海流图低空风向特征与放球地点的分析

王晓东 陈瑞霞

摘要：在高空气象探测工作中，静风天气条件下的“气球过顶”事件时有发生，严重影响高空观测质量，本文通过分析流图探空站低空20142016年1月份地面静风天气条件下的测风数据，选取放球后第20 s和40 s时刻的高空风向，得出了低空300 m以下较为详细的风向频率，分析了地面主要风向与高空300 m之下的上层、下层风向之间的关系，总结了在地面静风条件下，海流图站的上空的风向随高度变化的一些规律，为找出海流图探空站在静风条件下的最佳放球地点提供了理论依据；同时对海流图站300 m下的地方性风向也有了更加详细的认识，便于指导人们预防和减小城市污染。

关键词：高空探测；过顶丢球；风向频率

在使用GFE（L）1型雷达进行高空气象探测工作中，“过顶丢球”是每个探空值班员最为头疼的事情之一，如果不能及时抓回丢失的气球，往往会造成测风记录较长时间缺测，对高空观测质量造成严重影响。特别是每年1月份，由于气候影响和天气的黑暗，问题尤为突出，例如内蒙古海流图站记录在20142016三年“过顶丢球”次数统计中，1月份出现“过顶丢球”频率就达到全部丢球次数的27%。导致“过顶丢球”最主要原因是微风天气下放球地点的选择不当造成的。因为按照高空气象观测业务手册要求，放球时应在雷达下风方向，但是当地面风速小的情况下，近地层风向由于受地形和其他因素影响变化很大，值班员很难判断风向以及气球升空后实际走向。因此本文主要从海流图探空站近年来，在小风条件下（放球时风速小于等于1 m/s）气球升空后的空中风向与地面主要风向之间规律来进行探究，从而找到最佳“放球地点”。

1 资料来源

本文资料来源于海流图探空站的测风秒数据，高空报表数据和地面分钟数据。主要利用20142016年1月份的高空瞬间风速小于1 m/s（放球时的地面风速≤1 m/s）的各时次记录共67个观测时次的记录和对应的地面分钟风向风速记录。

2 分析方法

2.1 过顶丢球记录的分析说明

通过20142016年1月份所有的丢球记录统计，数据表明放球后40 s前气球仰角达到65°以上（趋向于过顶）发生过顶丢球频率达到75%，说明在气球升空后的40 s内时间，是“气球过顶”发生的关键时段。另外，从艾克曼层中风向随高度变化关系[1]中，我们得知200 m高度风向与等压线之间的夹角明显变得较小。因此我们重点研究放球后40 s内，高空风向的变化情况。为方便研究，我们把这放球后的40 s时间的风向又分为三个时刻的风向，分别为“放球后0 s”的地面风向、 “放球后20 s”高空风向、“放球后40 s”高空风向（对应高度分别称为“地面高度风向”，“100 m高度风向”，“300 m高度风向”），以便更详细了解放球后这40 s的高空风向情况。其中， “地面高度”的风向是指从放球前8 h内地面分钟观测数据中的最大风速（大于2 m/s，当多个风速符合要求时，以靠近放球时刻优先）所挑取的最多风向；“100 m高度”和“300 m高度”风向的计算按照《常规高空气象观测业务手册》计算方法，[2]通过计算站心水平面上两个垂直投影点（放球后20 s和40 s时刻）至观测点连线所构成的夹角，再根据“手册”给出的规则计算得出。为了简化问题，根据实际需要，将十六方位风向合并为八方位风向，在上述三个高度上。

2.2 对放球地点的分析

通过对海流图站高空数据的统计分析，发现高空300 m以上盛行风向为偏西风。[3]这样就相当于知道高空气球走向多为自东向西，再结合海流图站雷达与放球地点的相对位置（以雷达为中心点，距雷达80 m ，方位280°设为C点；距雷达100 m，方位120°设为B点；距雷达70 m，方位210°设为A点，），只要我们知道高空300 m下大致风向，选择合适放球地点，使得气球在南北方向尽量远离雷达，就可以最大限度避免“气球过顶”的情况发生。

2.3 对各高度上风向频率的分析

为了解各高度风向概况，绘制了20142016年的1月份，放球瞬间时地面为静风（风速≤1 m/s）条件下的三个高度的风向频率图，即地面高度、距地面约100 m高度、距地面约300 m高度的三个不同高度的各风向频率图，如下图。

从上图中可以发现地面主要风向与距地约100 m高度的高空风向频率基本一致，主要风向均为NE、SE，两者频率之和都达到了60%以上。但是与距地约300 m高度的高空风向相差较大，上层主要风向为SW、SE、S，三个风向频率达73%。这说明在海流图1月份地面静风情况下，在高度约200300 m的高空，主要吹偏南风。我们把20142016年的海流图1月份距地面300 m的高空偏南风的频数按07时、19时分别进行统计，如表2。说明在19时观测时的上层偏南风概率很高，07时偏南风概率略低。

还有一个明顯的情况，当地面主要风向为偏南风时，高空上层往往也吹偏南风，通过对67个观测时次数据（包括07时和19时）的分析，发现当地面吹偏南风时，低空风向也吹偏南风的概率为94%，说明当地面出现偏南风时，上下层风向一致性概率很高，这一点在选择放球地点时也具有很高的参考价值。此外，当上一个高空观测的时次出现深厚的系统风时，也会直接影响到本次放球时的上层风向。

3 小结

①本文通过对高空测风数据更细的间隔划分，按照高空风向计算方法计算了在放球后40 s内两个高度的高空风向，得出了比高空业务软件计算出的更加细密的风向，了解了300 m以下高空风向的具体情况，为放球地点的选择提供了依据。②根据以上分析得出，在一般小风条件下，地面主要风向与距地面约100 m高度的高空风向多为东北风和偏东风，距地约300 m高度的高空风向多为偏南风，包括S，SE和SW。这与当地地面盛行风向（偏西北风）明显不一致，应属于地方性风，这种情况下，放球地点主要考虑高空上层风向，应多选择C放球地点；当地面主要风向出现偏南风向时，此时，地面与高层风向一致性最高，更应选择C放球地点。③此外，当放球时风小，但是在8 h内的地面主要风速出现4 m/s以上时，地面主要方向一般以上层风向一致，应当选择地面主要风向的下风方放球。④本文只分析了20142016年1月份的资料，由于气候变化有时不严格以月份划分，资料一致性难免有些误差，但是通过与有多年高空探测经验的人员探讨，本文所总结的规律与他们的经验基本相符，并且这些规律对整个冬季放球地点的选择也有借鉴意义。

参考文献：

[1]吕美仲.动力气象学[M].北京：气象出版社，2004.

[2]李伟，李柏，陈永清，等.常规高空气象观测业务手册[Z].北京：气象出版社，2011：2325.

[3]伍荣生.现代天气学原理[M].北京：高等教育出版社，1999.