兩種型號探空氣球施放高度的穩(wěn)定性對比分析

戴玉芝

(呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

2010年8月，中國氣象局《關(guān)于選取部分高空站點(diǎn)進(jìn)行800g氣象氣球動態(tài)考核的通知》要求，全國共選取哈爾濱、呼和浩特、西寧、陽江、長沙5個高空站進(jìn)行考核。

考核時間：2010年8月25日～9月23日，共計30天。在每日的08時和20時使用株洲橡膠塑料工業(yè)設(shè)計院生產(chǎn)的800g氣象氣球開展高空氣象探測業(yè)務(wù)?？己四康模簹馇虻纳招阅堋⑸仙叨仁欠駶M足業(yè)務(wù)要求(30 000m以上)；動態(tài)試驗(yàn)條件：靜舉力大小控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，使升速控制在400m/min左右；考核所需800g氣象氣球：由株洲橡膠塑料工業(yè)設(shè)計院提供。

1 資料來源及分析方法

使用哈爾濱、呼和浩特、西寧、長沙、陽江探空站2010年8月25日～9月23日800g氣象氣球動態(tài)考核觀測資料，共計30天，300份施放記錄，由株洲橡膠塑料工業(yè)設(shè)計院提供；對比資料主要為2009年8月25日～9月23日和2010年7月26日～8月24日5個站750g氣象氣球觀測資料600份，由株洲橡膠塑料工業(yè)設(shè)計院提供；以及2011年～2020年呼和浩特站同期觀測高度數(shù)據(jù)600份，由呼和浩特高空站提供。

對兩種型號氣球探空施放高度有效率、穩(wěn)定性等采用橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ确椒ㄟM(jìn)行分析，對氣球凈舉力、氣球升速、氣球探空施放高度之間的關(guān)系采用滑動平均和線性趨勢分析方法進(jìn)行分析。

2 800g與750g氣象氣球探空施放高度的穩(wěn)定性對比分析

2.1 5個探空站試用800g氣象氣球總體情況

5個探空站本次施放300個氣球，球炸率1 000‰，平均施放高度33 371m。探空施放高度最低為陽江站，平均高度32 272m；探空施放高度最高為呼和浩特站，平均高度34 174m,所有考核站均達(dá)到并超過30 000m探空施放高度的業(yè)務(wù)要求。

其中單次氣球施放高度最高為呼和浩特高空站達(dá)到39 096m。5個站平均升空歷時84.9min/次，最長升空歷時109.7min，最小升空歷時47.9min。升速最高451m/min，最小219m/min，平均384m/min(按次計算結(jié)果)。凈舉力最大3 800g，最小1 400g，平均1 870g。

2.2 新一代800g氣象氣球與750g氣象氣球探空施放高度的對比

表1為探空施放高度的對比情況。2010年8月25日～9月23日5個高空站新一代800g氣象氣球與750g氣象氣球2009年8月25日～9月23日、2010年7月26～8月24日氣球施放高度平均值，及呼和浩特站2011年～2020年歷年8月25日～9月23日的10年氣球施放高度平均值，從表2可以看出，5個高空站新一代800g氣象氣球均比750g氣象氣球探空施放高度要高,高度差為3 031m～5 836m。說明新一代800g氣象氣球探空施放平均高度比750g要高，穩(wěn)定性也較好。

表1 5個探空站新一代800g氣球與750g氣球探空施放高度對比及高度差

2.3 新一代800g氣象氣球上午、下午施放高度對比情況

表2為5個高空站新一代800g氣象氣球考核期間上午和下午氣球探空施放高度的對比情況。從表2可以看出，呼和浩特、西寧、長沙和西寧4個高空站新一代800g氣象氣球上午均比下午探空施放高度要高,高度差為1 600m～4 500m。只有哈爾濱站新一代800g氣象氣球上午和下午探空施放高度接近，說明新一代800g氣象氣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體穩(wěn)定性較好。

表2 5個探空站新一代800g氣象氣球動態(tài)考核期間 探空施放高度上午和下午對比及高度差

2.4 影響氣象氣球探空施放高度的環(huán)境因素統(tǒng)計分析

由表3看出，呼和浩特高空站氣球平均施放高度排列順序?yàn)椋河晏旌痛笥?m/s風(fēng)天<陰天<多云天氣<少云天氣<晴天。其余4個站不同天氣氣球平均施放高度排列順序也如此。

表3 2010年呼和浩特探空站在800g氣球試驗(yàn)期間各種天氣情況下施放情況

通過對5個高空站800g氣象氣球動態(tài)考核結(jié)果對比，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氣球平均探空施放高度低于其他4個站，高度比西寧偏低7 194m，比長沙偏低5 648m，呼和浩特高空站的氣球凈舉力偏小300g～1 500g左右，平均升速偏小80m/min左右；呼和浩特站在其他天氣情況下，探空施放高度高于其他4個站，比哈爾濱高1 909m,比西寧高1 109m，比長沙高1 598m，比陽江高2 951m。因此，呼和浩特高空站雨天應(yīng)適當(dāng)增加氣球凈舉力。

本次考核試驗(yàn)期間，陽江站所在地區(qū)正是臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，先后經(jīng)歷了2010年第6號、8號、10號、11號臺風(fēng)的影響，天氣條件比較惡劣復(fù)雜，氣球的升空高度受惡劣天氣的影響比其他4個站施放高度有所降低。

2.5 凈舉力對高度的影響

凈舉力=總舉力-氣球球皮重量-附加物(繩子、探空儀、燈籠、蠟燭等)重量。

總舉力為氫氣球排開同體積空氣的重量。

圖1采用滑動平均法分析氣球凈舉力與氣球施放高度的關(guān)系。從圖1新一代800g氣球的探空施放高度的5次滑動平均曲線可以看出，凈舉力在約1 400g～1 550g時，氣球探空施放平均高度最高為35 553m，凈舉力在1 600g～1 800g氣球探空施放平均高度為34 998m，凈舉力在1 800g～2 200g氣球探空施放平均高度為34 156m, 凈舉力在2 200g～2 600g氣球探空施放平均高度為33 707m，這說明隨氣球凈舉力的增大氣球施放高度總趨勢在降低。

圖1 新一代800g氣象氣球動態(tài)考核期間按凈舉力大小排列的探空施放高度曲線及5次滑動平均曲線

結(jié)果表明：凈舉力對800g和750g氣球探空施放高度同樣有一定影響，并非凈舉力越大、升速越大高度就越高。通過分析發(fā)現(xiàn)：下雨天750g氣球凈舉力在1 700g～2 500g為好,無雨天氣在約1 450g時氣球施放高度最高；800g氣球，可以根據(jù)氣球?qū)嶋H重量分別增加50g～100g凈舉力為好，在不同降水強(qiáng)度天氣，增加凈舉力最大不應(yīng)超過1 000g，分析動態(tài)考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，超過此范圍，氣球施放高度將大大降低。

2.6 凈舉力對氣球升速的影響

采用線性趨勢分析方法得出800g氣球無雨天凈舉力與氣球升速的成對數(shù)關(guān)系。

y=20.209ln(x+301.9)

當(dāng)氣球凈舉力達(dá)到約1 800g時，氣球升速較大，當(dāng)氣球凈舉力大于1 800g時，氣球升速變化緩慢，施放高度降低，說明氣球升速達(dá)到一定大小時，再增加凈舉力無益，還造成氫氣資源的浪費(fèi)。

通過800g氣球動態(tài)考核與750g氣球探空施放平均高度的對比看出，雨天和晴天等情況下，凈舉力大小與升速所符合的對數(shù)關(guān)系不一樣。各地應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鈿夂驅(qū)嶋H情況認(rèn)真研究適合本地的雨天的氣球凈舉力的大小。

2.7 不同探空施放高度的有效率分析

表4是5個高空站800g氣象氣球動態(tài)考核期間探空施放平均高度，以及在各個高度上的有效率分析，由此可以對800g氣象氣球探空施放平均高度進(jìn)行穩(wěn)定性對比分析。

從表4中可以看出，5個動態(tài)考核高空站的800g氣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為86.6%。32 000m以上的有效率77.5%，750g氣象氣球的探空施放高度在28 000m～32 000m，28 000m以上有效率80%。結(jié)論：800g氣象氣球探空施放高度高、有效率高，穩(wěn)定性好。

表4 800g氣象氣球施放記錄總結(jié)

3 小結(jié)

上午(08時)800g與750g氣球探空施放高度比下午(20時)要高；各種天氣探空施放高度從低到高排列順序?yàn)椋河晏旌痛笥?m/s風(fēng)天<陰天<多云天氣<少云天氣<晴天。

750g氣球探空施放高度穩(wěn)定性范圍在28 000m～32 000m,平均29 500m,28 000m以上有效率較高，達(dá)到80%。800g氣球探空施放高度穩(wěn)定范圍在32 000m～36 000m，平均值為33 000m左右，30 000m以上有效率較高，達(dá)到86.6%。800g氣象氣球探空施放高度高、穩(wěn)定性好、有效率高。

通過5個高空站800g氣象氣球動態(tài)考核結(jié)果橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)：晴天、少云、多云及陰天氣球凈舉力掌握在約1 500g最好。有小雨天凈舉力掌握在1 800g～2 200g最好，雷陣雨或雨強(qiáng)較大的天氣凈舉力掌握在2 200g～2 600g最好。750g氣球，在不同天氣情況下，比800g氣球的凈舉力相應(yīng)減少50g～100g左右即可。

建議株洲橡膠塑料工業(yè)設(shè)計院開展雨天高濕度天氣用球的研究，特別是對臺風(fēng)等強(qiáng)對流天氣氣象用球的研究，提高應(yīng)對惡劣天氣的抗擊能力，進(jìn)一步提高氣象氣球的升空穩(wěn)定性，提高我國高空業(yè)務(wù)的探測質(zhì)量。

本次試驗(yàn)五個動態(tài)考核試驗(yàn)探空站800g氣球探空施放平均高度33 371m,最低平均高度32 272m,最高平均高度為34 174m,所有考核站均達(dá)到并超過30 000m探空施放高度的業(yè)務(wù)要求。