不同气象条件下探空气球的充灌

程正飞，阳小群，郑皖生，董方有

(安庆市气象局，安徽安庆 246400)



不同气象条件下探空气球的充灌

程正飞，阳小群，郑皖生，董方有

(安庆市气象局，安徽安庆 246400)

控制探空气球升速是提高高空气象观测业务质量的关键。分析多种天气形势和天气现象对气球升速的影响，总结不同气象条件下调整气球充气量的依据，为提高高空气象探测业务质量提供参考。

高空气象探测；气象条件；气球升速；净举力

根据2015年1月1日实施的《地面高空气象观测业务综合质量考核办法(试行)》，其中“观测数据质量指数”有关气球施放高度的指标有两项：探空平均高度和测风平均高度(各占15分)[1]。随着现代化建设的发展, 先进的探测设备和自动化业务软件的使用，各台站的业务质量都有了较大提高，在全国高空气象台站的综合业务评分中，各台站的报文资料质量、探测环境、仪器设备、规章制度等方面评分值不相上下, 探空高度和雷达测风高度成为决定综合业务分值高低的决定因素[2]。目前我国高空气象探测，大都采用氢气球携带探空仪升空，气球在飞升过程中，探空感应元件不断地感应周围大气的气象要素变化。为了确保垂直方向温度测量的准确性，《常规高空气象观测业务规范》要求高空探测气球的升速需控制在400 m/min左右。净举力(充气量)大小决定气球的升速，净举力较大是气球提早爆炸的主要原因，合适的气球升速，既能保证探测的数据真实、可靠，又能使气球达到最佳球炸高度[2]。可见控制气球升速是提高高空气象观测业务质量的关键。正常天气条件下，值班员一般能够把握充气量控制气球升速，以获得较高的探测高度，在复杂天气条件下，充气量过多过少都会造成气球过早爆炸，需要根据天气实况具体分析。如何控制气球升速，使气球达到最佳球炸高度，安庆探空站探索和总结了一些经验，在实际应用中取得较好的效果，近几年高空探测平均高度都超过了28 600 m。

1 气球升速与高空探测业务质量的关系

1.1 与探空仪感应元件滞差的关系

探空仪感应元件的温度滞差为

ΔT=-λ dT/dt=-λ γ W。

(1)

式中λ为温度元件自身滞后系数，γ为大气温度直减率(℃/m)，W即气球升速(m/s)。

由式(1)可知，气球升速W与探空仪温度的滞后误差成正比。速度太快将引起感应元件的滞后误差较大；速度过慢，则使探测时间延长，水平飘移过远，使探测数据失去代表性。气球升速W直接影响探空仪的探测精度即高空气象观测业务数据可用率。

1.2 与气球施放高度的关系

气球是由0.1～0.2 mm厚度的橡胶制成，具有一定的抗拉力和爆破直径。在高空气象探测前对气球充入氢气，产生净举力。施放后，随着高度增加，气压减小，气球为保持内外压差平衡而膨胀体积增大，当达到一定高度时，气球直径超过爆破直径，气球就会破裂即球炸，探测终止。净举力的大小直接影响高空气象探测高度。

1.3 影响气球升速的因子

气球升速公式[3]为

(2)

式中ρ0为标准大气密度，ρ为实际大气密度，A为净举力，B为球皮及附加物质量，b1为升速系数。气球充灌完毕后，A、B基本上不变。b1和ρ与大气状态有关。

由式(2)可知，W是随空气密度ρ的减小而缓缓增大的。ρ=RP/T，与空气的温度T、压力P即大气状态有关。b1与空气阻力相关，上升气流使b1增大，下沉气流使b1减小，对气球升速影响较大。ρ和b1主要受气球施放时天气状况的影响，不能人为控制，只有通过改变静举力来控制气球升速。

净举力A为气球的总浮力减去球皮及附加物质量B，它是上升的源动力。由式(2)可知，A大则W大，A小则W小。B一般大致相同，A的大小取决于充气量的多少，探空员在充球时利用砝码来确定充气量，是人为控制气球升速的关键。

2 气象条件对气球升速的影响

根据安庆站2014年1月1日至2016年7月31日1 880多份高空观测记录，利用软件提取记录中天气现象、净举力、气球平均升速、探测终止高度等数据。分析当日08、20时天气图，了解放球时测站所处天气系统。对有强对流天气、明显的冷锋过境、明显高空槽(脊)、降水时的气球升速进行统计，得到不同天气系统或天气现象与气球的净举力、平均升速、探测平均高度的关系(表1)。

表1 2014-01—2016-07安庆站不同气象条件下气球的净举力、平均升速、探测平均高度

2.1 强对流天气

统计时规定07—08时或19—20时小时降水量大于等于10 mm，并伴有雷电天气现象为强对流天气。安庆每年4—9月均有可能出现强对流天气，根据雷暴中气流特征，云内伴有较强的垂直气流，有上升区和下沉区。当气球处于气流上升区时，空气对其阻力大为减小，气球在上升气流的作用下，升速增大180～360 m/min是常见的，最大上升速度可达900 m/min以上[4]。气流下沉区常伴有降水，下沉气流速度与上升气流量级相近，造成气球升速减少40%～90%(图1中高度4.7～5.7 km段)，甚至使气球下沉以致达不到500 hPa的探测高度而重放球或缺测。例如，1988年5月19日19时安庆站遇强雷暴，连放3个球，都因气流下沉达不到500 hPa，造成记录缺测。2016年6月1日08时，本站放球时逢强对流天气过程，气球经过上升气流区到下沉气流区，造成1～5 km高度之间升速大幅变化(图1)。气流上升区气球升速达630 m/min，气流下沉区气球升速不到100 m/min，这次充灌气球的净举力是2 800 g，为正常天气时1 400 g的两倍，因此,如遇强对流天气，探空值班员充灌气球时应首先考虑有足够的净举力，以保证气球过500 hPa，施放高度指标就变得次要。由于氢气灌的多，一般相应的探空高度都不高。

图1 2016-06-01T08安庆高空站气球实际升速高度曲线

2.2 降水

气球升速与降水强度有着直接的关系，气球在较厚的降水云层飞升时，球皮沾水，使上升阻力增大，相对净举力减小，气球升速减慢。强降水常伴有下沉气流，加上雨滴降落的阻力,甚至可使气球下沉。因此,充灌气球时如遇降水，必须增大充气量，提高净举力[5]，避免造成记录下沉或重放球。由表1可看出,有降水时，气球的平均净举力为1 700g，比正常时增加了20%，平均升速比正常时小,只有343 m/min。

2.3 锋面

锋面过境时锋面两侧气流垂直运动不同，对气球升速产生较大影响。特别是冬季，冷锋前的负变压区内，上升气流对气球上升运动有较强的加速作用，加速大小与负变压强度及锋面的移动速度成正比。相反在冷锋后的正变压区内，下沉气流对气球上升起减速作用，垂直运动量级较小。从表1中可看出，本站处于冷锋前，充灌气球时可减少净举力10%～20%，反之如果处于锋后正变压区，应加大净举力10%左右。

2.4 高空槽脊

高空槽脊一般是指在500 hPa天气图上存在的脊或槽，槽前、脊后的负变压区有上升气流，槽后、脊前的正变压区有下沉气流。查阅天气图可知，槽脊的深厚程度，决定了上升或下沉区的厚度，上升或下沉区的厚度越大，对气球升速的影响也就越大。

除以上天气系统或天气现象外，切变线、气旋、反气旋、低涡等天气系统过境也会对气球升速造成一定影响。

3 结语

值班员在充球前，必须掌握当时的天气状况，利用当地临近预报、卫星云图、天气图，或雷达回波、降水强度，分析本站当时处在什么天气系统中，判断本站上空存在上升气流还是下沉气流，以及大气垂直运动的强度，确定充气量。强对流天气一般增加50%～60%的净举力，在冷锋前和高空槽前且无降水时减少净举力10%～20%，冷锋后及槽后、脊前下沉区增加净举力10%～20%；有降水要增加净举力，特别是遇强雷暴和强降水天气系统时，首先考虑气球过500 hPa，甚至推迟放球时间。总之根据天气情况，做好充分的准备，通过人为增加或减少充气量，控制好气球升速，以减少气象因素对气球升速的影响，提高高空气象探测资料内在质量，同时获得较理想的探空施放高度。

[1] 中国气象局综合观测司.地面高空气象观测业务综合质量考核办法(试行)[S].2014.

[2] 王雯燕，唐文哲.高空气象探测施放高度的差异分析[J].陕西气象，2010(3)：29-30.

[3] 常规高空气象观测业务规范[S].北京:气象出版社，2010：28.

[4] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理和方法[M].4版.北京：气象出版社,2007：404-407.

[5] 卢雪勤，黄荟，罗雅，等.浅谈高空气象探测与天气变化规律[J].气象研究与应用,2009，30(4)：97-98.

程正飞，阳小群，郑皖生，等.不同气象条件下探空气球的充灌[J].陕西气象，2016(6)：47-49.

1006-4354(2016)06-0047-03

2016-08-02

程正飞(1964—)，男，汉族，安徽桐城人，工程师，从事气象综合观测业务。

安徽省气象局2016年度科技发展基金项目(KM201605)

P414.1

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