两种型号探空气球施放高度的稳定性对比分析

戴玉芝

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

2010年8月，中国气象局《关于选取部分高空站点进行800g气象气球动态考核的通知》要求，全国共选取哈尔滨、呼和浩特、西宁、阳江、长沙5个高空站进行考核。

考核时间：2010年8月25日～9月23日，共计30天。在每日的08时和20时使用株洲橡胶塑料工业设计院生产的800g气象气球开展高空气象探测业务。考核目的：气球的升空性能、上升高度是否满足业务要求(30 000m以上)；动态试验条件：静举力大小控制在适当范围内，使升速控制在400m/min左右；考核所需800g气象气球：由株洲橡胶塑料工业设计院提供。

1 资料来源及分析方法

使用哈尔滨、呼和浩特、西宁、长沙、阳江探空站2010年8月25日～9月23日800g气象气球动态考核观测资料，共计30天，300份施放记录，由株洲橡胶塑料工业设计院提供；对比资料主要为2009年8月25日～9月23日和2010年7月26日～8月24日5个站750g气象气球观测资料600份，由株洲橡胶塑料工业设计院提供；以及2011年～2020年呼和浩特站同期观测高度数据600份，由呼和浩特高空站提供。

对两种型号气球探空施放高度有效率、稳定性等采用横向对比和纵向对比方法进行分析，对气球净举力、气球升速、气球探空施放高度之间的关系采用滑动平均和线性趋势分析方法进行分析。

2 800g与750g气象气球探空施放高度的稳定性对比分析

2.1 5个探空站试用800g气象气球总体情况

5个探空站本次施放300个气球，球炸率1 000‰，平均施放高度33 371m。探空施放高度最低为阳江站，平均高度32 272m；探空施放高度最高为呼和浩特站，平均高度34 174m,所有考核站均达到并超过30 000m探空施放高度的业务要求。

其中单次气球施放高度最高为呼和浩特高空站达到39 096m。5个站平均升空历时84.9min/次，最长升空历时109.7min，最小升空历时47.9min。升速最高451m/min，最小219m/min，平均384m/min(按次计算结果)。净举力最大3 800g，最小1 400g，平均1 870g。

2.2 新一代800g气象气球与750g气象气球探空施放高度的对比

表1为探空施放高度的对比情况。2010年8月25日～9月23日5个高空站新一代800g气象气球与750g气象气球2009年8月25日～9月23日、2010年7月26～8月24日气球施放高度平均值，及呼和浩特站2011年～2020年历年8月25日～9月23日的10年气球施放高度平均值，从表2可以看出，5个高空站新一代800g气象气球均比750g气象气球探空施放高度要高,高度差为3 031m～5 836m。说明新一代800g气象气球探空施放平均高度比750g要高，稳定性也较好。

表1 5个探空站新一代800g气球与750g气球探空施放高度对比及高度差

2.3 新一代800g气象气球上午、下午施放高度对比情况

表2为5个高空站新一代800g气象气球考核期间上午和下午气球探空施放高度的对比情况。从表2可以看出，呼和浩特、西宁、长沙和西宁4个高空站新一代800g气象气球上午均比下午探空施放高度要高,高度差为1 600m～4 500m。只有哈尔滨站新一代800g气象气球上午和下午探空施放高度接近，说明新一代800g气象气球上午比下午探空平均施放高度要高，30 000m以上施放高度要求的整体稳定性较好。

表2 5个探空站新一代800g气象气球动态考核期间 探空施放高度上午和下午对比及高度差

2.4 影响气象气球探空施放高度的环境因素统计分析

由表3看出，呼和浩特高空站气球平均施放高度排列顺序为：雨天和大于4m/s风天<阴天<多云天气<少云天气<晴天。其余4个站不同天气气球平均施放高度排列顺序也如此。

表3 2010年呼和浩特探空站在800g气球试验期间各种天气情况下施放情况

通过对5个高空站800g气象气球动态考核结果对比，晴天、多云、少云、晴天探空施放高度均高于雨天。呼和浩特站，雨天800g气球平均探空施放高度低于其他4个站，高度比西宁偏低7 194m，比长沙偏低5 648m，呼和浩特高空站的气球净举力偏小300g～1 500g左右，平均升速偏小80m/min左右；呼和浩特站在其他天气情况下，探空施放高度高于其他4个站，比哈尔滨高1 909m,比西宁高1 109m，比长沙高1 598m，比阳江高2 951m。因此，呼和浩特高空站雨天应适当增加气球净举力。

本次考核试验期间，阳江站所在地区正是台风多发季节，先后经历了2010年第6号、8号、10号、11号台风的影响，天气条件比较恶劣复杂，气球的升空高度受恶劣天气的影响比其他4个站施放高度有所降低。

2.5 净举力对高度的影响

净举力=总举力-气球球皮重量-附加物(绳子、探空仪、灯笼、蜡烛等)重量。

总举力为氢气球排开同体积空气的重量。

图1采用滑动平均法分析气球净举力与气球施放高度的关系。从图1新一代800g气球的探空施放高度的5次滑动平均曲线可以看出，净举力在约1 400g～1 550g时，气球探空施放平均高度最高为35 553m，净举力在1 600g～1 800g气球探空施放平均高度为34 998m，净举力在1 800g～2 200g气球探空施放平均高度为34 156m, 净举力在2 200g～2 600g气球探空施放平均高度为33 707m，这说明随气球净举力的增大气球施放高度总趋势在降低。

图1 新一代800g气象气球动态考核期间按净举力大小排列的探空施放高度曲线及5次滑动平均曲线

结果表明：净举力对800g和750g气球探空施放高度同样有一定影响，并非净举力越大、升速越大高度就越高。通过分析发现：下雨天750g气球净举力在1 700g～2 500g为好,无雨天气在约1 450g时气球施放高度最高；800g气球，可以根据气球实际重量分别增加50g～100g净举力为好，在不同降水强度天气，增加净举力最大不应超过1 000g，分析动态考核试验数据得出，超过此范围，气球施放高度将大大降低。

2.6 净举力对气球升速的影响

采用线性趋势分析方法得出800g气球无雨天净举力与气球升速的成对数关系。

y=20.209ln(x+301.9)

当气球净举力达到约1 800g时，气球升速较大，当气球净举力大于1 800g时，气球升速变化缓慢，施放高度降低，说明气球升速达到一定大小时，再增加净举力无益，还造成氢气资源的浪费。

通过800g气球动态考核与750g气球探空施放平均高度的对比看出，雨天和晴天等情况下，净举力大小与升速所符合的对数关系不一样。各地应根据当地天气气候实际情况认真研究适合本地的雨天的气球净举力的大小。

2.7 不同探空施放高度的有效率分析

表4是5个高空站800g气象气球动态考核期间探空施放平均高度，以及在各个高度上的有效率分析，由此可以对800g气象气球探空施放平均高度进行稳定性对比分析。

从表4中可以看出，5个动态考核高空站的800g气球探空施放平均高度33 371m，各站平均高度都大于32 000m,30 000m以上高度有效率平均为86.6%。32 000m以上的有效率77.5%，750g气象气球的探空施放高度在28 000m～32 000m，28 000m以上有效率80%。结论：800g气象气球探空施放高度高、有效率高，稳定性好。

表4 800g气象气球施放记录总结

3 小结

上午(08时)800g与750g气球探空施放高度比下午(20时)要高；各种天气探空施放高度从低到高排列顺序为：雨天和大于4m/s风天<阴天<多云天气<少云天气<晴天。

750g气球探空施放高度稳定性范围在28 000m～32 000m,平均29 500m,28 000m以上有效率较高，达到80%。800g气球探空施放高度稳定范围在32 000m～36 000m，平均值为33 000m左右，30 000m以上有效率较高，达到86.6%。800g气象气球探空施放高度高、稳定性好、有效率高。

通过5个高空站800g气象气球动态考核结果横向对比，发现：晴天、少云、多云及阴天气球净举力掌握在约1 500g最好。有小雨天净举力掌握在1 800g～2 200g最好，雷阵雨或雨强较大的天气净举力掌握在2 200g～2 600g最好。750g气球，在不同天气情况下，比800g气球的净举力相应减少50g～100g左右即可。

建议株洲橡胶塑料工业设计院开展雨天高湿度天气用球的研究，特别是对台风等强对流天气气象用球的研究，提高应对恶劣天气的抗击能力，进一步提高气象气球的升空稳定性，提高我国高空业务的探测质量。

本次试验五个动态考核试验探空站800g气球探空施放平均高度33 371m,最低平均高度32 272m,最高平均高度为34 174m,所有考核站均达到并超过30 000m探空施放高度的业务要求。