Page 42 - 《高原气象》2026年第1期
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高     原      气     象                                 45 卷
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                  综上， 参考我国平流层飞艇的正式公开试飞时                         3  云顶参数与飞艇应用
             间和现有数据集的年份范围（人民网， 2015）， 重点
                                                                3. 1 飞艇热平衡安全性分析
             分析2015 -2020年的数据特征。
                                                                    平流层飞艇作为一种新型浮空器， 根据任务要
             2. 4 研究方法
                                                                求需要实现区域驻留、 航迹飞行、 长时驻空、 大载
                  本文主要对云参量中的云顶高度和云顶温度
                                                                重飞行等， 面对平流层特殊的风热环境， 其安全性
             两项指标进行分析探究。在分析两参量之间的关
                                                                面临诸多挑战。这不仅需保证飞艇的结构强度、 动
             系时， 常用的数学方法有 Pearson 相关系数、 Spear‐
                                                                力系统的稳定性、 飞艇材料的耐候性、 能源供应、
             man 相关系数和 Kendall 相关系数。Pearson 相关系
                                                                通信系统等符合长时可靠要求， 且更需提前预判气
             数常用于衡量线性关系， 但对异常值敏感且要求数
                                                                象条件（赵达等， 2016）。气象条件对于飞艇放飞安
             据服从正态分布（张占阳等， 2021）； Spearman 相关
                                                                全、 飞行安全、 驻空安全、 回收安全有重大影响，
             系数基于秩次， 适用于非线性关系和非正态分布数                            是众多安全问题的源头， 稳定的气象条件是放飞飞
             据， 且对异常值有较强的鲁棒性（万黎和毛炳启，                            艇的必要前提。在气象条件判定方面， 风速风向、
             2008）； Kendall 相关系数同样基于秩次， 适用应用                    气流、 环境温度、 云层等均会对飞艇产生较大影响
             于分析小样本和非线性关系， 但其计算复杂度相对                           （于春锐等， 2022）。目前适用于飞艇的平流层的风
             较高（韩丽娟， 2023）。最终， 经分析， 本文采用                        场分析已相对成熟， 吕达仁等（2002）首次提出平流
             Spearman相关系数完成两参量关系的探究。                            层准零风层的概念， 经多年的研究发展， 目前我国
                  Spearman 相 关 系 数 由 查 尔 斯·斯 皮 尔 曼              境内已经实验验证的地区有低纬地区的海南， 中高
             （Charles Spearman）提出， 也被称为 Spearman 等级             纬地区的新疆， 等待进一步数据验证的还有青藏高
             相关系数或 Spearman 秩相关系数， 是一种非参数                       原地区和东南沿海地区（史小康等， 2023）。气流，
             的统计度量， 用于评估两个变量之间的单调关系                             环境温度， 云层等气象条件在飞艇飞行时的主要影
             （单增或单减）， 即使它们不遵循线性模式（谢文                            响表现在热交换、 对流、 辐射等方面， 这需借助平
             华， 2015）。                                          流层飞艇的热力学模型来进行提前仿真预测（刘振
                  Spearman相关系数的符号是ρ， 计算公式如下：                    宇等， 2023）。
                                              )                     平流层飞艇热力学模型在实际应用中扮演重
                                 ( x i - x ˉ )( y i - y ˉ
                       ρ =    ∑ i                       （1）     要角色， 主要体现在以下几个方面： 维持飞艇浮力
                                      2         )  2
                               ( x i - x ˉ ) ∑ i( y i - y ˉ
                            ∑ i                                 和控制蒙皮应力水平。因平流层复杂热环境， 导致
             式中： x i 和 y i 分别表示 x和 y的位次； x ˉ和 y ˉ分别表示           飞艇蒙皮及内部气囊内温度场昼夜变化巨大， 这对
             x 和 y 的平均位次。然而在实际应用中， 变量之间                         于控制飞艇的驻空高度、 飞行姿态及轨迹带来巨大
             的连结对结果影响不大， 因此计算公式可简化为：                            挑战性； 其次， 分析模型对于评估飞艇的飞行性
                                          2                     能、 指导材料选择和设计优化具有重要作用， 为未
                             ρ = 1 -  6∑ d i            （2）     来改进飞艇性能提供参考； 同时， 模型可帮助分析
                                       2
                                    n( n - 1 )
                                                                飞艇上升时的动态传热过程， 飞艇上升速度越快，
             式中： d i 表示秩次差， 即第 i 个数据的位次值之差；
                                                                艇内外气体温差越大， 飞艇超冷状态越严重， 净静
             n表示观测样品总数。
                                                                升力降低越大（姚伟等， 2007）。综上所述， 飞艇热
                  当相关系数 ρ 接近 1， 表示两变量之间存在强
                                                                力学模型是飞艇设计、 性能评估和安全运行不可或
             正单调关系； 当相关系数 ρ 接近-1， 表示两变量之
                                                                缺的技术基础。
             间存在强负单调关系； 当相关系数 ρ接近 0， 表示两
                                                                    平流层飞艇在飞行和驻空过程中， 所受影响较
             变量之间没有明显的单调关系。同时， 需查表对结                            大的主要热环境因素包括大气辐射、 太阳辐射、 地
             果进行显著性检验。                                          球辐射、 地表太阳反辐射、 云辐射和环境热交换
                  综上， 采用 Spearman 相关系数分析云顶高度                   （杨希祥等， 2021）。图 1 为平流层飞艇热环境影响
             与云顶温度两参量之间的关系， 其优势在于不依赖                            因素示意图， 其中太阳辐射、 地球辐射、 地表反辐
             数据分布假设， 不仅能有效捕捉单调关系， 且对异                           射及大气辐射共同影响飞艇的热负荷与热交换过
             常值具有较强的鲁棒性， 适用于众多数据类型和研                            程； 云辐射和环境热交换通过对流、 传导与辐射机
             究场景。                                               制， 进一步调节飞艇的热稳定性， 这些因素的相互
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