流浪气球
今年一月底，一只从中国出发飘洋过海的“流浪气球”引起了人们的关注。据网上信息， 1月28日，这只来自中国的气球在阿留申群岛附近被发现并追踪，1月31日气球进入美国本土， 2月2日，美国媒体开始对气球的移动情况进行跟踪报道。两天后，气球到达美国南卡莱罗纳州，美军派出F-22战斗机，用一枚空对空导弹击落气球（图一），当时气球的高度在18~19.8km，战斗机则飞行在17.6km左右。
图一 被美军击落前的气球（图片源自AP news）
图二是美国气象学家Dan Satterfield基于高空风场，利用NOAA的HYSPLIT模型模拟获得的气球轨迹回溯图，图三是通过航图网站SkyVector绘制的高空风场图。结合图片和气球被发现的位置可以看出，气球的路径轨迹很可能是弯曲的，跟西风带的位置和形状相似，而不是走直线的。因此可以推测这个气球很有可能是被风推着走的。
图二 气球轨迹回溯图（NOAA HYSPLIT MODEL 结果）
图三 风场（红线为推测路径，黑圈为气球被发现的位置，图片源自https://skyvector.com/）
风并不是只存在于我们身边，从地面到几百公里高度的大气各个部分，都存在千变万化的风。
图四 大气分层结构 (MSIS模式输出的温度剖面结果)
图四是大气在垂直方向的结构。如图所示，最下层是对流层，是对流活动最旺盛的区域，为了避免气球在上升的过程中严重偏离方向，地面气象工作人员通常会选择垂直风切较小的情况将气球放出，气球升空并穿过对流层，在这个过程中，如果不考虑人为控制方向，气球的漂移方向主要受到西风带的影响。
到达平流层后，由于平流层上暖下冷，层结稳定，对流活动大大减弱，气球可以在这一层水平移动，新闻中提到的气球所出现的高度正处于平流层高度范围。平流层底部受到对流层西风带的影响，一般也是吹西风。不过在北半球的夏季，亚洲季风反气旋高压区会导致平流层吹东风。
平流层上方到85~90km的高度范围是中间层，中间层上冷下暖，对流运动旺盛。但这一高度范围的空气已经非常稀薄了，没办法提供足够的浮力让气球飞行。
中间层上方90~1000km的范围是热层。热层大气吸收太阳短波辐射能量而被加热，这里的风主要受太阳辐射和地磁活动的影响。太阳辐射使日照区域被加热，热层大气膨胀，而夜侧大气则冷却收缩。温差引起的气压梯度使得大气从高温区向低温区运动（图五），沿纬线方向风从向阳面吹向背阳面。
图五 高层大气中性风流动模式（HWM模式计算的热层风场）
此外，太阳加热点随季节的变化会导致热层风出现经向环流，并且这些环流模式会根据地磁活动水平而发生变化。在春分和秋分点附近，太阳加热集中在赤道，赤道大气上升并向两极移动形成环流圈（如图六(a)~(c)所示，实线为太阳加热导致的环流，点线为地磁暴引起的环流）。在夏至和冬至附近，太阳加热更靠近极区，高纬大气上行运动产生覆盖全球的单一大环流模式（如图六(d)~(f)所示，实线为太阳加热导致的环流，点线为地磁暴引起的环流）。
图六 在不同季节和地磁活动水平条件下（地磁活动水平低、中、高）的热层风
如今的气球技术只能使一般气球上升到平流层的高度，将来也许可以设计出航行在更高高度的气球和飞艇。这对高层大气风场的研究也提出了更高要求，如何更好地探测和利用高空风场是值得我们关注的课题。
