净举力对探空高度的影响分析——以贵阳探空站为例

闵昌红，吴兴洋，翁 玲，何肖国，柯利平

(1.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；2.贵州省气象信息中心，贵州 贵阳 550002；3.贵州省息烽县气象局，贵州 息烽 551100；4.贵州省威宁县气象局，贵州 威宁 553100)

1 引言

高空气象探测是综合气象观测的重要组成部分，高空气象资料是天气预报和气候分析的基础资料。探空高度是指探空气球的球炸高度，它反映获取高空探测资料的多少和完整性，历来为高空气象探测规定的重要考核指标之一[1]。影响探空高度的因子很多，探空气球性能[2]确定后,净举力是其中影响最重要的因素之一。净举力影响气球升速和探空高度，与不同台站不同天气状况密切相关，有许多分析总结值得借鉴[3-9]。目前我国120个常规高空气象探测站使用L波段高空探测系统，随着高空探测技术的发展，仪器和探空气球性能的改进，全国高空气象探测站探测高度都有不同程度提高，从最近两年全国探空质量通报情况，我站探空高度提高速度偏低，影响了在全国排名。本文利用2014—2016年贵阳高空探测资料，分析了净举力对升速及探空高度的影响，并由此提出业务改进方案。

2 资料和方法

2.1 资料

本文所用资料为贵阳探空站2014—2016年07时、19时L波段雷达高空探测资料。规定等压面气压、温度、升速及终止气压从观测数据文件G文件中提取，终止原因、球炸高度来源于工作软件产生的对应值班日志。剔除未炸因素(突失、仪器故障、雷达故障)、天气因素(雨)和球炸偏低记录。选择探空观测到球炸，同时探空高度≥26 000 m的记录进行分析。

2.2 探空方式

贵阳探空站使用GFE(L)1型二次测风雷达系统，探空仪使用上海长望气象仪器厂GTS1型数字探空仪，目前使用33 m的探空绳(135 g)或大风放球器(58 g)施放,为简化分析，GTS1型探空仪系统施放前附加物重量取多个平均为520 g，气球为湖南株洲或广州生产的规格750 g乳胶气球，重量为750±50 g。贵阳探空站实际净举力控制在2 480～2 980 g之间。

2.3 计算方法

净举力分析采用《规范》公式[8]为：

(1)

式(1)中：W0为标准密度升速值(m·min-1)，W为气球升速(m·min-1)，P为气压(hPa),t为气温(℃)，A为净举力(g)，B为球皮和附加物体的重量(g)，本站取多个平均，B=1 270 g，b1是A的函数：b1=f(A),常规高空探测中b1≈96.2。

3 结果分析

3.1 探空气球升速值随规定等压面变化特征

L反映了气球升速的高度变化。施放前，A、B已经确定，故气球的升速与所在高度的空气密度ρ(P,T)相关。通过计算,同一规定等压面上L值在不同时次和月份并无显著差异,19时值因空气受太阳辐射温度相对07时较高L值略小,以地面层为例差值平均仅L07-L19=0.002 1,最大为 0.002 9,且随着高度增加,变化越来越小,从L值的月份变化来看,地面层差异最大,与全年平均值比较,在-0.007 1～0.007 4之间,均<±0.01, 且随着高度增加,变化越来越小。因此，以2014—2016年L平均值随着高度(规定等压面)变化值可以满足本研究的需要。

表1 贵阳站L平均值随着高度(规定等压面)变化值Tab.1 Change of average value of Guiyang station with height (specified isobaric surface)

从表1可以看出，L从地面到高空逐渐减小，故气球升速随着探测高度增加，本站从地面到850 hPa,实际升速小于标准密度升速，850 hPa以上，实际升速大于标准密度升速，至10 hPa附近，升速接近地面层附近两倍, 平均每上升1 km增大约3%。

3.2 贵阳站月平均升速分布特征

3.2.1 贵阳站07时、19时月平均升速与探空施放高度 从统计时段分析，07时平均升速标准偏差9.6，19时平均升速标准偏差7.6，07时升速的波动幅度稍大。07时、19时平均升速分别为408.9 m·min-1,413.8 m·min-1，探空高度分别为29 724 m、29 297 m，从表面上看，19时平均升速仅比07时多4.9 m·min-1，探空平均高度19时却低427 m。分析其原因，我站07时充气通常习惯比19时要早，气球施放时，实际氢气泄漏量比19时稍多，净举力小，故平均高度要高。此外，气球升速与净举力近似于对数关系，随着高度增加，即使净举力增加过多，升速增大也并不明显，反而因净举力过大而影响了气球的爆炸高度。19时施放探空气球时，太阳辐射加热空气，湍流和上升气流强于07时。即使空气密度相同，充气净举力相等，平均而言，19时升速快于07时，故通常19时净举力要小，无雨或多云天气，19时可减少300 g左右，晴天可减500 g。

3.2.2 贵阳站月平均升速季节分布特征 图1为贵阳站月平均升速随季节变化曲线图。从图中可以看出，相同净举力下，探空气球的升速有明显的季节变化。以07时为例，秋冬季节，由于空气相对干燥，气球穿越0 ℃层后，表面结冰少，重量轻，升速快；春夏两季，空气湿度大，气球表层附水和结冰，重量增加，升速慢。如2014年07时平均升速最大值为11月427.6 m·min-1,最小值为4月392.4 m·min-1，相差35.2 m·min-1。考虑到07时平均探空高度29 873 m,此高度上，若每增减200 g净举力，实际升速平均增减9～13 m·min-1，故从季节角度来分析，探空员不能一成不变，使用一样的净举力。秋冬两季，净举力比春夏少300～700 g为宜。

图1 2014—2016年月平均升速随季节变化曲线Fig.1 2014—2016 monthly average rise speed curve with seasonal variation

3.2.3 贵阳站月平均升速与探空施放高度的相关性 由于气球升速影响因子较多，施放高度与气球升速不是简单线性关系。图2为贵阳站月平均升速与探空平均高度变化曲线。07时、19时平均升速与探空高度相关系数分别为0.48、-0.21，相关性并不明显，07时呈现正相关关系，19时为较弱负相关。07时升速慢高度低，升速快高度高。这是因为气球的实际升速随着高度飞行越高越来越快。如果球炸高度较低，则实际平均升速并不快。以我站为例，气球100 hPa左右实际升速仅为360～380 m·min-1。所以参考升速变化还要依据施放的高度来调整净举力。

图2 贵阳站月平均升速与探空平均高度变化曲线Fig.2 Change curve of monthly average rise speed and sounding average height of Guiyang station

3.3 贵阳站净举力估算

3.3.1 两种理论升速净举力估算 图3计算了两种假定升速(400 m·min-1、360 m·min-1)条件下贵阳站平均净举力理论值以及实际平均升速下的净举力理论计算结果。从图中可以看出，若假定升速为400 m·min-1，07时、19时平均净举力分别在1 756～1 789 g、1 714～1 778 g，平均分别为1 756 g、1 744 g;若假定升速为360 m·min-1，07时、19时平均净举力分别在1 385～1 419 g、1 379～1 409 g，平均分别为1 398 g、1 393 g。估算表明，以地面气象条件ρ(P,T)估算得出的控制升速下的净举力从360～400 m·min-1，平均净举力增加350 g左右。而ρ(P,T)的季节变化带来的净举力变化差异较小，最大相差也仅为64 g。实际工作中，几乎可忽略不计，这就造成了探空员在控制净举力提升高度时，基本没有考虑到实际净举力的季节变化，从而忽视了合理控制净举力最大限度提高探空高度。

图3 贵阳站条件升速净举力估算图Fig.3 Estimated net lift force of condition lifting speed of Guiyang station

3.3.2 贵阳站平均升速下的净举力估算 图3中我们还给出了实际平均升速计算的理论净举力，07时、19时平均净举力分别在1 656～2 135 g、1 692～2 101 g，平均分别为1 865 g、1 910 g。 07时、19时平均升速分别为408.9 m·min-1、413.8 m·min-1。即理论净举力平均为1 887.5 g条件下平均升速为411.4 m·min-1。实际上，贵阳站实际施放净举力通常在2 500 g左右，故实际增加的约600 g净举力使探测高度降低，升速并无提高太多。

图4 不同净举力条件下平均升速随等压面高度变化曲线Fig.4 Change curve of average rising velocity with isobaric surface height under different net lifting forces

3.3.3 不同净举力条件下平均升速随等压面高度变化 净举力越大，升速越大。取球和附加物重量为1 270 g时计算不同净举力下的升速变化。以统计时段(2014—2016年)不同等压面的温度、气压计算出各净举力分别为1 200 g、1 600 g、2 000 g、2 400 g、2 800 g和3 200 g到达10 hPa等压面的平均升速分别为328.5 m·min-1、358.5 m·min-1、383.7 m·min-1、404.5 m·min-1、422.1 m·min-1和437.4 m·min-1。若以此平均升速推算，则贵阳站统计时段内平均净举力为2 600 g左右。根据实际业务工作，我站的砝码通常在2 000～2 500 g之间，则实际净举力为2 480～2 980 g,与推算相符。从图4可以看出，150 hPa以下，平均升速增加随高度增加较为缓慢，在4.7～6.1(m·min-1)·km-1,平均为5.6(m·min-1)·km-1,150 hPa以上，平均升速增加的幅度较为明显,在11.8～14.4(m·min-1)·km-1,平均为13.2(m·min-1)·km-1,升速增幅是150 hPa两倍以上。若当净举力A>3 000 g,探空高度>15 hPa,或当净举力A>2 400 g,探空高度>10 hPa以上，升速将超过600 m·min-1。按照规范要求，此后的记录当作删除处理。故在晴天无雨或者上升气流较强的天气条件下，净举力不宜超过2 400 g,控制在1 600～2 300 g之间为宜，平均升速可控制在360～400 m·min-1。这样，既可保证提高探空球炸高度，获取完整的观测记录，又能使探空仪感应元件在合适的通风条件下获取准确的探测记录，保证综合观测平均升速控制在400 m·min-1左右[10]。

3.3.4 不同净举力条件下爆炸高度 从表2中可以看出，贵阳站目前净举力实际控制范围2 480～2 980 g下，无雨天气，气球为正品(球炸高度>26 000 m)，施放平均高度虽超过28 600 m,但平均未达到30 000 m高度。净举力普遍较大，从统计数据来看，平均升速超过400 m·min-1，实际净举力范围使得15 hPa以后等压面升速可能超速(>600 m·min-1)从而删除记录降低探测高度。故本站气象条件下，净举力应当小于2 300 g。当净举力分别为1 600 g、2 000 g、2 300 g，地面气球充气直径分别为1.72±0.02 m、1.8±0.02 m、1.85±0.02 m， 探空高度可在目前基础上提高约3 100 m、1 600 m、800 m。理论升速大约分别可控制在359 m·min-、384 m·min-1、400 m·min-1左右。相同净举力条件下，19时探测高度较07时低，稳定性差，主要是19时空气受午后加热，空气稳定性较07时差，气流上升运动增强，对流乱流加强使得气球在翻滚中受力拉伸所致。

4 小结

①研究表明，本站气球升速随着探测高度增加，至10 hPa附近，升速接近地面层附近两倍。故应当根据升速特点，合理使用净举力，避免升速超过规范要求从而降低探空高度。

②净举力偏大降低了探空高度，忽略了时次和季节天气变化对净举力的合理控制。无雨、阴天、多云，19时可减少300 g左右，晴天可减500 g；秋冬两季，净举力比春夏少300～700 g。

③分析表明本站无雨天气净举力控制在1 600～2 300 g之间为宜，平均升速可控制在360～400 m·min-1。净举力分别为1 600 g、2 000 g、2 300 g，探测高度可在目前基础上提高约3 100 m、1 600 m、800 m。

④本文结论根据月平均资料得出，每个观测个例可在参考分析结论的基础上进行订正，不适用于暴雨等特殊天气。