无声的高空观测者——探空气球

作者：海月明工作室

探空气球是人类探索天空的无声使者，自二十世纪二十年代以来一直担负着为天气预报、气候分析、科学研究和国际交换提供准确及时的高空气象情报和资料的任务。它犹如一个CT扫描仪，从地面到高空进行逐层扫描，实现了从二维到三维立体的观测，为天气预报提供了丰富的高空气象数据资料，促进了气象预报水平的提高。

如果有一天你看到一个巨大的白色气球缓缓飘起，不要害怕，这是我们的气象员在释放探空气球。探空气球形状多样，常见的有圆形、梨形等。气象员在用探空气球进行高空观测时，需要一个人充放气球和检查所携带的探空仪状况，另外一个人在室内操纵雷达，跟踪探空仪和气球。工作时，地面雷达利用对探空气球的实时跟踪来实现测风功能。探空气球携带探空仪升空，地面雷达发出询问信号，探空仪回答器对应发出回答信号。根据每一对询问和回答信号之间的时间间隔和信号的来向，就可以测定每一瞬间探空气球的位置，即它离地面雷达的直线距离、方位角、仰角，然后根据探空气球随风飘移情况，就可以推算出风向、风速。在这同时，探空仪也将采集到不同高度层的温度、湿度、气压数据，不断地发回地面，被地面数据接收雷达接收，被接收的信号通过解码传到计算机终端显示绘图，这样就完成了对高空温度、湿度、气压、风向、风速的探测。

探空仪里有许多电子元件可以探测各种气象要素，包括大气中各高度上的气压、温度、湿度随时间和空间分布。探空气球是把无线电探空仪携带到高空，以便进行温度、压力、湿度和风等气象要素的探测。探空气球重300至1500克，充入适量的氢气或氦气，可升达离地30至40千米。高空气象站使用的常规探测气球升速一般为6至8米/秒，约上升到30千米高空后自行爆裂。因此，为了尽可能获取最大垂直范围内的探测资料 ,就必须提高气球的飞升高度。目前世界上探空气球的生产原料主要是氯丁胶乳，从仓库里拿出来的探空气球在确定没有损坏的前提下，才会被带到储氢室充入适量的氢气，让它直立起来。氢气是比重最轻的气体，现在我国探空站中，有的站是化学制氢,有的站是电解水制氢。电解水制氢的氢气纯度最高，一般可达99%以上,安全系数也相对较高，为大多数探空站所用。同一球皮，充入纯度低的氢气比充入纯度高的氢气，爆炸高度要低。充灌完毕后的气球，高约2米，直径约1.5米，比一个成年人还要高。

可以进行高空气象观测的手段有很多，比如卫星掩星、飞机搭载、地基遥感、火箭探空和气球探空等。但是相比其他手段，探空气球的操作简单、升速较慢，更有利于详细数据收集，这也是高空气象的一个比较直接的探测方式。探空气球升到高空，以直接接触的方式“搭脉”气象环境，堪称高空气象探测的“医者”。其获得的“诊疗数据”通常被认为相对最准确，常用于大气遥感观测真实性检验和校准检验。气象探空气球的释放需要申请空域，不是随地可以释放的，一般只有在有高空气象站的地方才能见到，但其数量并不像地面气象站数量那么多，全国有几万个地面气象站，但只有123个高空气象站。同样探空气球释放的时间也不是随意的，而是固定的。如果你所在的城市有高空气象站，那么在北京时间01时15分、07时15分、13时15分、19时15分，总有那么一个时刻可以和探空气球来一次邂逅，无论天气多么恶劣，这些气象站都会照常营业。

探空气球在对于研究大气中的各种物理过程，以及天气分析和预报等气象服务工作中起到了重要作用。虽然目前探空火箭、气象雷达、气象卫星等应用广泛，但是探空气球依然是当今气象业务和研究中获得最基础高空数据的主要仪器。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：海月明工作室

审核：戴云伟 中国气象局 高级工程师

出品：中国科协科普部

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