影响贵阳市探空高度的特殊因子分析

闵昌红 吴有恒 周文钰

摘要 利用贵阳高空气象探测站2014—2016年L波段高空气象探测资料，对影响探空高度的特殊因子分布和探空高度影响程度等进行统计分析。结果表明，雨天占比11.7%，探空平均高度26 581 m，较无雨天气低1 818 m，约相当于探测高度从15 hPa降低了一个等压面至20 hPa；降水天气中，对探空高度影响大小依次为阵雨、中大雨、降雪类和小雨；无雨天气中不稳定的大气层结（如雷电）影响最大，其次为湿度较大的阴云天气；信号突失、信号不清在非球炸因素中影响频率高、探测高度低。本文分析了上述因子影响成因，有针对性地提出了减少净举力、优选气球和改善雷达性能等措施，为提高高空气象探测质量提供了有益参考。

关键词 高空气象；探空高度；特殊因子；分析；贵州贵阳

中图分类号 P412.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）19-0232-02

高空气象探测是气象观测的重要组成部分。常规高空气象探测站利用探空气球作为运载工具携带数字探空仪升空对高空大气进行探测，气球爆炸的高度就是一次探测资料的终止高度。探空高度反映探测资料的完整性，历来被高空气象工作者重视。通常在探空雷达运行正常、仪器和气球质量良好以及大气稳定的天气条件下，施放合适净举力可以获取探测高度>30 000 m高度的探测记录资料[1-2]。但是，在特殊因子（例如恶劣天气、仪器突失、气球质量不良）影响下，要获取比较高的探空记录绝非易事。

探空高度与天气变化密切相关。大雨、暴雨、雷电等恶劣天气及不稳定大气层结结构对施放高度影响明显[3-4]；雨雪天气必然要增大气球净举力，导致施放高度降低；探空气球进入积雨云强对流云团中提前爆炸、信号突失也时有发生；低温、雨雪、臭氧等改变静态条件下，气球拉伸强度、拉断伸长率等物理属性受到影响。恶劣天气时，应选择经过本站实践证明效果良好、质量优良的气球施放。

常规高空探测高度一般在30 km左右，这一大气层结处于对流层（0～18 km）和平流层下层（18～30 km）内，对流层是水汽集中、大气活动活跃及天气变化复杂的气层，对流层顶温度甚至小于-80 ℃。探空气球由天然乳胶或合成乳胶加上适量配合剂加工而成，是典型的高分子弹性材料。气球飞越这个高度的大气层会受到下列因素的作用。①升空过程中，受低温、低压、臭氧及紫外线等影响。低温或高温导致橡胶网状结构加速破坏出现交联和断链，减小气球的强度和弹性；臭氧和气球中的天然橡胶在紫外线催化作用下产生氧化反应，使气球表面形成裂纹影响气球性能。②净举力（充气量）影响升速和飞行高度，尤其是恶劣天气（如暴雨）条件下，充气量增加较多，气球爆炸高度低。③当测站天气系统处于转折、雷电天气等大气不稳定结构时，升空气球在剧烈变化的气流中翻滚，受力不均，提前爆炸。④不同厂家、不同批次、配方和生产工艺对气球的影响。⑤乳胶中的蛋白质易受潮变质，影响使用性能。

1 材料来源与分析方法

利用贵阳高空气象探测站2014—2016年L波段高空气象探测资料，对影响探空高度的特殊因子分布和探空高度影响程度等进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 球炸因素

贵阳站2014—2016年7：00、19：00共进行2 192次综合探测，其中球炸探空终止2 155次，占98.3%。平均高度28 186 m。图1给出了不同类型天气及探空平均高度的分布情况。

天气类型以探空施放瞬间（即施放前后5 min）观测记录进行统计。以有无降雨分类，无雨占比88.3%（1 902次），探空平均高度为28 399 m，平均升速409.6 m/min；有雨占比11.7%（253次），探空平均高度为26 581 m，平均升速399.6 m/min。雨天探空高度较无雨天气低1 818 m，相当于雨天较无雨天气探测高度从15 hPa降低了一个等压面（20 hPa）。从平均升速看，雨天升速接近于400 m/min，较无雨天气仅少10 m/min。雨天充气量（净举力）偏多，小雨净举力1 700～2 200 g、中雨2 200～3 000 g、大雨3 000～4 500 g比较合适。

2.1.1 降水。降水天气中占比大小顺序为中大雨7.9%（170次）、小雨2.7%（59次）、陣雨0.6%（12次）和雪类（雪、米雪或雨夹雪）0.6%（12次）；对探空高度的影响由大到小依次为阵雨（20 611 m）、中大雨（26 152 m）、降雪类（28 026 m）和小雨（28 738 m）。由此可以看出，并非所有降水天气都对气球飞行高度有较大的影响。例如，小雨天气探空平均高度达到了28 738 m，较无雨天气的平均高度28 399 m还高339 m；而阵雨天气探空平均高度仅为20 611 m，较雨天平均高度26 581 m低5 970 m，中大雨天气较小雨天平均高度低2 586 m。可见影响探空高度的第一因素是大气稳定度，第二因素是雨量。阵雨大气层结不稳定，探空高度最低；小雨天气气层很稳定，探空高度高。中大雨天气大气稳定度介于二者之间。从无雨天气分类统计中也可以看出这一点，例如雷电天气（本站无阵雨）6次记录中，平均高度仅为17 777 m，较阵雨高度20 611 m还低2 834 m，球炸高度很低，介于15 196～21 346 m之间，据此推断前者大气层结不稳定度较后者还强。在降水天气中气球平均升速从小到大依次为阵雨383.4 m/min、中大雨395.3 m/min、小雨412.4 m/min和降雪类414.1 m/min。

降水增加了气球上升阻力，增加净举力使气球爆炸高度降低，附着在气球表面的水分在穿越0 ℃结冰，带有冰层的球皮在上升膨胀过程中龟裂变形，受力不均，提前爆炸。例如，2014年、2016年探空平均高度分别为28 199、27 487 m，2014年5—6月、2016年6—8月降水集中时段探空平均高度分别为26 848、26 487 m，分别较年平均偏低1 351 m和1 000 m；高度最低值都出现在当年6月，分别为26 278、26 207 m。可见，雨季降水天气对探空高度质量影响比较明显。

2.1.2 无雨天气。无雨天气（1 902次）中，占比从大到小分别为阴（7<总云量≤10）60.36%（1 148次）、轻雾14.04%（267次）、晴（总云量≤1）11.36%（216次）、多云（3<总云量≤7）7.15%（136次）、少云（1<總云量≤3）3.63%（69次）、雾3.15%（60次）和雷电天气（本站无阵雨）0.32%（6次）。对探空高度影响程度最大为雷电（17 777 m），其次为阴天（28 115 m），再次为多云和轻雾（28 768～28 830 m），最后为少云天气、雾、晴天（29 011～29 049 m）。从中大致可以看出，空气湿度（阴晴天气）对施放高度的影响区别明显。若将阴天与非阴天（轻雾、晴、多云、少云、雾）（贵阳市雾、轻雾多为冬季形成的辐射雾和轻雾，低层水汽充足由夜间辐射降温形成，云散后多为晴好天气，故将二者归于非阴天类）作简单分类统计，探空平均高度分别为28 115、28 915 m，两者相差800 m，可见空气湿度较大对探空高度有明显影响。罗雄光等[5]分析认为，球炸高度同300 hPa后的最小相对湿度的线性拟合具有断层。雨天净举力增大，加大了气球载荷，穿越云层阻力增加、气球的高空遇水结冰都可能造成飞行高度降低[6]。

2.1.3 气球质量不合格。贵阳高空气象探测站使用气球为株洲和广州生产750 g标称气球，每个批次都按照《探空仪、气象气球质量管理办法》在有效期24个月内施放。按照管理办法定义为无雨天气探空高度<26 000 m为不合格，为了仔细了解探空气球在本站雨天的飞行高度，本文也将雨天探空高度<26 000 m归入不合格。

2014—2016年不合格气球总数为324个，占施放总数的14.8%；其中广州、株洲气球分别为210、114个。广州、株洲气球无雨天气不合格率占到了7成以上，分别为70.6%、74.6%；雨天在2成以上，分别为27.1%、21.1%，广州气球下雨天气不合格率较株洲的稍高。2种气球阵雨天气不合格率在2.4%～4.4%之间。由于样本数量差异和2种气球施放的季节天气差异，比如同样是雨天，大气层结稳定度对施放高度的影响有明显差别，因而本文对2种气球不作质量评判。分析只是对2种产品如何在本站天气条件下合理使用给出建议。由图2可以看出，2种气球分别在阵雨、雨天的平均高度差距不大，阵雨天气平均高度在17 000 m左右，雨天在19 000 m左右；但是无雨天气条件下，株洲气球平均飞行高度较广州气球高1 500 m左右。根据经验，并结合本地天气特点，阵雨、雨天或者气层不稳定，使用株洲气球效果较广州好，而秋冬无雨或者大气层结稳定下使用广州气球施放高度也比较理想。

2.2 非球炸因素

2014—2016年7：00、19：00等非球炸因素终止共37次，占1.7%，平均高度14 210 m。非球炸因素中，信号突失、信号不清（图3）为主要原因（83.7%），主要是因为仪器、雷达性能下降、地面基测、电池浸泡、天气等降低了探空高度，导致探空高度最低，信号突失、信号不清2类探空平均高度<13 000 m，影响频率和程度分别排在第1位和第2位。

3 结论与讨论

通过以上分析，信号突失、信号不清等非球炸因素终止数量极少（仅占1.7%），但获得的探空资料最少，平均高度仅为14 210 m，避免和减少这类因子的办法要充分做好探空雷达的维护维修，使其处于良好工作状态，在基测等地面工作中严格按照规范操作，对施放探空仪进行仔细检查和调试。阵雨和雷电天气，气球在16 500～18 000 m之间爆炸的概率较大，这一高度在第二对流层顶附近（2014—2016年贵阳市第二对流层顶平均高度为16 846 m）。由于对流层顶是介于对流层和平流层二者之间的过渡层，大气急流、臭氧层顶、积雨云顶的垂直发展等与其位置强度变动有着密切的关系。气球尤其受到密集降水的影响而改变其在静态状态下的物理属性[7]后穿越对流层和扰动强盛的对流层顶容易提前爆炸，这就要求探空员必须选择好疏水性等质量最好的气球，在允许施放的时间内把握好放球时间和尽量避免气球进入对流云团中心。持续的中大雨天气，大气稳定度介于对流性天气和单一气团控制之间，只要掌握好雨量强弱合适的充气量即可，中到大雨可参考净举力在2 500～4 500 g之间、小雨天气净举力在2 000～2 500 g之间比较合适。阴、晴、少云、无雨天气条件的净举力，作为本课题的一部分作了专题研究，不再赘述。

4 参考文献

[1] 中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京：气象出版社，2010.

[2] 中国气象局.高空气象观测业务质量考核办法[M].北京：气象出版社，2010.

[3] 潘志祥，李艾青，李余粮，等.高空气象观测[M].北京：气象出版社，2015.

[4] 中国气象局监测网络司.L波段（1型）高空气象探测系统业务操作手册[M].北京：气象出版社，2005.

[5] 罗雄光，吴华斌，殷宏南.结合第8届国际探空仪系统比对试验探讨国产气球施放高度[J].气象科技，2012，40（4）：520-524.

[6] 李茂，马佩强，谢近年，等.探空仪探测高度的影响因子分析[J].气象水文海洋仪器，2014，31（2）：42-47.

[7] 国防科学技术工业委员会.气象气球试验方法：GJB 987A—1998[S/OL].[2018-05-16].http：//www.doc88.com/p-3903878776543.html.