程正飛,陽(yáng)小群,鄭皖生,董方有
(安慶市氣象局,安徽安慶 246400)
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不同氣象條件下探空氣球的充灌
程正飛,陽(yáng)小群,鄭皖生,董方有
(安慶市氣象局,安徽安慶 246400)
控制探空氣球升速是提高高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。分析多種天氣形勢(shì)和天氣現(xiàn)象對(duì)氣球升速的影響,總結(jié)不同氣象條件下調(diào)整氣球充氣量的依據(jù),為提高高空氣象探測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量提供參考。
高空氣象探測(cè);氣象條件;氣球升速;凈舉力
根據(jù)2015年1月1日實(shí)施的《地面高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)綜合質(zhì)量考核辦法(試行)》,其中“觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量指數(shù)”有關(guān)氣球施放高度的指標(biāo)有兩項(xiàng):探空平均高度和測(cè)風(fēng)平均高度(各占15分)[1]。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展, 先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化業(yè)務(wù)軟件的使用,各臺(tái)站的業(yè)務(wù)質(zhì)量都有了較大提高,在全國(guó)高空氣象臺(tái)站的綜合業(yè)務(wù)評(píng)分中,各臺(tái)站的報(bào)文資料質(zhì)量、探測(cè)環(huán)境、儀器設(shè)備、規(guī)章制度等方面評(píng)分值不相上下, 探空高度和雷達(dá)測(cè)風(fēng)高度成為決定綜合業(yè)務(wù)分值高低的決定因素[2]。目前我國(guó)高空氣象探測(cè),大都采用氫氣球攜帶探空儀升空,氣球在飛升過(guò)程中,探空感應(yīng)元件不斷地感應(yīng)周?chē)髿獾臍庀笠刈兓?。為了確保垂直方向溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,《常規(guī)高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》要求高空探測(cè)氣球的升速需控制在400 m/min左右。凈舉力(充氣量)大小決定氣球的升速,凈舉力較大是氣球提早爆炸的主要原因,合適的氣球升速,既能保證探測(cè)的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠,又能使氣球達(dá)到最佳球炸高度[2]。可見(jiàn)控制氣球升速是提高高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。正常天氣條件下,值班員一般能夠把握充氣量控制氣球升速,以獲得較高的探測(cè)高度,在復(fù)雜天氣條件下,充氣量過(guò)多過(guò)少都會(huì)造成氣球過(guò)早爆炸,需要根據(jù)天氣實(shí)況具體分析。如何控制氣球升速,使氣球達(dá)到最佳球炸高度,安慶探空站探索和總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果,近幾年高空探測(cè)平均高度都超過(guò)了28 600 m。
1.1 與探空儀感應(yīng)元件滯差的關(guān)系
探空儀感應(yīng)元件的溫度滯差為
ΔT=-λ dT/dt=-λ γ W。
(1)
式中λ為溫度元件自身滯后系數(shù),γ為大氣溫度直減率(℃/m),W即氣球升速(m/s)。
由式(1)可知,氣球升速W與探空儀溫度的滯后誤差成正比。速度太快將引起感應(yīng)元件的滯后誤差較大;速度過(guò)慢,則使探測(cè)時(shí)間延長(zhǎng),水平飄移過(guò)遠(yuǎn),使探測(cè)數(shù)據(jù)失去代表性。氣球升速W直接影響探空儀的探測(cè)精度即高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可用率。
1.2 與氣球施放高度的關(guān)系
氣球是由0.1~0.2 mm厚度的橡膠制成,具有一定的抗拉力和爆破直徑。在高空氣象探測(cè)前對(duì)氣球充入氫氣,產(chǎn)生凈舉力。施放后,隨著高度增加,氣壓減小,氣球?yàn)楸3謨?nèi)外壓差平衡而膨脹體積增大,當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí),氣球直徑超過(guò)爆破直徑,氣球就會(huì)破裂即球炸,探測(cè)終止。凈舉力的大小直接影響高空氣象探測(cè)高度。
1.3 影響氣球升速的因子
氣球升速公式[3]為
(2)
式中ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度,ρ為實(shí)際大氣密度,A為凈舉力,B為球皮及附加物質(zhì)量,b1為升速系數(shù)。氣球充灌完畢后,A、B基本上不變。b1和ρ與大氣狀態(tài)有關(guān)。
由式(2)可知,W是隨空氣密度ρ的減小而緩緩增大的。ρ=RP/T,與空氣的溫度T、壓力P即大氣狀態(tài)有關(guān)。b1與空氣阻力相關(guān),上升氣流使b1增大,下沉氣流使b1減小,對(duì)氣球升速影響較大。ρ和b1主要受氣球施放時(shí)天氣狀況的影響,不能人為控制,只有通過(guò)改變靜舉力來(lái)控制氣球升速。
凈舉力A為氣球的總浮力減去球皮及附加物質(zhì)量B,它是上升的源動(dòng)力。由式(2)可知,A大則W大,A小則W小。B一般大致相同,A的大小取決于充氣量的多少,探空員在充球時(shí)利用砝碼來(lái)確定充氣量,是人為控制氣球升速的關(guān)鍵。
根據(jù)安慶站2014年1月1日至2016年7月31日1 880多份高空觀(guān)測(cè)記錄,利用軟件提取記錄中天氣現(xiàn)象、凈舉力、氣球平均升速、探測(cè)終止高度等數(shù)據(jù)。分析當(dāng)日08、20時(shí)天氣圖,了解放球時(shí)測(cè)站所處天氣系統(tǒng)。對(duì)有強(qiáng)對(duì)流天氣、明顯的冷鋒過(guò)境、明顯高空槽(脊)、降水時(shí)的氣球升速進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到不同天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象與氣球的凈舉力、平均升速、探測(cè)平均高度的關(guān)系(表1)。
表1 2014-01—2016-07安慶站不同氣象條件下氣球的凈舉力、平均升速、探測(cè)平均高度
2.1 強(qiáng)對(duì)流天氣
統(tǒng)計(jì)時(shí)規(guī)定07—08時(shí)或19—20時(shí)小時(shí)降水量大于等于10 mm,并伴有雷電天氣現(xiàn)象為強(qiáng)對(duì)流天氣。安慶每年4—9月均有可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣,根據(jù)雷暴中氣流特征,云內(nèi)伴有較強(qiáng)的垂直氣流,有上升區(qū)和下沉區(qū)。當(dāng)氣球處于氣流上升區(qū)時(shí),空氣對(duì)其阻力大為減小,氣球在上升氣流的作用下,升速增大180~360 m/min是常見(jiàn)的,最大上升速度可達(dá)900 m/min以上[4]。氣流下沉區(qū)常伴有降水,下沉氣流速度與上升氣流量級(jí)相近,造成氣球升速減少40%~90%(圖1中高度4.7~5.7 km段),甚至使氣球下沉以致達(dá)不到500 hPa的探測(cè)高度而重放球或缺測(cè)。例如,1988年5月19日19時(shí)安慶站遇強(qiáng)雷暴,連放3個(gè)球,都因氣流下沉達(dá)不到500 hPa,造成記錄缺測(cè)。2016年6月1日08時(shí),本站放球時(shí)逢強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程,氣球經(jīng)過(guò)上升氣流區(qū)到下沉氣流區(qū),造成1~5 km高度之間升速大幅變化(圖1)。氣流上升區(qū)氣球升速達(dá)630 m/min,氣流下沉區(qū)氣球升速不到100 m/min,這次充灌氣球的凈舉力是2 800 g,為正常天氣時(shí)1 400 g的兩倍,因此,如遇強(qiáng)對(duì)流天氣,探空值班員充灌氣球時(shí)應(yīng)首先考慮有足夠的凈舉力,以保證氣球過(guò)500 hPa,施放高度指標(biāo)就變得次要。由于氫氣灌的多,一般相應(yīng)的探空高度都不高。
圖1 2016-06-01T08安慶高空站氣球?qū)嶋H升速高度曲線(xiàn)
2.2 降水
氣球升速與降水強(qiáng)度有著直接的關(guān)系,氣球在較厚的降水云層飛升時(shí),球皮沾水,使上升阻力增大,相對(duì)凈舉力減小,氣球升速減慢。強(qiáng)降水常伴有下沉氣流,加上雨滴降落的阻力,甚至可使氣球下沉。因此,充灌氣球時(shí)如遇降水,必須增大充氣量,提高凈舉力[5],避免造成記錄下沉或重放球。由表1可看出,有降水時(shí),氣球的平均凈舉力為1 700g,比正常時(shí)增加了20%,平均升速比正常時(shí)小,只有343 m/min。
2.3 鋒面
鋒面過(guò)境時(shí)鋒面兩側(cè)氣流垂直運(yùn)動(dòng)不同,對(duì)氣球升速產(chǎn)生較大影響。特別是冬季,冷鋒前的負(fù)變壓區(qū)內(nèi),上升氣流對(duì)氣球上升運(yùn)動(dòng)有較強(qiáng)的加速作用,加速大小與負(fù)變壓強(qiáng)度及鋒面的移動(dòng)速度成正比。相反在冷鋒后的正變壓區(qū)內(nèi),下沉氣流對(duì)氣球上升起減速作用,垂直運(yùn)動(dòng)量級(jí)較小。從表1中可看出,本站處于冷鋒前,充灌氣球時(shí)可減少凈舉力10%~20%,反之如果處于鋒后正變壓區(qū),應(yīng)加大凈舉力10%左右。
2.4 高空槽脊
高空槽脊一般是指在500 hPa天氣圖上存在的脊或槽,槽前、脊后的負(fù)變壓區(qū)有上升氣流,槽后、脊前的正變壓區(qū)有下沉氣流。查閱天氣圖可知,槽脊的深厚程度,決定了上升或下沉區(qū)的厚度,上升或下沉區(qū)的厚度越大,對(duì)氣球升速的影響也就越大。
除以上天氣系統(tǒng)或天氣現(xiàn)象外,切變線(xiàn)、氣旋、反氣旋、低渦等天氣系統(tǒng)過(guò)境也會(huì)對(duì)氣球升速造成一定影響。
值班員在充球前,必須掌握當(dāng)時(shí)的天氣狀況,利用當(dāng)?shù)嘏R近預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖、天氣圖,或雷達(dá)回波、降水強(qiáng)度,分析本站當(dāng)時(shí)處在什么天氣系統(tǒng)中,判斷本站上空存在上升氣流還是下沉氣流,以及大氣垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度,確定充氣量。強(qiáng)對(duì)流天氣一般增加50%~60%的凈舉力,在冷鋒前和高空槽前且無(wú)降水時(shí)減少凈舉力10%~20%,冷鋒后及槽后、脊前下沉區(qū)增加凈舉力10%~20%;有降水要增加凈舉力,特別是遇強(qiáng)雷暴和強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)時(shí),首先考慮氣球過(guò)500 hPa,甚至推遲放球時(shí)間。總之根據(jù)天氣情況,做好充分的準(zhǔn)備,通過(guò)人為增加或減少充氣量,控制好氣球升速,以減少氣象因素對(duì)氣球升速的影響,提高高空氣象探測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量,同時(shí)獲得較理想的探空施放高度。
[1] 中國(guó)氣象局綜合觀(guān)測(cè)司.地面高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)綜合質(zhì)量考核辦法(試行)[S].2014.
[2] 王雯燕,唐文哲.高空氣象探測(cè)施放高度的差異分析[J].陜西氣象,2010(3):29-30.
[3] 常規(guī)高空氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范[S].北京:氣象出版社,2010:28.
[4] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學(xué)原理和方法[M].4版.北京:氣象出版社,2007:404-407.
[5] 盧雪勤,黃薈,羅雅,等.淺談高空氣象探測(cè)與天氣變化規(guī)律[J].氣象研究與應(yīng)用,2009,30(4):97-98.
程正飛,陽(yáng)小群,鄭皖生,等.不同氣象條件下探空氣球的充灌[J].陜西氣象,2016(6):47-49.
1006-4354(2016)06-0047-03
2016-08-02
程正飛(1964—),男,漢族,安徽桐城人,工程師,從事氣象綜合觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)。
安徽省氣象局2016年度科技發(fā)展基金項(xiàng)目(KM201605)
P414.1
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