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探空气球:为高空气象“搭脉”的医者
发布时间:2017-10-13     来源:中国气象报      字体:T T T

  本文专家顾问:中国气象局气象探测中心数据质量室高级工程师 郭启云

  采访人:本报记者 崔国辉

  说起气球,大家最早接触到的一定是五颜六色、 可以用嘴吹的橡胶气球, 也一定梦想过像 《飞屋环游记》 那样用气球把自己带上天。若不是大气所前阵子的气球 “走失” 事件, 恐怕大多数人还不认识探空气球这个 “高大上” 的存在。

  9 月 25 日, 中国科学院大气物理研究所走失的气球成了大新闻。

  当日, 该所的一个研究小组与济南市章丘区气象局做气球探空实验, 采用的气球长约 2 米, 宽约 1 米, 不充气看起来像是个飞机, 充气后像胖头鲸鱼。

  该气球主要用于气象探测, 下方携带有 5 台仪器, 主要是用来测量观测点的空气气体成分、 污染物气溶胶和常规气象参数。

  16 时 50 分左右, 实验基本结束, 工作人员开始回收气球。气球下降到离地高度 300 米时, 该高度处出现较大风速, 系留气球的缆绳被意外拉断, 气球随风飘走了……

  高空不可或缺的 “医者”

现代探空气球

  世界各国目前进行高空气象观测的手段主要包括卫星、飞机、地面雷达和探空系统等,并相互结合以期获得最准确的气象数据。其中,只有探空气球能够升到高空直接“搭脉”气象环境,堪称高空气象环境中的“医者” 。其获得的 “诊疗数据” 通常被认为是最准确的,因此在大气遥感观测真实性检验和校准检验中发挥着无可替代的基准作用。

  而且, 探空气球具有成本低、 相对载重量大、飞行时间长、携带仪器姿态稳定等优点,其升放过程受地域和气候因素影响相对较小, 获取的观测数据资料精度高、 用时短。

  作为综合气象观测系统的重要组成部分, 探空气球是人类研究平流层的重要工具, 在气象学发展、 天气预报、 气候监测工作中起到了重要作用。

  进入卫星测量时代, 探空气球依然必不可少。探空气球是实地观测,代表了最真实的大气状况。卫星通过反演的云图自上而下观测廓线,得到的结果往往包含了整层大气的数据, 比如卫星资料里对流层温度和平流层温度虽然通过不同通道获取, 但是实际温度资料里包含了大量的其他层次的信号。对流层温度信号一直有其他信号夹杂其中。同理, 平流层温度信号也包含了大量的对流层温度,并不能准确地反映某个层次的真实情况。如果用这样的温度序列分析长期趋势, 则会低估温室效应造成的对流层增暖效应和平流层降温效应。

  此外, 要平稳获取大气垂直剖面较密集的数据点,尤其是对风场的直接测量, 要求探空设备移动速度不能过快, 因此像探空火箭这种非浮空器还真做不来。

  直到今天, 探空气球仍是高空气象最主要的直接探测方式。

  探空仪和地面雷达充当 “听诊器”

上图为我国L波段探空仪的地面雷达。下图为我国地方探空站分布情况。图片来源: 中国气象局气象探测中心

  探空气球, 顾名思义, 就是用来探测天空的气球, 可获取从地面到几十公里高空的大气参数。

  制作气球的原料一般是天然橡胶乳胶, 它在一个方向上的伸展可以超过 500%。橡胶气球自重一般在几百克, 探空仪重量一般也在 1 千克以内, 单人手持就可升放。

  气球升放时的水平直径大约为 1.5 米,垂直高度约两米,在高空中的爆破直径达8米至9米。

  至此, 探空气球与普通气球仍然没有实质区别。但其实,探空气球下面悬挂的探空仪和地面测风雷达才是核心所在, 他们共同构成这个高空“医者”的“听诊器” 。探空仪器可探测大气温度、湿度和大气压等参数,同时地面雷达根据探空仪器的位置计算高度、 升速、 水平风速风向等信息。

  郭启云介绍, 我国从 1959 年开始应用高空探空系统, 几代系统的主要差别在 “听诊器” 上。最早应用的高空 59-701 探空系统由 P 波段二次测风雷达和机械式探空仪配套使用。从 2002 年开始,中国气象局逐渐将高空探空系统升级为 L 波段探测系统,该系统由 L 波段二次测风雷达和GTS1 型数字探空仪配套使用,其工作性能较稳定,功能更齐全, 操作易掌握,且自动化程度高。

  现在正在发展的还有导航式探空仪,比如我国的北斗卫星导航式探空仪,美国的 GPS 卫星导航式探空仪以及欧洲的伽利略卫星导航式探空仪, 他们不再依赖地面雷达测量风速等。

  除此之外,我国“下一代” 探空系统 — —往返平漂式探空组网系统也已亮相,该系统通过1次气球升放能实现 “上升-平漂-下降” 3次观测,获取两组垂直廓线和 1 组平流层观测资料,探测效益显著提高。

  目前, 我国已有120多个地方探空站, 东部站点间隔约200千米至300千米, 西部站点间隔约500千米, 基本能与天气尺度的数值模式格点相匹配。

  一分钟采集50组高空“诊疗数据”

  探空气球传回的数据对每天的天气预报至关重要。

  在气球升放以后, 雷达操作、 跟踪与数据观测便会同时进行, 而气球通常能上升到 3 万米高空, 在整个过程中, 探空气球就犹如一个 CT 扫描仪, 从低空到高空进行逐层扫描,把不同高度和经纬度的温度、 气压、空气湿度、 风向风速等数据通过信号发回地面, 从而获得关键的气象要素值。

  据悉, 探空气球能每 1.2 秒传回一组数据, 一分钟便能收集 50 组, 这些对平常人来说犹如 “天书” 的数据,对于气象专业人士来说, 却弥足珍贵。通过解读之后, 它们就会成为每天预报的依据。

  通常, 每个探空站每天升放两个探空气球, 分别在7时15分和19时15分。在升放前, 工作人员已经根据气球及所有装备的重量计算好了氢气/氦气的用量, 以保证气球能够每分钟上升大约400米。

  充入气球的氢气/氦气量, 决定气球探测的高度。充入的气体越多,气球升速越快, 但达到膨胀极限的高度也越低, 在破裂之前探测的高度也低。当然, 气象站对探测高度和升空速度 (探测时效) 有规定, 需按照操作规范使用探空气球。

  从离开工作人员手中的那一瞬间起, 雷达实时跟踪气球。气球时而水平飘移, 时而向上运动, 飞越1万米、2万米, 甚至3万米, 最高可达4.5万米。在上升过程中, 气球会穿越云层, 遇到水滴、 冰晶, 也会穿越风区, 所处位置的温度、 湿度、 气压、 风向、 风速等也在不断地变化。每隔 1 秒, 探空气球就把高空测得的气象要素数据反馈回地面雷达, 雷达会将这些信息传送给气象站值班室内的电脑, 预报员根据这些要素就能判断出未来的天气状况或者重大天气过程,如风大小、 降雨等天气过程的生成和发展趋势。

  气球的生命很短暂。随着高度的不断上升, 周围空气越来越稀薄, 气压不断减小, 温度也持续降低。气球爆炸后, 其残骸将与探空仪一起顺着气流方向自由下落。整个探测过程也就在爆炸的一瞬间结束了。

  至于升放方式, 风小的时候怎么都好说, 把气球升起来, 一撒手就行了。但遇到电闪雷鸣时, 对于升放人员来说是一次相当大的考验, 在空旷草地上升放时需要时刻防止雷击。

  假如遇上台风、 暴雨、 雷电、 霜冻等恶劣天气,气球在升空途中遭遇 “不测” , 还要在规定时间内立即再充一个气球, 升放到空中; 台风天常常要加密升放气球, 以便更好地监测台风动态; 而在夏季汛期, 每天气球的升放次数还会额外增加1次。

  “无论失败多少次, 气球都必须要上天。 ” 郭启云说。每个球都要在规定时间升空, 并要达到规定高度。规定 7 时 15 分升放气球, 7 时 14 分 59 秒升放都不行。气球要是早放, 就算事故。

  探测结束后, 气象站都会将探空仪传回的数据以莫尔斯代码发送给各个国际气象中心。当然, 气象站也会进行备份。


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