凈舉力對(duì)探空高度的影響分析
——以貴陽(yáng)探空站為例

閔昌紅，吳興洋，翁 玲，何肖國(guó)，柯利平

(1.貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省息烽縣氣象局，貴州 息烽 551100；4.貴州省威寧縣氣象局，貴州 威寧 553100)

1 引言

高空氣象探測(cè)是綜合氣象觀測(cè)的重要組成部分，高空氣象資料是天氣預(yù)報(bào)和氣候分析的基礎(chǔ)資料。探空高度是指探空氣球的球炸高度，它反映獲取高空探測(cè)資料的多少和完整性，歷來(lái)為高空氣象探測(cè)規(guī)定的重要考核指標(biāo)之一[1]。影響探空高度的因子很多，探空氣球性能[2]確定后,凈舉力是其中影響最重要的因素之一。凈舉力影響氣球升速和探空高度，與不同臺(tái)站不同天氣狀況密切相關(guān)，有許多分析總結(jié)值得借鑒[3-9]。目前我國(guó)120個(gè)常規(guī)高空氣象探測(cè)站使用L波段高空探測(cè)系統(tǒng)，隨著高空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，儀器和探空氣球性能的改進(jìn)，全國(guó)高空氣象探測(cè)站探測(cè)高度都有不同程度提高，從最近兩年全國(guó)探空質(zhì)量通報(bào)情況，我站探空高度提高速度偏低，影響了在全國(guó)排名。本文利用2014—2016年貴陽(yáng)高空探測(cè)資料，分析了凈舉力對(duì)升速及探空高度的影響，并由此提出業(yè)務(wù)改進(jìn)方案。

2 資料和方法

2.1 資料

本文所用資料為貴陽(yáng)探空站2014—2016年07時(shí)、19時(shí)L波段雷達(dá)高空探測(cè)資料。規(guī)定等壓面氣壓、溫度、升速及終止氣壓從觀測(cè)數(shù)據(jù)文件G文件中提取，終止原因、球炸高度來(lái)源于工作軟件產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)值班日志。剔除未炸因素(突失、儀器故障、雷達(dá)故障)、天氣因素(雨)和球炸偏低記錄。選擇探空觀測(cè)到球炸，同時(shí)探空高度≥26 000 m的記錄進(jìn)行分析。

2.2 探空方式

貴陽(yáng)探空站使用GFE(L)1型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，探空儀使用上海長(zhǎng)望氣象儀器廠GTS1型數(shù)字探空儀，目前使用33 m的探空繩(135 g)或大風(fēng)放球器(58 g)施放,為簡(jiǎn)化分析，GTS1型探空儀系統(tǒng)施放前附加物重量取多個(gè)平均為520 g，氣球?yàn)楹现曛藁驈V州生產(chǎn)的規(guī)格750 g乳膠氣球，重量為750±50 g。貴陽(yáng)探空站實(shí)際凈舉力控制在2 480～2 980 g之間。

2.3 計(jì)算方法

凈舉力分析采用《規(guī)范》公式[8]為：

(1)

式(1)中：W0為標(biāo)準(zhǔn)密度升速值(m·min-1)，W為氣球升速(m·min-1)，P為氣壓(hPa),t為氣溫(℃)，A為凈舉力(g)，B為球皮和附加物體的重量(g)，本站取多個(gè)平均，B=1 270 g，b1是A的函數(shù)：b1=f(A),常規(guī)高空探測(cè)中b1≈96.2。

3 結(jié)果分析

3.1 探空氣球升速值隨規(guī)定等壓面變化特征

L反映了氣球升速的高度變化。施放前，A、B已經(jīng)確定，故氣球的升速與所在高度的空氣密度ρ(P,T)相關(guān)。通過(guò)計(jì)算,同一規(guī)定等壓面上L值在不同時(shí)次和月份并無(wú)顯著差異,19時(shí)值因空氣受太陽(yáng)輻射溫度相對(duì)07時(shí)較高L值略小,以地面層為例差值平均僅L07-L19=0.002 1,最大為 0.002 9,且隨著高度增加,變化越來(lái)越小,從L值的月份變化來(lái)看,地面層差異最大,與全年平均值比較,在-0.007 1～0.007 4之間,均<±0.01, 且隨著高度增加,變化越來(lái)越小。因此，以2014—2016年L平均值隨著高度(規(guī)定等壓面)變化值可以滿(mǎn)足本研究的需要。

表1 貴陽(yáng)站L平均值隨著高度(規(guī)定等壓面)變化值Tab.1 Change of average value of Guiyang station with height (specified isobaric surface)

從表1可以看出，L從地面到高空逐漸減小，故氣球升速隨著探測(cè)高度增加，本站從地面到850 hPa,實(shí)際升速小于標(biāo)準(zhǔn)密度升速，850 hPa以上，實(shí)際升速大于標(biāo)準(zhǔn)密度升速，至10 hPa附近，升速接近地面層附近兩倍, 平均每上升1 km增大約3%。

3.2 貴陽(yáng)站月平均升速分布特征

3.2.1 貴陽(yáng)站07時(shí)、19時(shí)月平均升速與探空施放高度 從統(tǒng)計(jì)時(shí)段分析，07時(shí)平均升速標(biāo)準(zhǔn)偏差9.6，19時(shí)平均升速標(biāo)準(zhǔn)偏差7.6，07時(shí)升速的波動(dòng)幅度稍大。07時(shí)、19時(shí)平均升速分別為408.9 m·min-1,413.8 m·min-1，探空高度分別為29 724 m、29 297 m，從表面上看，19時(shí)平均升速僅比07時(shí)多4.9 m·min-1，探空平均高度19時(shí)卻低427 m。分析其原因，我站07時(shí)充氣通常習(xí)慣比19時(shí)要早，氣球施放時(shí)，實(shí)際氫氣泄漏量比19時(shí)稍多，凈舉力小，故平均高度要高。此外，氣球升速與凈舉力近似于對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著高度增加，即使凈舉力增加過(guò)多，升速增大也并不明顯，反而因凈舉力過(guò)大而影響了氣球的爆炸高度。19時(shí)施放探空氣球時(shí)，太陽(yáng)輻射加熱空氣，湍流和上升氣流強(qiáng)于07時(shí)。即使空氣密度相同，充氣凈舉力相等，平均而言，19時(shí)升速快于07時(shí)，故通常19時(shí)凈舉力要小，無(wú)雨或多云天氣，19時(shí)可減少300 g左右，晴天可減500 g。

3.2.2 貴陽(yáng)站月平均升速季節(jié)分布特征 圖1為貴陽(yáng)站月平均升速隨季節(jié)變化曲線圖。從圖中可以看出，相同凈舉力下，探空氣球的升速有明顯的季節(jié)變化。以07時(shí)為例，秋冬季節(jié)，由于空氣相對(duì)干燥，氣球穿越0 ℃層后，表面結(jié)冰少，重量輕，升速快；春夏兩季，空氣濕度大，氣球表層附水和結(jié)冰，重量增加，升速慢。如2014年07時(shí)平均升速最大值為11月427.6 m·min-1,最小值為4月392.4 m·min-1，相差35.2 m·min-1?？紤]到07時(shí)平均探空高度29 873 m,此高度上，若每增減200 g凈舉力，實(shí)際升速平均增減9～13 m·min-1，故從季節(jié)角度來(lái)分析，探空員不能一成不變，使用一樣的凈舉力。秋冬兩季，凈舉力比春夏少300～700 g為宜。

圖1 2014—2016年月平均升速隨季節(jié)變化曲線Fig.1 2014—2016 monthly average rise speed curve with seasonal variation

3.2.3 貴陽(yáng)站月平均升速與探空施放高度的相關(guān)性 由于氣球升速影響因子較多，施放高度與氣球升速不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。圖2為貴陽(yáng)站月平均升速與探空平均高度變化曲線。07時(shí)、19時(shí)平均升速與探空高度相關(guān)系數(shù)分別為0.48、-0.21，相關(guān)性并不明顯，07時(shí)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，19時(shí)為較弱負(fù)相關(guān)。07時(shí)升速慢高度低，升速快高度高。這是因?yàn)闅馇虻膶?shí)際升速隨著高度飛行越高越來(lái)越快。如果球炸高度較低，則實(shí)際平均升速并不快。以我站為例，氣球100 hPa左右實(shí)際升速僅為360～380 m·min-1。所以參考升速變化還要依據(jù)施放的高度來(lái)調(diào)整凈舉力。

圖2 貴陽(yáng)站月平均升速與探空平均高度變化曲線Fig.2 Change curve of monthly average rise speed and sounding average height of Guiyang station

3.3 貴陽(yáng)站凈舉力估算

3.3.1 兩種理論升速凈舉力估算 圖3計(jì)算了兩種假定升速(400 m·min-1、360 m·min-1)條件下貴陽(yáng)站平均凈舉力理論值以及實(shí)際平均升速下的凈舉力理論計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，若假定升速為400 m·min-1，07時(shí)、19時(shí)平均凈舉力分別在1 756～1 789 g、1 714～1 778 g，平均分別為1 756 g、1 744 g;若假定升速為360 m·min-1，07時(shí)、19時(shí)平均凈舉力分別在1 385～1 419 g、1 379～1 409 g，平均分別為1 398 g、1 393 g。估算表明，以地面氣象條件ρ(P,T)估算得出的控制升速下的凈舉力從360～400 m·min-1，平均凈舉力增加350 g左右。而ρ(P,T)的季節(jié)變化帶來(lái)的凈舉力變化差異較小，最大相差也僅為64 g。實(shí)際工作中，幾乎可忽略不計(jì)，這就造成了探空員在控制凈舉力提升高度時(shí)，基本沒(méi)有考慮到實(shí)際凈舉力的季節(jié)變化，從而忽視了合理控制凈舉力最大限度提高探空高度。

圖3 貴陽(yáng)站條件升速凈舉力估算圖Fig.3 Estimated net lift force of condition lifting speed of Guiyang station

3.3.2 貴陽(yáng)站平均升速下的凈舉力估算 圖3中我們還給出了實(shí)際平均升速計(jì)算的理論凈舉力，07時(shí)、19時(shí)平均凈舉力分別在1 656～2 135 g、1 692～2 101 g，平均分別為1 865 g、1 910 g。 07時(shí)、19時(shí)平均升速分別為408.9 m·min-1、413.8 m·min-1。即理論凈舉力平均為1 887.5 g條件下平均升速為411.4 m·min-1。實(shí)際上，貴陽(yáng)站實(shí)際施放凈舉力通常在2 500 g左右，故實(shí)際增加的約600 g凈舉力使探測(cè)高度降低，升速并無(wú)提高太多。

圖4 不同凈舉力條件下平均升速隨等壓面高度變化曲線Fig.4 Change curve of average rising velocity with isobaric surface height under different net lifting forces

3.3.3 不同凈舉力條件下平均升速隨等壓面高度變化 凈舉力越大，升速越大。取球和附加物重量為1 270 g時(shí)計(jì)算不同凈舉力下的升速變化。以統(tǒng)計(jì)時(shí)段(2014—2016年)不同等壓面的溫度、氣壓計(jì)算出各凈舉力分別為1 200 g、1 600 g、2 000 g、2 400 g、2 800 g和3 200 g到達(dá)10 hPa等壓面的平均升速分別為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，則貴陽(yáng)站統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)平均凈舉力為2 600 g左右。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)工作，我站的砝碼通常在2 000～2 500 g之間，則實(shí)際凈舉力為2 480～2 980 g,與推算相符。從圖4可以看出，150 hPa以下，平均升速增加隨高度增加較為緩慢，在4.7～6.1(m·min-1)·km-1,平均為5.6(m·min-1)·km-1,150 hPa以上，平均升速增加的幅度較為明顯,在11.8～14.4(m·min-1)·km-1,平均為13.2(m·min-1)·km-1,升速增幅是150 hPa兩倍以上。若當(dāng)凈舉力A>3 000 g,探空高度>15 hPa,或當(dāng)凈舉力A>2 400 g,探空高度>10 hPa以上，升速將超過(guò)600 m·min-1。按照規(guī)范要求，此后的記錄當(dāng)作刪除處理。故在晴天無(wú)雨或者上升氣流較強(qiáng)的天氣條件下，凈舉力不宜超過(guò)2 400 g,控制在1 600～2 300 g之間為宜，平均升速可控制在360～400 m·min-1。這樣，既可保證提高探空球炸高度，獲取完整的觀測(cè)記錄，又能使探空儀感應(yīng)元件在合適的通風(fēng)條件下獲取準(zhǔn)確的探測(cè)記錄，保證綜合觀測(cè)平均升速控制在400 m·min-1左右[10]。

3.3.4 不同凈舉力條件下爆炸高度 從表2中可以看出，貴陽(yáng)站目前凈舉力實(shí)際控制范圍2 480～2 980 g下，無(wú)雨天氣，氣球?yàn)檎?球炸高度>26 000 m)，施放平均高度雖超過(guò)28 600 m,但平均未達(dá)到30 000 m高度。凈舉力普遍較大，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，平均升速超過(guò)400 m·min-1，實(shí)際凈舉力范圍使得15 hPa以后等壓面升速可能超速(>600 m·min-1)從而刪除記錄降低探測(cè)高度。故本站氣象條件下，凈舉力應(yīng)當(dāng)小于2 300 g。當(dāng)凈舉力分別為1 600 g、2 000 g、2 300 g，地面氣球充氣直徑分別為1.72±0.02 m、1.8±0.02 m、1.85±0.02 m， 探空高度可在目前基礎(chǔ)上提高約3 100 m、1 600 m、800 m。理論升速大約分別可控制在359 m·min-、384 m·min-1、400 m·min-1左右。相同凈舉力條件下，19時(shí)探測(cè)高度較07時(shí)低，穩(wěn)定性差，主要是19時(shí)空氣受午后加熱，空氣穩(wěn)定性較07時(shí)差，氣流上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流亂流加強(qiáng)使得氣球在翻滾中受力拉伸所致。

4 小結(jié)

①研究表明，本站氣球升速隨著探測(cè)高度增加，至10 hPa附近，升速接近地面層附近兩倍。故應(yīng)當(dāng)根據(jù)升速特點(diǎn)，合理使用凈舉力，避免升速超過(guò)規(guī)范要求從而降低探空高度。

②凈舉力偏大降低了探空高度，忽略了時(shí)次和季節(jié)天氣變化對(duì)凈舉力的合理控制。無(wú)雨、陰天、多云，19時(shí)可減少300 g左右，晴天可減500 g；秋冬兩季，凈舉力比春夏少300～700 g。

③分析表明本站無(wú)雨天氣凈舉力控制在1 600～2 300 g之間為宜，平均升速可控制在360～400 m·min-1。凈舉力分別為1 600 g、2 000 g、2 300 g，探測(cè)高度可在目前基礎(chǔ)上提高約3 100 m、1 600 m、800 m。

④本文結(jié)論根據(jù)月平均資料得出，每個(gè)觀測(cè)個(gè)例可在參考分析結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行訂正，不適用于暴雨等特殊天氣。