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气象气球

气象气球

气象气球是用橡胶或塑料等材料制成球皮，充以氢、氦等比空气轻的气体，携带仪器升空，进行高空气象观测的观测平台。气球充气后能保持较为稳定的上升或下降速度，实现高空气象探测。

1900年，法国气象学家莱昂·泰瑟伦茨·德·博尔特得出结论，大气必须分为对流层和平流层两层。到19世纪末，具有良好伸张率的膨胀性橡胶气球制成，这样就增加了气球上升所能达到的高度，扩展了高空探测的范围。20世纪60年代大型非膨胀性的薄膜塑料气球在边界层探测、全球范围内定高的水平探测以及平流层的探测试验方面得到日益广泛的应用。2023年2月，据联合国网站报道，世界气象组织17日表示，全世界每天收集的观测数据数以百万计，其中包括50多颗卫星从太空发出的数据，400个系泊浮标、1250个漂流浮标和7300艘船舶、约40家中国商飞的4000架飞机、1万个自动化陆基观测站，以及近1000个配备无线电探测仪的气象气球发出的数据。

气象气球每日观测数据，提供实时信息输入。测量地面上的压力、风速、温度和湿度，高度可达35千米，是地面数据的主要来源。气象气球的应用面很广泛、根据使用要求的不同，气象气球的外形、升速(平移或降落)、荷重、可达高度以及颜色是多种多样的。

简史

1880年，法国气象学家莱昂·泰瑟伦茨·德·博尔特（Léon Teisserenc de Bort ）在巴黎国家气象行政中心的气象部门开始了他的职业生涯。于1883年、1885年和1887年前往非洲研究地质学和地磁学，并在1892年成为该中心的首席气象学家。1900年，莱昂·泰瑟伦茨·德·博尔特得出结论，大气必须分为两层：对流层，温度随高度和时间发生显著变化，因此会引起天气变化，平流层，温度随着高度和时间的增加而保持相对稳定。

1930年代开发的数据收集和传输设备极大地提高了气象气球的数据收集能力。开发了包含探测气压，湿度和温度的传感器的无线电探空仪以及用于将数据发送回气象学家的无线电发射机。在上升过程中，它将数据传输给气象学家。气球达到最大高度并爆炸后，附在降落伞上的探空仪下降回到地球。降落伞减慢了下降速度并防止了对人员或财产的伤害。

1958年使用无线电探空仪以来，一年中每天两次升空地球大气层，向全球的预报员提供重要的气象数据。飞行持续两个小时，然后上升到20英里高。所有900个无线电探空仪在整个旅行过程中每隔几秒钟就会将数据发送回气象专家。

在气象气球发展之初，曾应用了充以热气或氢气的纸质或纺织物的球皮。到19世纪末，具有良好伸张率的膨胀性橡胶气球制成，这样就增加了气球上升所能达到的高度，扩展了高空探测的范围。20世纪60年代大型非膨胀性的薄膜塑料气球在边界层探测、全球范围内定高的水平探测以及平流层的探测试验方面得到日益广泛的应用。

2023年2月，据联合国网站报道，世界气象组织17日表示，全世界每天收集的观测数据数以百万计，其中包括50多颗卫星从太空发出的数据，400个系泊浮标、1250个漂流浮标和7300艘船舶、约40家中国商飞的4000架飞机、1万个自动化陆基观测站，以及近1000个配备无线电探测仪的气象气球发出的数据。

“几十年来，气象气球一直是全球观测网络的重要组成部分，因为这是地面数据的主要来源。”世界气象组织指出，无线电探测仪附着在自由上升的气球上，从全球近900个地点同时释放。超过三分之二的观测站每天进行两次观测，另有100至200个观测站进行一次观测。气球飞行持续约2小时，测量从地面到35千米高空的气压、风速、温度和湿度。在气球破裂并利用降落伞下落回地面之前，它们可以飞行数公里。世界气象组织称，气象气球获取的宝贵信息为全球观测系统提供了支持，这是过去60年来最成功的国际合作实例之一。

原理构造

气象气球用橡胶或塑料制成的球皮，充以氢气、氮气等比空气轻的气体，能携带仪器升空进行高空气象观测的观测平台。气球充气后能保持较为稳定的上升或下降速度，实现高空气象探测。

分类

气象气球一般分膨胀型与非膨胀型。膨胀型气球可随大气压的降低而自由膨胀，气球可一直上升到破裂为止。这种气球一般是在大气垂直探测中应用；非膨胀型气球一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性。它可以制作定高气球、系留气球等使用期较长、负荷较大的气球。它们通常被用于大气中的水平探测。

测风气球

测风气球气象上称小球，用橡胶制作，球皮重约30克，主要用于经纬仪测风或边界层探空，最大升空高度在10-15公里。

探空气球

探空气球用橡胶或氯丁天然橡胶制作，球皮重0.8—2.0千克，携带1千克仪器升速为5—6米/秒，最大升空高度可达30公里，是日常高空观测使用的气球。

系留气球

系留气球进行大气边界层探测时可以使用系留气球。系留气球的球皮使用橡胶或聚酯薄膜制成，呈流线型气艇状。使用缆绳及绞车将其拴住，可控制其在大气中的飘浮高度。流线型可减少空气阻力，气球尾部的水平及垂直尾翼可保持气球的稳定性。因为系留气球可以任意停在大气中某一高度，通过无线电遥测仪器，除可进行温度、湿度、气压、风向、风速等气象要素观测外，还用来开展臭氧等大气污染监测。

定高气球

定高气球在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的气球，也称等密度气球或等容气球。气球由塑料制成多层复合膜，耐压性强，保气性好。在地面施放时仅部分充气，升到预定高度时，因球内气体量不变因而密度不变，保持在一个等密度面上飘行，气球大小视飞行高度和所带仪器的重量而定，其直径小至一米，大至数十米不等，在空中可飘行数天至数月。

大型定高气球直径22米，距地高24公里，可携带200个探空仪，能接受卫星指令，每隔一定飘浮距离投下一架探空仪，下投的探空仪带降落伞，观测数据由无线电信号发到母球，再由母球转送到卫星，最后由卫星播发到地面站接收。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统，在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。

飞升气球

飞升气球从地面施放，以较为平稳的速度升空（300～400米/分钟）进行垂直探测的气象气球，携带载荷可重达1～2千克，能升至30千米以上高度。测定风向、风速用的测风气球，荷重小，气球也较小，升空速度为100～200米/分钟，最大升限较低。测云气球一般采用直径较小的测风气球，升速多为100米/分钟，根据自地面到没入云底的时间计算云底高度。

平移气球

平移气球能保持在某一高度随风飘浮以进行大气水平探测的气象气球。设法使气球在某一选定的高度（等密度面）上达到净举力为零，使得气球可在该高度上随气流移动进行探测。如高斯特气球在全球大气试验中大量用于赤道等地区的环球飞行。平移气球又称为定容超压气球，气球球皮由某种膨胀伸缩极弱的薄膜制成，当气球达到固定高度后，球内压力不断加大，与四周大气压力维持一个较高的压差。当压差逐渐加大，气球内气体密度增高，使气球的净举力达到零，维持气球在某一等密度面上平移。平移气球受垂直气流影响偏离既定等密度面时，会随大气垂直方向的湍流作用有所起伏，之后能自动返回预设高度。

洛宾球

洛宾球用于下投式垂直探测的气球。它是用聚酯薄膜制作的非膨胀型球形超压气球，后直径约1米，装在火箭前舱，当火箭升至最高点时（约70千米）施放。球皮内装液体，利用其气化充气，充气后超压10～20百帕。球内还装有八面体的角发射器，作为雷达的观测靶，可使用高精度雷达进行追踪观测。气球上携带下投式探空仪，可进行空气密度、风、温度和的观测。气球内的充气量要求严格，以保持固定的下落速度。

棘面气球

棘面气球直径约2米，专门为雷达追踪设计的气象气球，为非膨胀型，由表面电镀金属的聚酯薄膜制成。球面上有数百个突出物（角锥），底直径7.6厘米、高7.6厘米的椎体突起布满球面。球的升速很稳定，在风速25米/秒的条件下，在9千米高度以下的升速精度为1米/秒，最大上升高度约18千米。

特殊用途的气象气球

平流层气球

平流层气球升至平流层高度进行探测的大型气象气球。它采用现代定位跟踪遥控遥测等技术，不同于常规的无线电探空气球和定高气球。它所携带的仪器能够在指定地区下投回收。平流层气球可观测气象要素、大气成分、大气电、大气臭氧、太阳辐射，验证压-高公式（见大气运动的平衡状态）等。平流层气球具有10～30万立方米或更大的容积，充氢气后可以负载100～150公斤的仪器。平流层气球是一种能完成20～40公里或更高的高空探测的观测平台。平流层气球探测主要用于科学试验研究，它不仅用于大气成分、臭氧、太阳常数、辐射量等探测，而且还用于高能物理、天文、空间物理等多学科的探测。