海流圖低空風向特征與放球地點的分析

王曉東 陳瑞霞

摘要：在高空氣象探測工作中，靜風天氣條件下的“氣球過頂”事件時有發生，嚴重影響高空觀測質量，本文通過分析流圖探空站低空20142016年1月份地面靜風天氣條件下的測風數據，選取放球后第20 s和40 s時刻的高空風向，得出了低空300 m以下較為詳細的風向頻率，分析了地面主要風向與高空300 m之下的上層、下層風向之間的關系，總結了在地面靜風條件下，海流圖站的上空的風向隨高度變化的一些規律，為找出海流圖探空站在靜風條件下的最佳放球地點提供了理論依據；同時對海流圖站300 m下的地方性風向也有了更加詳細的認識，便于指導人們預防和減小城市污染。

關鍵詞：高空探測；過頂丟球；風向頻率

在使用GFE（L）1型雷達進行高空氣象探測工作中，“過頂丟球”是每個探空值班員最為頭疼的事情之一，如果不能及時抓回丟失的氣球，往往會造成測風記錄較長時間缺測，對高空觀測質量造成嚴重影響。特別是每年1月份，由于氣候影響和天氣的黑暗，問題尤為突出，例如內蒙古海流圖站記錄在20142016三年“過頂丟球”次數統計中，1月份出現“過頂丟球”頻率就達到全部丟球次數的27%。導致“過頂丟球”最主要原因是微風天氣下放球地點的選擇不當造成的。因為按照高空氣象觀測業務手冊要求，放球時應在雷達下風方向，但是當地面風速小的情況下，近地層風向由于受地形和其他因素影響變化很大，值班員很難判斷風向以及氣球升空后實際走向。因此本文主要從海流圖探空站近年來，在小風條件下（放球時風速小于等于1 m/s）氣球升空后的空中風向與地面主要風向之間規律來進行探究，從而找到最佳“放球地點”。

1 資料來源

本文資料來源于海流圖探空站的測風秒數據，高空報表數據和地面分鐘數據。主要利用20142016年1月份的高空瞬間風速小于1 m/s（放球時的地面風速≤1 m/s）的各時次記錄共67個觀測時次的記錄和對應的地面分鐘風向風速記錄。

2 分析方法

2.1 過頂丟球記錄的分析說明

通過20142016年1月份所有的丟球記錄統計，數據表明放球后40 s前氣球仰角達到65°以上（趨向于過頂）發生過頂丟球頻率達到75%，說明在氣球升空后的40 s內時間，是“氣球過頂”發生的關鍵時段。另外，從艾克曼層中風向隨高度變化關系[1]中，我們得知200 m高度風向與等壓線之間的夾角明顯變得較小。因此我們重點研究放球后40 s內，高空風向的變化情況。為方便研究，我們把這放球后的40 s時間的風向又分為三個時刻的風向，分別為“放球后0 s”的地面風向、 “放球后20 s”高空風向、“放球后40 s”高空風向（對應高度分別稱為“地面高度風向”，“100 m高度風向”，“300 m高度風向”），以便更詳細了解放球后這40 s的高空風向情況。其中， “地面高度”的風向是指從放球前8 h內地面分鐘觀測數據中的最大風速（大于2 m/s，當多個風速符合要求時，以靠近放球時刻優先）所挑取的最多風向；“100 m高度”和“300 m高度”風向的計算按照《常規高空氣象觀測業務手冊》計算方法，[2]通過計算站心水平面上兩個垂直投影點（放球后20 s和40 s時刻）至觀測點連線所構成的夾角，再根據“手冊”給出的規則計算得出。為了簡化問題，根據實際需要，將十六方位風向合并為八方位風向，在上述三個高度上。

2.2 對放球地點的分析

通過對海流圖站高空數據的統計分析，發現高空300 m以上盛行風向為偏西風。[3]這樣就相當于知道高空氣球走向多為自東向西，再結合海流圖站雷達與放球地點的相對位置（以雷達為中心點，距雷達80 m ，方位280°設為C點；距雷達100 m，方位120°設為B點；距雷達70 m，方位210°設為A點，），只要我們知道高空300 m下大致風向，選擇合適放球地點，使得氣球在南北方向盡量遠離雷達，就可以最大限度避免“氣球過頂”的情況發生。

2.3 對各高度上風向頻率的分析

為了解各高度風向概況，繪制了20142016年的1月份，放球瞬間時地面為靜風（風速≤1 m/s）條件下的三個高度的風向頻率圖，即地面高度、距地面約100 m高度、距地面約300 m高度的三個不同高度的各風向頻率圖，如下圖。

從上圖中可以發現地面主要風向與距地約100 m高度的高空風向頻率基本一致，主要風向均為NE、SE，兩者頻率之和都達到了60%以上。但是與距地約300 m高度的高空風向相差較大，上層主要風向為SW、SE、S，三個風向頻率達73%。這說明在海流圖1月份地面靜風情況下，在高度約200300 m的高空，主要吹偏南風。我們把20142016年的海流圖1月份距地面300 m的高空偏南風的頻數按07時、19時分別進行統計，如表2。說明在19時觀測時的上層偏南風概率很高，07時偏南風概率略低。

還有一個明顯的情況，當地面主要風向為偏南風時，高空上層往往也吹偏南風，通過對67個觀測時次數據（包括07時和19時）的分析，發現當地面吹偏南風時，低空風向也吹偏南風的概率為94%，說明當地面出現偏南風時，上下層風向一致性概率很高，這一點在選擇放球地點時也具有很高的參考價值。此外，當上一個高空觀測的時次出現深厚的系統風時，也會直接影響到本次放球時的上層風向。

3 小結

①本文通過對高空測風數據更細的間隔劃分，按照高空風向計算方法計算了在放球后40 s內兩個高度的高空風向，得出了比高空業務軟件計算出的更加細密的風向，了解了300 m以下高空風向的具體情況，為放球地點的選擇提供了依據。②根據以上分析得出，在一般小風條件下，地面主要風向與距地面約100 m高度的高空風向多為東北風和偏東風，距地約300 m高度的高空風向多為偏南風，包括S，SE和SW。這與當地地面盛行風向（偏西北風）明顯不一致，應屬于地方性風，這種情況下，放球地點主要考慮高空上層風向，應多選擇C放球地點；當地面主要風向出現偏南風向時，此時，地面與高層風向一致性最高，更應選擇C放球地點。③此外，當放球時風小，但是在8 h內的地面主要風速出現4 m/s以上時，地面主要方向一般以上層風向一致，應當選擇地面主要風向的下風方放球。④本文只分析了20142016年1月份的資料，由于氣候變化有時不嚴格以月份劃分，資料一致性難免有些誤差，但是通過與有多年高空探測經驗的人員探討，本文所總結的規律與他們的經驗基本相符，并且這些規律對整個冬季放球地點的選擇也有借鑒意義。

參考文獻：

[1]呂美仲.動力氣象學[M].北京：氣象出版社，2004.

[2]李偉，李柏，陳永清，等.常規高空氣象觀測業務手冊[Z].北京：氣象出版社，2011：2325.

[3]伍榮生.現代天氣學原理[M].北京：高等教育出版社，1999.