兩種型號探空氣球施放高度的穩定性對比分析

戴玉芝

(呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010020)

2010年8月，中國氣象局《關于選取部分高空站點進行800g氣象氣球動態考核的通知》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設計院生產的800g氣象氣球開展高空氣象探測業務。考核目的：氣球的升空性能、上升高度是否滿足業務要求(30 000m以上)；動態試驗條件：靜舉力大小控制在適當范圍內，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設計院提供。

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設計院提供；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設計院提供；以及2011年～2020年呼和浩特站同期觀測高度數據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、穩定性等采用橫向對比和縱向對比方法進行分析，對氣球凈舉力、氣球升速、氣球探空施放高度之間的關系采用滑動平均和線性趨勢分析方法進行分析。

2 800g與750g氣象氣球探空施放高度的穩定性對比分析

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,所有考核站均達到并超過30 000m探空施放高度的業務要求。

其中單次氣球施放高度最高為呼和浩特高空站達到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定性較好。

表2 5個探空站新一代800g氣象氣球動態考核期間 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境因素統計分析

由表3看出，呼和浩特高空站氣球平均施放高度排列順序為：雨天和大于4m/s風天<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氣象氣球動態考核結果對比，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適當增加氣球凈舉力。

本次考核試驗期間，陽江站所在地區正是臺風多發季節，先后經歷了2010年第6號、8號、10號、11號臺風的影響，天氣條件比較惡劣復雜，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。通過分析發現：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，可以根據氣球實際重量分別增加50g～100g凈舉力為好，在不同降水強度天氣，增加凈舉力最大不應超過1 000g，分析動態考核試驗數據得出，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關系。

y=20.209ln(x+301.9)

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

通過800g氣球動態考核與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關系不一樣。各地應根據當地天氣氣候實際情況認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行穩定性對比分析。

從表4中可以看出，5個動態考核高空站的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%。結論：800g氣象氣球探空施放高度高、有效率高，穩定性好。

表4 800g氣象氣球施放記錄總結

3 小結

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為：雨天和大于4m/s風天<陰天<多云天氣<少云天氣<晴天。

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

通過5個高空站800g氣象氣球動態考核結果橫向對比，發現：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氣球的凈舉力相應減少50g～100g左右即可。

建議株洲橡膠塑料工業設計院開展雨天高濕度天氣用球的研究，特別是對臺風等強對流天氣氣象用球的研究，提高應對惡劣天氣的抗擊能力，進一步提高氣象氣球的升空穩定性，提高我國高空業務的探測質量。

本次試驗五個動態考核試驗探空站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,所有考核站均達到并超過30 000m探空施放高度的業務要求。