大气探测学总结

大气探测学

第一章绪论

1、大气探测资料的“三性”要求：

(1)代表性

所谓代表性，就是指气象测量值应能代表测站周围较大范围内的或一段时间内的平均状况。严格的讲，代表性是指某空（时）间范围内的一组测量值，反应相同的或不同的空（时）间范围里实际状况的程度。这种时空范围。是按照具体应用情况所定出的尺度。

按照这个定义，代表性包括了两层含义，即空间代表性和时间代表性。

所谓空间代表性，是指点对点，点对平面以至点对空间的代表性程度。

所谓时间代表性，是指一个点在给定时间段内的测量值对该点不同时间段或另一时段被测量值的代表性程度。

(2)准确性

所谓准确性，是指测量值与真值一致的程度。

(3)比较性

所谓比较性，是指所获取的大气探测资料，必须具有良好的时间和空间上的比较性，这对天气分析预报和大气科学研究都是极其重要的。

第二章云的观测

1、十属二十九类的名称、英文、云高、云量（总云量和低云量）

云量是指云遮蔽天空的成数，将天空分为10成。

记录要素：总云量、低云量，记整数不计小数。

总云量：天空被所有云遮蔽的成数。

低云量：天空被低云遮蔽的成数，

记录方法：

云量布满天空时记为10；

占十分之一时记为1，以此类推；

布满天空但是又有缝隙时记为10-；

天空云量小于二十分之一时记为无云；

记录时总云量为分子，低云量为分母。

例1：天空有两层云，下层为层积云Sc，从云隙中判断上层为卷积云Cc，布满全天。云量记为：10/10-

例2：天空有微量的毛卷云Ci fil，不到1/20。

云量记为：0/0

例3：云布满天空，有空隙，毛卷云Cs fil 6成、淡积云Cu hum 2成、层积云Sc cug 2成。云量记为：10-/4

第三章能见度的观测

1、气象光学视程（MOR）

能见度用气象光学视程(MOR)表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度。

2、白天能见度

是指视力正常(对比感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大距离。实际上也是气象光学视程。

3、人工观测能见度，一般指有效水平能见度。

有效水平能见度是指四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离。

4、影响能见度的因子

（1）大气透明程度

（2）目标物和背景的性质—亮度对比K

（3）观测者的视觉性能—眼睛的对比视感阈ε

5、能见度的器测法主要有哪几种，说明它们的优缺点和工作原理。

(1)透射式能见度仪

透射能见度仪测定气象光学视程是根据准直光束的散射和吸收导致光的损失的原理，所以它与气象光学视程的定义密切相关，观测的能见距离与能见度很一致。

优点：这类仪器在操作和使用方面的特点，使它特别适合于航空气象观测的需要。

但是这并不排除在基本天气观测或气候观测方面的使用，因为此测量简而易行。

缺点：此仪器所测的大气柱长度常小于气象光学视称，一般认为这个距离太短。

不过这可以通过扩展观测时段，在该时段内进行一系列观测而部分地得到弥补。

(2)散射式能见度仪

散射能见度仪是测量散射系数从而估算出气象光学视程的仪器

利用空气散射，测量能见度，主要有三种方式：侧向、后向和前向型

优点：基线长度短，容易对准。散射能见度仪的基线长度很短，光源与接收安在同一支架上，避免基线难以对准的缺陷。

缺点：只测量很小体积的空气样本，不够精确。

第四章天气现象的观测

1、与能见度有关的天气现象

2、烟、霾等的现象、定义。

按照天气现象成因分9类：

降水、雾、风沙、雷电、烟尘、风暴、吹雪、地面凝（冻）结、光

沙尘暴

由于强风将地面大量尘沙吹起，使空气很泥浊，水平能见度小于1.0千米。

扬沙

由于风大将地面尘沙吹起，使空气相当混浊，水平能见度在1.0千米至10.0千米以内。

尘卷风

因地面局部强烈增热，而在近地面气层中产生的小旋风，尘沙及其它细小物体随风卷起，形成尘柱。

很小的尘卷风，直径在两米以内，高度在十米以下的不记录。

浮尘

尘土、细沙均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0千米。

浮尘多为远处尘沙经上层气流传播而来，或为沙尘暴、场沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成。

烟幕

大量的烟存在空气中，使水平能见度小于10.0千米。

城市、工矿区上空的烟幕呈黑色、灰色或褐包，浓时可以闻到烟味。

霾

大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0千米的空气普遍混浊现象。霾使远处光亮物体微带黄、红色，而使黑暗物体微带兰色。

第五章温度的测量

1、常用温标有三种：

开尔文温标（绝对温标）(K):Kelvin Temperature Scale

摄氏温标(℃):Celsius Temperature Scale

华氏温标(F):Fahrenheit Temperature Scale

它们之间的换算关系为：

K——C换算：

273.15

K C

=+273.15

C K

=-

C——F换算：

()

5

32

9

C F

=-

9

32

5

F C

=+

K——F换算：

()

5

32273.15

9

K F

=-+()

9

273.1532

5

F K

=-+

2、测温仪器：

（1）液体玻璃温度表基本原理

液体玻璃温度表的感应部分是一个充满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛细管。由于玻璃球内的液体的热膨胀系数远大于玻璃，当温度升高时，液体柱升高，反之下降。液柱的高度即指示温度的数值。

温度变化时，引起测温液体体积膨胀或收缩，使进入毛细管的液柱高度随之变化。

（2）金属电阻温度计

金属电阻的阻值随温度的增加而增大（热电效应；性能稳定近似线性灵敏度低)

金属导体的电阻值随温度增加的关系式为：

2

(1)

t

R R t t

αβ

=++

式中t为摄氏温度；R0为金属在0 ℃时的电阻；Rt为t℃时的电阻；αβ

和

为因金属

而异的电阻温度系数

（3）热敏电阻温度计

半导体热敏电阻的阻值随温度的增高而减小（半导体电阻随温度特性；灵敏度高，阻值大，体积小，非线性，互换性差）对于气象测温范围内，热敏电阻的阻值RT与绝对温度T

的关系可用下式表示：

/

b T

T

R Ae

=式中A、b为元件的系数。

（4）热电偶温度计

（热电效应；可测高温，灵敏度低，冷端电偶需温度固定）温差电现象（热电现象）：

两种不同的金属导体A和B的两端，彼此焊接在一起，构成一个闭合回路时，若两个接触点的温度不同，回路中就有电流产生，如图所示。

两焊接点之间的温差越大，回路中的电动势也越大，这种现象叫做温差电现象，也称热电现象，这种电路称热电偶或温差电偶。

3、最高、最低温度表

3.1 最高温度表（水银）

最高温度表的结构特点：毛细管较细，液体为水银。在玻璃球部焊有一根玻璃针，其顶端伸至毛细管的末端，使球部与毛细管之间的通道形成一个极小的狭缝。

最高温度表的测量原理：

升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数，水银被挤进毛细管内；

但在降温时，毛细管内的水银不能通过狭缝退回到球部，水银柱在此中断。因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。当观测完时，需要由人工将毛细管中的水银复位。 3.2 最低温度表（酒精）

最低温度表的结构特征：毛细管较粗，内装透明的酒精，游标悬浮在毛细管中。最低温度表的测量原理：

观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。 升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝通过，游标不动； 温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动。

因此，游标指示的温度只降不升，远离球部的一端将指示出一定时段的最低温度。

4、热滞系数

说明温度热滞系数的物理意义及特性

热滞系数的大小反映了温度表响应外界温度变化的速度。

热滞系数特性：元件的热容量越小，散热面积越大，则λ越小；热交换系数h 的大小取决于环境介质性质和通风量；

5、气温测量中的防辐射途径

采用防辐射设备屏蔽：使太阳辐射和地面辐射不能直接照射到测温元件上 增加元件的反射率：使到达元件表面的短波辐射绝大部分被反射掉 人工通风：促进元件与空气之间的热交换，减小两者之间的温差

采用极细金属丝元件：细丝具有较大散热系数，较小的热容量，有利于热交换

第六章 空气湿度的测量

1、表征湿度的物理量：

1.混合比γ

湿空气中水汽质量为MV ，干空气质量为Ma ：

v

a m m γ=

2.比湿q ，湿空气中水汽质量与湿空气总质量之比

v

v a m q m m =

+

3.绝对湿度ρv,单位体积的湿空气中所含的水汽, 即:水汽密度、水汽浓度

v v m V ρ=

4.水汽压

5.饱和水汽压

水面饱和水汽压 ：固定气压、温度下，纯水面达到气液平衡时的水汽压 冰面饱和水汽压 ：固定气压、温度下，纯冰面达到气固平衡时的水汽压

6.相对湿度

压力为P 、温度为T 的湿空气，其水汽压 与水面饱和水汽压 的比值的百分数。

,100()100w P T

sw

e U e '=

7.露点温度(Td )、霜点温度(Tf)

Td 定义：T 、γ的湿空气，P 不变，降温至Td 使其对水面饱和时的温度

(,)1

(,)

sw d P T P T γγ=

Tf 定义：T 、γ的湿空气，P 不变，降温至Tf 使其对冰面饱和时的温度

(,)

1

(,)

si f P T P T γγ=

2、常用湿度测量方法：

? 称量法（准确度最高） ? 热力学法（干湿法）

? 吸湿法（毛发、肠衣、湿敏电阻、湿敏电容） ? 凝结法（露点仪）

?

光学法（红外、微波湿度计）

3、干湿表原理：（详细的书P132）

用一对并列装置的、形状完全相同的温度表 一支测气温，称干球温度表

另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。

4、干湿表系数A 值与什么有关：

（1） 湿球球部附近的气流速度 （2） 湿球球部的直径和形状 （3） 湿球表面是否结冰

（4） 气压、气温以及湿度大小有很弱且复杂的关系还与湿球球部纱布的包扎和清洁等情况有关。

5、毛发湿度表： 它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10℃时使用

6、实验室内测湿的标准方法—绝对测湿法（称重法）

第七章 气压的测量

气压是大气压力的简称，数值等于单位面积上从所在地点往上直至大气上界整个空气柱的重量 单位：百帕 （hPa ） 1 hPa = 100 Pa 1 Pa = 1 N / m 2

测量大气压力的仪器主要有：

1、水银气压表（作为标准）

2、空盒气压表、空盒气压计、振筒气压计（气象台站）

3、沸点气压表（作研究用,探空）

4、硅压阻气压传感器、巴登管气压传感器

1、动槽式和定槽式水银气压表：

1、动槽式水银气压表（福丁式 Fortin）

它的主要特点是标尺上有一个固定的零点。每次读数时，须将水银槽的表面调到这个零点处，然后读出水银柱顶的刻度。

外形和结构：

1、感应部分：水银、玻璃内管、水银槽

2、刻度部分：标尺、游标尺、象牙针

3、附属部分：附属温度表

2、动槽式水银气压表观测步骤：

1、观测附属温度表，准确至0.1 ℃。

2、调整水银槽内水银面，使之与象牙针尖恰恰相接。

调整时，注意视线保持与水银面同高，旋转底部螺旋时要慢，槽内水银面自下而上地上升，直到象牙针尖与水银面恰好相接（既无小涡（偏高，降低重调），也无空隙）为止。

3、调整游标尺恰好与水银柱顶相切。

调整时注意保持视线与水银柱同高，把游标尺底边恰好与水银柱顶相切，此时水银柱顶两旁能见到三角形的露光空隙。

4、读数并记录，准确至 0.1 hPa。

5、降低水银面，使它与象牙针尖脱离2—3毫米，其目的是使象牙针尖不被水银磨秃和脏污（但注意不宜降低过多）。

3、定槽式水银气压表（寇乌式 Kew）

外形和结构：定槽式与动槽式区别在水银槽部。它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。

原理:当气压变化时，水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量，必将引起水银槽内的水银减少或增加，使槽内的水银面向下或向上变动,即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。

4、定槽式读数步骤：

1、观测附温表。

2、轻击管壁。轻击处以玻璃套管下部附温表上部为宜。轻击的目的在于使附在内管壁的水银滴下落，并使水银柱顶保持正常的弯月面。

3、调整游尺与水银柱相切。

4、读数、记录并复读。

5、水银气压表的度数订正

包括：器差订正、温度订正、重力订正（纬度重力订正和高度重力订正）

6、空盒气压表的主要误差来源（特性）：

?空盒弹性后效

?空盒弹性温度效应

消除或减少温度效应主要有三种方法：

（1）选用恒弹性合金材料，时弹性模量的温度系数很小。

（2）双金属片补偿法

（3）残余气体补偿法

7、四步订正：

器差订正、温度订正、重力订正（得到本站气压）、海平面气压订正

本站气压只表示台站海拔高度上大气柱的压强。

在不同的海拔高度上由于承受大气柱长度不同，所以各站间的本站气压是无法进行比较的。为了比较各地气压的高低，便于分析气压场，

必须把各地的本站气压统一订正到海平面上，这种订正称为海平面气压订正。

第八章地面风的测量

天气报告中风速：2min的平均风速

地面风指离地平面10米高的风。

1、蒲福风力等级表：

32.711864

2、声学风速计

声波在实际大气中传播速度=静止大气中传播速度+气流速度

声波在顺风和逆风传播所需要的时间时间不同，测得这个时间差即可得到风速测值

第九章降水量、积雪深度和蒸发量的测量

1、表征降水的物理量：

?降水量：某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。以毫米（mm）为单位，取1位小数。

?降水强度（降水率）：单位时间或某一时段内的降水量，通常测定5分钟、10分钟和1小时内的最大降水量。常用单位为mm/h。

?人工观测12小时（每日北京时08、20时定时观测）和日降水量。

?自动观测每分钟、小时、日降水量。

?气象台常用的测量仪器：雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计

2、单翻斗雨量传感器：

?该传感器也是用来自动测量降水量的仪器，主要由承水器(口径为159.6mm)、过滤

漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。

?降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号（1脉冲为0.1mm）传输到采集系统。仪器测量范围0-4mm/min。

3、积雪的观测：

?积雪：测站四周能见面积被雪（包括米雪、霰、冰粒）覆盖超过一半时称为积雪。

?雪深：从积雪的表面到地面的垂直深度，单位为厘米（cm），取整数

?雪压：单位面积上的积雪重量，单位为：克/平方厘米（g/cm2），取一位小数.

3、蒸发量

是指水面蒸发量：指一定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度，以毫米(mm)为单位，取一位小数。

4、E-601B型蒸发器

主要由蒸发桶、水圈、溢水桶和测针四部分组成。工作环境温度要求是0－±50℃

第十章辐射能和日照时数的测量

1、太阳直接辐射、天空辐射、太阳总辐射、地球辐射、净全辐射、日照时数的测量仪器及原理：

辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式；太阳辐射是地球获得能量的主要源泉；辐射是地球表面与大气交换热量的一种形式；到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。

在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。

因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。

世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。

由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长（约3～120微米）小得多，所以通常又称太阳辐射为短波辐射，称地面和大气辐射为长波辐射。

太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。

到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹，在可见光谱区减少40％，而在红外光谱区增至60％。

2、辐射测量单位：

?辐照度E：在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观测到的瞬时值。单位为瓦?米-2 （J ? m -2）。

?曝辐量H：指一段时间副照度的累计量。单位为兆焦耳?米-2（MJ ? m -2）.

3、气象辐射量：

? 1. 太阳短波辐射

–直接辐射S

–水平面太阳直接辐射S L，S L=S*cosZ

–散射辐射E d

–总辐射E g

–短波反射辐射： E r

?2、地球长波辐射

–大气长波辐射（大气逆辐射）E L↓↑

–地面长波辐射E L↑

?3、全辐射：短波辐射与长波辐射之和。

?4、净全辐射E*：向下全辐射与向上全辐射之差。净全辐射：净全辐射是研究地球热量收支状况的主要资料。净全辐射为正表示地表增热，为负表示地表损失热量。净全辐射用净全辐射表测量。

4、日照时数观测：

?日照时数：定义为太阳直接辐射辐照度达到或超过120W/m-2的各段时间的总和，以小时（h）为单位，取一位小数。

?日照时数主要应用于表征当地气候，描述过去天气状况等。

?可照时数：只在无任何遮蔽件下，太阳从某地东方地平线到进入西方地平线，其光线照射到地面所经历的时间。

?日照百分比=(日照时数/可照时数)×100%

5、日照时数测量仪器：

暗筒式日照计、聚焦式日照计

第十二章自动气象站

重点：自动气象观测系统的组成、定义、软硬件、要求（7点）、探头有哪些

1、定义：

?自动气象观测系统，从狭义上说是指自动气象站，从广义上说是指自动气象站网。

?自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备。如果需要，可直接或在中心站编发气象报告，也可以按业务需求编制各类气象报表。

?自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成。

2、结构：

?基本结构自动气象站由硬件和系统软件组成,硬件包括传感器,采集器,通讯接口,系统电源,计算机等,系统软件和地面测报业务软件.

?现用自动气象站主要采用集散式和总线式两种体系结构.

3、硬件：

1、传感器

?气压——振筒式、膜盒式气压传感器

?气温——铂电阻温度传感器

?湿度——湿敏电容湿度传感器

?风向——单翼风向传感器

?风速——风杯风速传感器

?雨量——翻斗式雨量传感器

?蒸发——超声测距蒸发量传感器

?辐射——热电堆式辐射传感器

?地温——铂电阻地温传感器

?日照——直接辐射表、双金属片日照传感器

2、数据采集器

数据采集器是自动气象站的核心，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储及数据传输等。

4、系统电源

自动气象站具备高稳定性无干扰的系统电源。在有市电的地方，使用市电，并对备用电池浮充电，以备出现故障时使用。若使用计算机，则还配备不间断电源(UPS)和后备电池。自动气象站可用电池供电。在无市电的地区，自动气象站可用电池供电，这时，可用辅助电源对电池充电。可作辅助电源的有：柴油或汽油发电机、风力发电机、太阳

能电池板等。

5、通信接口

联接采集器与计算机计算机与中心站采集器与中心站等的通信连接设备。

6、外围设备

根据不同的需要，配置的外围设备有：计算机、打印机、显示器等。

4、软件：

采集软件、业务软件、为了实现组网和远程控制，还须配置远程监控软件.

5、要求：

1.数据采样速率及算法符合本标准“采样和算法”的规定；

2.采集器的电源能保证采集器至少7天正常工作，数据存储器至少能存储3天的每分

钟气压、气温、相对湿度、1分钟平均风向和风速、降水量和表1中所列全部或部分项目的每小时正点观测数据，能在计算机中形成规定的数据文件

3.具有显示功能的采集器，能直接从显示器上读取以下所需的全部或部分数据：

4.可读取瞬时的数据有：风向、风速、气温、相对湿度、本站气压、海平面气压、降

水量、各层地温、各种辐射的辐照度等。

5.可读取定时数据有：2分钟平均风向、2分钟平均风速、气温、露点温度、本站气压、

海平面气压、降水量。

6.时钟误差不超过30秒/月。

7.可以使用交流或直流供电。

第十三章高空风的探测

1、雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法：

前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距。后者利用气球悬挂的发射回答器，当发射回答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号，由回答信号测定气球角座标和斜距。

2、单经纬仪测风（计算题）书P283

第十四章高空温湿压的探测

无线电探空仪探测法是指35km高度以下，无线电探空仪在气球或者降落伞携带上升或下落的过程中，不断感应不同高度上的温、压、湿气象要素的变化，并将气象要素的变化转化为电信号，由无线电发射装置发送回地面接收系统，从而获得不同高度上的气象信息。

主要组成：无线电探空仪、地面设备

图见书P301

1、无线电探空系统的组成框图

2、探空仪探头：

GZZ2-1型电码式探空仪传感器：

温度感应器由双金属片、指针和支架等组成。

湿度感应器由鼓膜状肠膜、中心连杆、扭力弹簧和湿度指针所组成

气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒

GTS1型数字高空探空仪传感器：

温度：热敏电阻，分别用于气温和气压传感器附温测量。

湿度：高分子湿敏电阻。

气压：硅阻固态压力传感器（压阻效应）

GPS探空仪传感器：

温度传感器：热敏电阻

湿度传感器：高分子薄膜湿敏电容

气压传感器：电容式膜盒

3、双施放与三施放：

同一个气球下携带两个探空仪进行同步观测比较，称为双施放比较法。

同一个气球下携带三个不同类型探空仪，进行比较的方法，成为三施放比较法4、计算题P313