高空探測(cè)氣球施放高度因素探討

薛邦貴，劉永強(qiáng)，馬 良，曾學(xué)良

(1.甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020；2.中國化工株洲橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司，株洲 412003)

0 引言

全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)(Global Climate Observing System，GCOS)啟用1600 g氣球以來，探空業(yè)務(wù)技術(shù)有了長足發(fā)展，基本滿足預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的需求，探測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、探測(cè)項(xiàng)目更加多元化，得到了GCOS秘書處對(duì)中國探空業(yè)務(wù)質(zhì)量的認(rèn)可[1，2]。但現(xiàn)行探空能力與GCOS探空要求還存在差距，除了探空儀傳感器和雷達(dá)測(cè)風(fēng)準(zhǔn)確度不高之外，1600 g氣象氣球施放高度合格率偏低(世界氣象組織要求達(dá)到35 km以上)。文章通過對(duì)2013—2019年甘肅省民勤GCOS站施放高度低于35 km探空氣球數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出每年低于35 km探空氣球數(shù)量的分布規(guī)律，分析影響施放高度的主要因素，從而提出提高施放高度的對(duì)策和建議[3，4]。

1 探空氣球施放高度和氣溫特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 低于35 km數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)民勤探空氣球施放高度低于35 km的數(shù)量平均每年約占20%(年標(biāo)準(zhǔn)用量按750個(gè)計(jì)算)，且每年具有一定規(guī)律，分布趨勢(shì)基本相同：呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，夏季低于35 km次數(shù)最少，約占年平均施放量的14%，6月份最少，7 a合計(jì)50個(gè)，施放效果最佳；春秋季次之；冬季最多，平均每年占28%，1月份最多，7 a年合計(jì)135個(gè)。

很顯然，施放高度受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊憞?yán)重，特別是氣溫對(duì)氣球性能影響不容忽視；另外，據(jù)本站值班記錄員觀測(cè)高度數(shù)據(jù)可知，80%施放高度低于35 km的情況均與特殊天氣現(xiàn)象有關(guān)，主要是大風(fēng)、多云、陰天和雨雪天氣。

1.2 民勤近7 a氣溫特點(diǎn)分析

民勤縣地處甘肅省河西走廊東北部，溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，大陸性沙漠氣候特征十分明顯，冬冷夏熱、降水稀少、光照充足、晝夜溫差大。

民勤縣1月月平均溫度最低，7月最高。1—7月平均溫度逐漸升高，7—12月逐漸降低。1月份平均氣溫在-5～-9.5 ℃，最不適合放球，施放高度低于35 km數(shù)量最多(135個(gè))；6月份平均氣溫在21～23 ℃，最適合放球，施放高度低于35 km數(shù)量最少(50個(gè))。

1.3 民勤GCOS站近7 a溫度極值統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，民勤縣年最高溫度平均38.14 ℃，年最低溫度平均-19.57 ℃。說明1 a之內(nèi)溫差大，晝夜溫差大。而極高、極低氣溫對(duì)氣球倉儲(chǔ)保管有很大影響。

2 影響氣球施放高度的主要因素

2.1 氣球組成成分和物理特性

氣球的主要成分是天然膠乳，因制作工藝和產(chǎn)品性能需要，還需加入各種配合劑：如穩(wěn)定劑、硫化劑、防老劑等非橡膠成份。

2.1.1 蛋白質(zhì)和吸水材料與濕度有關(guān)

氣球含有0.1%～0.3%天然或添加的蛋白質(zhì)，在潮濕的環(huán)境下，蛋白質(zhì)容易出現(xiàn)變質(zhì)，影響使用性能；除此，氣球中吸水材料吸收水分后，也會(huì)影響使用性能。

2.1.2 硫化分子網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)

為了滿足氣球所必需的強(qiáng)度和彈性，在制作過程中，加入適量的硫化劑、硫化促進(jìn)劑和活性劑(柔軟劑)，使其在一定的溫度、壓力條件下快速硫化——分子間形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在常溫下處于交聯(lián)和斷鏈的平衡狀態(tài)，使氣球在對(duì)流層頂遇到低溫時(shí)球皮不會(huì)凍結(jié)變硬，可以考慮在白天和夜間用不同氣球，選擇不同柔軟劑添加量[5]。當(dāng)外界溫度過高，會(huì)加速這一過程的反應(yīng)，導(dǎo)致橡膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞，出現(xiàn)熱老化、龜裂等老化現(xiàn)象；在氣溫過低的情況下，橡膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也會(huì)受到影響使氣球失去原有的彈性，從而影響氣球的使用性能。

2.1.3 天然橡膠的氧化反應(yīng)

天然橡膠與空氣中少量的臭氧會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，在紫外線的催化作用下也會(huì)與氧反應(yīng)。若氣球充氣后長時(shí)間暴露在氣溫高或紫外線很強(qiáng)的室外，此種反應(yīng)速度更快。氧化反應(yīng)使氣球表面形成微小的裂紋，影響性能。

2.2 氣球倉儲(chǔ)保管環(huán)境

氣球乳膠研究和氣象主管質(zhì)檢部門多年測(cè)試證明，倉儲(chǔ)環(huán)境條件與氣球質(zhì)量息息相關(guān)。目前，許多臺(tái)站倉庫未按標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，未配置控溫控濕設(shè)備，因此氣球基本處于天然溫濕狀態(tài)，特別是冬夏季溫差極大，濕度環(huán)境也不穩(wěn)定。加之部分保管人員未嚴(yán)格按照“先進(jìn)先用”原則，造成氣球積壓、碼垛倉儲(chǔ)不規(guī)范等，都會(huì)造成氣球老化或吸水變性，影響施放高度。

2.3 充灌氣球方法不當(dāng)影響施放高度

GCOS探測(cè)氣球使用的氫氣是比重最輕的氣體而且對(duì)其純度要求也比較高。以下情況均會(huì)影響施放高度：氣球充氣前，外觀檢查不到位，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)沙眼、大折皺、薄厚不均勻、球嘴長度和彈性較小等現(xiàn)象；未采取冬季保暖夏季防曬措施；充氣過程中對(duì)凈舉力指標(biāo)和凈舉力計(jì)算方法掌握不全面，沒有嚴(yán)格按照《氣象氣球使用說明書》進(jìn)行規(guī)范操作等行為均會(huì)影響施放高度。充氣速度過快且氣量不穩(wěn)定，球皮受力不均[6-8]。

2.4 特殊天氣現(xiàn)象

高濕度、大風(fēng)、雨雪等特殊天氣狀況也會(huì)影響GCOS探空氣球升速，進(jìn)而影響氣球施放高度。當(dāng)天氣陰冷云層較厚時(shí)，氣壓較低，氣球升速較慢，探測(cè)高度較低。雨雪天氣，氣球在上升過程中球皮表面附著雨雪，會(huì)出現(xiàn)升速慢，高度低的現(xiàn)象，而且上升途中會(huì)受到雨、雪等的阻礙，也會(huì)影響探測(cè)高度。雨雪、大風(fēng)天氣施放氣球會(huì)因天氣影響對(duì)球體造成大尺度抻拉以及增加球體重量，從而影響探空氣球上升速度，造成施放高度的降低。

綜上所述，影響GCOS站1600 g氣球施放高度的主要因素可概括為：對(duì)溫濕等氣象要素敏感的氣球固有組成成分及特性；倉儲(chǔ)保管環(huán)境條件；充灌氣球的經(jīng)驗(yàn)方法技巧及高濕度、大風(fēng)、雨雪等特殊天氣等。

3 提高施放高度的對(duì)策和建議

3.1 加快應(yīng)用改進(jìn)型氣球

建議生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)把天然乳膠原料質(zhì)量關(guān)，研究出科學(xué)合理的氣球成份配方，完善生產(chǎn)工藝，降低生態(tài)環(huán)境粉塵污染，優(yōu)化現(xiàn)有氣球成分特性，使其更好地適應(yīng)溫度、濕度和有氧環(huán)境。例如，及早推廣使用1600 g改進(jìn)型(NSL-35)探空氣球，在全天候氣候條件下，平均球炸高度36 km以上，升空高度35 km以上有效率高于85%。

3.2 改善氣球倉儲(chǔ)保管環(huán)境

貯存氣球的庫房應(yīng)通風(fēng)良好，陰涼干燥，溫濕條件為：室內(nèi)溫度保持在10～25 ℃；相對(duì)濕度保持30%～70%為宜。裝備包括供電、給排水、通信網(wǎng)絡(luò)、采暖(制冷)、通風(fēng)、除濕、安保、視頻監(jiān)控、消防、防雷、防鼠和射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)等。

氣球應(yīng)放置在距離地面20 cm的托盤上，堆垛不易過大，垛間應(yīng)有適當(dāng)距離，每3個(gè)月至少倒垛翻箱1次。使用時(shí)遵循先到先用原則，防止積壓過期老化，一般在出廠后24個(gè)月內(nèi)保持最佳性能。避免陽光直射、雨雪浸淋，保持干燥清潔，禁止與酸、堿、油脂類、有機(jī)溶劑以及其他危害橡膠性能的物質(zhì)接觸，并與熱源保持2 m以上距離。

3.3 熟練掌握氣球充灌方法及技巧

保持氣球有合理的充氣量(用凈舉力表示，約1800 g)，凈舉力指標(biāo)和凈舉力計(jì)算方法參見《氣象氣球使用說明書》，凈舉力，即探空氣球充灌氫氣的量。保證氣球從升空到“球炸”，氣球膨脹的倍數(shù)為5倍，在地面施放狀態(tài)，球皮的厚度一般應(yīng)在0.1～0.2 mm。

氣球充氣前面，先進(jìn)行外觀檢查，做好施放前合格性檢查，充氣時(shí)應(yīng)先將氣球平鋪在地面，然后緩慢打開閥門，使充氣流量保持均勻，當(dāng)球體膨脹后，減緩充氣速度使球皮慢慢脹大，保證球皮受力均勻；充灌過程中暫停并仔細(xì)檢查氣球有無砂眼造成的漏氣現(xiàn)象。

3.4 提高特殊天氣施放高度對(duì)策

當(dāng)天氣陰冷云層較厚時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整探空氣球的充氫量。一般情況下，陰雨天氣要比平時(shí)(晴天少云)多充10%～20%的氫氣。施放氣球時(shí)應(yīng)盡量避開大雨或雷暴時(shí)段(不遲放球的前提下)[9]。另外，雨雪、大風(fēng)天氣應(yīng)盡量使用大風(fēng)放球器，當(dāng)臨近放球時(shí)間再將氣球從充氣房拿出，減少球部受風(fēng)影響，避免造成不必要的抻拉，防止因雨雪粘濕增加重量。

在高濕度、大風(fēng)、雨雪等特殊天氣建議使用改良型組合氣球。在1600 g定制球外面套300 g專用氣球(生產(chǎn)過程特制：球柄變大、變薄，球體定伸強(qiáng)度加大，球皮外表面特殊處理等)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：1600 g球+300 g特制球，具有外套球規(guī)格變小、球體更飽滿、可適當(dāng)降低上升阻力、提高升速、提高施放高度的優(yōu)點(diǎn)，平均施放高度保持在38 km。外套球體規(guī)格小，上升到一定高度(控制在10 km為適宜)就會(huì)提前爆破。很大程度上保護(hù)了主球體，避開了高濕度環(huán)境對(duì)球皮的影響，而結(jié)冰對(duì)球皮造成的破損也只限于外球球體，外套球體爆破后，大部分球體脫落，降低了自身重量，瞬間提高了凈舉力，更有利于球體上升。

4 結(jié)束語

通過統(tǒng)計(jì)分析民勤站近7 a的高空探測(cè)氣球施放高度，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性天氣變化對(duì)氣球施放高度起決定性作用，得出施放高度低于35 km的高空探測(cè)氣球數(shù)量越多相應(yīng)氣溫越低的結(jié)論，圍繞此結(jié)論展開相關(guān)研究并提出改進(jìn)措施，最終實(shí)現(xiàn)提高施放氣球高度的合格率，縮小GCOS探空業(yè)務(wù)國際差距，提高探空數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。