现代大气探测学-第一讲-绪论-夏俊荣

南京信息工程大学夏俊荣现代大气探测学2012年9月5日参考教材王振会等，大气探测学，气象出版社（指定）孙学金等，大气探测学，气象出版社张文煜，袁九毅，大气探测原理与方法，气象出版社中国气象局，地面气象观测规范，气象出版社致谢本课程多媒体教材是在北京大学物理学院大气科学系刘树华教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。本课程主要目标和任务掌握云、能见度、天气现象、温度、湿度、气压、风、辐射等气象要素的观测方法及常用观测仪器（表）的原理、读数方法，理解数据误差，了解观测仪器的安装方法；掌握高空气象观测的方法和基本内容；掌握自动气象站的基本组成和工作原理；了解气象雷达及气象卫星的观测特点、基本组成和主要观测内容。第一章绪论&1.1大气探测学的发展概况&1.2大气探测学研究的对象、任务和特点&1.3大气探测原理&1.4大气探测仪器&1.5大气探测的“三性”要求&1.6大气探测学的发展趋势&1.7复习思考题2、大气探测概述“气象探测，是指利用科技手段对大气和近地层的大气物理过程、现象及其化学性质等进行系统观察和测量。”——中华人民共和国气象法大气探测是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的、连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理。（云、能见度、天气现象、温度、湿度、气压、风、辐射）大气探测是大气科学的重要分支，是大气科学的基础（为天气预报、气候分析、科学研究以及国民经济和国防安全提供气象资料），并使基础理论与现代科学技术相结合，形成多学科交叉融合的独立学科（大气物理学、气象学、传感器技术、遥感技术、电子技术、无线通信技术和空间技术），处于大气科学发展的前沿。发展简史气象要素定量测量阶段：16世纪气象仪器出现高空探测发展阶段：20世纪20年代无线电探空大气遥感探测阶段：20世纪40年代后雷达卫星现代大气探测是综合性探测系统的发展基本特性和要求准确性：反映测量值与真实状况误差大小的程度代表性：探测值代表一定空间范围和时间段的平均状况可比较性：不同测站和不同时间的测量值能进行比较气象仪器的主要性能灵敏度：单位待测量的变化所引起的信号输出值的变化准确度：测量值与实际值（真值）接近的程度，可以通过仪器误差值表示。分为系统性误差和偶然性误差。稳定性：仪器性能随时间的变化率气象业务组织基准气候站：一般300-400公里设一站，每天观测24次。基本气象站：一般不大于150公里设一站，每天观测8次。一般气象站：一般50公里左右设一站，每天观测3次或4次。高空气象站：一般300公里设一站，每天探测2次或3-4次。(8:00,20:00北京时)基准站计划布设Ⅰ型站基本站计划布设Ⅱ型站观测项目观测项目（旧规定）&1.1大气探测学的发展概况人类对大气现象的认识；在生活和生产实践中的提炼和总结。经验性预测—最早的大气探测；天气和气候谚语：早霞不出门，晚霞行千里。天上勾勾云，地上雨淋淋。★随着科学技术的发展，对天气现象的一些定性的、经验性的推断—发展到借助仪器的定量测定—发明了各种探测大气现象的仪器。1、创始时期直到16世纪末发明第一批大气探测仪器以前的漫长历史时期中，人们对大气中发生的现象以定性的经验观察推断为主。在这期间，发明了相风鸟、雨量器和风压板等，但不能对大气现象进行连续记录。2、地面气象观测开始发展时期1593年，意大利人伽利略（G.Galileo)发明了气体温度表；1643年，托里拆利（E.Torricelli）发明水银气压表；1659年，瑞士德索修尔（H.B.desaussure)发明毛发温度表；1665年，波义耳（R.Boyle）发明酒精温度表；1803年，拉马契克进行了云状的分类观测。1825年，赫歇尔（Herchel）发明太阳辐射表；3、高空大气探测的开始发展时期自从1783年法国人查理（J.A.charles）在巴黎上空，用氢气球携带温度表和气压表探测大气状况以后，陆续有人采用系留气球、飞机及火箭携带仪器升空，进行高空大气的探测。4、高空大气探测迅速发展时期自从1919年法国人巴洛（R.Burean)第一次用无线电探空仪探测大气后，前苏联、德国、法国、芬兰等国家都开始研制无线电探空仪，及其它高空风探测技术，为高空大气探测事业开辟了新的途径。这是大气探测向高空发展的第一次突破。5、大气探测的遥感时期1940年开始用测风雷达追踪气球进行高空风的测量，1945年第二次世界大战结束前夕，美国将雷达首次应用于气象观测。在40年代中期以后，发射了气象火箭，探测到100km以下大气层的要素，后来发射的探空火箭,把探测高度伸展到了500km。这可以说是大气探测史上的第二次突破——高度的突破。6、大气探测的卫星遥感时期1960年4月美国第一颗气象卫星泰罗斯——1号发射成功；1966年地球静止卫星云图传真成功，为主要标志。大气探测不仅从根本上扩大了探测范围，也提高了对大气过程探测的连续性。一颗极轨气象卫星昼夜不停地向地球发送全球气象观测资料。使探测大范围大气参量的连续变化成为可能，这可以说是大气探测事业的第三次突破——探测范围的突破。&1.2大气探测学研究的对象、任务、特点1、大气探测是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的、连续的观测和测定；为天气、气候预测预报诊断分析提供第一手资料。包括：直接探测（仪器的感应部分直接置于探测的大气介质中）；遥感探测（遥感探测技术手段）和目测项目（云、能见度、天气现象的演变过程）。2、《大气探测学》是从事大气科学研究、教学的基础。为天气、气候诊断分析、预报及环境保护部门、国家及全球气象资料网络系统等提供大气观测资料。3、随着科学技术的发展，大气探测的要素量和空间范围越来越大。大气探测分为近地面层大气探测、高空大气层探测和专业性大气探测。近地面层大气探测：主要是对近地层大气状况进行观测和探测。包括：地面气象观测和近地面层大气探测地面气象观测（-1——10米，标准气象观测站的风速、风向观测高度为10米）、观测项目包括：云、能见度和天气现象状况，地温，大气温度、湿度、压力、风速、风向、降水、蒸发和辐射等。近地面层大气探测（0——3000米）观测项目包括：大气温度、湿度、压力、风速、风向等。高空大气探测：对3000米以上的大气层状况进行探测。探测的项目主要有：大气温度、压力、风速、风向和湿度等。专业性和研究性项目的大气探测：如区域大气环境容量研究；大气边界层特征研究；城市热岛环流研究；海陆风场研究；峡谷风场研究等。根据研究项目需要决定大气探测的项目。近几十年来，各种气象雷达探测（可对上百公里范围内的雷暴分布及其结构进行连续探测）和气象卫星探测，以及地面微波辐射探测等能获得较多信息的大气探测方法，正在逐步地进入常规大气探测的领域。这些现代大气探测技术应用于大气科学的研究领域，极大地丰富了大气探测的内容。直接测量：感应元件置于待测介质之中，根据元件性质的变化，得到描述大气状况的气象参数。遥感探测：根据电磁波在大气中传播过程中信号的变化，反演出大气中气象要素的变化。可以分为主动遥感和被动遥感两种方式。&1.3探测原理1、直接探测：探测器（感应元件）直接放入大气介质中，测量大气要素。应用元件的物理、化学性质受大气作用而产生反应特性地原理。如：探空仪上的热敏电阻测温原理。温度变化——电阻值变化——电动势变化——电讯号频率变化——温度变化；利用金属的热胀冷缩原理，制成的温度计测量大气温度。2、遥感探测：通过大气中传播的要素信息反演出大气要素的时空分布。如：天气雷达测云雨，是根据雷达波对云内含水量的回波强度分布及其结构，实现对云雨的连续探测。微波辐射计测定大气湿度，是根据大气中的水汽在1.35cm波长处有强烈的辐射吸收作用的原理。&1.4探测仪器对每一种大气探测仪器，必须充分了解仪器的性能，才能达到正确使用和取得符合要求的观测资料。仪器的性能包括：准确度——仪器的测量值（已做各种订正后）与真值的符合程度。准确度考察的是测量值与实际值的接近程度。反映的是系统误差和随机误差的合成大小，常用相对误差来表示，其值越小，准确度越高。灵敏度：仪器的灵敏度就是它的示度在被测要素改变单位物理量时所移动的距离、旋转的角度或显示输出量的大小。即：指单位待测量的变化所引起的指示仪表输出的变化。如果被测要素的物理量改变Δx,相应仪器示度改变量为Δy，则灵敏度表示为：Δy/Δxxy例如:玻璃温度表的灵敏度的单位为mm/1℃10mm/1℃＞5mm/1℃由于观测者的感官功能有一定限度，要求正确迅速地读出仪器示度，就必须要求仪器具有适当的灵敏度。但片面要求高灵敏度也是不实际的，会使仪器变的庞大。如：灵敏度1m/1℃的温度表，50℃的测量范围的话，温度表起码要50m高。惯性（滞后性）仪器的惯性——仪器的动态响应速度。具有两重性，一般要求惯性的大小由观测任务所决定。如：探空仪的惯性不能太大，否则,在上升过程中就不能准确反映温、湿、压随高度的变化；大气湍流探测仪器的惯性就要求很小，不然的话，仪器就会将高頻湍涡过滤掉；而地面气象台站使用的观测仪器就要求具备一定的惯性，使其具备一定的自动平均的能力。另外，惯性太小，观测员将无法靠近仪器读数。分辨率仪器的分辨率——导致一个测量系统响应值变化的最小的环境改变量。它和量程及灵敏度有关，仪器性能的改变也会影响分辨率。量程仪器的量程——仪器的测量范围。它取决于所测要素的变化范围和测量的要求。如：利用一支温度表测量某一地区常年气温，则要求其量程—20℃＜t＜50℃，-20℃和50℃为该地区100年一遇的最低、最高气温。CO2仪的量程则要考虑植物光合作用的日变化。稳定度&1.5大气探测的“三性”要求大气探测是在自然的动态条件下进行的。由于大气是湍流介质，形成被测气象要素随空间和时间的非均匀性和脉动性。但是大气探测资料又往往是用于区域或全球的大气运动的整体诊断和分析，因而，要求气象台站的观测资料必须准确的代表某一地区的大气特征，又能做到相互比较，以了解地区间的差异。所以，要求大气探测资料应具备：代表性、准确性和可比性。准确性：反映测量值与真实状况误差大小的程度代表性：探测值代表一定空间范围和时间段的平均状况可比较性：不同测站和不同时间的测量值能进行比较1、代表性代表性——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。代表性分空间代表性和时间代表性。空间代表性——点对点、点对平面以至点对空间的代表性程度。即一个点的测量值能代表多大范围大气状况的问题。空间代表性的问题，重点是对观测场地的选择和设置的要求。观测站观测资料代表性的好坏，原则上可以从台站地形是否具有典型性方面进行评定。站址的选择、观测站的建立需要考虑空间的代表性，防止局地地形地物造成大气要素不规则变化。一般说来，平原地区的台站资料代表性较好，山区、城市台站资料代表性较差。时间代表性——一个点在给定时间段内的测量值对该点不同时段或另一时段被测量值的代表性程度。湍流大气中，气象要素变化快，要取一定时段的平均值作为测量值（多次测量，取平均值）,能提高资料的时间代表性；此外，选取有一定惯性的测量仪器，也能提高时间代表性2、准确性准确性：测量值与真值一致的程度观测记录要真实地反映实际气象状况a)系统误差：在同一条件下，对某一量的同一值进行多次测量的过程中，保持常量的误差；或情况改变时，按照一定的规律变化的误差仪器标定b)随机误差（偶然性误差）：在同一条件下，对同一给定量值作多次测量时，其大小和符号以不可预测的方式变化的那部分误差。大小和方向不固定，无法测量或校正。随着测定次数的增加，正负误差可以相互低偿，误差的平均值将逐渐趋向于零3、比较性指不同测站同一时间测得同一大气要素值，能够进行相互比较，并显示出要素的地区分布特征；另外，也指同一测站不同时间的同一大气要素的比较，以说明要素随时间的变化特点。观测