CN104698510A - 一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，所采用的探测系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括接收天线、接收机和自动收放线绞磨；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起；释放系留气球探空仪，进行大气逆温层探测，探空仪将探测到的数据发射至地面接收天线，经接收机处理后输入计算机进行分析处理；若在探测过程中，出现了大气温度随海拔增加连续升高的逆温现象，做出有逆温层的判断。使用该方法可以方便快捷、实时稳定的对户外特定区域的大气环境温度垂直分布特征进行可靠探测，找出所探测区域高空大气是否存在逆温层及逆温层的范围。

Description

一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法

技术领域

本发明属于气象科学与工程技术领域，尤其涉及一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法。

背景技术

近年来，我国雾霾和南方冻雨覆冰天气频繁出现。雾霾发生时，空气中的可吸入有害颗粒物含量急剧增加，户外能见度也往往很低，对人类健康和日常出行、交通秩序带来严重威胁。冻雨覆冰时，公路和铁路结冰，大雪封山，户外电网和通信设施压垮，严重影响着人民正常生产生活。目前，国内专家和学者对导致雾霾和冻雨覆冰的成因进行了深入研究，结果表明：大气逆温层的出现是导致以上两种天气灾害出现的共同且必要的因素。正常情况下，环境温度随海拔高度的增加而降低(海拔每升高100m，温度降低约0.6℃)，空气对流频繁；但当北方出现冷空气团并不断南下，同时南方的暖湿气流不断北上，冷空气与暖湿空气交汇时，暖空气团向上爬升而冷气团不断下沉，从而出现气温随高度增加而连续升高的“逆温”现象，对应的大气层称为逆温层。

逆温层出现时，暖而轻的空气位于较冷而重的空气上面，就像一个“锅盖”笼罩在上空，阻碍了空气的对流运动，致使近地面空气中的烟气、粉尘等各种有害颗粒物“上天无路，入地无门”，只有飘浮在近地面的大气层中而形成雾霾天气。当逆温层出现在冬季时，若此时恰逢高空出现降雨且地面温度低于零，就会形成冻雨覆冰天气。

综上所述，大气逆温层的出现是导致雾霾和冻雨覆冰的必要条件。因此开展对高空大气温度的探测，找出环境温度随海拔高度的增加是否存在逆温现象，是准确预报雾霾和冻雨覆冰天气是否出现的先决条件。目前，利用传统探空仪进行大气温度探测时，往往没有考虑风速的影响且单凭经验对探空气球进行充气，导致气球升力不够而无法达到预定高度，特别的，探空气球只能一次性测量，其测量值也只能代表某大气层内的平均值。因此，急需提出一种稳定可靠、简单便捷，并可多次连续的对大气逆温层进行探测的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有大气逆温层探测方法存在的缺陷，提出一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法。使用该方法可以方便快捷、实时稳定的对户外特定区域的大气环境温度垂直分布特征进行可靠探测，并通过绘制环境温度随海拔高度的变化曲线，找出所探测区域高空大气是否存在逆温层及逆温层的范围，为雾霾、冻雨覆冰等自然灾害的发生和发展提供最直接和快速的判定依据。

本发明的技术解决方案为：一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，所采用的探测系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括接收天线、接收机和自动收放线绞磨；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起；探空气球充气体积V满足下述关系：

$\tan \left[\arcsin \frac{h}{l}\right]=\frac{(\mathrm{\ρV}-M)g}{1.511v^2\sqrt[3]{V^2}}$

其中，h为探空仪要达到的高度；l为自动收放线绞磨上的系留绳长度；ρ为探空气球所充气体的浮力量,氢气取1.203kg/m³，氦气取1.112kg/m³；M为充气后气球和探空仪的总重量；g为重力加速度；v为风速；

释放系留气球探空仪，进行大气逆温层探测，探空仪将探测到的大气温湿度、探空仪经纬度和海拔高度数据发射至地面接收天线，经接收机处理后输入计算机进行分析处理，并绘制温湿度随海拔高度变化的曲线和探空仪飞行轨迹曲线；

若在探测过程中，出现了大气温度随海拔增加连续升高的逆温现象，做出有逆温层的判断。

所述探空仪包括快响应热敏电阻温湿度传感器、GPS定位器、数据采集和传输模块、发射天线。

所述自动收放线绞磨的转速设置由计算机控制实现。

优选探空仪每隔1秒钟将探测到的大气温湿度、探空仪经纬度和海拔高度数据发射至地面接收天线。

做出有逆温层的判断后，最后计算逆温层厚度、面积和范围。结合相关部门预报的地面温度、降雨和空气中可吸入大气污染物含量数据，做出有无雾霾、冻雨覆冰天气出现的判断。

若判定所探测区域存在逆温层，且气象部门预报有降雨且地面气温低于0℃，作出有冻雨覆冰天气出现的判断；若判定所探测区域存在逆温层，且环保部门公布空气中可吸入大气污染物含量≥75μg/m³，则做出有雾霾天气出现的判断。

本发明还提供一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测系统，该系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括依次连接的接收天线、接收机和计算机，以及自动收放线绞磨；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起；探空气球充气体积V满足下述关系：

$\tan \left[\arcsin \frac{h}{l}\right]=\frac{(\mathrm{\ρV}-M)g}{1.511v^2\sqrt[3]{V^2}}$

其中，h为探空仪要达到的高度；l为自动收放线绞磨上的系留绳长度；ρ为探空气球所充气体的浮力量,氢气取1.203kg/m³，氦气取1.112kg/m³；M为充气后气球和探空仪的总重量；g为重力加速度；v为风速。

本发明的有益效果是：

1)可以方便快捷、连续可靠的对户外特定区域的大气环境温度垂直分布特征进行多次探测，并做出有无逆温层的判断。

2)为雾霾、冻雨覆冰等自然灾害的发生和发展提供最直接和快速的判断依据。

3)操作简单、机动性和灵活性强，很适合于野外多次重复探测的需求。

4)可以推广应用到如风速、射线强度、臭氧含量及其他大气污染物的大气探测领域。

具体实施方式

下面通过一个具体实施例对本发明进行更进一步的说明。本发明的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法包括如下步骤：

(1)选择一个开阔的地面，将逆温层探测系统包含设备摆设好。探测系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括接收天线、接收机、带有RS232串口的计算机、自动收放线绞磨、探空气球充气设备；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球。其中探空仪由快响应热敏电阻温湿度传感器、GPS定位器、数据采集和传输模块、发射天线等组成，主要用于探测大气中的温湿度、探空仪经纬度和海拔高度并将数据传至地面的接收天线；探空气球做成流线型以减小空气阻力，在充氦气或氢气后借助其升力将探空仪送至需要探测的高空区域；接收天线和接收机分别用于接收和处理从探空仪传回的数据；计算机用于显示经接收机处理后的温湿度、探空仪经纬度等数据，并绘制温湿度随海拔高度的变化曲线和探空仪飞行轨迹曲线；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起，探测结束后用于回收探空仪和探空气球，以满足下一次探空的需要。

(2)搭设逆温层探测平台。首先将接收天线牢靠的固定在三脚架上，用信号电缆将接收天线与接收机“数传天线”接口相连，再用数据线连接接收机的“数据输出”接口与计算机RS232串口。

(3)接通接收机电源，打开计算机上的大气逆温层探测程序，设置好接收机的通信端口和接收频率，以及接收机接受数据的存储路径。

(4)准备探空仪。将干电池装入探空仪并放在户外接收天线附近空旷的地方，此时逆温层探测程序界面上的“探空仪”指示灯不停的闪烁表示信号传输正常，如果不正常，重复步骤(3)，直到探空仪正常工作，然后在程序界面中设置地面大气压数值。

(5)准备探空气球。将充气设备(一般为氢气或氦气瓶)的出气口用减压阀和软气管与探空气球充气嘴相连，并将气球充气口牢固的绑在充气嘴上。依次打开充气设备上的出气阀和减压阀，缓慢均匀的给气球充气，充气量V以保证气球能将探空仪送入预定的高度，按照如下公式计算。充气完毕后，关闭减压阀和出气阀，用绑扎绳将气球口绑扎牢以防止漏气。

$\tan \left[\arcsin \frac{h}{l}\right]=\frac{(\mathrm{\ρV}-M)g}{1.511v^2\sqrt[3]{V^2}}$

上式中，V为所充气体的体积，m³；h为探空仪要达到的高度，m；l为自动收放线绞磨上的系留绳长度，m；ρ为探空气球所充气体的浮力量,kg/m³(氢气取1.203，氦气取1.112)；M为充气后气球和探空仪的总重量，kg；g为重力加速度，m/s²；v为风速，m/s。

(6)将自动收放线绞磨上的系留绳拉出一段长度，并与绑扎气球口剩余的绑扎绳相连接；再在气球口绑上一圆形挂环，将探空仪牢固的挂在挂环上，至此探空仪准备完毕。

(7)释放系留气球探空仪，进行大气逆温层探测。再次检查逆温层探测程序界面上的数据和工作状态，确认正常后，设置自动收放线绞磨的转速，开启绞磨电源，系留气球探空仪开始释放，同时点击程序界面上的“探空仪起飞”快捷键，程序自动切换至“数据显示和监测”界面。探空仪每隔1秒钟将探测到的大气温湿度、探空仪经纬度和海拔高度数据发射至地面接收天线，界面实时的显示探空仪经纬度和海拔高度数值，并绘制温湿度随海拔高度变化的曲线和探空仪飞行轨迹曲线。

(8)当系留气球探空仪达到指定高度或由于其他原因需要结束本次探空时，点击程序界面上的“停止”按钮并确认后，探空过程结束。调节自动收放线绞磨的转向和转速，开始回收系留气球探空仪。

(9)分析“逆温层探测程序界面”上的温湿度变化廓线和探空仪飞行轨迹，若在探测过程中，出现了大气温度随海拔增加连续升高的逆温现象，做出有逆温层的判断；若大气温度随海拔增加一直都在降低，则做出所探测区域无逆温层的判断。最后计算逆温层厚度、面积和范围。

(10)结合气象部门和环保部门预报的地面温度、降雨和空气中可吸入大气污染物含量数据，做出有无雾霾、冻雨覆冰天气出现的判断。若步骤(9)判定所探测区域存在逆温层，且气象部门预报有降雨且地面气温低于0℃，作出有冻雨覆冰天气出现的判断；若步骤(9)判定所探测区域存在逆温层，且环保部门公布空气中可吸入大气污染物含量≥75μg/m³，则做出有雾霾天气出现的判断。

(11)点击程序界面上的“探测结束”退出大气逆温层探测程序，结束整个逆温层探测工作。

上述一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，经实际应用证明可靠可行，能方便、稳定可靠地获取所探测区域的大气温度垂直分布特征，并快速做出有无逆温层的判断，完全达到预期要求。将该方法获得的大气逆温层探测数据应用于雾霾、冻雨覆冰等天气的预报和预警后，证明效果良好。

Claims (8)

1.一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：

所采用的探测系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括接收天线、接收机和自动收放线绞磨；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起；

探空气球充气体积V满足下述关系：

$\tan \left[\arcsin \frac{h}{l}\right]=\frac{(\mathrm{\ρV}-M)g}{1.511v^2\sqrt[3]{V^2}}$

其中，h为探空仪要达到的高度；l为自动收放线绞磨上的系留绳长度；ρ为探空气球所充气体的浮力量,氢气取1.203kg/m³，氦气取1.112kg/m³；M为充气后气球和探空仪的总重量；g为重力加速度；v为风速；

释放系留气球探空仪，进行大气逆温层探测，探空仪将探测到的大气温湿度、探空仪经纬度和海拔高度数据发射至地面接收天线，经接收机处理后输入计算机进行分析处理，并绘制温湿度随海拔高度变化的曲线和探空仪飞行轨迹曲线；

若在探测过程中，出现了大气温度随海拔增加连续升高的逆温现象，做出有逆温层的判断。

2.根据权利要求1所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：所述探空仪包括快响应热敏电阻温湿度传感器、GPS定位器、数据采集和传输模块、发射天线。

3.根据权利要求1或2所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：所述自动收放线绞磨的转速设置由计算机控制实现。

4.根据权利要求1所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：探空仪每隔1秒钟将探测到的大气温湿度、探空仪经纬度和海拔高度数据发射至地面接收天线。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：最后计算逆温层厚度、面积和范围。

6.根据权利要求1、2或4所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：结合相关部门预报的地面温度、降雨和空气中可吸入大气污染物含量数据，做出有无雾霾、冻雨覆冰天气出现的判断。

7.根据权利要求6所述的基于系留气球探空仪的大气逆温层探测方法，其特征在于：若判定所探测区域存在逆温层，且气象部门预报有降雨且地面气温低于0℃，作出有冻雨覆冰天气出现的判断；若判定所探测区域存在逆温层，且环保部门公布空气中可吸入大气污染物含量≥75μg/m³，则做出有雾霾天气出现的判断。

8.一种基于系留气球探空仪的大气逆温层探测系统，其特征在于：

该系统由地面设备和高空设备组成，地面设备包括依次连接的接收天线、接收机和计算机，以及自动收放线绞磨；高空设备包括探空仪和运载探空仪的探空气球；自动收放线绞磨的系留绳将地面设备和高空设备连在一起；

探空气球充气体积V满足下述关系：

$\tan \left[\arcsin \frac{h}{l}\right]=\frac{(\mathrm{\ρV}-M)g}{1.511v^2\sqrt[3]{V^2}}$

其中，h为探空仪要达到的高度；l为自动收放线绞磨上的系留绳长度；ρ为探空气球所充气体的浮力量,氢气取1.203kg/m³，氦气取1.112kg/m³；M为充气后气球和探空仪的总重量；g为重力加速度；v为风速。