《大氣綜合觀測》復(fù)習(xí)資料祥解

PartI_地基微波輻射計(jì)在大氣探測中的應(yīng)用1、紫外線：uv-A(0.315-0.4),uv-B(0.28-0.315),uv-C(0.150-0.28)um紅外線：近紅外(0.7-2.5)，遠(yuǎn)紅外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。2、地基微波輻射計(jì)：微波輻射計(jì)是一種為了測量物質(zhì)的微波輻射而設(shè)計(jì)的高靈敏度寬頻帶信號接收機(jī)。微波輻射計(jì)通常因搭載平臺的不同而分為 星載微波輻射計(jì)、空基（機(jī)載）微波輻射計(jì)和地基微波輻射計(jì)等。PartII_微波輻射計(jì)基本原理1、輻亮度B(Radiance)：單位輻射源表面積、單位時間、向單位立體角所輻射的能量，單位為Wm-2sr-1.在Ωr內(nèi)的發(fā)射功率為PtBAtrPtBAt輻射強(qiáng)度Itr天線接收功率F,B,ArdtPr4F,為天線的方向性函數(shù)2、f1max時的頻率范圍，稱為帶寬，也叫半功率帶寬。2天線接收到的功率為：f0fPrfBf,F,Arddff04自然界中天線的接收功率為 Pn kTf3、天線溫度Te在電子線路中，溫度為T的電阻,產(chǎn)生輸入到系統(tǒng)的熱噪聲功率為 Pn kT f。天線輸出其后端接收機(jī)的功率 P kTef，相當(dāng)于一個溫度為Te的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲功率。天線溫度不是天線自身的物理溫度，而是代表外來能量。4、輻射計(jì)系統(tǒng)：天線＋傳輸線＋接收機(jī)天線：物理溫度，有損耗即“有吸收就有熱輻射” ，功率透射系數(shù)。傳輸線：物理溫度通常也是Tp，信號損耗因子LPin1。理想傳輸線PoutL=1接收機(jī)：現(xiàn)實(shí)接收機(jī)＝無噪聲接收機(jī)＋等效熱噪聲源Psys kTsysf 為系統(tǒng)噪聲功率，相當(dāng)于在傳輸線的輸入端口（就是天線的輸出端口）輸入的總功率。5、天線方向性函數(shù)1,當(dāng)在很小的主瓣立體角M內(nèi)F(,)M內(nèi)0不在1TB(,)dT(,)TA00MBM天線溫度TA成為從天線所指方向射入天線的亮溫度TBβ。這就是我們所要的信息，代表（ 0，0）方向上被測目標(biāo)物的 輻射狀態(tài)（如物理溫度，輻射物質(zhì)含量等）。6、微波輻射計(jì)被動地測量目標(biāo)物在某個頻率附近發(fā)射的熱輻射功率 。工作頻率：輻射計(jì)本振頻率f0，中頻為fIf0f，因此進(jìn)入天1線可以被測量的微波頻率可以是f1f0fI或f1f0fI系統(tǒng)的增益:VoutGsTsysGs稱之為輻射計(jì)系統(tǒng)的增益系統(tǒng)的靈敏度: Tsys

TsysBB為輻射計(jì)系統(tǒng)的帶寬， τ為積分時間。7、全功率輻射計(jì)與 Dicke輻射計(jì)1）全功率：天線連續(xù)接收外來熱輻射(不是脈沖式的)。缺點(diǎn)：系統(tǒng)增益GS若不穩(wěn)定，則破壞了Tout與Tsys的確定關(guān)系。（2）Dicke輻射計(jì)：脈沖式的接收外來輻射，解決接收機(jī)內(nèi)部噪聲 Tr和增益不穩(wěn)定性的影響。與增益是否穩(wěn)定無關(guān)。PartIII_輻射傳輸理論1、輻射亮溫度權(quán)重函數(shù)：在輻射傳輸路徑上某點(diǎn)附近介質(zhì)的透過率變化率記為W(r')v(z,Z)z定義(0,z)和(z,)的高度變化率分別為下行和上行輻亮溫的權(quán)重函數(shù)：W(z)d(0,z)(0,z)ka(z)sec(z)dzW(z)d(z,)(z,)ka(z)sec(z)dz

(z,Z)zW↓總是在z=0時取得最大值，隨高度的增加逐漸減小到 0。W↑在某一高度取得最大值。對于波長λ，權(quán)重函數(shù)廓線的最大值所在的高度稱為 峰值高度（Zλ），權(quán)重函數(shù)廓線的最大值的一半所在的高度稱為 半峰全寬度（△Zλ）.2、地基遙感的權(quán)重函數(shù)●頻率為f的某一通道接收到的能量來自于權(quán)重函數(shù)不為0的大氣薄層內(nèi)，權(quán)重函數(shù)最大值所處的高度為薄層的代表高度?！衲芰看笮。河纱髿獗觾?nèi)溫度，即大氣中分子的溫度和分子的含量決定，分子的種類與頻率有關(guān)?！裢ㄟ^權(quán)重函數(shù)的應(yīng)用可以進(jìn)行溫度和濕度遙感。●選取一系列的不同頻率來測量不同高度上的大氣溫度和濕度。PartIV_廓線反演理論大氣溫濕廓線的 1DVAR反演1DVAR是一種基于最優(yōu)估計(jì)法的非線性反演技術(shù)，數(shù)值預(yù)報(bào)模式能夠?yàn)樽顑?yōu)估計(jì)法提供更好的初始猜測值。優(yōu)點(diǎn)1DVAR的方法可以對微波輻射計(jì)的探測和數(shù)值預(yù)報(bào)模式的輸出進(jìn)行有效的耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模式可以提供給1DVAR更優(yōu)的初始猜測值缺點(diǎn)●運(yùn)算時間比較長 ●迭代收斂問題地基微波輻射計(jì)在氣象上的應(yīng)用價值 ：●地基微波輻射計(jì)可以在無人值守的情況下全天候、不間斷的提供連續(xù)的大氣溫度、濕度和云中液態(tài)水含量資料。●對云液態(tài)水和大氣廓線測量，為人工影響天氣選擇最佳作業(yè)時機(jī)提供依據(jù)，也可以作為天氣預(yù)報(bào)有效的參考資料?！竦鼗⒉ㄝ椛溆?jì)提供的大氣溫度、濕度和云中液態(tài)水含量資料可以作為數(shù)值預(yù)報(bào)模式的輸入以改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)精度。對天氣預(yù)報(bào)的改進(jìn)：●由于缺少實(shí)時的數(shù)據(jù)尤其在災(zāi)害性天氣頻發(fā)的低對流層，使得目前短期預(yù)報(bào)(<12hr)能力還相當(dāng)薄弱?！竦鼗⒉ㄝ椛溆?jì)可以實(shí)時獲得準(zhǔn)確的大氣溫度和濕度數(shù)據(jù)。●地基微波輻射計(jì)可以實(shí)時獲得與降水、大氣能見度和霧等天氣現(xiàn)象密切相關(guān)大氣的水汽和液態(tài)水含量?！駥?shí)時的、準(zhǔn)確的大氣溫濕廓線和云中液態(tài)水含量是改進(jìn)短期天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素。Char1大氣邊界層&湍流1、大氣邊界層是指離地面 1~2公里范圍的大氣層最底下的一個薄層，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次。大氣邊界層定義：由于各種尺度（空間和時間）湍流渦旋的動力和熱力過程，將下墊面的強(qiáng)迫作用（動量、熱量和水汽、二氧化碳等物質(zhì)）影響擴(kuò)散所及高度的大氣層。存在各種尺度的湍流，湍流輸送起著重要作用并導(dǎo)致氣象要素具有明顯的日變化特征的低層大氣層。2、大氣邊界層研究方法理論研究（純理論、經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)）野外實(shí)驗(yàn)觀測（直接獲取資料，基礎(chǔ)）實(shí)驗(yàn)室物理模擬（可控制、可重復(fù)等）數(shù)值模擬（促進(jìn)、指導(dǎo)、支持和補(bǔ)充）3、大氣邊界層的基本特征1）湍流是邊界層大氣的主要運(yùn)動形態(tài)。熱力因素（熱力湍流），動力因素（機(jī)械湍流）。氣流和風(fēng)的三種主要形態(tài)：平均風(fēng)——對水平方向的輸送貢獻(xiàn)較大；湍流——對垂直方向的輸送貢獻(xiàn)較大；波動2）氣象要素存在明顯日變化。白天邊界層稱為對流邊界層（不穩(wěn)定邊界層），其厚度可達(dá)幾百米甚至幾千米。夜間邊界層稱為穩(wěn)定邊界層或夜間邊界層，厚度較低只有一兩百米。4、大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)根據(jù)湍流摩擦力、氣壓梯度力和科氏力對不同層次空氣運(yùn)動作用的大小，把大氣邊界層分為三層：粘性副層：緊靠地面，分子粘性力 >>湍流切應(yīng)力。典型厚度小于 1cm，忽略。近地面層（surfacelayer）：從粘性副層向上到 50-100m，厚度約為邊界層厚度 10%。這層內(nèi)大氣運(yùn)動呈明顯湍流性質(zhì)，且湍流通量隨高度變化很小，也成為常通量層。埃克曼層（上部摩擦層）：從近地面層向上到1-1.5km。湍流摩擦力、氣壓梯度力、科氏力量級相當(dāng)。5、大氣邊界層的分類：不穩(wěn)定、穩(wěn)定和中性6、湍流的主要特征1）不規(guī)則性和隨機(jī)性（2）擴(kuò)散性（3）大Reynolds數(shù)性質(zhì)（4）渦旋性5）耗散性（6）連續(xù)性（7）流動性7、湍流的產(chǎn)生熱力作用：地面的太陽加熱使暖空氣熱泡上升，形成湍渦。動力作用：地面對氣流的摩擦拖曳力產(chǎn)生風(fēng)切變，常常演變?yōu)橥牧鳌?、泰勒假設(shè)在湍渦發(fā)展時間尺度大于其平移過傳感器時間的特定情況下,當(dāng)湍流平移過傳感器時,可以把它看做是凝固的。（湍強(qiáng)不太大風(fēng)速不太小均勻湍流平穩(wěn)湍流）9、湍流控制方程組氣體狀態(tài)方程+連續(xù)性方程+運(yùn)動方程+熱力學(xué)能量方程+水汽守恒方程Char2大氣邊界層觀測1、大氣邊界層探測分類直接探測：邊界層探測中的常用觀測平臺包括觀測塔、系留氣球、等容氣球、無線電探空儀、觀測飛機(jī)等。間接探測：邊界層探測的間接探測方法代表性的有微波雷達(dá)、聲雷達(dá)、激光雷達(dá)和無線電聲學(xué)探測系統(tǒng)等。2、觀察原則地面氣象觀測記錄必須具有 代表性、準(zhǔn)確性、比較性3、地面觀測場環(huán)境要求（百度氣象觀測場）地面氣象觀測場是取得地面氣象資料的主要場所，地點(diǎn)應(yīng)設(shè)在能較好地反映本地較大范圍的氣象要素特點(diǎn)的地方，避免局部地形的影響。觀測場四周必須空曠平坦，避免建在陡坡、洼地或鄰近有鐵路、公路、工礦、煙囪、高大建筑物的地方。避開地方性霧、煙等大氣污染嚴(yán)重的地方。地面氣象觀測場四周障礙物的影子應(yīng)不會投射到日照和輻射觀測儀器的受光面上，附近沒有反射陽光強(qiáng)的物體。觀測場一般為25m×25m的平整場地，場地應(yīng)保持均勻草坪，確因條件限制，也可取16m（東西向）×20m（南北向）。觀測場四周一般設(shè)置1.2m高的稀疏圍欄，內(nèi)設(shè)0.3-0.5m寬的小路，圍欄不宜采用反光太強(qiáng)的材料。觀測場圍欄的門一般開在北面。場內(nèi)儀器線纜應(yīng)埋設(shè)于地下。4、塔體效應(yīng)用于安裝感應(yīng)元件的鐵塔、伸臂和支架可以影響氣流，因此在測量梯度和通量時會引起誤差。鐵塔由于結(jié)構(gòu)數(shù)小和空隙大，可以考慮將元件安裝于略大于塔體處的迎風(fēng)方向。對大多數(shù)邊界層觀測，元件安裝不小于鐵塔最大截面的1.5倍。如只需一層觀測時，則可考慮安裝于鐵塔頂部。Char3湍流通量觀測1、通量：是指單位時間通過單位面積的流體對某物理量的輸送。流體運(yùn)動可分解為平均運(yùn)動和脈動運(yùn)動兩部分2、為什么關(guān)注通量觀測1）在氣候預(yù)測、天氣預(yù)報(bào)等全球尺度和中尺度模式以及污染擴(kuò)散模式、城市街渠模式和大渦模擬等微尺度數(shù)值模式中，下墊面的湍流通量參數(shù)化是十分關(guān)鍵的敏感問題，直接決定模式的模擬能力。（2）全球變化研究是當(dāng)今國際科技研究的熱點(diǎn)問題。為了獲得地氣之間CO2、水和能量交換的第一手資料，全球相繼建立了大量的湍流觀測站并組成了觀測網(wǎng)絡(luò)——全球通量觀測網(wǎng)（Fluxnet）和全球城市通量觀測網(wǎng)（Urban-Fluxnet）3、湍流通量獲取的基本方法渦動相關(guān)法、波文比法、空氣動力學(xué)方法4、渦動相關(guān)法測量地氣通量的基本原理●地氣通量是指地表和大氣之間的物質(zhì)、能量交換；●渦動相關(guān)法測量地氣通量是從物質(zhì)和能量守恒方程出發(fā)，經(jīng)過一系列的簡化而得到的5、渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)常用儀器超聲風(fēng)速儀、H2O、CO2開路分析儀、輻射傳感器、溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤熱通量板、土壤水分傳感器、冠層溫度傳感器6、超聲風(fēng)速儀的工作原理超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風(fēng)向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對應(yīng)。通過計(jì)算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。7、CO2/H2O開路分析儀工作原理觀測的氣象要素：q和C的瞬時量。Li-7500利用水汽和二氧化碳對紅外輻射吸收的波段不同可以同時觀測水汽和二氧化碳的摩爾濃度8、熱電偶溫度傳感器工作原理熱電效應(yīng)原理：兩種不同的金屬組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫度存在差異時，回路中就會有電流通過，兩接觸點(diǎn)間形成電勢差，電勢差的大小與溫度差有關(guān)。觀測的氣象要素：瞬時溫度。FW05即是運(yùn)用熱電效應(yīng)原理制作的熱電偶溫度傳感器。當(dāng)熱電偶的測量端與基準(zhǔn)端的空氣溫度存在差異時，兩者之間形成電勢差因此，可以通過測量兩端的電勢差來測量熱電偶兩端的溫度差。優(yōu)點(diǎn)：觀測精度高，無需進(jìn)行訂正；缺點(diǎn)：易損壞，不宜用于長期觀測。6、渦動相關(guān)系統(tǒng)的架設(shè)與日常維護(hù)超聲風(fēng)速儀與H2O/CO2分析儀架設(shè)在同一高度，H2O/CO2分析儀不能靠超聲風(fēng)速儀太近超聲風(fēng)速儀與H2O/CO2分析儀均指向盛行風(fēng)方向如果使用金屬絲熱電偶溫度儀（ FW05）則架設(shè)在超聲風(fēng)速感應(yīng)探頭中間KH20安裝高度與超聲風(fēng)速儀高度一致。H2O/CO2分析儀的維護(hù)：（1）光路清潔（2）更換干燥劑維護(hù)頻率：在常規(guī)觀測期，至少每個月一次；在加強(qiáng)觀測期，最好每天一到兩次。維護(hù)內(nèi)容：1.儀器設(shè)備和電纜等是否有人為破壞和自然損壞；2.檢查供電系統(tǒng)是否工作正常；3.檢查儀器是否正常工作，做好儀器清潔維護(hù)；4.檢查數(shù)據(jù)采集器是否工作正常，各觀測量是否合理；5.更換存儲卡，取回近期的觀測資料。7、湍流資料處理步驟1）瞬時資料（觀測資料）——單位轉(zhuǎn)換、野點(diǎn)剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、去趨勢2）通量訂正——超聲虛溫訂正、水汽CO2的密度訂正、頻率響應(yīng)訂正3）質(zhì)量控制——QC/QA結(jié)果分析4）EC系統(tǒng)觀測通量的物理基礎(chǔ)：大氣定常；湍流充分發(fā)展；下墊面水平均勻單位轉(zhuǎn)換：將儀器輸出電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)物理量，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)各物理量單位是否統(tǒng)一剔除野點(diǎn)：野點(diǎn)類型：1.環(huán)境因子（雨、雪、塵粒等對聲程、光程的干擾；瞬時斷電等）2.儀器因素（電子電路、電纜、電源不穩(wěn)定等）30min的資料，一般野點(diǎn)數(shù)不超過10~100，否則剔除1.儀器診斷標(biāo)志檢查（diag_CSAT3,diag_Li-7500≠0）2.瞬時值或平均值超過物理上的合理范圍（超閾值）3.方差檢驗(yàn)、偏度峭度檢驗(yàn)、不連續(xù)性檢驗(yàn)等坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)：渦動相關(guān)法成立的基本假設(shè)之一： 平均垂直風(fēng)速因此應(yīng)盡量滿足：地勢平坦、下墊面均一，儀器安裝 w軸盡量垂直于平均風(fēng)。因此需要進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)1.旋轉(zhuǎn)法；二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)（DR）三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)（TR）2.平面擬合法去趨勢：根據(jù)雷諾分解，從瞬時值中去除平均量獲取湍流脈動量8、資料質(zhì)量控制剔除：儀器故障處理過程中引入偽信號不滿足EC系統(tǒng)適用條件印痕區(qū)域以外的源區(qū)貢獻(xiàn)顯著降水時段資料8、湍流平穩(wěn)性、充分性檢驗(yàn)湍流平穩(wěn)性是指一個觀測時段內(nèi)主要的統(tǒng)計(jì)量保持穩(wěn)定。以 30min為例，1）將觀測時段（30min），分為6個子時段，每個5min；2）對30min觀測，計(jì)算總體協(xié)方差CV30；3）分別計(jì)算各子段的協(xié)方差（CV1,CV2,CV3,CV4,CV5,CV6）及其均值CVm=CVi/6；4）計(jì)算非平穩(wěn)指數(shù)：IST=∣(CVm-CV30)/CV30∣充分性檢驗(yàn)就是測量的垂直風(fēng)速方差和摩擦速度的比值與根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論模擬值的符合程度檢驗(yàn)，可用總體湍流特征系數(shù)（ITC）表示：（w/u）(w/u)measurementITC*model*(w/u*)modelσw是垂直速度的方差8、能量平衡閉合：是指利用渦動相關(guān)儀器直接觀測的潛熱和感熱通量之和與凈輻射能量、土壤熱通量、熱儲存項(xiàng)之和之間的平衡。公式：H+LE=Rn-G-S-QH+LE湍流熱通量，Rn-G-S-Q有效能量或可利用能量。湍流熱通量與有效能量相等時，稱為能量平衡閉合；反