Stratéole 2计划：高空超压气球84天环游地球
法国和美国科学家联合进行的“Stratéole 2”计划预计2018年11月开始发放高空气球。气球将携带仪器设备进入平流层并环绕世界，详细观察空气和风的特性。
为了准备Stratéole 2项目，科学家在位于好望角一侧的印度洋塞舌尔群岛马埃附近发射了一个氦气高空气球。Stratéole 2号气球将沿赤道环地飞行，球载设备将同步测量大气参数。（来源：Philippe Cocquerez，CNES）
作者：Jennifer S. Haase, M. Joan Alexander, Albert Hertzog, Lars Kalnajs, Terry Deshler, Sean M. Davis, Riwal Plougonven, Philippe Cocquerez, 以及 Stephanie Venel，2018年3月1日
儒勒·凡尔纳（Jules Verne）的冒险小说《气球上的五个星期》（1863）以及《80天环游世界》（1873）中展示了19世纪后期一些伟大的技术进步，它们改变了交通方式并捕获着公众的想象力。“纽约世界”报（New York World）的美国记者Nellie Bly就受到小说的启发，于1889年11月出发，跟随Verne想象的路线，乘坐铁路和轮船用72天的时间完成了环球之旅，创造了当时的纪录。（Bly，1890年）（图1）
图1. 1889 - 1890年间，现实生活中的纽约世界记者Nellie Bly用略少于80天的时间完成了Verne想象中的环球之路。无论是Bly的旅程还是凡尔纳的《环游世界80》实际上都没有气球旅行，但Verne的书借用了他以前的小说《气球上的五个星期》。更早的这部小说激发了在1956年的电影《环游世界80天》中融入气球旅行的想法，这段旅程已成为对Verne后一本书的一种带有敬意的误解。（Roke / Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0）
Bly展示了新技术是如何使得跨国旅行触手可及，比如美国和印度的跨国铁路以及苏伊士运河。海底电缆和电报的革命性发展使得Bly能够让她的编辑和更大的范围内都知道她接近实时的进展情况。
法美联合的Stratéole 2项目正在筹划自己的一系列气球飞行，这些飞行将在赤道附近环绕世界大约80天，就像19世纪那些小说中或真实世界的冒险家一样，展示新技术并将飞行中新发现的观测成果，通过卫星传回。
随风飘飞
Stratéole2项目的科学家们将在印度洋塞舌尔群岛发放超压气球，它们的设计飞行高度在平流层下层（图2）。超压气球球体内密封有固定量的氦气，且球体不会变形。这种类型的气球在发射时并未完全膨胀，但当其上升到气球内部的气体密度与周围空气的密度相匹配时，就会膨胀到其全部体积，并开始随风飘飞。
图2. 2010年2月至5月期间CNES用于空间科学研究的超压气球系统早期的试验飞行路线都在热带地区。三个气球的飞行时间分别为92、78和80天（没错，80天）。气球的飞行轨迹显示了一些振荡特性。当热带低层平流层风场出现周期性东西向振荡特征——“准两年振荡”时，还出现了气球转向至反向飞行的情况。（A. Hertzog）
每个气球将携带多达四台设备。当气球收集对气象变量、化学示踪剂、云和气溶胶的高精度测量数据时，它们的水平运动情况几乎与周围的空气相同。这些测量结果将推动我们对热带对流层顶（tropical tropopause layer，TTL，对流层和平流层之间的过渡区域）和平流层下层的卷云、气溶胶和赤道波的认识和理解。
这里展示的是法国国家空间研究中心（CNES）实验室中的超压气球。（Philippe Cocquerez，CNES）
Stratéole 2研究计划将从2018-2019年度北半球（北部）秋冬季的五球技术验证飞行开始，随后是2020-2021年度北部秋冬季的20次气球飞行。在第二个飞行季中，将有10个气球在TTL上方的20公里高度飞行，另外10个将在18公里TTL之内飞行。
从过去的经验来看，我们期望每个气球飞行时长超过2个月。通常情况下，气球将飞行84天左右，然后混沌的大气运动或与Rossby波的相互作用会将其从热带的中心区域推出。由于主导热带低层平流层风场的周期性东西向振荡特征——“准两年振荡”（QBO）的相位变化， 2023-2024年度的最后一次的20个气球将向相反的方向飞行。
来自空中的挑战
Stratéole 2项目的目标瞄准TTL，它是对流层空气进入平流层的主要入口。随着空气缓慢上升穿过TTL，在流层顶冰点（cold point tropopause，CPT）遇到的最低温度将水汽冻结成冰晶。冰晶的形成使空气脱水并调节到达全球平流层的湿气量，结合TTL的地理范围，使其变得非常重要。
冰晶形成薄的卷云，这在全球范围内影响太阳辐射和热带地区反射回太空的辐射之间的平衡。水汽和卷云的反馈在气候系统模型中非常重要。
控制这些云层形成和升华（直接将冰晶转化为水汽）的基本过程仍然备受争议。这些过程涉及深层对流、微观物理、气溶胶，波动引起的温度变化（从几分钟到几星期不等的时间尺度内）的相互作用，以及推动热带地区大规模缓慢上升空气的力的平衡。
波动引起的平均上升运动波动的叠加迫使TTL的温度在CPT处达到极值，有时会低于零下94°C，远低于辐射平衡的预期值。同样是这些波动也推动了QBO，它对高纬度季节预报具有重要的长期间接影响。下层对流产生的波动转变为垂直穿过TTL的动能，并随着动能在平流层中的消散而驱动QBO风向的变化。
卫星和现场观测可以追踪QBO的风向反转，但大多数一般环流模式无法用当前的方法复现QBO。这个问题主要是由于空间分辨率的不足以及在子网格尺度上没有应用小尺度波阻的结果。
即使模型确实模拟了QBO，对不同尺度和频率的各种波的贡献仍然会存疑。因此，即使是内部可以生成QBO的模型也无法预测2016年2月发生的振荡异常中断现象[Osprey等，2016]。
科学目标
这里展示了超压气球发放时未完全胀满的形态。随着它的上升，内部密封的氦气体积逐渐膨胀，指导整个正球形的球体完全胀满，使气球具有固定的密度。一旦气球达到空气密度相同的大气层，它就会开始随风飘移，提供精确的风场测量值。（Philippe Cocquerez，CNES）
Stratéole 2的总体目标是探索控制赤道对流层上层和平流层下层之间微量气体和动量转移的过程。这些仪器将提供气球吊舱处以及飞行高度以下数公里的水汽、温度和气溶胶/冰的精细尺度测量，记录空气成分，并且研究TTL上部卷云的形成。
气球还提供专门的赤道波测量，包括从高频浮力波到行星尺度的赤道波的完整谱段，提供了改善这些波在气候模式中表示的信息。Stratéole 2气球将对从南纬20度到北纬15度的整个赤道带进行采样，从而为范围广泛（但分辨率有限）的星载观测和先前现场任务得到的高分辨率（但受地域限制）机载和地面测量提供补充。
过去用于对南极平流层涡旋取样的气球探测（Podglajen等，2016）已被用于精确估计波动量通量，并解释春季平流层臭氧的损失率；我们期望目前的活动能取得类似的成功。
Stratéole 2气球飞行将收集海洋区域上从未有过的平流层风场测量结果。Stratéole 2其他的科学目标包括对气象业务和卫星验证的贡献。风场分析和预报在热带地区有很大的误差，稀疏的热带风测量数据不能通过它们与温度的动态关系直接建模，因为它们处于更高的纬度地区。因此，减少这些误差需要更高的测量密度。Stratéole 2气球飞行将通过提供赤道地区对流层上层和平流层下层前所未有的精确风场观测数据来解决这一数据不足的问题。特别需要指出的是，该项目将收集目前平流层风场测量没有办法得到海洋区域的测量数据。
这些数据还将有助于大气动力学任务“风神”（ADM-Aeolus）的风场验证。一项创新性的欧洲航天局任务“ADM-Aeolus”将于2018年9月发射，旨在执行首次星载激光雷达进行的风场测量，并将提供前所未有的全球覆盖。
Stratéole 2的仪器包括每30秒钟进行一次大气压、温度和风的原位测量，并且以较低的频率对臭氧、气溶胶、水汽和二氧化碳进行采样观测，以及通过微型激光雷达和定向辐射通量对云团结构进行遥感测量。仪器将包括GPS无线电接收器，可以测量气球一侧的温度分布。悬挂在气球正下方2公里处的新型收卷装置还将提供探测温度、气溶胶/冰和湿度的精细分布的手段。
捕获高分辨率剖面中的温度变化，特别是从专门的气球平台获取温度变化，将为赤道波的变化过程提供新的观测视角。测量臭氧与水汽和二氧化碳的结合将使我们能够发现描述TTL顶部运输过程的这些示踪剂之间的相互关系，包括将空气从地表快速输送到TTL的对流过冲。
数据传播
在每次气球活动结束后的12个月内，Stratéole 2的数据集将免费提供给科学界。Stratéole 2的数据协议符合世界气象组织（WMO）第40号决议（WMO Cg-XII）中关于气象相关数据和产品交换的政策和条款。在每次气球活动结束后的12个月内，Stratéole 2的数据集将通过Stratéole 2数据档案中心（S2DAC）免费提供给科学界，该中心计划于2018年7月发布其网站。S2DAC将收集并提供气球观测和相关的地基和卫星数据，进行再分析和模型输出。S2DAC包括位于法国动态气象实验室（LMD）的主要的完整存储库和位于美国科罗拉多州博尔德的大气与空间物理实验室（LASP）的镜像点。
另外，在气球飞行过程中，Stratéole 2的一个针对飞行高度风场的数据子集将通过全球电讯系统传播，以用于数字气象预报系统。我们邀请并鼓励在更广泛的科学群体来使用Stratéole 2的数据，潜在用户可以在项目网站上看到未来项目的更新。
展望未来
受到Verne对使用新技术的想象和Bly在现实世界中应用这些技术探索世界行动的激励，Stratéole 2将通过长航时超压气球平台对热带对流层顶层和平流层下层进行科学地探索。使用多个气球将允许对大气层这部分偏远区域发生的精细分层特征和独特过程进行大量探索。在更广泛的科学界的参与下，对Stratéole 2的测量结果的分析有望对这些过程以及该地区与全球化学、动力学和气候变化之间的联系提供新的更深入的了解。
致谢
法国国家空间研究中心（CNES）和国家科学研究中心（CNRS）以及美国国家科学基金会（NSF）提供了Stratéole 2项目的主要资金。
参考文献
Bly, N. (1890), Nellie Bly’s Book: Around the World in Seventy-Two Days, Pictorial Weeklies, New York.
Osprey, S. M., et al. (2016), An unexpected disruption in the atmospheric quasi-biennial oscillation, Science, 353(6306), 1424–1427, https://doi.org/10.1126/science.aah4156.
Podglajen, A., et al. (2016), Lagrangian temperature and vertical velocity fluctuations due to gravity waves in the lower stratosphere, Geophys. Res. Lett., 43(7), 3543–3553, https://doi.org/10.1002/2016GL068148.
Verne, J. (1863), Cinq Semaines en Ballon, Pierre-Jules Hetzel, Paris.
Verne, J. (1873), Le Tour du Monde en Quatre-Vingts Jours, Pierre-Jules Hetzel, Paris.
作者信息
Jennifer S. Haase（电子邮件：jhaase@ucsd.edu），圣地亚哥拉由拉市加利福尼亚大学地球物理和行星物理研究所、斯克里普斯海洋学研究所；M. Joan Alexander博士，科罗拉多州博尔德西北研究协会；Albert Hertzog，法国帕莱索理工学院动力学实验室（LMD）；Lars Kalnajs和Terry Deshler，科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室；Sean M. Davis，美国科罗拉多州博尔德NOAA地球系统研究实验室（ESRL）；以及在科罗拉多大学博尔德分校环境科学研究合作研究所的Riwal Plougonven，同时在LMD，法国帕莱索的巴黎综合理工大学；以及法国图卢兹国家图书馆中心的Philippe Cocquerez和Stephanie Venel。
引文：Haase，JS，MJ Alexander，A. Hertzog，L. Kalnajs，T. Deshler，SM Davis，R. Plougonven，P. Cocquerez和S. Venel（2018），84天内环游世界，Eos，99，https://doi.org/10.1029/2018EO091907。发布于2018年3月1日。
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