jù)天氣實(shí)況具體分析。如何控制氣球升速，使氣球達(dá)到最佳球炸高度，安慶探空站探索和總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果，近幾年高空探測(cè)平均高度都超過(guò)了28 600 m。

1 氣球升速與高空探測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)系

1.1 與探空儀感應(yīng)元件滯差的關(guān)系

探空儀感應(yīng)元件的溫度滯差為

ΔT=-λ dT/dt=-λ γ W。

(1)

式中λ為溫度元件自身滯后系數(shù)，γ為大氣溫度直減率(℃/m)，W即氣球升速(m/s)。

由式(1)可知，氣球升速W與探空儀溫度的滯后誤差成正比。速度太快將引起感應(yīng)元件的滯后誤差較大；速度過(guò)慢，則使探測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，水平飄移過(guò)遠(yuǎn)，使探測(cè)數(shù)據(jù)失去代表性。氣球升速W直接影響探空儀的探測(cè)精度即高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可用率。

1.2 與氣球施放高度的關(guān)系

氣球是由0.1～0.2 mm厚度的橡膠制成，具有一定的抗拉力和爆破直徑。在高空氣象探測(cè)前對(duì)氣球充入氫氣，產(chǎn)生凈舉力。施放后，隨著高度增加，氣壓減小，氣球?yàn)楸３謨?nèi)外壓差平衡而膨脹體積增大，當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，氣球直徑超過(guò)爆破直徑，氣球就會(huì)破裂即球炸，探測(cè)終止。凈舉力的大小直接影響高空氣象探測(cè)高度。

1.3 影響氣球升速的因子

氣球升速公式[3]為

(2)

式中ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度，ρ為實(shí)際大氣密度，A為凈舉力，B為球皮及附加物質(zhì)量，b1為升速系數(shù)。氣球充灌完畢后，A、B基本上不變。b1和ρ與大氣狀態(tài)有關(guān)。

由式(2)可知，W是隨空氣密度ρ的減小而緩緩增大的。ρ=RP/T，與空氣的溫度T、壓力P即大氣狀態(tài)有關(guān)。b1與空氣阻力相關(guān)，上升氣流使b1增大，下沉氣流使b1減小，對(duì)氣球升速影響較大。ρ和b1主要受氣球施放時(shí)天氣狀況的影響，不能人為控制，只有通過(guò)改變靜舉力來(lái)控制氣球升速。

凈舉力A為氣球的總浮力減去球皮及附加物質(zhì)量B，它是上升的源動(dòng)力。由式(2)可知，A大則W大，A小則W小。B一般大致相同，A的大小取決于充氣量的多少，探空員在充球時(shí)利用砝碼來(lái)確定充氣量，是人為控制氣球升速的關(guān)鍵。

2 氣象條件對(duì)氣球升速的影響

根據(jù)安慶站2014年1月1日至2016年7月31日1 880多份高空觀測(cè)記錄，利用軟件提取記錄中天氣現(xiàn)象、凈舉力、氣球平均升速、探測(cè)終止高度等數(shù)據(jù)。分析當(dāng)日08、20時(shí)天氣圖，了解放球時(shí)測(cè)站所處天氣系統(tǒng)。對(duì)有強(qiáng)對(duì)流天氣、明顯的冷鋒過(guò)境、明顯高空槽(脊)、降水時(shí)的氣球升速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象與氣球的凈舉力、平均升速、探測(cè)平均高度的關(guān)系(表1)。

表1 2014-01—2016-07安慶站不同氣象條件下氣球的凈舉力、平均升速、探測(cè)平均高度

2.1 強(qiáng)對(duì)流天氣

統(tǒng)計(jì)時(shí)規(guī)定07—08時(shí)或19—20時(shí)小時(shí)降水量大于等于10 mm，并伴有雷電天氣現(xiàn)象為強(qiáng)對(duì)流天氣。安慶每年4—9月均有可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，根據(jù)雷暴中氣流特征，云內(nèi)伴有較強(qiáng)的垂直氣流，有上升區(qū)和下沉區(qū)。當(dāng)氣球處于氣流上升區(qū)時(shí)，空氣對(duì)其阻力大為減小，氣球在上升氣流的作用下，升速增大180～360 m/min是常見的，最大上升速度可達(dá)900 m/min以上[4]。氣流下沉區(qū)常伴有降水，下沉氣流速度與上升氣流量級(jí)相近，造成氣球升速減少40%～90%(圖1中高度4.7～5.7 km段)，甚至使氣球下沉以致達(dá)不到500 hPa的探測(cè)高度而重放球或缺測(cè)。例如，1988年5月19日19時(shí)安慶站遇強(qiáng)雷暴，連放3個(gè)球，都因氣流下沉達(dá)不到500 hPa，造成記錄缺測(cè)。2016年6月1日08時(shí)，本站放球時(shí)逢強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，氣球經(jīng)過(guò)上升氣流區(qū)到下沉氣流區(qū)，造成1～5 km高度之間升速大幅變化(圖1)。氣流上升區(qū)氣球升速達(dá)630 m/min，氣流下沉區(qū)氣球升速不到100 m/min，這次充灌氣球的凈舉力是2 800 g，為正常天氣時(shí)1 400 g的兩倍，因此,如遇強(qiáng)對(duì)流天氣，探空值班員充灌氣球時(shí)應(yīng)首先考慮有足夠的凈舉力，以保證氣球過(guò)500 hPa，施放高度指標(biāo)就變得次要。由于氫氣灌的多，一般相應(yīng)的探空高度都不高。

圖1 2016-06-01T08安慶高空站氣球?qū)嶋H升速高度曲線

2.2 降水

氣球升速與降水強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，氣球在較厚的降水云層飛升時(shí)，球皮沾水，使上升阻力增大，相對(duì)凈舉力減小，氣球升速減慢。強(qiáng)降水常伴有下沉氣流，加上雨滴降落的阻力,甚至可使氣球下沉。因此,充灌氣球時(shí)如遇降水，必須增大充氣量，提高凈舉力[5]，避免造成記錄下沉或重放球。由表1可看出,有降水時(shí)，氣球的平均凈舉力為1 700g，比正常時(shí)增加了20%，平均升速比正常時(shí)小,只有343 m/min。

2.3 鋒面

鋒面過(guò)境時(shí)鋒面兩側(cè)氣流垂直運(yùn)動(dòng)不同，對(duì)氣球升速產(chǎn)生較大影響。特別是冬季，冷鋒前的負(fù)變壓區(qū)內(nèi)，上升氣流對(duì)氣球上升運(yùn)動(dòng)有較強(qiáng)的加速作用，加速大小與負(fù)變壓強(qiáng)度及鋒面的移動(dòng)速度成正比。相反在冷鋒后的正變壓區(qū)內(nèi)，下沉氣流對(duì)氣球上升起減速作用，垂直運(yùn)動(dòng)量級(jí)較小。從表1中可看出，本站處于冷鋒前，充灌氣球時(shí)可減少凈舉力10%～20%，反之如果處于鋒后正變壓區(qū)，應(yīng)加大凈舉力10%左右。

2.4 高空槽脊

高空槽脊一般是指在500 hPa天氣圖上存在的脊或槽，槽前、脊后的負(fù)變壓區(qū)有上升氣流，槽后、脊前的正變壓區(qū)有下沉氣流。查閱天氣圖可知，槽脊的深厚程度，決定了上升或下沉區(qū)的厚度，上升或下沉區(qū)的厚度越大，對(duì)氣球升速的影響也就越大。

除以上天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象外，切變線、氣旋、反氣旋、低渦等天氣系統(tǒng)過(guò)境也會(huì)對(duì)氣球升速造成一定影響。

3 結(jié)語(yǔ)

值班員在充球前，必須掌握當(dāng)時(shí)的天氣狀況，利用當(dāng)?shù)嘏R近預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖、天氣圖，或雷達(dá)回波、降水強(qiáng)度，分析本站當(dāng)時(shí)處在什么天氣系統(tǒng)中，判斷本站上空存在上升氣流還是下沉氣流，以及大氣垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，確定充氣量。強(qiáng)對(duì)流天氣一般增加50%～60%的凈舉力，在冷鋒前和高空槽前且無(wú)降水時(shí)減少凈舉力10%～20%，冷鋒后及槽后、脊前下沉區(qū)增加凈舉力10%～20%；有降水要增加凈舉力，特別是遇強(qiáng)雷暴和強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)時(shí)，首先考慮氣球過(guò)500 hPa，甚至推遲放球時(shí)間。總之根據(jù)天氣情況，做好充分的準(zhǔn)備，通過(guò)人為增加或減少充氣量，控制好氣球升速，以減少氣象因素對(duì)氣球升速的影響，提高高空氣象探測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量，同時(shí)獲得較理想的探空施放高度。

[1] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.地面高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)綜合質(zhì)量考核辦法(試行)[S].2014.

[2] 王雯燕，唐文哲.高空氣象探測(cè)施放高度的差異分析[J].陜西氣象，2010(3)：29-30.

[3] 常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范[S].北京:氣象出版社，2010：28.

[4] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學(xué)原理和方法[M].4版.北京：氣象出版社,2007：404-407.

[5] 盧雪勤，黃薈，羅雅，等.淺談高空氣象探測(cè)與天氣變化規(guī)律[J].氣象研究與應(yīng)用,2009，30(4)：97-98.

程正飛，陽(yáng)小群，鄭皖生，等.不同氣象條件下探空氣球的充灌[J].陜西氣象，2016(6)：47-49.

1006-4354(2016)06-0047-03

2016-08-02

程正飛(1964—)，男，漢族，安徽桐城人，工程師，從事氣象綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)。

安徽省氣象局2016年度科技發(fā)展基金項(xiàng)目(KM201605)

P414.1

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