海流圖低空風(fēng)向特征與放球地點的分析

王曉東 陳瑞霞

摘要：在高空氣象探測工作中，靜風(fēng)天氣條件下的“氣球過頂”事件時有發(fā)生，嚴(yán)重影響高空觀測質(zhì)量，本文通過分析流圖探空站低空20142016年1月份地面靜風(fēng)天氣條件下的測風(fēng)數(shù)據(jù)，選取放球后第20 s和40 s時刻的高空風(fēng)向，得出了低空300 m以下較為詳細(xì)的風(fēng)向頻率，分析了地面主要風(fēng)向與高空300 m之下的上層、下層風(fēng)向之間的關(guān)系，總結(jié)了在地面靜風(fēng)條件下，海流圖站的上空的風(fēng)向隨高度變化的一些規(guī)律，為找出海流圖探空站在靜風(fēng)條件下的最佳放球地點提供了理論依據(jù)；同時對海流圖站300 m下的地方性風(fēng)向也有了更加詳細(xì)的認(rèn)識，便于指導(dǎo)人們預(yù)防和減小城市污染。

關(guān)鍵詞：高空探測；過頂丟球；風(fēng)向頻率

在使用GFE（L）1型雷達(dá)進(jìn)行高空氣象探測工作中，“過頂丟球”是每個探空值班員最為頭疼的事情之一，如果不能及時抓回丟失的氣球，往往會造成測風(fēng)記錄較長時間缺測，對高空觀測質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。特別是每年1月份，由于氣候影響和天氣的黑暗，問題尤為突出，例如內(nèi)蒙古海流圖站記錄在20142016三年“過頂丟球”次數(shù)統(tǒng)計中，1月份出現(xiàn)“過頂丟球”頻率就達(dá)到全部丟球次數(shù)的27%。導(dǎo)致“過頂丟球”最主要原因是微風(fēng)天氣下放球地點的選擇不當(dāng)造成的。因為按照高空氣象觀測業(yè)務(wù)手冊要求，放球時應(yīng)在雷達(dá)下風(fēng)方向，但是當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速小的情況下，近地層風(fēng)向由于受地形和其他因素影響變化很大，值班員很難判斷風(fēng)向以及氣球升空后實際走向。因此本文主要從海流圖探空站近年來，在小風(fēng)條件下（放球時風(fēng)速小于等于1 m/s）氣球升空后的空中風(fēng)向與地面主要風(fēng)向之間規(guī)律來進(jìn)行探究，從而找到最佳“放球地點”。

1 資料來源

本文資料來源于海流圖探空站的測風(fēng)秒數(shù)據(jù)，高空報表數(shù)據(jù)和地面分鐘數(shù)據(jù)。主要利用20142016年1月份的高空瞬間風(fēng)速小于1 m/s（放球時的地面風(fēng)速≤1 m/s）的各時次記錄共67個觀測時次的記錄和對應(yīng)的地面分鐘風(fēng)向風(fēng)速記錄。

2 分析方法

2.1 過頂丟球記錄的分析說明

通過20142016年1月份所有的丟球記錄統(tǒng)計，數(shù)據(jù)表明放球后40 s前氣球仰角達(dá)到65°以上（趨向于過頂）發(fā)生過頂丟球頻率達(dá)到75%，說明在氣球升空后的40 s內(nèi)時間，是“氣球過頂”發(fā)生的關(guān)鍵時段。另外，從艾克曼層中風(fēng)向隨高度變化關(guān)系[1]中，我們得知200 m高度風(fēng)向與等壓線之間的夾角明顯變得較小。因此我們重點研究放球后40 s內(nèi)，高空風(fēng)向的變化情況。為方便研究，我們把這放球后的40 s時間的風(fēng)向又分為三個時刻的風(fēng)向，分別為“放球后0 s”的地面風(fēng)向、 “放球后20 s”高空風(fēng)向、“放球后40 s”高空風(fēng)向（對應(yīng)高度分別稱為“地面高度風(fēng)向”，“100 m高度風(fēng)向”，“300 m高度風(fēng)向”），以便更詳細(xì)了解放球后這40 s的高空風(fēng)向情況。其中， “地面高度”的風(fēng)向是指從放球前8 h內(nèi)地面分鐘觀測數(shù)據(jù)中的最大風(fēng)速（大于2 m/s，當(dāng)多個風(fēng)速符合要求時，以靠近放球時刻優(yōu)先）所挑取的最多風(fēng)向；“100 m高度”和“300 m高度”風(fēng)向的計算按照《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)手冊》計算方法，[2]通過計算站心水平面上兩個垂直投影點（放球后20 s和40 s時刻）至觀測點連線所構(gòu)成的夾角，再根據(jù)“手冊”給出的規(guī)則計算得出。為了簡化問題，根據(jù)實際需要，將十六方位風(fēng)向合并為八方位風(fēng)向，在上述三個高度上。

2.2 對放球地點的分析

通過對海流圖站高空數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)高空300 m以上盛行風(fēng)向為偏西風(fēng)。[3]這樣就相當(dāng)于知道高空氣球走向多為自東向西，再結(jié)合海流圖站雷達(dá)與放球地點的相對位置（以雷達(dá)為中心點，距雷達(dá)80 m ，方位280°設(shè)為C點；距雷達(dá)100 m，方位120°設(shè)為B點；距雷達(dá)70 m，方位210°設(shè)為A點，），只要我們知道高空300 m下大致風(fēng)向，選擇合適放球地點，使得氣球在南北方向盡量遠(yuǎn)離雷達(dá)，就可以最大限度避免“氣球過頂”的情況發(fā)生。

2.3 對各高度上風(fēng)向頻率的分析

為了解各高度風(fēng)向概況，繪制了20142016年的1月份，放球瞬間時地面為靜風(fēng)（風(fēng)速≤1 m/s）條件下的三個高度的風(fēng)向頻率圖，即地面高度、距地面約100 m高度、距地面約300 m高度的三個不同高度的各風(fēng)向頻率圖，如下圖。

從上圖中可以發(fā)現(xiàn)地面主要風(fēng)向與距地約100 m高度的高空風(fēng)向頻率基本一致，主要風(fēng)向均為NE、SE，兩者頻率之和都達(dá)到了60%以上。但是與距地約300 m高度的高空風(fēng)向相差較大，上層主要風(fēng)向為SW、SE、S，三個風(fēng)向頻率達(dá)73%。這說明在海流圖1月份地面靜風(fēng)情況下，在高度約200300 m的高空，主要吹偏南風(fēng)。我們把20142016年的海流圖1月份距地面300 m的高空偏南風(fēng)的頻數(shù)按07時、19時分別進(jìn)行統(tǒng)計，如表2。說明在19時觀測時的上層偏南風(fēng)概率很高，07時偏南風(fēng)概率略低。

還有一個明顯的情況，當(dāng)?shù)孛嬷饕L(fēng)向為偏南風(fēng)時，高空上層往往也吹偏南風(fēng)，通過對67個觀測時次數(shù)據(jù)（包括07時和19時）的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)孛娲灯巷L(fēng)時，低空風(fēng)向也吹偏南風(fēng)的概率為94%，說明當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)偏南風(fēng)時，上下層風(fēng)向一致性概率很高，這一點在選擇放球地點時也具有很高的參考價值。此外，當(dāng)上一個高空觀測的時次出現(xiàn)深厚的系統(tǒng)風(fēng)時，也會直接影響到本次放球時的上層風(fēng)向。

3 小結(jié)

①本文通過對高空測風(fēng)數(shù)據(jù)更細(xì)的間隔劃分，按照高空風(fēng)向計算方法計算了在放球后40 s內(nèi)兩個高度的高空風(fēng)向，得出了比高空業(yè)務(wù)軟件計算出的更加細(xì)密的風(fēng)向，了解了300 m以下高空風(fēng)向的具體情況，為放球地點的選擇提供了依據(jù)。②根據(jù)以上分析得出，在一般小風(fēng)條件下，地面主要風(fēng)向與距地面約100 m高度的高空風(fēng)向多為東北風(fēng)和偏東風(fēng)，距地約300 m高度的高空風(fēng)向多為偏南風(fēng)，包括S，SE和SW。這與當(dāng)?shù)氐孛媸⑿酗L(fēng)向（偏西北風(fēng)）明顯不一致，應(yīng)屬于地方性風(fēng)，這種情況下，放球地點主要考慮高空上層風(fēng)向，應(yīng)多選擇C放球地點；當(dāng)?shù)孛嬷饕L(fēng)向出現(xiàn)偏南風(fēng)向時，此時，地面與高層風(fēng)向一致性最高，更應(yīng)選擇C放球地點。③此外，當(dāng)放球時風(fēng)小，但是在8 h內(nèi)的地面主要風(fēng)速出現(xiàn)4 m/s以上時，地面主要方向一般以上層風(fēng)向一致，應(yīng)當(dāng)選擇地面主要風(fēng)向的下風(fēng)方放球。④本文只分析了20142016年1月份的資料，由于氣候變化有時不嚴(yán)格以月份劃分，資料一致性難免有些誤差，但是通過與有多年高空探測經(jīng)驗的人員探討，本文所總結(jié)的規(guī)律與他們的經(jīng)驗基本相符，并且這些規(guī)律對整個冬季放球地點的選擇也有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂美仲.動力氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2004.

[2]李偉，李柏，陳永清，等.常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)手冊[Z].北京：氣象出版社，2011：2325.

[3]伍榮生.現(xiàn)代天氣學(xué)原理[M].北京：高等教育出版社，1999.