現(xiàn)代大氣探測學(xué)-第一講-緒論-夏俊榮

南京信息工程大學(xué)夏俊榮現(xiàn)代大氣探測學(xué)2023年9月5日參考教材王振會等，大氣探測學(xué)，氣象出版社〔指定〕孫學(xué)金等，大氣探測學(xué)，氣象出版社張文煜，袁九毅，大氣探測原理與方法，氣象出版社中國氣象局，地面氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)，氣象出版社

致謝本課程多媒體教材是在北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系劉樹華教授的同類教材根底之上修改完成，此外還得到了其他諸位老師的幫助，在此謹(jǐn)表示衷心感謝。

本課程主要目標(biāo)和任務(wù)掌握云、能見度、天氣現(xiàn)象、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、輻射等氣象要素的觀測方法及常用觀測儀器〔表〕的原理、讀數(shù)方法，理解數(shù)據(jù)誤差，了解觀測儀器的安裝方法；掌握高空氣象觀測的方法和根本內(nèi)容；掌握自動氣象站的根本組成和工作原理；了解氣象雷達(dá)及氣象衛(wèi)星的觀測特點(diǎn)、根本組成和主要觀測內(nèi)容。第一章緒論&1.1大氣探測學(xué)的開展概況&1.2大氣探測學(xué)研究的對象、任務(wù)和特點(diǎn)&1.3大氣探測原理&1.4大氣探測儀器&1.5大氣探測的“三性〞要求&1.6大氣探測學(xué)的開展趨勢&1.7復(fù)習(xí)思考題2、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(xué)性質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)觀察和測量。〞——中華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(jìn)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(jìn)行整理。〔云、能見度、天氣現(xiàn)象、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、輻射〕大氣探測是大氣科學(xué)的重要分支，是大氣科學(xué)的根底〔為天氣預(yù)報、氣候分析、科學(xué)研究以及國民經(jīng)濟(jì)和國防平安提供氣象資料〕，并使根底理論與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，形成多學(xué)科交叉融合的獨(dú)立學(xué)科〔大氣物理學(xué)、氣象學(xué)、傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和空間技術(shù)〕，處于大氣科學(xué)開展的前沿。開展簡史氣象要素定量測量階段：16世紀(jì)氣象儀器出現(xiàn)高空探測開展階段：20世紀(jì)20年代無線電探空大氣遙感探測階段：20世紀(jì)40年代后雷達(dá)衛(wèi)星

現(xiàn)代大氣探測是綜合性探測系統(tǒng)的開展根本特性和要求準(zhǔn)確性：反映測量值與真實(shí)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可比較性：不同測站和不同時間的測量值能進(jìn)行比較氣象儀器的主要性能靈敏度：單位待測量的變化所引起的信號輸出值的變化準(zhǔn)確度：測量值與實(shí)際值〔真值〕接近的程度，可以通過儀器誤差值表示。分為系統(tǒng)性誤差和偶然性誤差。穩(wěn)定性：儀器性能隨時間的變化率氣象業(yè)務(wù)組織基準(zhǔn)氣候站：一般300-400公里設(shè)一站，每天觀測24次。根本氣象站：一般不大于150公里設(shè)一站，每天觀測8次。一般氣象站：一般50公里左右設(shè)一站，每天觀測3次或4次。高空氣象站：一般300公里設(shè)一站，每天探測2次或3-4次。(8:00,20:00北京時)基準(zhǔn)站方案布設(shè)Ⅰ型站根本站方案布設(shè)Ⅱ型站觀測工程觀測工程〔舊規(guī)定〕&1.1大氣探測學(xué)的開展概況人類對大氣現(xiàn)象的認(rèn)識；在生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的提煉和總結(jié)。經(jīng)驗性預(yù)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?！镫S著科學(xué)技術(shù)的開展，對天氣現(xiàn)象的一些定性的、經(jīng)驗性的推斷—開展到借助儀器的定量測定—創(chuàng)造了各種探測大氣現(xiàn)象的儀器。1、創(chuàng)始時期 直到16世紀(jì)末創(chuàng)造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，創(chuàng)造了相風(fēng)鳥、雨量器和風(fēng)壓板等，但不能對大氣現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)記錄。2、地面氣象觀測開始開展時期1593年，意大利人伽利略〔G.Galileo)創(chuàng)造了氣體溫度表；1643年，托里拆利〔E.Torricelli〕創(chuàng)造水銀氣壓表；1659年，瑞士德索修爾〔H.B.desaussure)創(chuàng)造毛發(fā)溫度表；1665年，波義耳〔R.Boyle〕創(chuàng)造酒精溫度表；1803年，拉馬契克進(jìn)行了云狀的分類觀測。1825年，赫歇爾〔Herchel〕創(chuàng)造太陽輻射表；3、高空大氣探測的開始開展時期自從1783年法國人查理〔〕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(jī)及火箭攜帶儀器升空，進(jìn)行高空大氣的探測。4、高空大氣探測迅速開展時期自從1919年法國人巴洛〔R.Burean)第一次用無線電探空儀探測大氣后，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(fēng)探測技術(shù)，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開展的第一次突破。5、大氣探測的遙感時期1940年開始用測風(fēng)雷達(dá)追蹤氣球進(jìn)行高空風(fēng)的測量，1945年第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前夕，美國將雷達(dá)首次應(yīng)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。6、大氣探測的衛(wèi)星遙感時期 1960年4月美國第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯——1號發(fā)射成功；1966年地球靜止衛(wèi)星云圖成功，為主要標(biāo)志。大氣探測不僅從根本上擴(kuò)大了探測范圍，也提高了對大氣過程探測的連續(xù)性。一顆極軌氣象衛(wèi)星晝夜不停地向地球發(fā)送全球氣象觀測資料。使探測大范圍大氣參量的連續(xù)變化成為可能，這可以說是大氣探測事業(yè)的第三次突破——探測范圍的突破。&1.2大氣探測學(xué)研究的對象、任務(wù)、特點(diǎn) 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(jìn)行個別或系統(tǒng)的、連續(xù)的觀測和測定；為天氣、氣候預(yù)測預(yù)報診斷分析提供第一手資料。 包括：直接探測〔儀器的感應(yīng)局部直接置于探測的大氣介質(zhì)中〕；遙感探測〔遙感探測技術(shù)手段〕和目測工程〔云、能見度、天氣現(xiàn)象的演變過程〕。2、《大氣探測學(xué)》是從事大氣科學(xué)研究、教學(xué)的根底。為天氣、氣候診斷分析、預(yù)報及環(huán)境保護(hù)部門、國家及全球氣象資料網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等提供大氣觀測資料。

3、隨著科學(xué)技術(shù)的開展，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)氣象觀測站的風(fēng)速、風(fēng)向觀測高度為10米〕、觀測工程包括：云、能見度和天氣現(xiàn)象狀況，地溫，大氣溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、蒸發(fā)和輻射等。近地面層大氣探測〔0——3000米〕觀測工程包括：大氣溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向等。

高空大氣探測：對3000米以上的大氣層狀況進(jìn)行探測。探測的工程主要有：大氣溫度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向和濕度等。專業(yè)性和研究性工程的大氣探測：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(fēng)場研究；峽谷風(fēng)場研究等。根據(jù)研究工程需要決定大氣探測的工程。近幾十年來，各種氣象雷達(dá)探測〔可對上百公里范圍內(nèi)的雷暴分布及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)探測〕和氣象衛(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(jìn)入常規(guī)大氣探測的領(lǐng)域。這些現(xiàn)代大氣探測技術(shù)應(yīng)用于大氣科學(xué)的研究領(lǐng)域，極大地豐富了大氣探測的內(nèi)容。

直接測量：感應(yīng)元件置于待測介質(zhì)之中，根據(jù)元件性質(zhì)的變化，得到描述大氣狀況的氣象參數(shù)。

遙感探測：根據(jù)電磁波在大氣中傳播過程中信號的變化，反演出大氣中氣象要素的變化?？梢苑譃橹鲃舆b感和被動遙感兩種方式。&1.3探測原理1、直接探測：探測器〔感應(yīng)元件〕直接放入大氣介質(zhì)中，測量大氣要素。應(yīng)用元件的物理、化學(xué)性質(zhì)受大氣作用而產(chǎn)生反響特性地原理。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。2、遙感探測：通過大氣中傳播的要素信息反演出大氣要素的時空分布。如：天氣雷達(dá)測云雨，是根據(jù)雷達(dá)波對云內(nèi)含水量的回波強(qiáng)度分布及其結(jié)構(gòu)，實(shí)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(qiáng)烈的輻射吸收作用的原理。&1.4探測儀器對每一種大氣探測儀器，必須充分了解儀器的性能，才能到達(dá)正確使用和取得符合要求的觀測資料。儀器的性能包括：準(zhǔn)確度——儀器的測量值〔已做各種訂正后〕與真值的符合程度。準(zhǔn)確度考察的是測量值與實(shí)際值的接近程度。反映的是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的合成大小，常用相對誤差來表示，其值越小，準(zhǔn)確度越高。靈敏度：儀器的靈敏度就是它的示度在被測要素改變單位物理量時所移動的距離、旋轉(zhuǎn)的角度或顯示輸出量的大小。即：指單位待測量的變化所引起的指示儀表輸出的變化。如果被測要素的物理量改變Δx,相應(yīng)儀器示度改變量為Δy，那么靈敏度表示為：Δy/Δx例如:玻璃溫度表的靈敏度的單位為mm/1℃10mm/1℃＞5mm/1℃

由于觀測者的感官功能有一定限度，要求正確迅速地讀出儀器示度，就必須要求儀器具有適當(dāng)?shù)撵`敏度。但片面要求高靈敏度也是不實(shí)際的，會使儀器變的龐大。如：靈敏度1m/1℃的溫度表，50℃的測量范圍的話，溫度表起碼要50m高。慣性〔滯后性〕儀器的慣性——儀器的動態(tài)響應(yīng)速度。具有兩重性，一般要求慣性的大小由觀測任務(wù)所決定。如：探空儀的慣性不能太大，否那么,在上升過程中就不能準(zhǔn)確反映溫、濕、壓隨高度的變化；大氣湍流探測儀器的慣性就要求很小，不然的話，儀器就會將高頻湍渦過濾掉；而地面氣象臺站使用的觀測儀器就要求具備一定的慣性，使其具備一定的自動平均的能力。另外，慣性太小，觀測員將無法靠近儀器讀數(shù)。分辨率儀器的分辨率——導(dǎo)致一個測量系統(tǒng)響應(yīng)值變化的最小的環(huán)境改變量。它和量程及靈敏度有關(guān)，儀器性能的改變也會影響分辨率。量程儀器的量程——儀器的測量范圍。它取決于所測要素的變化范圍和測量的要求。如：利用一支溫度表測量某一地區(qū)常年氣溫，那么要求其量程—20℃＜t＜50℃，-20℃和50℃為該地區(qū)100年一遇的最低、最高氣溫。CO2儀的量程那么要考慮植物光合作用的日變化。穩(wěn)定度&1.5大氣探測的“三性〞要求大氣探測是在自然的動態(tài)條件下進(jìn)行的。由于大氣是湍流介質(zhì)，形成被測氣象要素隨空間和時間的非均勻性和脈動性。但是大氣探測資料又往往是用于區(qū)域或全球的大氣運(yùn)動的整體診斷和分析，因而，要求氣象臺站的觀測資料必須準(zhǔn)確的代表某一地區(qū)的大氣特征，又能做到相互比較，以了解地區(qū)間的差異。所以，要求大氣探測資料應(yīng)具備：代表性、準(zhǔn)確性和可比性。準(zhǔn)確性：反映測量值與真實(shí)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可比較性：不同測站和不同時間的測量值能進(jìn)行比較1、代表性代表性——?dú)庀鬁y量值應(yīng)能代表測站周圍較大范圍內(nèi)的或一段時間內(nèi)的平均狀況。代表性分空間代表性和時間代表性?？臻g代表性——點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對平面以至點(diǎn)對空間的代表性程度。即一個點(diǎn)的測量值能代表多大范圍大氣狀況的問題。空間代表性的問題，重點(diǎn)是對觀測場地的選擇和設(shè)置的要求。觀測站觀測資料代表性的好壞，原那么上可以從臺站地形是否具有典型性方面進(jìn)行評定。站址的選擇、觀測站的建立需要考慮空間的代表性，防止局地地形地物造成大氣要素不規(guī)那么變化。一般說來，平原地區(qū)的臺站資料代表性較好，山區(qū)、城市臺站資料代表性較差。時間代表性——一個點(diǎn)在給定時間段內(nèi)的測量值對該點(diǎn)不同時段或另一時段被測量值的代表性程度。湍流大氣中，氣象要素變化快，要取一定時段的平均值作為測量值〔屢次測量，取平均值〕,能提高資料的時間代表性；此外，選取有一定慣性的測量儀器，也能提高時間代表性2、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性：測量值與真值一致的程度觀測記錄要真實(shí)地反映實(shí)際氣象狀況a)系統(tǒng)誤差：在同一條件下，對某一量的同一值進(jìn)行屢次測量的過程中，保持常量的誤差；或情況改變時，按照一定的規(guī)律變化的誤差儀器標(biāo)定b)隨機(jī)誤差〔偶然性誤差〕：在同一條件下，對同一給定量值作屢次測量時，其大小和符號以不可預(yù)測的方式變化的那局部誤差。大小和方向不固定，無法測量或校正。隨著測定次數(shù)的增加，正負(fù)誤差可以相互低償，誤差的平均值將逐漸趨向于零3、比較性指不同測站同一時間測得同一大氣要素值，能夠進(jìn)行相互比較，并顯示出要素的地區(qū)分布特征；另外，也指同一測站不同時間的同一大氣要素的比較，以說明要素隨時間的變化特點(diǎn)。觀測資料的比較性是建立在一致的根底上，即要求觀測時間、觀測方法、儀器類型、觀測標(biāo)準(zhǔn)、臺站地理緯度、地形地貌條件等的一致性。沒有這些一致性，也就談不上比較性。大氣探測的代表性、準(zhǔn)確性以及比較性直接是互相聯(lián)系、互相制約的。觀測資料的代表性是建立在準(zhǔn)確性的根底之上的，沒有準(zhǔn)確性也就談不上代表性；然而，只有準(zhǔn)確性而沒有代表性的觀測資料，也是難以使用的。同時，觀測資料的比較性，也必須以觀測資料的代表性和準(zhǔn)確性為前提，因為如果觀測資料既無代表性，又無準(zhǔn)確性，也就沒有了時空比較的意義。觀測資料質(zhì)量的好壞，均以觀測資料的“三性〞來衡量地面氣象觀測場建設(shè)要求(遙感11,自動化,研修)觀測場四周空曠平坦，所取得的資料應(yīng)具有較好的代表性；經(jīng)緯度〔精確到分〕和海拔高度〔精確到0.1m〕刻在石樁上，埋設(shè)在場內(nèi)；觀測場一般是25mX25m的平整場地，保持均勻草坪，草高不超過20cm，不準(zhǔn)種植作物；設(shè)1.2m高稀疏圍欄，內(nèi)設(shè)寬小路，且只準(zhǔn)在小路上行走，小路下建線纜溝或埋設(shè)線纜管。觀測場內(nèi)儀器設(shè)置&1.6大氣探測學(xué)的開展趨勢空基/天基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(dá)測雨測風(fēng)經(jīng)緯儀測風(fēng)人工遙測……GPS測風(fēng)導(dǎo)航測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)無線電探空自動站遙感飛機(jī)觀測飛機(jī)遙測地基輻射計測水汽…...閃電定位衛(wèi)星測臭氧閃電定位云圖測風(fēng)測雨測要素衛(wèi)星測輻射輻射遙測臭氧探空農(nóng)氣輻射酸雨農(nóng)業(yè)海洋環(huán)境掩星技術(shù)T、V廓線測風(fēng)測溫大氣成分

GPS/MET地基總水量衛(wèi)星觀測其它觀測天氣雷達(dá)觀測地面觀測

大氣探測技術(shù)的開展趨勢1從人工觀測到自動化觀測再到遙感探測2從模擬到數(shù)字化3從地基觀測到空/天基探測ProgressofComprehensiveDetectingSystem

1.氣象衛(wèi)星MeteorologicalSatellite2.新一代多普勒天氣雷達(dá)Newgenerationdopplerweatherradar–CINRAD3.大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)AtmosphericobservingautomationProject4.沙塵暴監(jiān)測系統(tǒng)DustStormDetectingSystem5.氣候監(jiān)測系統(tǒng)GCOS/CCOS氣象衛(wèi)星探測系統(tǒng)中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星

FYMeteorologicalSatellite極軌氣象衛(wèi)星FY-1靜止氣象衛(wèi)星FY-2PolarorbitingGeostationary

FY-1ASept.7,1988FY-1BSept.3,1990FY-1CMay10,1999FY-1DMay15,2002FY-2AJun.10,1997FY-2BJun.25,2000FY-3FY-4全球星載觀測系統(tǒng)

ACombinationofGeostationaryandPolarOrbitingSatellites我國極軌氣象衛(wèi)星序列風(fēng)云一號A(FY-1A)1988.9.7試驗三軸穩(wěn)定、5通道、設(shè)計壽命一年風(fēng)云一號B(FY-1B)1990.9.3試驗三軸穩(wěn)定、5通道、設(shè)計壽命一年風(fēng)云一號C(FY-1C)1999.5.10業(yè)務(wù)三軸穩(wěn)定、10通道、設(shè)計壽命兩年風(fēng)云一號D(FY-1D)2002試驗三軸穩(wěn)定、多種有效載荷、設(shè)計壽命兩年風(fēng)云三號B(FY-3B)2006試驗三軸穩(wěn)定、多種有效載荷、設(shè)計壽命兩年風(fēng)云三號C(FY-3C)2023業(yè)務(wù)三軸穩(wěn)定、多種有效載荷、設(shè)計壽命兩年風(fēng)云三號D(FY-3D)2023業(yè)務(wù)三軸穩(wěn)定、多種有效載荷、設(shè)計壽命兩年我國靜止氣象衛(wèi)星序列風(fēng)云二號A(FY-2A)1997.6.10試驗自旋穩(wěn)定、3通道、設(shè)計壽命三年風(fēng)云二號B(FY-2B)2000.6.25試驗自旋穩(wěn)定、3通道、設(shè)計壽命三年風(fēng)云二號C(FY-2C)2003業(yè)務(wù)自旋穩(wěn)定、5通道、設(shè)計壽命三年風(fēng)云二號D(FY-2D)2006業(yè)務(wù)自旋穩(wěn)定、5通道、設(shè)計壽命三年風(fēng)云二號E(FY-2E)2023業(yè)務(wù)自旋穩(wěn)定、5通道、設(shè)計壽命三年風(fēng)云四號(FY-4)2023試驗三軸穩(wěn)定