高空气象探测——灌球与观测

单元标题：第四章灌球与观测

第一节球皮的分类与用途

第二节气球升速的确定

教学时数：（2）学时，其中理论（2）学时，实验（0）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：

教学目的与要求：

目的：了解探测球皮的分类与用途、讨论分析作用在气球表面的力、气球的上升速度、升速公式，确定气球升速的原理。

要求：掌握探测球皮的分类与用途，了解气球升速的确定原理与方法。

主要教学内容：

球皮的分类与用途、球皮的性能和选用方法、球皮使用与保管注意事项、作用在气球表面的力、气球的上升速度公式的讨论以及确定升速的方法。

教学重点与难点：

球皮的分类与用途、气球的上升速度、升速公式的讨论，确定升速的方法。课后作业：

1、什么是总举力？什么是净举力？如何确定测风气球净举力？

3、高空风观测方法以及球皮的分类如何？

4、高空气象探测的分类，各类气球升速的要求

课后体会：

通过教学，同学们基本掌握了探测气球的种类和高空测风方法的分类，了解气球上升中所受到各种力的作用，掌握总举力、净举力的定义和确定气球升速的方法。但必须通过今后的实习进一步加深了解。

第四章灌球与观测

第一节球皮的分类与用途

一、气象球皮的分类

我们把尚未充气的气球称为球皮。

气象球皮分为两大类：

1、探空气球：该气球携带探空仪和回答器，可升至30Km的高度，与测风雷达配合进行探测。

探测时，除了把气球作为气流运动的示踪物，测定高空风随高度的分布情况外，还要将气球作为携带高空气象探测仪器升空的运载工具，探测高空温、压、湿随高度的分布情况。飞升时，具有一定的上升速度（400米/分左右），以保证探测仪器各感应元件的通风量，使探测到的温、压、湿结果具有一定的精确度。

2、测风气球：按探测手段又分为大球和小球。

大球：携带回答器的气球，可升至30Km的高度，升速为400米/分左右，与测风雷达配合进行探测，只能作为气流运动的示踪物测定高空风随高度的分布情况。

小球：充灌氢气后与测风经纬仪配合，不携带附加物升空（夜间观测携带灯笼和蜡烛），升速为200米/分钟，只作为气流运动的示踪物，测定高空风随高度的分布，探测高度受天气条件的限制。

二、球皮的性能和选用

性能：均由天然乳胶或合成橡胶制成，具有良好的弹性。

球皮质量判断方法：

（1）形状：气球近似有圆形和椭圆形，相比之下椭圆形气球施放高度较高一些。

（2）弹性：可用手轻轻拭拉球皮，感觉柔软而松弛，说明气球质量较好，感觉弹性较差，则说明气球质量不太好。

（3）大小：从球咀到球顶的距离越大，说明气球较大，施放高度较高。

（4）均匀度：展开球皮，无大的绉折和明显的薄厚差别则较好。

三、球皮使用与保管注意事项

1、尽量避免球皮被风吹、日晒、雨淋。

2、保存时，应保留球皮内外的滑石粉，使用将其到掉抖净。

3、不得接触锋利或粗糙的物体。

4、勿与油类或酸类物质放在一起。

5、保存在温度为10℃—20℃之间、相对湿度为70%左右的环境中。

第二节 气球升速的确定

一、作用在气球表面的力

1、气球的总举力和净举力

总举力：气球所受到的浮力减去球内氢气的重量。

即：Vg g V g V E H H )(ρρρρ-=-=

总举力的大小还不能说明气球能否上升或上升速度的快慢，它只能说明气

球充灌氢气后，能够携带多重的物体不下降（含气球的重量）。

为了表明气球能否上升以及上升速度的快慢，必须引入一个新的物理量“净

举力”。通常用字母A 表示，定义为：总举力减去球皮、绳重以及附加物的重量。

附加物：除球皮和扎球绳以外，气球携带的其它所有的升空物。

即：B Vg B E A H --=-=)(ρρ

式中：M N B +=，M 为气球和扎球绳的重量，N 为附加物的重量。

净举力就是气球纯向上的力，对于同一个气球而言，净举力越大，上升速

度越快，反之则反。

当球皮和附加物的重量一定时，净举力的大小是由灌氢量的多少和大气密度

所决定的。灌氢量越多，净举力越大；大气密度越大，净举力越大。大气密度受

气压和温度的影响，当气压一定时，气温越高，大气密度越小，反之越大；当大

气温度一定时，气压越高，大气密度越大，反之越小。因此得出以下结论：一定

体积的气球在附加物和重量一定的条件下，净举力的大小与气压和温度有关，气

温越高或气压越低，净举力越小；气温越低或气压越高，净举力越大。

2、净举力随高度的变化

假设气球在上升过程中：

(1)球内氢气量不变,即球皮不向外渗透氢气；

(2)球内温度和气压与球外大气温度和气压相同，即球内外的温度和气压呈

同步变化。

根据气体状态方程可知，气体的体积与密度呈反比关系，且气体密度的

变化决定于气体气压和温度的大小。因此可得下式：

Z

H HZ Z V V 000==ρρρρ 式中Z HZ Z V 、、ρρ分别表示气球在高度为Z 时的大气密度、球内氢气密度、

气球体积，000V H 、、ρρ分别表示放球时的大气密度、球内氢气密度、气球体积。

可得： 100C V V Z Z ==ρρ

200C V V H HZ Z ==ρρ 式中1C 、2C 为常数。

将两式等号两边分别相减，并同时减去B ，则有：

B V B V H HZ Z Z --=--）

（）（000ρρρρ=1C -2C 由净举力定义可得：常数=-==210C C A A Z

结论：在任意高度上的净举力Z A 与地面上的净举力0A 相同。即测风气球在

上升过程中，净举力保持不变。这也是进行单经纬仪测风的理论基础之一。

3、空气阻力R

运动的物体总是受到一个与之运动方向相反的作用力的作用，这个力称为阻

力。当测风气球施放后，由于受到净举力的作用而上升，必然也会受到一个阻止

其上升的力的影响，这个作用于气球上的力与气球的净举力方向相反。实验证明，

空气阻力与空气密度ρ成正比，与气球垂直运动方向上的横截面积S 成正比，与

气球和空气的相对运动速度W 的平方成正比。即：

2221W D K SW K R ρρ== 式中：22)2

(D r S ππ==，41K K π=是一个与阻力有关的系数，D 为气球的直径。

空气阻力在乱流、对流较强的情况下，有减小的现象；在其它条件相同的情

况下，物体的形状不同，阻力也不同，物体形状越圆，阻力越小；物体表面越光

滑，阻力越小。

上式中的系数K 为阻力系数。对台站使用的橡胶球皮来说，在稳定的大气环

境中，阻力系数K=61.43×10-7—84.60×10-7。

K 值与净举力A 的关系：

当升速度小于2米/秒（即120米/分）时，空气阻力与物体运动速度成正比；

当升度大于2米/秒，而小于100米/秒（即6000米/分）时，空气阻力与物

体运动速度的平方成正比；

当升度更大时就与物体运动速度的立方成正比；

当速度大于等于1000米/秒（60000米/分）时，阻力又重新与物体运动速度

的平方成正比。

通常测风气球的上升速度应在2米/秒—100米/秒之间，因此我们取空气阻

力与气球上升速度的平方成正比。

二、气球的上升速度

气球上升时，同时受到净举力和阻力的共同作用。

在气球施放瞬间，由于净举力A 的作用，迅速加速上升，同时阻力也迅速增

大，且与净举力的方向相反，此时的22W D K R ρ=。 根据牛顿运动方程：R A dt

dw m -= 可知，当R 增大到与A 相等时，即R A =时，

0=dt dw ，气球就开始作匀速上升运动了。

气球加速上升的过程，是在施放后极短的时间内完成的，整个变化过程只需

1—2米的高度，在这之后，气球就一直作匀速上升运动了。

三、升速公式的讨论：

对测风气球而言，气球施放后上升一米多就能达到极限值的0.99。

36

1

36

1

B A A b E A b W +==--ρρ

可见，只要我们控制了球重、附加物的重量、净举力的大小，就完全可以控

制气球的升速了。

四、实用升速公式的应用

在台站实际业务中，灌球前，要根据测站温度、气压、球重、绳重和附加物

的重量计算出净举力，然后再由净举力的大小充灌气球，从而达到固定气球升速

的目的。确定净举力的原理：

3

6101B A A b W +???? ??=-ρρ 03161

8531.0W B A A b W T P =+=??

? ?? 上式中，W T P 6

18531.0??? ??相当于标准密度下的气球升速，故称之为标准密度升速值，由灌球时测站气压、温度、气球升速来决定，再由公式

31310E A b B A A b W =+=计算得到净举力A ，式中0.821=b ，B 值的大小用天平秤

量后得到。

五、升速误差

1、空气密度

在其他条件相同的情况下，气球升速随空气密度的减小缓慢增大，即升速随

高度的增大而增大。高度每增加1Km ，升速大约增加地面升速值的2% ，到达5Km

左右时，升速大约增加地面升速值的10% ，但是这种误差往往又被气球内氢气

泄露所抵消。

2、大气乱流

大气的乱流运动会使大气对气球的阻力发生很大的变化。当乱流较强时，阻

力减小，使得气球的实际升速高于理论升速，尤其是在白天，这一因素影响很大。

阻力系数随着大气的湍流状况而变化，而在探测中却认为是一个常数。

3、大气对流

大气对流对气球升速的影响很大。在山区以及出现强对流天气时，大气垂直

气流的数量级可与气球的升速相当，背风坡强烈的下沉气流甚至会使气球的升速

值为负。因此，在这种情况下，就不能用气球的理论升速计算气球的高度了。否

则，单经纬仪小球测风精度就不能得到保证。

4、球皮的渗透和扩散性

由于氢气从球内向外渗透和扩散的影响，使得气球升速减小，高度越高，扩

散越多。但是，这种影响到了高空是可以抵消因大气密度的减小而造成的升速增大的现象。

5、气球形状

气球如果不是正圆形，其所受到的大气阻力是比较复杂的，与正圆形气球的实验结果大不相同。气球上升时会伴随着转动和翻滚，这时气球受到的阻力就较大，实际升速将低于理论计算升速。

6、气球内外温差、压差

由于气球上升时会产生膨胀降温，太阳辐射会使气球产生辐射增温。在对流层顶以下，膨胀降温比辐射增温的作用要大，随着高度的升高，辐射增温的作用逐渐增强。据测定，在对流层顶以上，气球内外温差可达10℃。

另外，由于球皮的张力作用，也使球皮内外存在一定的压力差。但温度差和压力差对气球升速的综合影响不超过1% 。但在气球上升的高度很高时，大气压力与气压差接近时，对升速的影响将会增大。在一般情况下，可以不考虑气球内外温度差和气压差对气球升速的影响。

综合以上六点可见，造成气球实际升速与理论升速误差的因素是多的。大气的乱流和对流的影响是主要的，有时误差相当大，观测结果表明：中午的误差比傍晚和清晨大，山地的误差比平原大。根据资料研究发现：在2Km高度以下，实际升速比理论计算升速要大20% —30% ，而且越接近地面，误差越大（主要由大气的乱流运动所造成）；在2—12Km高度范围内，实际升速接近理论计算升速，这一层大气的乱流比较弱，而大气密度随高度的减小使气球升速增大，但球内氢气的渗透和扩散又使气球升速减小，两者相互抵消；在12Km高度以上，实际升速又比理论升速小，而且高度越高，升速越小，这些主要是由于气球内氢气渗透量增加对升速的影响超过了大气密度减小对升速的影响。

单元标题：第四章灌球与观测

第三节气球的充灌

第四节测风工作的进行

教学时数：（2）学时，其中理论（2）学时，实验（0）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：

教学目的与要求：

目的：通过教学，使学生掌握如何确定测风气球的净举力和充灌气球的方法以及灌球注意事项；掌握小球测风，雷达单独测风的工作过程。

主要教学内容：

探测气球的充灌方法以及灌球注意事项，小球测风、雷达单独测风工作过程。

教学重点与难点：

气球的充灌方法，小球测风、雷达单独测风工作过程。

课后作业：

1、如何确定测风气球的净举力？如何充罐气球？

2、单测风瞬间观测项目及时间规定。

3、单独测风瞬间观测结束后应做哪些工作

4、雷达单独测风检查、浸泡电池的方法。

课后体会：

通过教学，同学们基本掌握了探测气球的充罐方法、单独测风工作程序和如何跟踪探测，通过今后的实习后，基本可以胜任该工作。

第三节气球的充灌

一、小球的充灌

平衡器重150克。

充气时，将球咀套在杯口上扎紧，当进气咀插入输气管道时，顶杆活门被顶开，氢气通过进气孔进入球内；当插头拔下时，顶杆活门在弹簧的作用下，将进气咀关闭，使充入球内的氢气密闭。当需要将球内的氢气放出一部分时，可用手推开顶杆活门进行放气。

（一）灌球步骤

1、选球。选定20号或30号球皮，将球内滑石粉倒掉，初步检查一下是否

完好。

2、计算净举力。根据灌球时本站温度、气压以及升速（通常为200米/分）

W，

计算出

W和附加物重量B计算出净举力。

再由

3、配砝码。根据砝码重=净举力—平衡器重量，即砝码与平衡器的重量之和等于净举力。将配好的砝码套在平衡器上，并用砝码固定螺旋固定好。

夜间测风时，应使砝码与平衡器的重量之和等于净举力加上附加物（灯笼、蜡烛）重量之和，即：砝码的重量=净举力+附加物的重量-平衡器的重量。

4、灌球。将球咀用线绳扎紧在杯口上，用手推开顶杆活门，排除球内空气，然后将与制氢缸相连接的插头进气咀插入平衡上的出气孔，打开制氢缸头部的开关轮柄进行充气。注意：充气速度不易太猛、太快。

5、检查平衡与扎球：当气球可将平衡器带起时，则应关闭制氢缸的开关轮柄，拔出插头进气咀，松手观察气球的平衡状况（注意此时不能有风的影响），若气球下沉，则应继续充入氢气；若气球上升，则应放出氢气，直到气球松手后既不上升，也不下沉时，才可扎球。扎球时一定要扎紧、扎牢，不可漏气。

二、大球的充灌

大球平衡器重1500克。

（一）气球的充灌

1、灌球前，应先将球内的滑石粉抖干净，将球咀扎在平衡器的杯口上，排除球内的空气，并用橡皮管将平衡器进气咀与制氢缸头部的出气咀相连接。

2、根据不同地区和不同天气条件，选取净举力参考值，使气球升速控制在400米/分左右。各站也可根据长期工作实践，总结出适合本站气候和天气条件下所使用的净举力。

净举力的选择，既要满足升速要求，又应尽量提高施放高度。因为，在进行探空球测风时，气球所在高度是由探空记录直接计算得到的，所以净举力不象小球测风那样精确，只要能将气球升速控制在400米/分左右即可，这也是探空气球和小球充灌时的最大区别。

3、配砝码。使平衡器与砝码重量之和接近举力与附加物（含探空仪，灯笼、蜡烛等）的重量之和。

4、灌球。打开制氢缸头部的开关轮柄充气，在充气过程中应不断检查球皮有无漏气的小孔或沙眼，如果有应将其补好。

5、检查平衡及扎球。用手托着橡皮管，此时气球不升也不降，即可扎球。

（五）灌球注意事项

1、灌球前应先将氢气室的门窗打开，认真检查制氢设备是否完好。

2、灌球时应严格按照灌球操作规程进行。

3、灌球时间应在放球前的15分钟内进行，以避免气球充好后与施放时间的间隔太久而影响气球的升速。

4、充气速度不宜过急，以防静电起火，发生事故。

6、充气过程中，一旦起火，应迅速关闭储氢设备的开关轮柄，然后再灭火；

第四节测风工作的进行

一、小球测风

工作过程：

1、放球前10分钟内进行瞬间观测，项目有：温度、气压、湿度、风向、风速、云状、云量、能见度、天气现象，并将观测结果记录下来。

2、放球。待作好放球前的一切准备工作后，除特殊原因外，都应准时正点放球。

3、观测。施放气球后，经过10—20秒钟气球稍稳时，可用手握住镜筒，利用瞄准器将气球瞄入小望远镜，然后集中精力跟踪气球。抓球时，先用小物镜抓，抓住后将球影调到十字线附近，然后改用大物镜进行跟踪，并根据球影的移动规律不断转动仰角、方位角螺旋，使球影保持在镜筒内。

除补放小球外，不得中途停止跟踪气球，观测结束应记录失视原因。失视原因一般为球影消失、入云、云遮、球炸、灯灭、丢球等。

如果气球入云，还应准确记录球影模糊时间，要求精确到秒，供计算云高用。如气球被小块浮云所遮，则应根据气球移动方向继续跟踪，当气球重新出现时，仍应继续跟踪观测。若发生丢球，仍应继续寻找5分钟以上，方可停止观测。

4、观测结束后的工作

每次观测结束后，必须重新校验经纬仪的位置是否发生了变动。检查方法是：将经纬仪对准测站的的固定目标物，并调到十字线正中，读取和记录仰角、方位

角读数，并与放球前的读数进行比较，如有变动，且差值超过规定范围，应寻找原因，并决定记录的取舍。再次观测和记录云状、云量。

5、观测注意事项

（1）遇有气球过顶时，方位角变化很快，容易丢球，必须特别注意，若利用仰角、方位角螺旋，跟不上球影的移动，可直接用手握住大物镜转动，跟踪气球。

（2）为保证记录的准确性，每分钟读取的数据都应该复读一次。并不断注意仰角、方位角变化的规律性。

（4）夜间观测，为了避免放球时将蜡烛闪灭，应使气球与灯笼之间的连接绳拉直后再松开灯笼。气球与灯笼之间连接绳的距离不能太近，应在1.5米左右。还应特别注意勿将星光误认为灯光。灯光在低空略带暗红色，在高空呈淡黄色，并有明显的移动；星光为白色，移动极慢。

（6）切记不要在氢气房内点燃蜡烛，也不要在气球下面点燃蜡烛。

二、雷达单独测风。

㈠电池准备

1、检查、浸泡电池：拆封前应检查电池的塑料包装是否密封，电池是否受

潮发霉，各

接线是否牢固、有无短路、断路现象。在使用前用前一小时拆封，并取出电池，在施放前约30～35min电池根据配方一的规定注入电液，电池浸入电液，约3～5min（时间切不可过长或过短，否则影响使用效果）后取出滴去余水。注意切勿加压挤水或用力甩水，否则电池内含水太少，影响使用时间。余水滴完后，放入保温盒内。

2、电液配方

配方一：水100mL，水温35℃～40℃，食盐3g；

配方二：水100mL，水温45℃～50℃；

3、使用方法

将电池插头插入探空仪检测箱的插座，按下V键开关显示其电压值，检测箱的插座有赋能电阻作为电池负载，观察检测箱上的电压指示，当电压上升到规定的电压值时（24V），取下电池插头，等待使用。也可用探空仪赋能，但需要用电

压表同时测量正负两端电压，当电压上升到 24V时，从XP2 上取下电池插头。

㈡充灌气球。使用80号气球，升速控制在400米/分左右，在施放前半小时灌球，如

夜间观测还应准备好灯笼和蜡烛。

㈢作好其他准备工作后，雷达开机。

㈣检查调试发射机。雷达开机正常后,接通发射机电源,将发射机调整到良好的工作状

态。填写有源目标的仰角、方位角读数。

㈤放球前10分钟内进行瞬间观测，瞬间观测项目有：温度、气压、湿度、风向、风速、云状、云量、能见度、天气现象，并将观测结果记录下来。

㈥放球。当放球前的一切准备工作就绪后，于01时15分放球放球。遇有特殊情况，可推迟放球，最迟不得超过正点放球时间的1小时15分。

㈦观测。

1、第一分钟抓球方法：

第一分钟抓球很关键，一般情况下台站采用指挥法抓球。

2、雷达观测中各旋钮的使用

本振度盘、接收机的增益、测角显示器视频增益、测距显示器视频增益、主波抑制旋钮的调整

3、观测结束后的工作

每次观测都必须观测到信号终止，并记录失视原因。观测结束后，必须接通有源目标的电源，以雷达的电轴来检查有源目标物的仰角、方位角读数是否发生变化。方法：将雷达天线重新对准固定有源目标，读取仰角、方位角读数，将与放球前的读数进行比较。如果读数差≥±0.5°，应检查原因并排除。检查完毕一定要关闭有源目标的电源。并用经纬仪定期检查有源目标的仰角和方位角是否有变化。

单元标题：第四章灌球与观测

第一节球皮的分类与用途

第二节气球升速的确定

教学时数：（2）学时，其中理论（0）学时，实验（2）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：

教学目的与要求：

目的：通过实习，掌握在实际工作中如何确定气球净举力、如何配备砝码。

要求：掌握探测球皮的选取方法、确定气球净举力。

主要教学内容：

球皮的选用方法操作、在实际工作中如何确定气球净举力、配备砝码。

教学重点与难点：

确定气球净举力、配备砝码的方法。

课后作业：

根据实习内容和步骤填写一份完整的实习报告。

课后体会：

通过操作实习，同学们基本掌握了探测气球的选取条件和方法，能够完成净举力的计算与砝码配置，根据灌球步骤充灌气球。

单元标题：第四章灌球与观测

第三节气球的充灌

第四节测风工作的进行

教学时数：（2）学时，其中理论（0）学时，实验（2）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：

教学目的与要求：

目的：通过实习，使学生掌握实际工作中确定测风气球的净举力、充灌气球的方法，掌握小球测风，雷达单独测风的工作过程和方法。

主要教学内容：

探测气球的充灌方法注意事项以及小球测风、雷达单独测风工作过程。

教学重点与难点：

小球测风、雷达单独测风工作过程。

课后作业：

根据实习内容和步骤按要求，独立填写一份完整的实习报告。

课后体会：

通过实习，同学们基本掌握了灌球方法和单独测风工作程序以及目标跟踪方法，为今后胜任该项工作打下基础。