凈舉力對探空高度的影響分析
——以貴陽探空站為例

閔昌紅，吳興洋，翁 玲，何肖國，柯利平

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 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

高空氣象探測是綜合氣象觀測的重要組成部分，高空氣象資料是天氣預報和氣候分析的基礎資料。探空高度是指探空氣球的球炸高度，它反映獲取高空探測資料的多少和完整性，歷來為高空氣象探測規定的重要考核指標之一[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，與不同臺站不同天氣狀況密切相關，有許多分析總結值得借鑒[3-9]。目前我國120個常規高空氣象探測站使用L波段高空探測系統，隨著高空探測技術的發展，儀器和探空氣球性能的改進，全國高空氣象探測站探測高度都有不同程度提高，從最近兩年全國探空質量通報情況，我站探空高度提高速度偏低，影響了在全國排名。本文利用2014—2016年貴陽高空探測資料，分析了凈舉力對升速及探空高度的影響，并由此提出業務改進方案。

2 資料和方法

2.1 資料

本文所用資料為貴陽探空站2014—2016年07時、19時L波段雷達高空探測資料。規定等壓面氣壓、溫度、升速及終止氣壓從觀測數據文件G文件中提取，終止原因、球炸高度來源于工作軟件產生的對應值班日志。剔除未炸因素(突失、儀器故障、雷達故障)、天氣因素(雨)和球炸偏低記錄。選擇探空觀測到球炸，同時探空高度≥26 000 m的記錄進行分析。

2.2 探空方式

貴陽探空站使用GFE(L)1型二次測風雷達系統，探空儀使用上海長望氣象儀器廠GTS1型數字探空儀，目前使用33 m的探空繩(135 g)或大風放球器(58 g)施放,為簡化分析，GTS1型探空儀系統施放前附加物重量取多個平均為520 g，氣球為湖南株洲或廣州生產的規格750 g乳膠氣球，重量為750±50 g。貴陽探空站實際凈舉力控制在2 480～2 980 g之間。

2.3 計算方法

凈舉力分析采用《規范》公式[8]為：

(1)

式(1)中：W0為標準密度升速值(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)，本站取多個平均，B=1 270 g，b1是A的函數：b1=f(A),常規高空探測中b1≈96.2。

3 結果分析

3.1 探空氣球升速值隨規定等壓面變化特征

L反映了氣球升速的高度變化。施放前，A、B已經確定，故氣球的升速與所在高度的空氣密度ρ(P,T)相關。通過計算,同一規定等壓面上L值在不同時次和月份并無顯著差異,19時值因空氣受太陽輻射溫度相對07時較高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,變化越來越小,從L值的月份變化來看,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,變化越來越小。因此，以2014—2016年L平均值隨著高度(規定等壓面)變化值可以滿足本研究的需要。

表1 貴陽站L平均值隨著高度(規定等壓面)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高度增加，本站從地面到850 hPa,實際升速小于標準密度升速，850 hPa以上，實際升速大于標準密度升速，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 貴陽站月平均升速分布特征

3.2.1 貴陽站07時、19時月平均升速與探空施放高度 從統計時段分析，07時平均升速標準偏差9.6，19時平均升速標準偏差7.6，07時升速的波動幅度稍大。07時、19時平均升速分別為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時平均升速僅比07時多4.9 m·min-1，探空平均高度19時卻低427 m。分析其原因，我站07時充氣通常習慣比19時要早，氣球施放時，實際氫氣泄漏量比19時稍多，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數關系，隨著高度增加，即使凈舉力增加過多，升速增大也并不明顯，反而因凈舉力過大而影響了氣球的爆炸高度。19時施放探空氣球時，太陽輻射加熱空氣，湍流和上升氣流強于07時。即使空氣密度相同，充氣凈舉力相等，平均而言，19時升速快于07時，故通常19時凈舉力要小，無雨或多云天氣，19時可減少300 g左右，晴天可減500 g。

3.2.2 貴陽站月平均升速季節分布特征 圖1為貴陽站月平均升速隨季節變化曲線圖。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變化。以07時為例，秋冬季節，由于空氣相對干燥，氣球穿越0 ℃層后，表面結冰少，重量輕，升速快；春夏兩季，空氣濕度大，氣球表層附水和結冰，重量增加，升速慢。如2014年07時平均升速最大值為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。考慮到07時平均探空高度29 873 m,此高度上，若每增減200 g凈舉力，實際升速平均增減9～13 m·min-1，故從季節角度來分析，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變化曲線Fig.1 2014—2016 monthly average rise speed curve with seasonal variation

3.2.3 貴陽站月平均升速與探空施放高度的相關性 由于氣球升速影響因子較多，施放高度與氣球升速不是簡單線性關系。圖2為貴陽站月平均升速與探空平均高度變化曲線。07時、19時平均升速與探空高度相關系數分別為0.48、-0.21，相關性并不明顯，07時呈現正相關關系，19時為較弱負相關。07時升速慢高度低，升速快高度高。這是因為氣球的實際升速隨著高度飛行越高越來越快。如果球炸高度較低，則實際平均升速并不快。以我站為例，氣球100 hPa左右實際升速僅為360～380 m·min-1。所以參考升速變化還要依據施放的高度來調整凈舉力。

圖2 貴陽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 貴陽站凈舉力估算

3.3.1 兩種理論升速凈舉力估算 圖3計算了兩種假定升速(400 m·min-1、360 m·min-1)條件下貴陽站平均凈舉力理論值以及實際平均升速下的凈舉力理論計算結果。從圖中可以看出，若假定升速為400 m·min-1，07時、19時平均凈舉力分別在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、19時平均凈舉力分別在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)的季節變化帶來的凈舉力變化差異較小，最大相差也僅為64 g。實際工作中，幾乎可忽略不計，這就造成了探空員在控制凈舉力提升高度時，基本沒有考慮到實際凈舉力的季節變化，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 貴陽站平均升速下的凈舉力估算 圖3中我們還給出了實際平均升速計算的理論凈舉力，07時、19時平均凈舉力分別在1 656～2 135 g、1 692～2 101 g，平均分別為1 865 g、1 910 g。 07時、19時平均升速分別為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。實際上，貴陽站實際施放凈舉力通常在2 500 g左右，故實際增加的約600 g凈舉力使探測高度降低，升速并無提高太多。

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時計算不同凈舉力下的升速變化。以統計時段(2014—2016年)不同等壓面的溫度、氣壓計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，則貴陽站統計時段內平均凈舉力為2 600 g左右。根據實際業務工作，我站的砝碼通常在2 000～2 500 g之間，則實際凈舉力為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。若當凈舉力A>3 000 g,探空高度>15 hPa,或當凈舉力A>2 400 g,探空高度>10 hPa以上，升速將超過600 m·min-1。按照規范要求，此后的記錄當作刪除處理。故在晴天無雨或者上升氣流較強的天氣條件下，凈舉力不宜超過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，獲取完整的觀測記錄，又能使探空儀感應元件在合適的通風條件下獲取準確的探測記錄，保證綜合觀測平均升速控制在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，貴陽站目前凈舉力實際控制范圍2 480～2 980 g下，無雨天氣，氣球為正品(球炸高度>26 000 m)，施放平均高度雖超過28 600 m,但平均未達到30 000 m高度。凈舉力普遍較大，從統計數據來看，平均升速超過400 m·min-1，實際凈舉力范圍使得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高度。故本站氣象條件下，凈舉力應當小于2 300 g。當凈舉力分別為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時探測高度較07時低，穩定性差，主要是19時空氣受午后加熱，空氣穩定性較07時差，氣流上升運動增強，對流亂流加強使得氣球在翻滾中受力拉伸所致。

4 小結

①研究表明，本站氣球升速隨著探測高度增加，至10 hPa附近，升速接近地面層附近兩倍。故應當根據升速特點，合理使用凈舉力，避免升速超過規范要求從而降低探空高度。

②凈舉力偏大降低了探空高度，忽略了時次和季節天氣變化對凈舉力的合理控制。無雨、陰天、多云，19時可減少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，探測高度可在目前基礎上提高約3 100 m、1 600 m、800 m。

④本文結論根據月平均資料得出，每個觀測個例可在參考分析結論的基礎上進行訂正，不適用于暴雨等特殊天氣。