薛邦贵，刘永强，马 良，曾学良

(1.甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州 730020；2.中国化工株洲橡胶研究设计院有限公司，株洲 412003)

0 引言

全球气候观测系统(Global Climate Observing System，GCOS)启用1600 g气球以来，探空业务技术有了长足发展，基本满足预报预测的需求，探测数据更加精准、探测项目更加多元化，得到了GCOS秘书处对中国探空业务质量的认可[1，2]。但现行探空能力与GCOS探空要求还存在差距，除了探空仪传感器和雷达测风准确度不高之外，1600 g气象气球施放高度合格率偏低(世界气象组织要求达到35 km以上)。文章通过对2013—2019年甘肃省民勤GCOS站施放高度低于35 km探空气球数量的统计分析，总结出每年低于35 km探空气球数量的分布规律，分析影响施放高度的主要因素，从而提出提高施放高度的对策和建议[3，4]。

1 探空气球施放高度和气温特点统计分析

1.1 低于35 km数量统计分析

经统计发现民勤探空气球施放高度低于35 km的数量平均每年约占20%(年标准用量按750个计算)，且每年具有一定规律，分布趋势基本相同：呈现出明显的季节性特点，夏季低于35 km次数最少，约占年平均施放量的14%，6月份最少，7 a合计50个，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年合计135个。

很显然，施放高度受当地气候影响严重，特别是气温对气球性能影响不容忽视；另外，据本站值班记录员观测高度数据可知，80%施放高度低于35 km的情况均与特殊天气现象有关，主要是大风、多云、阴天和雨雪天气。

1.2 民勤近7 a气温特点分析

民勤县地处甘肃省河西走廊东北部，温带大陆性干旱气候区，东西北三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，大陆性沙漠气候特征十分明显，冬冷夏热、降水稀少、光照充足、昼夜温差大。

民勤县1月月平均温度最低，7月最高。1—7月平均温度逐渐升高，7—12月逐渐降低。1月份平均气温在-5～-9.5 ℃，最不适合放球，施放高度低于35 km数量最多(135个)；6月份平均气温在21～23 ℃，最适合放球，施放高度低于35 km数量最少(50个)。

1.3 民勤GCOS站近7 a温度极值统计

经统计，民勤县年最高温度平均38.14 ℃，年最低温度平均-19.57 ℃。说明1 a之内温差大，昼夜温差大。而极高、极低气温对气球仓储保管有很大影响。

2 影响气球施放高度的主要因素

2.1 气球组成成分和物理特性

气球的主要成分是天然胶乳，因制作工艺和产品性能需要，还需加入各种配合剂：如稳定剂、硫化剂、防老剂等非橡胶成份。

2.1.1 蛋白质和吸水材料与湿度有关

气球含有0.1%～0.3%天然或添加的蛋白质，在潮湿的环境下，蛋白质容易出现变质，影响使用性能；除此，气球中吸水材料吸收水分后，也会影响使用性能。

2.1.2 硫化分子网状空间结构与温度有关

为了满足气球所必需的强度和弹性，在制作过程中，加入适量的硫化剂、硫化促进剂和活性剂(柔软剂)，使其在一定的温度、压力条件下快速硫化——分子间形成空间网状结构。该结构在常温下处于交联和断链的平衡状态，使气球在对流层顶遇到低温时球皮不会冻结变硬，可以考虑在白天和夜间用不同气球，选择不同柔软剂添加量[5]。当外界温度过高，会加速这一过程的反应，导致橡胶网状结构的破坏，出现热老化、龟裂等老化现象；在气温过低的情况下，橡胶网状结构也会受到影响使气球失去原有的弹性，从而影响气球的使用性能。

2.1.3 天然橡胶的氧化反应

天然橡胶与空气中少量的臭氧会产生反应，在紫外线的催化作用下也会与氧反应。若气球充气后长时间暴露在气温高或紫外线很强的室外，此种反应速度更快。氧化反应使气球表面形成微小的裂纹，影响性能。

2.2 气球仓储保管环境

气球乳胶研究和气象主管质检部门多年测试证明，仓储环境条件与气球质量息息相关。目前，许多台站仓库未按标准建设，未配置控温控湿设备，因此气球基本处于天然温湿状态，特别是冬夏季温差极大，湿度环境也不稳定。加之部分保管人员未严格按照“先进先用”原则，造成气球积压、码垛仓储不规范等，都会造成气球老化或吸水变性，影响施放高度。

2.3 充灌气球方法不当影响施放高度

GCOS探测气球使用的氢气是比重最轻的气体而且对其纯度要求也比较高。以下情况均会影响施放高度：气球充气前，外观检查不到位，未及时发现沙眼、大折皱、薄厚不均匀、球嘴长度和弹性较小等现象；未采取冬季保暖夏季防晒措施；充气过程中对净举力指标和净举力计算方法掌握不全面，没有严格按照《气象气球使用说明书》进行规范操作等行为均会影响施放高度。充气速度过快且气量不稳定，球皮受力不均[6-8]。

2.4 特殊天气现象

高湿度、大风、雨雪等特殊天气状况也会影响GCOS探空气球升速，进而影响气球施放高度。当天气阴冷云层较厚时，气压较低，气球升速较慢，探测高度较低。雨雪天气，气球在上升过程中球皮表面附着雨雪，会出现升速慢，高度低的现象，而且上升途中会受到雨、雪等的阻碍，也会影响探测高度。雨雪、大风天气施放气球会因天气影响对球体造成大尺度抻拉以及增加球体重量，从而影响探空气球上升速度，造成施放高度的降低。

综上所述，影响GCOS站1600 g气球施放高度的主要因素可概括为：对温湿等气象要素敏感的气球固有组成成分及特性；仓储保管环境条件；充灌气球的经验方法技巧及高湿度、大风、雨雪等特殊天气等。

3 提高施放高度的对策和建议

3.1 加快应用改进型气球

建议生产企业严把天然乳胶原料质量关，研究出科学合理的气球成份配方，完善生产工艺，降低生态环境粉尘污染，优化现有气球成分特性，使其更好地适应温度、湿度和有氧环境。例如，及早推广使用1600 g改进型(NSL-35)探空气球，在全天候气候条件下，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 改善气球仓储保管环境

贮存气球的库房应通风良好，阴凉干燥，温湿条件为：室内温度保持在10～25 ℃；相对湿度保持30%～70%为宜。装备包括供电、给排水、通信网络、采暖(制冷)、通风、除湿、安保、视频监控、消防、防雷、防鼠和射频识别系统(RFID)等。

气球应放置在距离地面20 cm的托盘上，堆垛不易过大，垛间应有适当距离，每3个月至少倒垛翻箱1次。使用时遵循先到先用原则，防止积压过期老化，一般在出厂后24个月内保持最佳性能。避免阳光直射、雨雪浸淋，保持干燥清洁，禁止与酸、碱、油脂类、有机溶剂以及其他危害橡胶性能的物质接触，并与热源保持2 m以上距离。

3.3 熟练掌握气球充灌方法及技巧

保持气球有合理的充气量(用净举力表示，约1800 g)，净举力指标和净举力计算方法参见《气象气球使用说明书》，净举力，即探空气球充灌氢气的量。保证气球从升空到“球炸”，气球膨胀的倍数为5倍，在地面施放状态，球皮的厚度一般应在0.1～0.2 mm。

气球充气前面，先进行外观检查，做好施放前合格性检查，充气时应先将气球平铺在地面，然后缓慢打开阀门，使充气流量保持均匀，当球体膨胀后，减缓充气速度使球皮慢慢胀大，保证球皮受力均匀；充灌过程中暂停并仔细检查气球有无砂眼造成的漏气现象。

3.4 提高特殊天气施放高度对策

当天气阴冷云层较厚时，要适当调整探空气球的充氢量。一般情况下，阴雨天气要比平时(晴天少云)多充10%～20%的氢气。施放气球时应尽量避开大雨或雷暴时段(不迟放球的前提下)[9]。另外，雨雪、大风天气应尽量使用大风放球器，当临近放球时间再将气球从充气房拿出，减少球部受风影响，避免造成不必要的抻拉，防止因雨雪粘湿增加重量。

在高湿度、大风、雨雪等特殊天气建议使用改良型组合气球。在1600 g定制球外面套300 g专用气球(生产过程特制：球柄变大、变薄，球体定伸强度加大，球皮外表面特殊处理等)，经实验测定：1600 g球+300 g特制球，具有外套球规格变小、球体更饱满、可适当降低上升阻力、提高升速、提高施放高度的优点，平均施放高度保持在38 km。外套球体规格小，上升到一定高度(控制在10 km为适宜)就会提前爆破。很大程度上保护了主球体，避开了高湿度环境对球皮的影响，而结冰对球皮造成的破损也只限于外球球体，外套球体爆破后，大部分球体脱落，降低了自身重量，瞬间提高了净举力，更有利于球体上升。

4 结束语

通过统计分析民勤站近7 a的高空探测气球施放高度，发现季节性天气变化对气球施放高度起决定性作用，得出施放高度低于35 km的高空探测气球数量越多相应气温越低的结论，围绕此结论展开相关研究并提出改进措施，最终实现提高施放气球高度的合格率，缩小GCOS探空业务国际差距，提高探空数据准确度。