薛邦貴，劉永強，馬 良，曾學良

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

0 引言

全球氣候觀測系統(tǒng)(Global Climate Observing System，GCOS)啟用1600 g氣球以來，探空業(yè)務技術有了長足發(fā)展，基本滿足預報預測的需求，探測數(shù)據(jù)更加精準、探測項目更加多元化，得到了GCOS秘書處對中國探空業(yè)務質量的認可[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測風準確度不高之外，1600 g氣象氣球施放高度合格率偏低(世界氣象組織要求達到35 km以上)。文章通過對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)計分析，總結出每年低于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策和建議[3，4]。

1 探空氣球施放高度和氣溫特點統(tǒng)計分析

1.1 低于35 km數(shù)量統(tǒng)計分析

經(jīng)統(tǒng)計發(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%(年標準用量按750個計算)，且每年具有一定規(guī)律，分布趨勢基本相同：呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特點，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50個，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135個。

很顯然，施放高度受當?shù)貧夂蛴绊憞乐?，特別是氣溫對氣球性能影響不容忽視；另外，據(jù)本站值班記錄員觀測高度數(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，主要是大風、多云、陰天和雨雪天氣。

1.2 民勤近7 a氣溫特點分析

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)；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)。

1.3 民勤GCOS站近7 a溫度極值統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，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之內溫差大，晝夜溫差大。而極高、極低氣溫對氣球倉儲保管有很大影響。

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 蛋白質和吸水材料與濕度有關

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

2.1.2 硫化分子網(wǎng)狀空間結構與溫度有關

為了滿足氣球所必需的強度和彈性，在制作過程中，加入適量的硫化劑、硫化促進劑和活性劑(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)狀結構。該結構在常溫下處于交聯(lián)和斷鏈的平衡狀態(tài)，使氣球在對流層頂遇到低溫時球皮不會凍結變硬，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]。當外界溫度過高，會加速這一過程的反應，導致橡膠網(wǎng)狀結構的破壞，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)狀結構也會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

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

2.2 氣球倉儲保管環(huán)境

氣球乳膠研究和氣象主管質檢部門多年測試證明，倉儲環(huán)境條件與氣球質量息息相關。目前，許多臺站倉庫未按標準建設，未配置控溫控濕設備，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格按照“先進先用”原則，造成氣球積壓、碼垛倉儲不規(guī)范等，都會造成氣球老化或吸水變性，影響施放高度。

2.3 充灌氣球方法不當影響施放高度

GCOS探測氣球使用的氫氣是比重最輕的氣體而且對其純度要求也比較高。以下情況均會影響施放高度：氣球充氣前，外觀檢查不到位，未及時發(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；充氣過程中對凈舉力指標和凈舉力計算方法掌握不全面，沒有嚴格按照《氣象氣球使用說明書》進行規(guī)范操作等行為均會影響施放高度。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、雨雪等特殊天氣狀況也會影響GCOS探空氣球升速，進而影響氣球施放高度。當天氣陰冷云層較厚時，氣壓較低，氣球升速較慢，探測高度較低。雨雪天氣，氣球在上升過程中球皮表面附著雨雪，會出現(xiàn)升速慢，高度低的現(xiàn)象，而且上升途中會受到雨、雪等的阻礙，也會影響探測高度。雨雪、大風天氣施放氣球會因天氣影響對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：對溫濕等氣象要素敏感的氣球固有組成成分及特性；倉儲保管環(huán)境條件；充灌氣球的經(jīng)驗方法技巧及高濕度、大風、雨雪等特殊天氣等。

3 提高施放高度的對策和建議

3.1 加快應用改進型氣球

建議生產(chǎn)企業(yè)嚴把天然乳膠原料質量關，研究出科學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，使其更好地適應溫度、濕度和有氧環(huán)境。例如，及早推廣使用1600 g改進型(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 改善氣球倉儲保管環(huán)境

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

氣球應放置在距離地面20 cm的托盤上，堆垛不易過大，垛間應有適當距離，每3個月至少倒垛翻箱1次。使用時遵循先到先用原則，防止積壓過期老化，一般在出廠后24個月內保持最佳性能。避免陽光直射、雨雪浸淋，保持干燥清潔，禁止與酸、堿、油脂類、有機溶劑以及其他危害橡膠性能的物質接觸，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)，凈舉力指標和凈舉力計算方法參見《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)，球皮的厚度一般應在0.1～0.2 mm。

氣球充氣前面，先進行外觀檢查，做好施放前合格性檢查，充氣時應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策

當天氣陰冷云層較厚時，要適當調整探空氣球的充氫量。一般情況下，陰雨天氣要比平時(晴天少云)多充10%～20%的氫氣。施放氣球時應盡量避開大雨或雷暴時段(不遲放球的前提下)[9]。另外，雨雪、大風天氣應盡量使用大風放球器，當臨近放球時間再將氣球從充氣房拿出，減少球部受風影響，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、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，球體定伸強度加大，球皮外表面特殊處理等)，經(jīng)實驗測定：1600 g球+300 g特制球，具有外套球規(guī)格變小、球體更飽滿、可適當降低上升阻力、提高升速、提高施放高度的優(yōu)點，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)就會提前爆破。很大程度上保護了主球體，避開了高濕度環(huán)境對球皮的影響，而結冰對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 結束語

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