Page 43 - 《高原气象》2026年第1期

1 期 杨茉岚等：青藏高原云顶参数特征分析与飞艇应用研究 39
射的反射、 吸收作用， 以及自身云红外辐射的发射
特性， 直接影响飞艇表面的辐射平衡； 另一方面，
云层的动态变化也将导致飞艇周围辐射场的时空
异质性增强。因此， 在热力学平衡建模过程中， 需
特别考虑有云/无云两种典型场景下的差异化辐射
边界条件。目前， 已有极个别研究将云层的影响因
素带入热力学模型中（贺澜等， 2024）， 例如， 地表
反射太阳辐射的强度表达式为：
（3）
图1 平流层飞艇热环境影响因素示意图 I R = C R I D
式中： I R 表示地表反射太阳辐射强度； I D 表示太阳
Fig. 1 Schematic diagram of thermodynamic model
of stratospheric airship 辐射强度； C R 表示飞艇所处环境的气象状态， 晴天
无云时C R = 0. 2， 有云则C R = 0. 6 （Dai et al， 2012）。
作用共同构成了飞艇的热平衡。将这些辐射强度
本文主要研究对象为云参数中的云顶高度和
公式进行各个方面的叠加， 组成飞艇的热力学模
云顶温度， 参考结合云辐射相关公式和平流层飞艇
型。然而目前的热力学模型主要囊括太阳辐射、 大
的热力学模型公式， 给出这两参量在保证飞艇稳定
气辐射、 地表太阳反辐射、 地球辐射和环境热交
性上的作用。
换， 对于云辐射相关问题大多是添加参数进行补
云顶高度不仅可判定平流层飞艇是否能在平
偿， 没有依据实际实地的云分布特征进行定性定量
流层空间内遇到高层云的概率， 飞艇周围是否存在
的公式分析（Alam and Pant， 2017）。
云辐射情况， 还能结合云底高度等推测云层的含水
3. 2 飞艇热力学模型中的云参量
量。如下公式所示：
平流层飞艇在飞行和驻空过程中经常会遇到
H cloudtop
云层， 一般情况下云层不会对飞艇造成致命威胁。 LWP = ∫ LWCdz （4）
H cloudlow
但平流层环境复杂， 气温低、 昼夜温差大， 若此时 式中： LWP 和 LWC 分别代表云辐射前后的液态含
存在云层可能以冰晶的形式存在， 一旦附着到飞艇 水量； H cloudtop 表示云顶高度； H cloudlow 表示云底高度
表面不仅会影响飞艇的热平衡， 还会增加飞艇自身 （娄树理和周晓东， 2011）。云层含水量将会影响是
重力， 打破飞艇的稳定状态（张礼学和王中伟， 否下雨的概率， 同样会影响飞艇飞行过程中遇到极
2013）。 端天气的概率。
即使没有直接接触， 在一定距离范围也会通过 而云顶温度是威胁飞艇热平衡的直接因素。
热辐射等方式影响飞艇的热平衡。云层在影响飞 温度差是出现热交换的必要前提， 当飞艇飞行过程
艇热平衡方面， 主要体现在遮挡太阳辐射、 遮挡大 中遇到云层， 云顶温度在一定程度上将会反映云层
气辐射、 遮挡地表反射太阳辐射、 遮挡地球辐射和 温度， 带来飞艇周围环境温度的变化， 这将直接导
云自身红外辐射。如云层对平流层飞艇热平衡的 致飞艇热平衡变化， 威胁飞艇的飞行安全（杨秉
影响的机理示意图（图 2）， 表明云层的存在与否将 等， 2008）。
显著改变飞艇所处热辐射环境： 云层通过对不同辐
4 云顶参数分析

4. 1 云顶高度和云顶温度的空间分布特征
为直观呈现中国地区云顶高度和云顶温度的
空间分布特征， 本文选用色阶图， 通过颜色深浅的
差异性来映射云顶高度和云顶温度的变化（Min，
2020）。参考 CLARA-A3 数据集， 将我国 “圆梦号”
平流层飞艇首次试飞当天（人民网， 2015）， 2015 年
12月 6日青藏高原地区全天日平均云顶高度和云顶
图2 云层对平流层飞艇热平衡的影响因素示意图 温度的分布情况可视化展现， 如图 3 为青藏高原地
Fig. 2 Diagram of influencing factors of clouds on 区云顶高度分布图（2015 年 12 月 6 日）、 图 4 为青藏
stratospheric airship heat balance 高原地区云顶温度分布图（2015年12月6日）。