大氣探測緒論

1第一章緒論

大氣探測概述大氣探測的發(fā)展概況大氣探測學研究的對象、任務、特點探測原理探測儀器大氣探測工作的基本要求綜合氣象觀測系統(tǒng)21.1大氣探測概述“氣象探測，是指利用科技手段對大氣和近地層的大氣物理過程、現(xiàn)象及其化學性質等進行系統(tǒng)觀察和測量?！薄腥A人民共和國氣象法大氣探測是對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現(xiàn)象及其變化過程進行個別或系統(tǒng)的、連續(xù)的觀察和測定，并對獲得的記錄進行整理。大氣探測是大氣科學的重要分支，是大氣科學的基礎，并使基礎理論與現(xiàn)代科學技術相結合，形成多學科交叉融合的獨立學科，處于大氣科學發(fā)展的前沿。3大氣運動的基本特點

空間范圍廣大運動永無休止影響因素繁多運動狀態(tài)復雜4基本特性和要求準確性：反映測量值與真實狀況誤差大小的程度代表性：探測值代表一定空間范圍和時間段的平均狀況比較性：不同測站和不同時間的測量值能進行比較5大氣邊界層和近地面層大氣邊界層

大氣與地面之間充分湍流化的氣層厚度約為1千米，隨時間和條件變化近地面層（常通量層，表面層）直接與地表接觸、受地面強烈影響的氣層厚度約為邊界層的1/106大氣結構特征

（對流層和大氣邊界層）7影響邊界層的物理過程輻射傳輸過程：短波輻射，長波輻射熱力傳輸過程：顯熱，潛熱動力作用：平流，垂直運動，局地環(huán)流湍流運動：無規(guī)則，分類（機械、熱力），特征，尺度譜，串級傳遞能量過程，湍流輸送過程8局地環(huán)境對氣象測量的影響地理環(huán)境和地形地表性質、建筑物下墊面表面粗糙度下墊面熱力不均勻城市環(huán)境9氣象觀測系統(tǒng)按照傳感器所處位置可分為天基觀測、空基觀測和地基觀測系統(tǒng)。天基：傳感器在中層大氣之外的為天基觀測，主要由低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星以及相應的地面應用系統(tǒng)組成；空基：傳感器在地球表面以上、中層大氣及以下的為空基觀測，主要由氣球探測、飛機探測和火箭探測組成；地基：傳感器在地球表面的為地基觀測，主要由地面氣象觀測、地基氣候系統(tǒng)觀測、地基遙感探測、地基大氣邊界層觀測、地基中高層大氣和空間天氣監(jiān)測、地基移動氣象觀測、地基氣象觀測運行監(jiān)控和技術保障等組成。

氣象觀測系統(tǒng)的分類10111.2大氣探測的發(fā)展概況人類對大氣現(xiàn)象的認識；在生活和生產(chǎn)實踐中的提煉和總結。經(jīng)驗性預測—最早的大氣探測；天氣和氣候諺語：早霞不出門，晚霞行千里。 天上勾勾云，地上雨淋淋。★隨著科學技術的發(fā)展，對天氣現(xiàn)象的一些定性的、經(jīng)驗性的推斷—發(fā)展到借助儀器—定量測定—發(fā)明了各種探測大氣現(xiàn)象的儀器。121、創(chuàng)始時期直到16世紀末發(fā)明第一批大氣探測儀器以前的漫長歷史時期中，人們對大氣中發(fā)生的現(xiàn)象以定性的經(jīng)驗觀察推斷為主。在這期間，發(fā)明了相風鳥、雨量器和風壓板等，但不能對大氣現(xiàn)象進行連續(xù)記錄。中國最早發(fā)明了氣象觀測儀器。在西漢時（公元前104年），已盛行伣、銅鳳凰和相風銅烏等三種風向器，到唐代又發(fā)展到在固定地方用相風鳥，在軍隊中用雞毛編成的風向器測風。在西漢時還利用羽毛、木炭等物的吸濕特性來測量空氣濕度。宋代曾有僧贊寧（公元10世紀）利用土炭濕度計來預報晴雨。關于降水的記錄亦以中國最早，據(jù)《后漢代》記載，在當時曾要所轄各郡國，每年從立春到立秋這段時間內，向朝廷匯報雨澤情況，此后歷代對各地雨情都很重視。13142、地面氣象觀測開始發(fā)展時期 這一長時期的特點是一系列定量測量地面氣象要素儀器的出現(xiàn)和應用。從1643年到20世紀初的200多年里，是地面氣象觀測發(fā)展并趨于成熟的時期。1593年意大利學者伽利略（Galileo）發(fā)明液體玻璃溫度表，1643年意大利學者托里拆利（Torricelli）發(fā)明了水銀氣壓表。這兩種重要儀器的出現(xiàn)，使氣象觀測大大向前躍進一步。特別是氣壓與天氣變化的關系最直接，氣壓表當時曾被譽為天氣的“眼睛”，是這一時期的標志性儀器。1783年索修爾（Soussure）發(fā)明毛發(fā)濕度表，在此前后，還發(fā)明了雨量器、風杯風速計以及黑白球日射表，等等。1653年在意大利北部首先建立氣象臺，此后其它國家亦相繼建立地面氣象觀測站，開始積累氣象資料。1802年拉馬契克進行了云狀分類，逐步發(fā)展了現(xiàn)今使用的云與天氣現(xiàn)象的目測內容。在時間和地域上同步和連續(xù)的觀測結果，對于天氣預報的準確性具有重要意義，因而提出了建立氣象臺站網(wǎng)的要求，第一個氣象臺站網(wǎng)就是由拉馬契克在歐洲建立的。

153、高空大氣探測的開始發(fā)展時期自從1783年法國人查理（J.A.charles）在巴黎上空，用氫氣球攜帶溫度表和氣壓表探測大氣狀況以后，陸續(xù)有人采用系留氣球、飛機及火箭攜帶儀器升空，進行高空大氣的探測的。4、高空大氣探測迅速發(fā)展時期自從1919年法國人巴洛（R.Burean)第一次用無線探空儀探測大氣后，前蘇聯(lián)、德國、法國、芬蘭等國家都開始研制無線電探空儀，及其它高空風探測技術，為高空大氣探測事業(yè)開辟了新的途徑。這是大氣探測向高空發(fā)展的第一次突破。165、大氣探測的遙感時期1940年開始用測風雷達追蹤氣球進行高空風的測量，1945年第二次世界大戰(zhàn)結束前夕，美國將雷達首次應用于氣象觀測。在40年代中期以后，發(fā)射了氣象火箭，探測到100km以下大氣層的要素，后來發(fā)射的探空火箭,把探測高度伸展到了500km。這可以說是大氣探測史上的第二次突破——高度的突破。17今后大氣探測技術總的發(fā)展趨勢是：

1．向綜合探測方向發(fā)展。如地基與空基、天基，遙測遙感與大氣觀測，常規(guī)與非常規(guī)觀測。

2．向系統(tǒng)性方向發(fā)展。研制和開發(fā)新型設備，從而集信息的獲取、預處理及傳輸為一體化。

3．向遙測遙感自動化方向發(fā)展。自動化遙測遙感設備將逐步取代器測和部分目測項目。

4．向高精度方向發(fā)展。探測的精度主要是指時空上高分辨率，探測數(shù)據(jù)高準確性。

5．探測儀器向多功能、小型化方向發(fā)展。

18空基SPACE地基INSITE高空觀測特種觀測專業(yè)觀測閃電觀測廓線觀測器測目測雷達測雨測風經(jīng)緯儀測風人工遙測……GPS測風導航測風雷達風無線電探空自動站遙感飛機觀測飛機遙測地基輻射計測水汽…...GPS/MET衛(wèi)星觀測天氣雷達觀測其它觀測閃電定位閃電定位衛(wèi)星測臭氧臭氧探空農氣農業(yè)海洋環(huán)境衛(wèi)星測輻射輻射遙測輻射酸雨云圖測風測雨測要素掩星技術T、V廓線地基總水量測風測溫191.3大氣探測學研究的對象、任務、特點

1、大氣探測是對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現(xiàn)象及其變化過程進行個別或系統(tǒng)的、連續(xù)的觀測和測定；為天氣、氣候預測預報診斷分析提供第一手資料。 包括：直接探測（儀器的感應部分直接置于探測的大氣介質中）；遙感探測（遙感探測技術手段）和目測項目（云、天氣現(xiàn)象的演變過程）。

2、《大氣探測學》是從事大氣科學研究、教學的基礎。為天氣、氣候診斷分析、預報及環(huán)境保護部門、國家及全球氣象資料網(wǎng)絡系統(tǒng)等提供大氣觀測資料。203、隨著科學技術的發(fā)展，大氣探測的要素量和空間范圍越來越大。 大氣探測分為近地面層大氣探測、高空大氣層探測和專業(yè)性大氣探測。

近地面層大氣探測：主要是對近地層大氣狀況進行觀測和探測。包括：地面氣象觀測和近地面層大氣探測

地面氣象觀測（-1——10米，標準氣象觀測站的風速、風向觀測高度為10米）、觀測項目包括：云、能見度和天氣現(xiàn)象狀況，地溫，大氣溫度、大濕度、壓力、風速、風向、降水、蒸發(fā)和輻射等。近地面層大氣探測（0——3000米）觀測項目包括：大氣溫度、大濕度、壓力、風速、風向等。

21高空大氣探測：對3000米以上的大氣層狀況進行探測。探測的項目主要有：大氣溫度、壓力、風速、風向和濕度等。專業(yè)性和研究性項目的大氣探測：如區(qū)域大氣環(huán)境容量研究；大氣邊界層特征研究；城市熱島環(huán)流研究；海陸風場研究；峽谷風場研究等。根據(jù)研究項目需要大氣探測的項目。22

近幾十年來，作為主動遙感的各種氣象雷達探測（可對上百公里范圍內的雷暴分布及其結構進行連續(xù)探測）和作為被動遙感的氣象衛(wèi)星探測，以及地面微波輻射探測等能獲得較多信息的大氣探測方法，正在逐步地進入常規(guī)大氣探測的領域。這些現(xiàn)代大氣探測技術應用于大氣科學的研究領域，極大地豐富了大氣探測的內容。231.4探測原理1、直接探測將感應元件置放于測量位置上，直接測量大氣要素的變化，根據(jù)元件的物理、化學性質受大氣某種作用而產(chǎn)生反應的特點，構成~

如：探空儀上的熱敏電阻測溫原理。溫度變化——電阻值變化——電動勢變化——電訊號頻率變化——溫度變化； 利用金屬的熱脹冷縮原理，制成的溫度計測量大氣溫度。242、遙感探測：探測元件不置放于測量物體上，測量大氣要素的變化。根據(jù)大氣中聲、光、電等信號傳播工程中性質的變化，反演出大氣要素的時空變化。

如：天氣雷達測云雨，是根據(jù)雷達波對云內含水量的回波強度分布及其結構，實現(xiàn)對云雨的連續(xù)探測。微波輻射計測定大氣濕度，是根據(jù)大氣中的水汽在1.35cm波長處有強烈的輻射吸收作用的原理。25又分為：主動遙感、被動遙感兩種主動遙感：設備具有聲、光、電磁波發(fā)射源，在其測量空間中大氣特性對其傳播信號產(chǎn)生相應的吸收、散射、反射形成帶有大氣特征的回波信號。如：測云雨雷達被動遙感：直接探測來自大氣的聲、光、電磁波信號。如：氣象衛(wèi)星263、施放示蹤物質向大氣施放具有光學或金屬性質的示蹤物質，利用光學方法或雷達觀測其隨氣流傳播和演變規(guī)律，由此計算大氣的流動狀況。例如：利用固定升速的氣球攜帶碳棒到要求高度后，氣球爆炸，用雷達觀測碳棒示蹤物在大氣層中運動軌跡的回波強度；若施放熒光物質，可采用光學照相方法；若施放化學物質SFS（硫氟化硫），可采用化學分析方法。用以研究大氣層的擴散能力。274、模擬實驗風洞模擬：模擬大氣層邊界層風、溫及區(qū)域流場狀況。在大氣環(huán)境規(guī)劃、區(qū)域大氣污染控制等研究中起到深入了解研究區(qū)域大氣流動規(guī)律的作用。如：城市、區(qū)域規(guī)劃；建筑物風壓實驗等。缺點：無法精確模擬大氣邊界層中的溫度層結。水槽模擬：模擬大氣層環(huán)流、洋流、建筑物周圍環(huán)境流場特征。可調控溫度場，模擬大氣邊界層的溫度層結，施放示蹤顏料，可很形象地了解邊界層溫度層結和擴散規(guī)律。281.5探測儀器對氣象儀器的要求：準確度（對于某一特定變量，按照規(guī)定的要求）；可靠性；操作與維護方便；設計簡單（符合要求）；耐久；29儀器的主要性能指標準確度：準確度表示測量結果與被測量真值的一致程度。

測量范圍：在保證主要技術性能情況下，儀器能測量的被測量的量值范圍。分辨力：儀器測量時能給出的被測量量值的最小間隔。響應時間（滯后系數(shù)）被測量值階躍變化后，儀器測量值達到最終穩(wěn)定值的不同百分比所需要的時間。其中達到63.2％所需的時間稱為儀器的時間常數(shù)。平均時間：求被測量平均值的固定時間段。采樣速率：自動觀測時獲取被測量數(shù)據(jù)的時間間隔。30WMO對儀器測量準確度的定義：儀器誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差隨機誤差（Randomerror）：測量結果減去其平均值，該平均值是在可重復性條件下，對同一被測量進行多次測量得出的平均值。系統(tǒng)誤差（Systematicerror）：在可重復條件下，對同一被測量進行多次測量求得的平均值減去被測量的真值。31一個完整的大氣探測儀器或系統(tǒng)包括三部分：觀測平臺：安放儀器的設施，如：觀測場觀測儀器資料處理單元：將儀器輸出的信號實時采集、處理、傳送和存儲32331.6大氣探測工作的基本要求氣象觀測是在自然條件下進行的，由于近地面層的氣象要素存在著空間分布的不均勻性和隨時間變化的脈動性，因此地面氣象觀測必須具有代表性、準確性、比較性。代表性——觀測記錄不僅要反映測點的氣象狀況，而且要反映測點周圍一定范圍內的平均氣象狀況。地面氣象觀測在選擇站址和儀器性能，確定儀器安裝位置時要充分滿足觀測記錄的代表性要求。在觀測場選址時，特別是氣候觀象臺、國家氣象觀測一級站，需要充分考慮臺站觀測環(huán)境的要求，符合《氣象探測環(huán)境和設施保護辦法》。例如：把測風儀器安裝在高大建筑群中，不僅影響實際風速，風向也受到影響。34準確性——觀測記錄要真實地反映實際氣象狀況。地面氣象觀測使用的氣象觀測儀器性能和制訂的觀測方法要充分滿足地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的準確度要求。在實際工作中觀測記錄的準確性主要是從氣象各要素的觀測儀器的技術性能要求去要求的，規(guī)范的觀測方法和操作也是觀測記錄準確性所必須的。比較性——不同地方的地面氣象觀測站在同一時間觀測的同一氣象要素值，或同一個地面氣象觀測站在不同時間觀測的同一氣象要素值能進行比較，從而能分別表示出氣象要素的地區(qū)分布特征和隨時間變化的特點。地面氣象觀測在觀測時間、觀測儀器、觀測方法和數(shù)據(jù)處理等方面要保持高度統(tǒng)一。351.7綜合氣象觀測系統(tǒng)現(xiàn)代氣象業(yè)務體系主要由公共氣象服務業(yè)務、氣象預報預測業(yè)務和綜合氣象觀測業(yè)務構成，各業(yè)務間相互銜接、相互支撐。由國家需求引領公共氣象服務業(yè)務發(fā)展，并通過公共氣象服務業(yè)務發(fā)展需要引領氣象預報預測業(yè)務和綜合氣象觀測業(yè)務發(fā)展，科技、人才、裝備保障和信息為其提供支撐。3637以國家氣候觀象臺、國家氣象觀測站、區(qū)域氣象觀測站、衛(wèi)星觀測系統(tǒng)和移動觀測系統(tǒng)為觀測業(yè)務的主要平臺，形成滿足寬領域業(yè)務需求的國家氣候監(jiān)測網(wǎng)、國家天氣觀測網(wǎng)、國家專業(yè)氣象觀測網(wǎng)和區(qū)域氣象觀測網(wǎng)?！獓覛夂蛴^象臺（基準站）：主要依據(jù)中國氣候系統(tǒng)委員會關于中國氣候觀測系統(tǒng)的設計原則和確定的重點氣候觀測區(qū)，結合世界氣象組織（WMO）對全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）和區(qū)域氣候站網(wǎng)選擇原則，在原有國家級觀測站基礎上擇優(yōu)選址確定。平均站間距約為200千米，以原國家基準氣候站為基礎，擇優(yōu)建設，并兼有國家氣象觀測站的功能?！獓覛庀笥^測站：基本站平均間距為100千米左右，分布相對均勻，優(yōu)先考慮關鍵地區(qū)和敏感地區(qū)。一般站主要根據(jù)各地業(yè)務服務需求進行布設，重點補充西部地區(qū)，進一步改善國家級觀測站網(wǎng)布局的密度、覆蓋度和均勻性。除全部開展地面常規(guī)觀測外，部分站根據(jù)觀測布局要求，開展多普勒雷達、探空等項目觀測。我國綜合觀測業(yè)務系統(tǒng)的總體布局38——區(qū)域氣象觀測站：根據(jù)中小尺度天氣系統(tǒng)的典型空間和時間尺度特征，參考國際中尺度地面觀測網(wǎng)的設計思路，并綜合考慮各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的面積、觀測要素需求、年平均降雨量和人口密度等多種因素確定。國家級業(yè)務負責全國觀測業(yè)務運行監(jiān)控，承擔全國氣象觀測資料的收集、處理、評價和全國范圍的觀測產(chǎn)品制作，組織實施觀測新技術、新方法、新儀器設備研究和新觀測產(chǎn)品開發(fā)、業(yè)務化試驗和考核。省級業(yè)務負責本省觀測業(yè)務運行和監(jiān)控，組織應急觀測，承擔本省范圍的觀測數(shù)據(jù)匯集、質量控制、評價和觀測產(chǎn)品的制作。地縣級業(yè)務負責本地區(qū)觀測業(yè)務運行、質量管理和氣象觀測站的觀測環(huán)境保護。39我國氣象觀測系統(tǒng)的現(xiàn)狀地基觀測系統(tǒng)全國多部門共建有4000多個各類氣象臺站。

*基準氣候站：143個*基本氣象站：577個

*一般天氣站：1736個*大氣輻射站：98個

*酸雨觀測站：86個*沙塵暴監(jiān)測站（一期）：46個

*土壤濕度觀測站：433個

*農業(yè)氣象觀測站：624個

*大氣本底站：4個

*閃電定位（地閃）：98個

*閃電定位（云間閃）：3個

*多普勒雷達站：101個。

404142434445空基觀測系統(tǒng)──高空探測網(wǎng)

由單一的每天二次由氣球攜帶隨風飄移的無線電探空、測風發(fā)展到包括集成高空探控系統(tǒng)、風廓線雷達、地基水氣遙感探測等構成的綜合探測提供連續(xù)的高空資料。

全國目前共有120個高空氣象探測站。目前我國已建成80部L波段數(shù)字式電子探空儀-二次測風雷達系統(tǒng)；中國氣象局在全國利用飛機開展人工增雨作業(yè)，是目前業(yè)務中飛機觀測最大的用途。

4647天基觀測系統(tǒng)我國從20世紀70年代初期開始研制氣象衛(wèi)星，目前已經(jīng)形成極軌和靜止兩個業(yè)務衛(wèi)星系列。

地面系統(tǒng)形成了一個國家級的業(yè)務運行和數(shù)據(jù)處理中心（國家衛(wèi)星氣象中心），三個國家級氣象衛(wèi)星地面站（北京、廣州和烏魯木齊）組成的國家級地面系統(tǒng)；衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用已拓展到業(yè)務和科學研究的許多方面。48極軌氣象