西昌 2010年 6月 8日强对流天气过程对探空L波段雷达放球的影响

李健英

(四川省凉山州气象局,四川 凉山 615000)

西昌 2010年 6月 8日强对流天气过程对探空L波段雷达放球的影响

李健英

(四川省凉山州气象局,四川 凉山 615000)

针对 2010年 6月 8日强对流天气过程对西昌探空 L波段雷达放球造成的重放球,分析了面对强对流天气过程,如何充灌气球氢气量。探索了强对流天气时如何减少或避免探空仪被雷击的装配技术,提高强对流天气过程中高空探测的成功率,以保证探测质量及探测资料的完整性、准确性,节约高空探测器材。

强对流天气;探空;L波段雷达

1 引言

GFE(L)1型二次测风雷达 (以下简称探空 L波段雷达)为我国新一代探空雷达,全国已有 110多个高空站使用这种新型雷达,与之配套使用的电子探空仪分别为 GTS1、GTS1-1和 GTS1-2三种,这类探空仪的压、温、湿感应元件分别是电桥、热敏电阻和湿敏电阻。根据探空 L波段雷达特性及长期实践经验总结,在强对流天气过程中造成探空L波段雷达放球失败的主要原因体现在两方面。一方面,作为温度感应元件的热敏电阻探空时充分暴露在大气层中,遇到强对流天气 (如闪电、雷暴雨等)时,很容易遭雷击而损坏或变性,如果这种情况出现在 500 hPa以前,就会造成重放球。另一方面,在施放过程中若遇到上升气流型的强对流天气过程时,如还按常规操作就会造成探空气球快速上升,特别在高海拔地区,不足 10 min就会穿越 500 hPa,如果再加上感应元件变性,也会造成重放球。若遇下沉气流型的强对流天气过程,按常规操作便会造成探空上升速度缓慢,导致探空气球长时间过不了 500 hPa,同样也会造成重放球。本文将以西昌 2010年 6月 8日强对流天气过程放球为例进行分析,有针对性提出相关对策措施,以有效提高高空探测质量,同时为探空 L波段雷达业务运行管理人员提供技术参考。

2 6月 8日强对流天气过程

6月 8日 19时,受高空切变和地面冷空气的影响,测站上空满布 Cb云和 Cu云,且移动速度非常快,同时还伴有闪电、雷暴和较小阵雨,刮北风,地面风速达 8～10 m/s。19时 15分 11秒,准点施放探空气球,仅 6.8 min后,探空气球就穿过了 500 hPa,7.7 min就到达 438 hPa,探空气球平均升速为689 m/min,同时发现感应元件变性,压、温、湿值变乱无效。根据《高空气象探测规范》要求,此次探空虽过了 500 hPa,但是放球时间不足 10 min,因此,此次探空失败,按要求必须实施二次放球。二次放球准备工作做好后,由于 19时 30分左右风势猛,阵雨剧烈,雷暴不断,将二次放球时间推迟到 19时 54分05秒进行,并适当调整探空气球净举力,而对流天气又有所减弱,放球成功,获得了有效的探空数据资料。

3 成因分析

3.1 天气实况

2010年 6月 8日 18时—9日 08时受高空切变和地面冷空气的影响,我州大部地区出现了中雷雨天气过程,其中昭觉、西昌、布拖、冕宁降了大雨,冕宁、昭觉两县出现了冰雹。此次过程降水量统计如表1。

表 1 凉山州 8日 08时—9日 08时总降水量统计 (单位:mm)

3.2 重放球原因分析

探空气球常规升速应在 400 m/min左右,而在6月 8日强对流天气过程中升速达 689 m/min。结合天气实况图和各种数值预报资料分析表明,造成此次超升速的原因是受地面冷空气和高空切变影响所形成的强烈的上升气流所至。从表 2前后两次放球等压面的高度、厚度、温度数据可以看出,由于强对流天气,地面要素变化较大,气压升高了 1.9 hPa,温度下降了 4 ℃,700 hPa、600 hPa、500 hPa等压面温度变化不大,变化值在 0.3℃～0.6℃之间,而 700 hPa、600 hPa、500 hPa等压面的高度、厚度变化并不大,均小于 20 m。从表 2中还可看出,第一次放球在 437 hPa以前感应元件还未变性,主要原因还是由于上升起流抬升作用,致使气球升速过快,有效记录不足 10 min造成探空失败。

表 2 两次放球各要素对比表

表 3列举的探空 L波段雷达探测到的仰角、方位和斜距数据资料也同样验证了第一次放球升速过快这一事实。可以看出,第 1分钟升速为 340 m/min,第 2分钟升速为 610 m/min,第 3分钟升速为624 m/min,第 4分钟升速为 602 m/min,第 5分钟升速为 582 m/min,第 6分钟升速为 712 m/min,第 7分钟升速为 907 m/min。探空高度和用测风资料中的仰角、方位、斜距计算出的高度 (即气高和高度)也是一致的。

表 3 第一次放球时的仰角、方位、斜距和距离数据 (放球时间:19时 15分 11秒)

总之,6月 8日强对流天气过程是西昌站近 20 a来出现的最强烈的一次上升气流,其抬升作用导致气球严重超升速,致使有效探空记录不足 10 min,从而造成施放气球失败,不得不实施二次放球。

4 对策分析

4.1 净举力的计算确定

正确确定探空气球的净举力是提高高空探测气球施放成功率的关键因素之一,而在实际操作中净举力就取决于充灌气球这一技术环节。在探空气球施放前半小时,根据当时的测风资料分析来决定充灌氢气量的多少,不同的天气条件下应采用不同的净举力。净举力就是探空气球充灌一定量氢气后产生的浮力减去球皮及探空仪等附加物重量后的纯粹向上的升力。通常情况下,探空上用和净举力相等重力的物体的质量来表示净举力。

净举力一般在 1 000～1 500 g左右,净举力不宜过大,因净举力与升速的关系曲线近于对数曲线(图 1),当净举力增大到一定值后,升速的变化幅度将显著下降,相反,由于气球充气太多而会严重影响施放高度,故净举力不宜过大[2]。西昌站使用探空 L波段雷达 5 a多的实践表明,晴朗天气时净举力在 1 250 g为最好,升速一般为 350 m/min左右,这样施放高度相对较高,成功率很高。各台站应根据各地的实际情况,摸索出不同天气情况下适合于本站的合适的净举力,以保证较高且有效的施放高度。

图 1 净举力与升速关系

多年实践表明,测站上空若遇强上升气流对流天气时,探空气球充灌氢气量应在正常净举力基础之上减少 200g左右;若测站上空是下沉气流时,探空气球充灌氢气量应在正常净举力基础上增加 400～800 g,具体情况视当时下沉气流的程度而定。因此,合理选择探空气球净举力,既可保证较高的施放高度,又可避免气球上升太快或下沉,从而保证一次放球成功,既节约人力物力,又减少经费开支。对于强对流天气中是上升气流还是下沉气流,可根据当地当时的天气雷达的回波资料进行分析和判断。

4.2 探空仪的准备

一次探空活动的质量高低、成功与否,除了与氢气灌充量的多少及由此带来的举力大小有关外,还与探空仪的准备密切相关。由于探空仪的特殊结构与功能,以及环境条件对其可能产生的影响,其元件的设置和性能的好坏将直接影响探空活动的质量,因此探空仪的准备过程必须给以高度重视。下面将从探空仪元件的检查、电池的浸泡以及热敏电阻的放置等方面分别叙述。

4.2.1 探空仪元件的检查 在打开探空仪盒盖之后,首先检查温度传感器是否断开,盒盖和智能板上的序列号是否一致,有没有错号。再检查传感器引线与支架接点是否有虚焊,如有应及时更换探空仪。GTS1型数字探空仪的湿敏电阻是一片带有电极的有机玻璃基片,基片上浸渍了按一定比例混凝合的羟乙基纤维、碳黑、Tx—100t三梨醇,在出厂时就将其存放在加有干燥剂的密闭玻璃瓶中,所以湿度片一旦取出,必须使用,如果在空气中暴露时间过长,会影响其测湿精度。另外,拿湿度片时只能拿两边,切不可触摸中间部分,一旦碰到中间部分,湿度片将报废。在做基测时拔插湿度片的过程中要特别小心,由于插座很紧,用力时不小心碰到湿度片的中间部分就会造成报废,为解决这一问题,可先用一片报废的湿度片反复在插座上拔插,以熟练掌握湿度片插拔的力度和技巧,尽量减少在检测过程中对湿度片造成破坏。气压传感器、温度的热敏电阻引出线很细,做基测和装配过程中须十分小心,手不能碰到热敏电阻,否则会影响测温精度。探空仪在装配时,必须采用保温措施,发射机一定要置于保温泡沫盒内,且与底部接触,如果有空隙,要用块状泡沫填满空隙,否则发射机在施放过程中可能与智能转换器断开而造成信号突失。

4.2.2 电池的浸泡 施放前 20 min左右取出电池拆封,浸入按 Nacl:H2O=3:100比例配制、温度为35℃±3℃的氯化钠溶液中 3～5 min,取出后滴去余水,插入检测箱上的赋能器进行赋能测量电压。由于该赋能器负载较重,在基测箱看到的电压与插在探空仪上时的电压会不同,检测箱所示电压比接在探空仪时的电压一般低 3～6V。电池电压太低容易造成仪器停振突失,太高会烧坏管子,按照规范要求电池电压在检测箱所示值为 18～20 V为宜[3]。实践表明,当探空仪施放前环境温度大于 20℃时,电池赋能后在检测箱上的电压值为 16～18 V就可以了。当施放环境温度低于 20℃,电池电压值应稍高 1～2 V。为了减少电池能量在地面的消耗,并避免探空仪升空后因电池能量不足影响探空仪发射机工作状态和探测高度,建议在施放前 10～15 min装配电池。

4.2.3 热敏电阻的装配技术 温度感应元件GPW2型热敏电阻采用了支架方式配置。出厂时,热敏电阻已焊接在探空仪纸盒盒盖内的白色塑料支架上。晴好天气情况下,施放前将支架翻出接近150°,用细绳系好,即可直接使用。但是,在遭遇强对流天气时,尤其是有闪电和雷暴的情况下,这种配置方式使该热敏电阻很容易遭受雷击。为避免这种情况出现,我们通过反复试验温度感应元件热敏电阻放在盒内,不伸出去直接暴露在大气层中的使用效果,试验发现这样可以减少雷击的威胁,又对仪器的感应并没有直接影响,同时,由于温度感应元件很敏感,感应速度快,并且热敏电阻又置于盒盖通风口边缘,也不会造成记录的不准确。如我站在雷雨天气情况下,有 20多次使用了这种方法,与相邻时次的资料进行了对比,表明乱点明显减少,探测到的数据也无异常,表明此措施有效可行。在 6月 8日强对流天气过程二次放球时就采用了这种方法,感应元件得到了有效的保护,压、温、湿数据乱点较少,探测高度达到规范要求,所获取的资料达到技术规范要求,获取的资料真实有效。

5 结论

①在不同天气过程特别是强对流天气过程中,净举力大小的确定是探空 L波段雷达高空探测成败的关键因素之一。西昌站在晴好天气时净举力在 1 250 g为最好,气球升速一般在 350 m/min左右,同时还能保证相对较高的施放高度。强对流天气时,充灌气球前要根据多种资料分析,如果是上升气流,则氢气量应在正常净举力基础之上减少200 g左右,若测站上空是下沉气流,则氢气量应在正常净举力基础上增加 400～800 g,这样既能保证合适的上升速度,又能保证较高的施放高度,从而有效提高一次放球的成功率。

②探测活动的成功率,与施放前的准备工作,如探空仪各元件的检查、电池的浸泡以及仪器的装配等密切相关,在施放前要对探空仪元件进行认真检查和充分做好准备工作,有效避免因为仪器故障而造成探空失败,以提高高空探测活动的质量。

③本文相关经验措施,是我站多年实践的总结,可供探空L波段雷达在强对流天气下开展探空业务的有关人员做参考。

[1] 吴兴洋,周和平,杨金芝.L波段雷达数字式探空仪试运行经验总结[J].贵州气象,2003,27(05):38-39.

[2] 张黔,柯莉萍,李蜀黔,等.如何提高探空气球的施放高度[J].贵州气象,2007,31(05):35.

[3] 王爱萍,李争凯,肖方荣,等.L波段雷达气球过顶跟踪要领[J].贵州气象,2007,31(06):44-45.

[4] 梁翠玲,李贵林.威宁L波段雷达探测中丢球问题的应对办法[J].贵州气象,2008,32(04):42.

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1003-6598(2011)01-0037-03

2010-09-16

李健英 (1970-),女,工程师,主要从事高空气象探测工作。