影響貴陽市探空高度的特殊因子分析

閔昌紅 吳有恒 周文鈺

摘要 利用貴陽高空氣象探測站2014—2016年L波段高空氣象探測資料，對影響探空高度的特殊因子分布和探空高度影響程度等進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，雨天占比11.7%，探空平均高度26 581 m，較無雨天氣低1 818 m，約相當于探測高度從15 hPa降低了一個等壓面至20 hPa；降水天氣中，對探空高度影響大小依次為陣雨、中大雨、降雪類和小雨；無雨天氣中不穩(wěn)定的大氣層結(jié)（如雷電）影響最大，其次為濕度較大的陰云天氣；信號突失、信號不清在非球炸因素中影響頻率高、探測高度低。本文分析了上述因子影響成因，有針對性地提出了減少凈舉力、優(yōu)選氣球和改善雷達性能等措施，為提高高空氣象探測質(zhì)量提供了有益參考。

關(guān)鍵詞 高空氣象；探空高度；特殊因子；分析；貴州貴陽

中圖分類號 P412.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）19-0232-02

高空氣象探測是氣象觀測的重要組成部分。常規(guī)高空氣象探測站利用探空氣球作為運載工具攜帶數(shù)字探空儀升空對高空大氣進行探測，氣球爆炸的高度就是一次探測資料的終止高度。探空高度反映探測資料的完整性，歷來被高空氣象工作者重視。通常在探空雷達運行正常、儀器和氣球質(zhì)量良好以及大氣穩(wěn)定的天氣條件下，施放合適凈舉力可以獲取探測高度>30 000 m高度的探測記錄資料[1-2]。但是，在特殊因子（例如惡劣天氣、儀器突失、氣球質(zhì)量不良）影響下，要獲取比較高的探空記錄絕非易事。

探空高度與天氣變化密切相關(guān)。大雨、暴雨、雷電等惡劣天氣及不穩(wěn)定大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)對施放高度影響明顯[3-4]；雨雪天氣必然要增大氣球凈舉力，導致施放高度降低；探空氣球進入積雨云強對流云團中提前爆炸、信號突失也時有發(fā)生；低溫、雨雪、臭氧等改變靜態(tài)條件下，氣球拉伸強度、拉斷伸長率等物理屬性受到影響。惡劣天氣時，應(yīng)選擇經(jīng)過本站實踐證明效果良好、質(zhì)量優(yōu)良的氣球施放。

常規(guī)高空探測高度一般在30 km左右，這一大氣層結(jié)處于對流層（0～18 km）和平流層下層（18～30 km）內(nèi)，對流層是水汽集中、大氣活動活躍及天氣變化復(fù)雜的氣層，對流層頂溫度甚至小于-80 ℃。探空氣球由天然乳膠或合成乳膠加上適量配合劑加工而成，是典型的高分子彈性材料。氣球飛越這個高度的大氣層會受到下列因素的作用。①升空過程中，受低溫、低壓、臭氧及紫外線等影響。低溫或高溫導致橡膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加速破壞出現(xiàn)交聯(lián)和斷鏈，減小氣球的強度和彈性；臭氧和氣球中的天然橡膠在紫外線催化作用下產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使氣球表面形成裂紋影響氣球性能。②凈舉力（充氣量）影響升速和飛行高度，尤其是惡劣天氣（如暴雨）條件下，充氣量增加較多，氣球爆炸高度低。③當測站天氣系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)折、雷電天氣等大氣不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時，升空氣球在劇烈變化的氣流中翻滾，受力不均，提前爆炸。④不同廠家、不同批次、配方和生產(chǎn)工藝對氣球的影響。⑤乳膠中的蛋白質(zhì)易受潮變質(zhì)，影響使用性能。

1 材料來源與分析方法

利用貴陽高空氣象探測站2014—2016年L波段高空氣象探測資料，對影響探空高度的特殊因子分布和探空高度影響程度等進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 球炸因素

貴陽站2014—2016年7：00、19：00共進行2 192次綜合探測，其中球炸探空終止2 155次，占98.3%。平均高度28 186 m。圖1給出了不同類型天氣及探空平均高度的分布情況。

天氣類型以探空施放瞬間（即施放前后5 min）觀測記錄進行統(tǒng)計。以有無降雨分類，無雨占比88.3%（1 902次），探空平均高度為28 399 m，平均升速409.6 m/min；有雨占比11.7%（253次），探空平均高度為26 581 m，平均升速399.6 m/min。雨天探空高度較無雨天氣低1 818 m，相當于雨天較無雨天氣探測高度從15 hPa降低了一個等壓面（20 hPa）。從平均升速看，雨天升速接近于400 m/min，較無雨天氣僅少10 m/min。雨天充氣量（凈舉力）偏多，小雨凈舉力1 700～2 200 g、中雨2 200～3 000 g、大雨3 000～4 500 g比較合適。

2.1.1 降水。降水天氣中占比大小順序為中大雨7.9%（170次）、小雨2.7%（59次）、陣雨0.6%（12次）和雪類（雪、米雪或雨夾雪）0.6%（12次）；對探空高度的影響由大到小依次為陣雨（20 611 m）、中大雨（26 152 m）、降雪類（28 026 m）和小雨（28 738 m）。由此可以看出，并非所有降水天氣都對氣球飛行高度有較大的影響。例如，小雨天氣探空平均高度達到了28 738 m，較無雨天氣的平均高度28 399 m還高339 m；而陣雨天氣探空平均高度僅為20 611 m，較雨天平均高度26 581 m低5 970 m，中大雨天氣較小雨天平均高度低2 586 m。可見影響探空高度的第一因素是大氣穩(wěn)定度，第二因素是雨量。陣雨大氣層結(jié)不穩(wěn)定，探空高度最低；小雨天氣氣層很穩(wěn)定，探空高度高。中大雨天氣大氣穩(wěn)定度介于二者之間。從無雨天氣分類統(tǒng)計中也可以看出這一點，例如雷電天氣（本站無陣雨）6次記錄中，平均高度僅為17 777 m，較陣雨高度20 611 m還低2 834 m，球炸高度很低，介于15 196～21 346 m之間，據(jù)此推斷前者大氣層結(jié)不穩(wěn)定度較后者還強。在降水天氣中氣球平均升速從小到大依次為陣雨383.4 m/min、中大雨395.3 m/min、小雨412.4 m/min和降雪類414.1 m/min。

降水增加了氣球上升阻力，增加凈舉力使氣球爆炸高度降低，附著在氣球表面的水分在穿越0 ℃結(jié)冰，帶有冰層的球皮在上升膨脹過程中龜裂變形，受力不均，提前爆炸。例如，2014年、2016年探空平均高度分別為28 199、27 487 m，2014年5—6月、2016年6—8月降水集中時段探空平均高度分別為26 848、26 487 m，分別較年平均偏低1 351 m和1 000 m；高度最低值都出現(xiàn)在當年6月，分別為26 278、26 207 m?？梢?，雨季降水天氣對探空高度質(zhì)量影響比較明顯。

2.1.2 無雨天氣。無雨天氣（1 902次）中，占比從大到小分別為陰（7<總云量≤10）60.36%（1 148次）、輕霧14.04%（267次）、晴（總云量≤1）11.36%（216次）、多云（3<總云量≤7）7.15%（136次）、少云（1<總云量≤3）3.63%（69次）、霧3.15%（60次）和雷電天氣（本站無陣雨）0.32%（6次）。對探空高度影響程度最大為雷電（17 777 m），其次為陰天（28 115 m），再次為多云和輕霧（28 768～28 830 m），最后為少云天氣、霧、晴天（29 011～29 049 m）。從中大致可以看出，空氣濕度（陰晴天氣）對施放高度的影響區(qū)別明顯。若將陰天與非陰天（輕霧、晴、多云、少云、霧）（貴陽市霧、輕霧多為冬季形成的輻射霧和輕霧，低層水汽充足由夜間輻射降溫形成，云散后多為晴好天氣，故將二者歸于非陰天類）作簡單分類統(tǒng)計，探空平均高度分別為28 115、28 915 m，兩者相差800 m，可見空氣濕度較大對探空高度有明顯影響。羅雄光等[5]分析認為，球炸高度同300 hPa后的最小相對濕度的線性擬合具有斷層。雨天凈舉力增大，加大了氣球載荷，穿越云層阻力增加、氣球的高空遇水結(jié)冰都可能造成飛行高度降低[6]。

2.1.3 氣球質(zhì)量不合格。貴陽高空氣象探測站使用氣球為株洲和廣州生產(chǎn)750 g標稱氣球，每個批次都按照《探空儀、氣象氣球質(zhì)量管理辦法》在有效期24個月內(nèi)施放。按照管理辦法定義為無雨天氣探空高度<26 000 m為不合格，為了仔細了解探空氣球在本站雨天的飛行高度，本文也將雨天探空高度<26 000 m歸入不合格。

2014—2016年不合格氣球總數(shù)為324個，占施放總數(shù)的14.8%；其中廣州、株洲氣球分別為210、114個。廣州、株洲氣球無雨天氣不合格率占到了7成以上，分別為70.6%、74.6%；雨天在2成以上，分別為27.1%、21.1%，廣州氣球下雨天氣不合格率較株洲的稍高。2種氣球陣雨天氣不合格率在2.4%～4.4%之間。由于樣本數(shù)量差異和2種氣球施放的季節(jié)天氣差異，比如同樣是雨天，大氣層結(jié)穩(wěn)定度對施放高度的影響有明顯差別，因而本文對2種氣球不作質(zhì)量評判。分析只是對2種產(chǎn)品如何在本站天氣條件下合理使用給出建議。由圖2可以看出，2種氣球分別在陣雨、雨天的平均高度差距不大，陣雨天氣平均高度在17 000 m左右，雨天在19 000 m左右；但是無雨天氣條件下，株洲氣球平均飛行高度較廣州氣球高1 500 m左右。根據(jù)經(jīng)驗，并結(jié)合本地天氣特點，陣雨、雨天或者氣層不穩(wěn)定，使用株洲氣球效果較廣州好，而秋冬無雨或者大氣層結(jié)穩(wěn)定下使用廣州氣球施放高度也比較理想。

2.2 非球炸因素

2014—2016年7：00、19：00等非球炸因素終止共37次，占1.7%，平均高度14 210 m。非球炸因素中，信號突失、信號不清（圖3）為主要原因（83.7%），主要是因為儀器、雷達性能下降、地面基測、電池浸泡、天氣等降低了探空高度，導致探空高度最低，信號突失、信號不清2類探空平均高度<13 000 m，影響頻率和程度分別排在第1位和第2位。

3 結(jié)論與討論

通過以上分析，信號突失、信號不清等非球炸因素終止數(shù)量極少（僅占1.7%），但獲得的探空資料最少，平均高度僅為14 210 m，避免和減少這類因子的辦法要充分做好探空雷達的維護維修，使其處于良好工作狀態(tài)，在基測等地面工作中嚴格按照規(guī)范操作，對施放探空儀進行仔細檢查和調(diào)試。陣雨和雷電天氣，氣球在16 500～18 000 m之間爆炸的概率較大，這一高度在第二對流層頂附近（2014—2016年貴陽市第二對流層頂平均高度為16 846 m）。由于對流層頂是介于對流層和平流層二者之間的過渡層，大氣急流、臭氧層頂、積雨云頂?shù)拇怪卑l(fā)展等與其位置強度變動有著密切的關(guān)系。氣球尤其受到密集降水的影響而改變其在靜態(tài)狀態(tài)下的物理屬性[7]后穿越對流層和擾動強盛的對流層頂容易提前爆炸，這就要求探空員必須選擇好疏水性等質(zhì)量最好的氣球，在允許施放的時間內(nèi)把握好放球時間和盡量避免氣球進入對流云團中心。持續(xù)的中大雨天氣，大氣穩(wěn)定度介于對流性天氣和單一氣團控制之間，只要掌握好雨量強弱合適的充氣量即可，中到大雨可參考凈舉力在2 500～4 500 g之間、小雨天氣凈舉力在2 000～2 500 g之間比較合適。陰、晴、少云、無雨天氣條件的凈舉力，作為本課題的一部分作了專題研究，不再贅述。

4 參考文獻

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