西昌 2010年 6月 8日強對流天氣過程對探空L波段雷達(dá)放球的影響

李健英

(四川省涼山州氣象局,四川 涼山 615000)

西昌 2010年 6月 8日強對流天氣過程對探空L波段雷達(dá)放球的影響

李健英

(四川省涼山州氣象局,四川 涼山 615000)

針對 2010年 6月 8日強對流天氣過程對西昌探空 L波段雷達(dá)放球造成的重放球,分析了面對強對流天氣過程,如何充灌氣球氫氣量。探索了強對流天氣時如何減少或避免探空儀被雷擊的裝配技術(shù),提高強對流天氣過程中高空探測的成功率,以保證探測質(zhì)量及探測資料的完整性、準(zhǔn)確性,節(jié)約高空探測器材。

強對流天氣;探空;L波段雷達(dá)

1 引言

GFE(L)1型二次測風(fēng)雷達(dá) (以下簡稱探空 L波段雷達(dá))為我國新一代探空雷達(dá),全國已有 110多個高空站使用這種新型雷達(dá),與之配套使用的電子探空儀分別為 GTS1、GTS1-1和 GTS1-2三種,這類探空儀的壓、溫、濕感應(yīng)元件分別是電橋、熱敏電阻和濕敏電阻。根據(jù)探空 L波段雷達(dá)特性及長期實踐經(jīng)驗總結(jié),在強對流天氣過程中造成探空L波段雷達(dá)放球失敗的主要原因體現(xiàn)在兩方面。一方面,作為溫度感應(yīng)元件的熱敏電阻探空時充分暴露在大氣層中,遇到強對流天氣 (如閃電、雷暴雨等)時,很容易遭雷擊而損壞或變性,如果這種情況出現(xiàn)在 500 hPa以前,就會造成重放球。另一方面,在施放過程中若遇到上升氣流型的強對流天氣過程時,如還按常規(guī)操作就會造成探空氣球快速上升,特別在高海拔地區(qū),不足 10 min就會穿越 500 hPa,如果再加上感應(yīng)元件變性,也會造成重放球。若遇下沉氣流型的強對流天氣過程,按常規(guī)操作便會造成探空上升速度緩慢,導(dǎo)致探空氣球長時間過不了 500 hPa,同樣也會造成重放球。本文將以西昌 2010年 6月 8日強對流天氣過程放球為例進(jìn)行分析,有針對性提出相關(guān)對策措施,以有效提高高空探測質(zhì)量,同時為探空 L波段雷達(dá)業(yè)務(wù)運行管理人員提供技術(shù)參考。

2 6月 8日強對流天氣過程

6月 8日 19時,受高空切變和地面冷空氣的影響,測站上空滿布 Cb云和 Cu云,且移動速度非?？?同時還伴有閃電、雷暴和較小陣雨,刮北風(fēng),地面風(fēng)速達(dá) 8～10 m/s。19時 15分 11秒,準(zhǔn)點施放探空氣球,僅 6.8 min后,探空氣球就穿過了 500 hPa,7.7 min就到達(dá) 438 hPa,探空氣球平均升速為689 m/min,同時發(fā)現(xiàn)感應(yīng)元件變性,壓、溫、濕值變亂無效。根據(jù)《高空氣象探測規(guī)范》要求,此次探空雖過了 500 hPa,但是放球時間不足 10 min,因此,此次探空失敗,按要求必須實施二次放球。二次放球準(zhǔn)備工作做好后,由于 19時 30分左右風(fēng)勢猛,陣雨劇烈,雷暴不斷,將二次放球時間推遲到 19時 54分05秒進(jìn)行,并適當(dāng)調(diào)整探空氣球凈舉力,而對流天氣又有所減弱,放球成功,獲得了有效的探空數(shù)據(jù)資料。

3 成因分析

3.1 天氣實況

2010年 6月 8日 18時—9日 08時受高空切變和地面冷空氣的影響,我州大部地區(qū)出現(xiàn)了中雷雨天氣過程,其中昭覺、西昌、布拖、冕寧降了大雨,冕寧、昭覺兩縣出現(xiàn)了冰雹。此次過程降水量統(tǒng)計如表1。

表 1 涼山州 8日 08時—9日 08時總降水量統(tǒng)計 (單位:mm)

3.2 重放球原因分析

探空氣球常規(guī)升速應(yīng)在 400 m/min左右,而在6月 8日強對流天氣過程中升速達(dá) 689 m/min。結(jié)合天氣實況圖和各種數(shù)值預(yù)報資料分析表明,造成此次超升速的原因是受地面冷空氣和高空切變影響所形成的強烈的上升氣流所至。從表 2前后兩次放球等壓面的高度、厚度、溫度數(shù)據(jù)可以看出,由于強對流天氣,地面要素變化較大,氣壓升高了 1.9 hPa,溫度下降了 4 ℃,700 hPa、600 hPa、500 hPa等壓面溫度變化不大,變化值在 0.3℃～0.6℃之間,而 700 hPa、600 hPa、500 hPa等壓面的高度、厚度變化并不大,均小于 20 m。從表 2中還可看出,第一次放球在 437 hPa以前感應(yīng)元件還未變性,主要原因還是由于上升起流抬升作用,致使氣球升速過快,有效記錄不足 10 min造成探空失敗。

表 2 兩次放球各要素對比表

表 3列舉的探空 L波段雷達(dá)探測到的仰角、方位和斜距數(shù)據(jù)資料也同樣驗證了第一次放球升速過快這一事實?？梢钥闯?第 1分鐘升速為 340 m/min,第 2分鐘升速為 610 m/min,第 3分鐘升速為624 m/min,第 4分鐘升速為 602 m/min,第 5分鐘升速為 582 m/min,第 6分鐘升速為 712 m/min,第 7分鐘升速為 907 m/min。探空高度和用測風(fēng)資料中的仰角、方位、斜距計算出的高度 (即氣高和高度)也是一致的。

表 3 第一次放球時的仰角、方位、斜距和距離數(shù)據(jù) (放球時間:19時 15分 11秒)

總之,6月 8日強對流天氣過程是西昌站近 20 a來出現(xiàn)的最強烈的一次上升氣流,其抬升作用導(dǎo)致氣球嚴(yán)重超升速,致使有效探空記錄不足 10 min,從而造成施放氣球失敗,不得不實施二次放球。

4 對策分析

4.1 凈舉力的計算確定

正確確定探空氣球的凈舉力是提高高空探測氣球施放成功率的關(guān)鍵因素之一,而在實際操作中凈舉力就取決于充灌氣球這一技術(shù)環(huán)節(jié)。在探空氣球施放前半小時,根據(jù)當(dāng)時的測風(fēng)資料分析來決定充灌氫氣量的多少,不同的天氣條件下應(yīng)采用不同的凈舉力。凈舉力就是探空氣球充灌一定量氫氣后產(chǎn)生的浮力減去球皮及探空儀等附加物重量后的純粹向上的升力。通常情況下,探空上用和凈舉力相等重力的物體的質(zhì)量來表示凈舉力。

凈舉力一般在 1 000～1 500 g左右,凈舉力不宜過大,因凈舉力與升速的關(guān)系曲線近于對數(shù)曲線(圖 1),當(dāng)凈舉力增大到一定值后,升速的變化幅度將顯著下降,相反,由于氣球充氣太多而會嚴(yán)重影響施放高度,故凈舉力不宜過大[2]。西昌站使用探空 L波段雷達(dá) 5 a多的實踐表明,晴朗天氣時凈舉力在 1 250 g為最好,升速一般為 350 m/min左右,這樣施放高度相對較高,成功率很高。各臺站應(yīng)根據(jù)各地的實際情況,摸索出不同天氣情況下適合于本站的合適的凈舉力,以保證較高且有效的施放高度。

圖 1 凈舉力與升速關(guān)系

多年實踐表明,測站上空若遇強上升氣流對流天氣時,探空氣球充灌氫氣量應(yīng)在正常凈舉力基礎(chǔ)之上減少 200g左右;若測站上空是下沉氣流時,探空氣球充灌氫氣量應(yīng)在正常凈舉力基礎(chǔ)上增加 400～800 g,具體情況視當(dāng)時下沉氣流的程度而定。因此,合理選擇探空氣球凈舉力,既可保證較高的施放高度,又可避免氣球上升太快或下沉,從而保證一次放球成功,既節(jié)約人力物力,又減少經(jīng)費開支。對于強對流天氣中是上升氣流還是下沉氣流,可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時的天氣雷達(dá)的回波資料進(jìn)行分析和判斷。

4.2 探空儀的準(zhǔn)備

一次探空活動的質(zhì)量高低、成功與否,除了與氫氣灌充量的多少及由此帶來的舉力大小有關(guān)外,還與探空儀的準(zhǔn)備密切相關(guān)。由于探空儀的特殊結(jié)構(gòu)與功能,以及環(huán)境條件對其可能產(chǎn)生的影響,其元件的設(shè)置和性能的好壞將直接影響探空活動的質(zhì)量,因此探空儀的準(zhǔn)備過程必須給以高度重視。下面將從探空儀元件的檢查、電池的浸泡以及熱敏電阻的放置等方面分別敘述。

4.2.1 探空儀元件的檢查 在打開探空儀盒蓋之后,首先檢查溫度傳感器是否斷開,盒蓋和智能板上的序列號是否一致,有沒有錯號。再檢查傳感器引線與支架接點是否有虛焊,如有應(yīng)及時更換探空儀。GTS1型數(shù)字探空儀的濕敏電阻是一片帶有電極的有機玻璃基片,基片上浸漬了按一定比例混凝合的羥乙基纖維、碳黑、Tx—100t三梨醇,在出廠時就將其存放在加有干燥劑的密閉玻璃瓶中,所以濕度片一旦取出,必須使用,如果在空氣中暴露時間過長,會影響其測濕精度。另外,拿濕度片時只能拿兩邊,切不可觸摸中間部分,一旦碰到中間部分,濕度片將報廢。在做基測時拔插濕度片的過程中要特別小心,由于插座很緊,用力時不小心碰到濕度片的中間部分就會造成報廢,為解決這一問題,可先用一片報廢的濕度片反復(fù)在插座上拔插,以熟練掌握濕度片插拔的力度和技巧,盡量減少在檢測過程中對濕度片造成破壞。氣壓傳感器、溫度的熱敏電阻引出線很細(xì),做基測和裝配過程中須十分小心,手不能碰到熱敏電阻,否則會影響測溫精度。探空儀在裝配時,必須采用保溫措施,發(fā)射機一定要置于保溫泡沫盒內(nèi),且與底部接觸,如果有空隙,要用塊狀泡沫填滿空隙,否則發(fā)射機在施放過程中可能與智能轉(zhuǎn)換器斷開而造成信號突失。

4.2.2 電池的浸泡 施放前 20 min左右取出電池拆封,浸入按 Nacl:H2O=3:100比例配制、溫度為35℃±3℃的氯化鈉溶液中 3～5 min,取出后滴去余水,插入檢測箱上的賦能器進(jìn)行賦能測量電壓。由于該賦能器負(fù)載較重,在基測箱看到的電壓與插在探空儀上時的電壓會不同,檢測箱所示電壓比接在探空儀時的電壓一般低 3～6V。電池電壓太低容易造成儀器停振突失,太高會燒壞管子,按照規(guī)范要求電池電壓在檢測箱所示值為 18～20 V為宜[3]。實踐表明,當(dāng)探空儀施放前環(huán)境溫度大于 20℃時,電池賦能后在檢測箱上的電壓值為 16～18 V就可以了。當(dāng)施放環(huán)境溫度低于 20℃,電池電壓值應(yīng)稍高 1～2 V。為了減少電池能量在地面的消耗,并避免探空儀升空后因電池能量不足影響探空儀發(fā)射機工作狀態(tài)和探測高度,建議在施放前 10～15 min裝配電池。

4.2.3 熱敏電阻的裝配技術(shù) 溫度感應(yīng)元件GPW2型熱敏電阻采用了支架方式配置。出廠時,熱敏電阻已焊接在探空儀紙盒盒蓋內(nèi)的白色塑料支架上。晴好天氣情況下,施放前將支架翻出接近150°,用細(xì)繩系好,即可直接使用。但是,在遭遇強對流天氣時,尤其是有閃電和雷暴的情況下,這種配置方式使該熱敏電阻很容易遭受雷擊。為避免這種情況出現(xiàn),我們通過反復(fù)試驗溫度感應(yīng)元件熱敏電阻放在盒內(nèi),不伸出去直接暴露在大氣層中的使用效果,試驗發(fā)現(xiàn)這樣可以減少雷擊的威脅,又對儀器的感應(yīng)并沒有直接影響,同時,由于溫度感應(yīng)元件很敏感,感應(yīng)速度快,并且熱敏電阻又置于盒蓋通風(fēng)口邊緣,也不會造成記錄的不準(zhǔn)確。如我站在雷雨天氣情況下,有 20多次使用了這種方法,與相鄰時次的資料進(jìn)行了對比,表明亂點明顯減少,探測到的數(shù)據(jù)也無異常,表明此措施有效可行。在 6月 8日強對流天氣過程二次放球時就采用了這種方法,感應(yīng)元件得到了有效的保護(hù),壓、溫、濕數(shù)據(jù)亂點較少,探測高度達(dá)到規(guī)范要求,所獲取的資料達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求,獲取的資料真實有效。

5 結(jié)論

①在不同天氣過程特別是強對流天氣過程中,凈舉力大小的確定是探空 L波段雷達(dá)高空探測成敗的關(guān)鍵因素之一。西昌站在晴好天氣時凈舉力在 1 250 g為最好,氣球升速一般在 350 m/min左右,同時還能保證相對較高的施放高度。強對流天氣時,充灌氣球前要根據(jù)多種資料分析,如果是上升氣流,則氫氣量應(yīng)在正常凈舉力基礎(chǔ)之上減少200 g左右,若測站上空是下沉氣流,則氫氣量應(yīng)在正常凈舉力基礎(chǔ)上增加 400～800 g,這樣既能保證合適的上升速度,又能保證較高的施放高度,從而有效提高一次放球的成功率。

②探測活動的成功率,與施放前的準(zhǔn)備工作,如探空儀各元件的檢查、電池的浸泡以及儀器的裝配等密切相關(guān),在施放前要對探空儀元件進(jìn)行認(rèn)真檢查和充分做好準(zhǔn)備工作,有效避免因為儀器故障而造成探空失敗,以提高高空探測活動的質(zhì)量。

③本文相關(guān)經(jīng)驗措施,是我站多年實踐的總結(jié),可供探空L波段雷達(dá)在強對流天氣下開展探空業(yè)務(wù)的有關(guān)人員做參考。

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[2] 張黔,柯莉萍,李蜀黔,等.如何提高探空氣球的施放高度[J].貴州氣象,2007,31(05):35.

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B

1003-6598(2011)01-0037-03

2010-09-16

李健英 (1970-),女,工程師,主要從事高空氣象探測工作。