CN109001844B - 一种往返式气象探空气球 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气象参数定高探测领域，具体涉及一种往返式气象探空气球，构成包括探空气球、太阳辐照强度仪、臭氧浓度仪、紫外探空仪和定高球；所述探空气球和定高球通过探空绳并排连接，所述紫外探空仪通过探空绳与探空球、定高球相连接，太阳辐照强度仪、臭氧浓度仪与太阳辐照强度仪固定连接。本发明的往返式探空气球，将水平气象参数与垂直气象参数相结合，补充水平气象参数的空白，得到一定空域内的环境要素变化，能够实现升空回落的往返，既探测了从地面到指定高度的垂直大气廓线，又探测了往返的相同高度的水平大气廓线，数据全，作用空域广，并能够进行重要载荷设备的回收。

Description

一种往返式气象探空气球
技术领域
本发明属于气象参数定高探测领域，具体涉及一种往返式气象探空气球。
背景技术
平流层气象参数是研究平流层大气动力学和环境预警的最主要参数。精确的平流层气象数据可提高平流层天气变化的预测能力、提高气象保障的准确性。目前全球能提供平流层气象垂直分布数据的手段，比如原位探测技术来施放探空气球携带气象探空仪进行平流层气象参数探测，能够实现由地面到35KM的大气参量廓线的探测，该方法仅能探测一条垂直大气参量廓线。
发明内容
本发明目的是提供一种往返式气象探空气球，可以探测不止一条垂直大气参量廓线。
为实现上述目的，本发明所述往返式气象探空气球，构成包括探空气球、太阳辐照强度仪、臭氧浓度仪、紫外探空仪和定高球；所述探空气球和定高球通过探空绳并排连接，所述紫外探空仪通过探空绳与探空球、定高球相连接，太阳辐照强度仪、臭氧浓度仪与太阳辐照强度仪固定连接。
进一步，所述紫外探空仪的构成包括温度传感器、湿度传感器、紫外强度传感器，结合北斗卫星数据，紫外探空仪得到所述气象探空气球的高度、温度、湿度、气压、风速、风向、经纬度。
进一步，所述紫外探空仪为北斗数字气象探空仪。
进一步，所述探空气球和定高球均为1600克氢气探空气球。
以前的探空气球只完成了升空过程，只能够得到垂直大气廓线，而本发明的往返式探空气球，将水平气象参数与垂直气象参数相结合，补充水平气象参数的空白，得到一定空域内的环境要素变化，能够实现升空回落的往返，既探测了从地面到指定高度的垂直大气廓线，又探测了往返的相同高度的水平大气廓线，数据全，作用空域广；该往返式气象探空气球结构简单，只需地面充气操作，成本低廉，飞行高度可调节，能够有效地实现平流层气象参数的定高往返探测，并能够进行重要载荷设备的回收。
附图说明
图1为本发明往返式气象探空气球的结构简图。
图2为试验过程的高度时间曲线；
图3为试验过程的速度时间曲线；
具体实施方式
一种往返式气象探空气球，如图1所示，构成包括探空气球1、太阳辐照强度仪2、臭氧浓度仪3、紫外探空仪4和定高球6；
所述探空气球1和定高球6均为1600克氢气探空气球，探空气球1和定高球6通过探空绳5并排连接，紫外探空仪4通过探空绳5与探空球1、定高球6相连接，太阳辐照强度仪2、臭氧浓度仪3与太阳辐照强度仪2固定连接，其中所述太阳辐照强度仪2与紫外探空仪4胶粘在一起，所述臭氧浓度仪3通过探空绳5捆绑在紫外探空仪4上。
所述紫外探空仪4的构成包括温度传感器、湿度传感器、紫外强度传感器，比如北斗数字气象探空仪，结合北斗卫星数据，紫外探空仪4得到所述气象探空气球的高度、温度、湿度、气压、风速、风向、经纬度。
工作原理：采用气象探空气球作为搭载系统，气球充入氢气作为浮升气体，所述定高球6根据探测高度决定充气量，探空气球1根据载荷重量、升降速度充入相应量的气体。到达设定高度后，定高球6爆炸，探空气球1带着探测设备从指定的探测高度下降，返回地面，期间，由于水平风的作用，完成了一定区域内的垂直水平大气廓线探测，形成了完整的大气参量探测廓线。
随着气球的不断升高，气球开始膨胀，假设探空气球升空过程为绝热膨胀过程，则根据理想气体方程公式可得：
Figure GDA0002808743350000031
根据上述公式，在初始氢气体积Vt1、温度Tt1、压强Pt1已知的情况下，可得到下一个温度Tt2压强Pt2的气球体积Vt2，根据探空气球出厂参数，1600克探空气球爆破直径为10.5米，在一定的高度气球会膨胀到爆破直径，发生爆炸。因此，我们可以通过调整充气量来调整探测高度，这就是所述定高球6的定高原理。
定高球(6)爆破后，当载荷重量大于所述探空气球(1)的承载能力，探空气球逐渐开始下落，从而形成一个闭合的大气参量廓线的探测；为保证上升和下降过程探测参数的一致性，需要控制上升和下降过程速度一致，只需要控制上升和下降过程的加速度一致，忽略定高球爆炸引起的氢气质量和球皮质量损失，由于两次过程系统质量相同，控制两个过程力的一致即可满足要求需保证上升和下降过程探测参数的一致性：
Figure GDA0002808743350000032
B1＝ρg(V1+V2) (3)
B2＝ρgV1 (4)
M＝m+m1+m2 (5)
m1+m2＝2mq+ms+f1+f2 (6)
f1＝ρHV1 (7)
f2＝ρHV2 (8)
F1、F2为系统上升和下降过程中分别受到的外力，D为空气阻力，B1、B2为系统上升下降过程中分别受到的浮力，在此认为两个过程空气阻力大小一致，所述探空气球1是体积为V1的圆形气球，ρH为球内氢气的密度，m1为所述探空气球1的总质量，mq为球皮的质量，ms为所述探空绳5质量，所述定高球6是体积为V2的圆形气球，ρH为球内氢气的密度，m2为所述定高球6的总质量，m为载荷质量，ρ为空气密度，M为总质量，g为重力加速度。
若B1>Mg，气球上升，通过控制充气量控制浮力B1的大小，从而调节上升速度，通过控制所述定高球6的充气量控制爆破高度，所述定高球6爆破后，浮力B2<Mg，因此，所述探空气球1在重力的影响下逐渐下降，下降的速度由所述探空气球1的充气量调节，根据升空速度320～400m/min(5.3～6.7m/s)的限制，所述定高球6的充气量确定后，根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)可以确定所述探空球1的充气量。
实施例1
目标高度30km，试验场地面温度304.3K，地面压强878.8hPa，30km高度处大气温度231.2K，大气压强12.8hPa，根据理想气体方程式可得：
Figure GDA0002808743350000041
(RM为气体常数)，可以得到30km的空气密度为0.01929kg/m3，由此可以得到30km的氢气地面密度
Figure GDA0002808743350000042
可以得到30km氢气密度0.00133kg/m3，所以单位气体净升力为0.01796kg，根据探空气球的爆炸直径d为10.5米，得到爆炸体积
Figure GDA0002808743350000051
可得总的净升力为10.88611kg，根据试验场地面的温度压强，得到试验场地面的空气密度为1.00625kg/m3，试验场氢气密度为0.06940kg/m3，得到净升力为0.93685kg，因此所述定高球6在地面的体积为V2＝11.61991m3，浮力ρV2＝11.69253kg，f2＝ρHV2＝0.80642kg。根据试验数据mq＝1.6kg，ms＝0.04kg，f1＝ρHV1，载荷m＝8kg，所以根据公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)可以确定V1＝6.61809m3，根据此充气量试验结果如图2和3所示，由图可知，试验的爆炸高度为28650米，与设定值30000米存在1350米的误差，相对误差为4.5％<5％，误差可以接受，证实了该方法的有效性。

Claims (4)

1.一种往返式气象探空气球，其特征在于，所述气象探空气球的构成包括探空气球(1)、太阳辐照强度仪(2)、臭氧浓度仪(3)、紫外探空仪(4)和定高球(6)；所述探空气球(1)和定高球(6)通过探空绳(5)并排连接，所述紫外探空仪(4)通过探空绳(5)与探空气球(1)、定高球(6)相连接，太阳辐照强度仪(2)、臭氧浓度仪(3)与紫外探空仪(4)固定连接；
所述探空气球(1)为搭载系统，其充入氢气作为浮升气体；
所述定高球(6)根据探测高度决定充气量，探空气球(1)根据载荷重量、升降速度充入相应量的气体；到达探测高度则定高球(6)爆炸，探空气球(1)携带紫外探空仪(4)从探测高度下降，返回地面，由于水平风的作用，完成了一定区域内的垂直水平大气廓线探测，形成闭合的大气参量探测廓线；
所述定高球(6)充气量的确定，根据理想气体方程公式：
Figure FDA0002808743340000011
其中，Vt1为初始氢气体积、Tt1为温度，Pt1为压强，且均为已知，可得到下一个时刻温度Tt2压强Pt2的气球体积Vt2，结合定高球(6)的出厂参数可以计算出定高球(6)的爆破高度，通过调节充气量控制定高球(6)的上升高度，到达探测高度定高球(6)爆炸，此时的充气量为定高球(6)爆破时充气量；
所述探空气球(1)充气量的确定，定高球(6)爆破后，当载荷重量大于所述探空气球(1)的承载能力，探空气球(1)逐渐开始下落，从而形成一个闭合的大气参量廓线的探测；为保证上升和下降过程探测参数的一致性，需要控制上升和下降过程速度一致，只需要控制上升和下降过程的加速度一致，忽略定高球(6)爆炸引起的氢气质量和球皮质量损失，由于两次过程系统质量相同，控制两个过程力的一致即可满足要求，需保证上升和下降过程探测参数的一致性：
Figure FDA0002808743340000021
B1＝ρg(V1+V2) (3)
B2＝ρgV1 (4)
M＝m+m1+m2 (5)
m1+m2＝2mq+ms+f1+f2 (6)
f1＝ρHV1 (7)
f2＝ρHV2 (8)
其中，F1、F2为系统上升和下降过程中分别受到的外力，D为空气阻力，B1、B2为系统上升下降过程中分别受到的浮力，在此认为两个过程空气阻力大小一致，所述探空气球(1)是体积为V1的圆形气球，ρH为球内氢气的密度，m1为所述探空气球(1)的总质量，mq为球皮的质量，ms为所述探空绳(5)的质量，所述定高球(6)是体积为V2的圆形气球，m2为所述定高球(6)的总质量，m为载荷质量，ρ为空气密度，M为总质量，g为重力加速度；
B1>Mg，气球上升，通过控制充气量控制浮力B1的大小，从而调节上升速度，通过控制所述定高球(6)的充气量控制爆破高度；
定高球(6)爆破，浮力B2<Mg，所述探空气球(1)下降，下降的速度由所述探空气球(1)的充气量调节，根据升空速度的限制，所述定高球(6)的充气量确定后，根据式(2)-(8)即可确定探空气球(1)的充气量。
2.根据如权利要求1所述的一种往返式气象探空气球，其特征在于，所述紫外探空仪(4)的构成包括温度传感器、湿度传感器、紫外强度传感器，结合北斗卫星数据，紫外探空仪(4)得到所述气象探空气球的高度、温度、湿度、气压、风速、风向、经纬度。
3.根据如权利要求1所述的一种往返式气象探空气球，其特征在于，所述紫外探空仪(4)为北斗数字气象探空仪。
4.根据如权利要求1所述的一种往返式气象探空气球，其特征在于，所述探空气球(1)和定高球(6)均为1600克的氢气探空气球。
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