棉花糖
前一陣子,中國(guó)的一只氣球因?yàn)椴豢煽沽σ蛩兀筮^(guò)海到了美國(guó),讓美國(guó)人嚇了一大跳。這只氣球的下方懸掛了一左一右兩組太陽(yáng)能板,看起來(lái)和普通的氣球很不一樣。這只不小心“流浪”到美國(guó)的氣球到底是什么?其實(shí)它的名字叫“氣象探空氣球”,由于它飛得特別高,常常被人們誤以為是不明飛行物,然而氣象工作者卻親切地給它取名為“大白”。
探空氣球是一種氣象上用來(lái)探測(cè)從近地面到35000米高空的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素的設(shè)備。那么,它是如何完成高空探測(cè)任務(wù)的呢?
氣象探空系統(tǒng)的組成及其功能
氣象探空系統(tǒng)由三個(gè)部分組成:探空氣球、探空儀和地面接收雷達(dá)。
探空氣球是整個(gè)探測(cè)設(shè)備的載體,它就像運(yùn)載火箭一樣載著探空儀以8米/秒的速度飛向高空,實(shí)現(xiàn)對(duì)高空氣象要素的探測(cè)。探空氣球有幾種規(guī)格,一般根據(jù)重量來(lái)區(qū)分,常見(jiàn)的有300克、750克、1600克等,根據(jù)對(duì)探測(cè)高度要求的不同選用不同的規(guī)格,重量越大的氣球探測(cè)的高度越高。氣球里面一般充的是氫氣或者氦氣,以1600克的探空氣球?yàn)槔?,充氣后探空氣球在地面上的直徑可達(dá)2.5米,到了高空后,隨著氣壓減小,氣球就會(huì)慢慢膨脹,臨近爆炸時(shí),氣球的直徑可達(dá)8米—11米,可謂壯觀。此外,探空氣球除了作為載體,風(fēng)向和風(fēng)速的獲取也是根據(jù)探空氣球的水平位移來(lái)計(jì)算的。
探空儀是高空探測(cè)的核心部件,由溫度、濕度、氣壓傳感器、測(cè)量電路、控制(解碼)電路、發(fā)射電路和電池等組成。探空儀被探空氣球帶到高空以后就不停地采集溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù),并和地面接收雷達(dá)進(jìn)行通信,將采集的數(shù)據(jù)傳回地面氣象站。
地面接收雷達(dá)在探空氣球被釋放的瞬間就開(kāi)始跟蹤,探空氣球和探空儀飛到哪兒,雷達(dá)天線就跟蹤到哪兒,并不停地以詢問(wèn)的方式與探空儀對(duì)話,接收探空儀采集的數(shù)據(jù),直到探空氣球爆炸。
探空氣球的探測(cè)過(guò)程
工作時(shí),地面雷達(dá)利用對(duì)探空氣球的實(shí)時(shí)跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)風(fēng)功能。隨著探空氣球升空,地面雷達(dá)發(fā)出詢問(wèn)信號(hào),探空儀回答器對(duì)應(yīng)發(fā)出回答信號(hào)。根據(jù)每一次詢問(wèn)和回答信號(hào)之間的時(shí)間間隔和信號(hào)的來(lái)向,可以測(cè)定每一瞬間探空氣球位置,即它離地面雷達(dá)的直線距離、方位角、仰角,然后根據(jù)探空氣球隨風(fēng)飄移的情況,就可以推算出風(fēng)向、風(fēng)速。
與此同時(shí),探空儀也會(huì)把采集到的不同高度層的溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù)不斷地發(fā)給地面接收雷達(dá),這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解碼再傳到計(jì)算機(jī)終端顯示繪圖,這樣就完成了對(duì)高空溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速的探測(cè)。
探空氣球與天氣預(yù)報(bào)的關(guān)系
探空氣球獲取的數(shù)據(jù)對(duì)每天的天氣預(yù)報(bào)至關(guān)重要。釋放探空氣球以后,地面接收雷達(dá)跟蹤與數(shù)據(jù)監(jiān)視便會(huì)同時(shí)進(jìn)行。探空氣球可以每秒傳回1組數(shù)據(jù),1分鐘便能收集60組。這些對(duì)平常人來(lái)說(shuō)猶如“天書(shū)”的數(shù)據(jù),對(duì)氣象專業(yè)人士來(lái)說(shuō)彌足珍貴。解讀之后,它們會(huì)成為每天天氣預(yù)報(bào)的依據(jù)。
探空氣球的釋放
每個(gè)氣象探空站每天至少釋放兩次探空氣球,分別在7時(shí)15分和19時(shí)15分。充入探空氣球的氫氣或氦氣量決定了探空氣球探測(cè)的高度。充入的氣體越多,探空氣球升速越快,但達(dá)到膨脹極限的高度也就越低,這就意味著在探空氣球破裂之前能夠探測(cè)的高度也不會(huì)太高。
從離開(kāi)工作人員手中的那一刻起,探空氣球時(shí)而水平飄移,時(shí)而向上運(yùn)動(dòng)。在上升過(guò)程中,探空氣球會(huì)穿越云層,遇到水滴、冰晶,還會(huì)穿越大風(fēng)區(qū),其所處位置的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等也在不斷變化。氣象預(yù)報(bào)員根據(jù)探空氣球測(cè)得的氣象數(shù)據(jù)判斷未來(lái)的天氣狀況,比如風(fēng)的大小、降雨等天氣過(guò)程的生成和發(fā)展趨勢(shì)等。
探空氣球的生命很短暫。隨著探空氣球攀升的高度不斷上升,周圍空氣越來(lái)越稀薄,氣壓不斷減小,溫度持續(xù)降低。到某個(gè)臨界點(diǎn),探空氣球就會(huì)爆炸,而整個(gè)探測(cè)過(guò)程也會(huì)在爆炸的一瞬間結(jié)束。探空氣球爆炸后,其殘骸將與探空儀一起順著氣流方向自由下落。
遇到電閃雷鳴,對(duì)于工作人員和探空氣球來(lái)說(shuō)都是相當(dāng)大的考驗(yàn)。因此在空曠草地上釋放探空氣球需時(shí)刻防止雷擊。假如遇上暴雨、霜凍等惡劣天氣,探空氣球在升空途中遭遇“不測(cè)”,工作人員還要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)立即再釋放一個(gè)探空氣球。所以,天氣狀況決定了釋放探空氣球的次數(shù),如臺(tái)風(fēng)天常常要增加釋放探空氣球的次數(shù),以便更好地監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)動(dòng)態(tài);在夏季汛期,每天探空氣球的釋放次數(shù)還會(huì)額外增加1次。
高空探測(cè)從18世紀(jì)中期就已經(jīng)出現(xiàn),從早期的風(fēng)箏探測(cè)、載人氣球探測(cè)及系留氣球探測(cè),再到今天的無(wú)線電探空,高空探測(cè)技術(shù)一直在不斷革新發(fā)展。未來(lái),氣球還將攜手中國(guó)北斗定位探空儀,帶著中國(guó)人的祝福和夢(mèng)想越飛越高。
知識(shí)小鏈接
Q:如果撿到探空氣球該怎么辦?
A:如果在野外撿到探空氣球,一般不需要?dú)w還氣象站。因?yàn)樘娇諝馇虺杀镜停矝](méi)有回收價(jià)值。只有少量科研需要回收探空氣球,比如科研用的系留氣球,其探空儀上一般會(huì)標(biāo)注“精密儀器,請(qǐng)勿拆卸,撿到有獎(jiǎng)勵(lì),請(qǐng)聯(lián)系×××”,這種情況下應(yīng)當(dāng)歸還給相關(guān)聯(lián)系人。
不用擔(dān)心,探空氣球不會(huì)砸到我們頭上。因?yàn)樘娇諝馇蚵涞攸c(diǎn)大多在人煙稀少的郊區(qū)野外。而且,探空氣球上的所有儀器均無(wú)污染和爆炸危險(xiǎn),下降速度也很慢。
Q:探空氣球是不是可以隨時(shí)隨地釋放?
A:釋放探空氣球需要申請(qǐng)空域,不是隨地可以釋放的,一般只有在有高空氣象站的地方才能見(jiàn)到。高空氣象站并不像地面氣象站數(shù)量那么多,全國(guó)有幾萬(wàn)個(gè)地面氣象站,但只有120個(gè)高空氣象站,北京也只有1個(gè)高空氣象站。
同樣,探空氣球釋放的時(shí)間也不是隨意的,而是固定的。如果你所在的城市有高空氣象站,那么在北京時(shí)間01時(shí)15分、07時(shí)15分、13時(shí)15分、19時(shí)15分,你可以選一個(gè)時(shí)刻和探空氣球來(lái)一次邂逅。無(wú)論天氣多么惡劣,這些氣象站都會(huì)照常營(yíng)業(yè)哦!