现代大气探测学-第十二讲-高空温湿压风的探测-夏俊荣a

南京信息工程大学夏俊荣[e-mail]现代大气探测学2012年3月26日致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授以及成都信息工程学院向卫国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。第十二讲高空温湿压风的探测意义•大气中个高度上的温度、湿度、气压以及风场资料，是研究大气中各种热力、动力过程，以及天气分析和预报的最重要的资料•当前热点科学问题：对流层-平流层相互影响主要内容•12.1高空温湿压的综合探测•12.2高空风的探测•12.3气象应用•12.4复习思考题12.1高空探空仪——概述飞机探测卫星遥感探测雷达探测12.1高空探空仪——概述目前气象常规观测中，大量使用的是无线电探空，即采用无线电遥测技术，由充有氢气的探空气球携带无线电探空仪上升，进行温、湿、压的测量高空探空仪系留气艇探空12.1高空探空仪——概述无线电探空仪是一种遥测仪器，它可以将感应的气象要素值转换为无线电信号，不断地向地面发送，地面上的接收设备同时接收和处理探空信号，即可迅速获得探测结果12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪（已淘汰）GZZ2-1型探空仪（又称五九型探空仪）我国常用的机械式电码探空仪12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪探空仪的测量范围温度：+40—-75℃相对湿度：100%—15%气压：1050—10hPa为使所测气象要素值超过测量范围仍能查算数据，因此，仪器的气温外延到-85℃，相对湿度外延到5%，气压校准曲线外延到5hPa，外延部分的资料仅供参考使用探空仪12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪温度感应器由双金属片、指针和支架等组成，将厚度约0.2mm的薄双金属片，卷曲成螺旋形，固装在支架上，并与支架绝热，在螺旋形双金属片中心，焊有一根截面呈三角形、空心、质量很轻的指针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。空盒的一端焊有尾杆，通过它将空盒紧固在框架上；另一端焊有顶针座，顶针尖端插在顶针座内，顶针的上端固定在双金属片自由端支架上，指针架两端用轴承固定在框架上12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪主要由电码筒及驱动电码筒转动的微型电机和减速齿轮所组成。探空仪工作时，电码筒以每分钟5-9转的速度转动。它的主要作用是将气象要素的变化转换成电码讯号，通过发射机发向地面接收站12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪电码筒由电码片、电码筒支架，参考讯号片和尼龙齿轮绝缘接头等组成。电码片是用具有槽纹、长70cm的金属薄片卷曲而成。槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色部分是导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与棕色部分接触时，电路不通，不发讯号。在电码筒轴一端有扇形的参考讯号片。电码筒每转一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长声“－”的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。发出参考讯号后，紧接着发温度讯号，然后是气压讯号和湿度讯号12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码的十位，共35个码；下面一排代表电码的个位数，共350个电码。每一个十位数电码对应有十个个位数电码，即每一个十位数占有十个槽纹的宽度，每一个个位数只占一个槽纹宽度。探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电码部分接触，然后与个位数电码部分接触。因此，气象要素电码都是由两个电码组成。由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号温度讯号气压讯号湿度讯号……，依次循环往复12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪发射装置的作用是将探空仪各感应器所测到的温、湿、压讯号，以无线电波的形式传递到地面。发射机产生24.5MHz（配用701雷达接收时为400MHz）的高频电磁波，由单端半波天线发射出去。五九型转筒式电码探空仪的性能测量温度的误差(大气1)•主要是滞后误差(双金属片的热滞系数)和辐射误差(太阳辐射加热)•还有因元件沾湿和气球的热空气尾流引起的误差五九型转筒式电码探空仪的性能测量气压的误差•使用测压膜盒，因金属的弹性随温度和时间有变化，使测压有误差。由锡、磷、青铜制成的膜盒温度系数较大•经检测对比，五九型转筒式电码探空仪在低压测量精度较差五九型转筒式电码探空仪的性能测量湿度的误差•各种湿度元件不同程度存在多种误差•五九型的测湿元件——肠膜，因其性能不稳定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿度平均偏差可达±4％•（检定曲线——表示探空仪信号与气象要素值关系的曲线。每个探空仪都应该有温度、气压、湿度三条检定曲线）•由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在低温时的测湿误差较大，在-30摄氏度以下几乎无法使用12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪（当前主流）需与GFE(1)型二次测风雷达配合使用12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪探空仪的测量范围•温度：+40---80℃△t≤±0.2℃•相对湿度：95%-15%环境温度-25℃，△U≤±5%环境温度-25℃，△U≤±10%•气压：1050-10hPa气压500hPa，△P≤±2hPa气压500hPa，△P≤±1hPa12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪探空仪的测量原理A热敏电阻热敏电阻湿敏电阻压力传感器R/V电池R/VR/VV/V多路开关模数转换微处理器发射机参考电压B探空仪的基本结构GTS1型数字探空仪由传感器、智能转换器、发射机三部分构成。温度传感器采用棒状热敏电阻，在测量范围内-90℃-55℃，阻值限定在9KΩ-700KΩ,阻体长10mm，直径1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率优于93%，长波吸收率超过90%湿度传感器采用高分子湿敏电阻气压传感器采用硅阻固态压力传感器，该传感器对温度非常敏感，所以专门用一个热敏电阻测量该传感器的温度，用于对被测气压的补偿12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪•智能转换器作用——将各传感器的物理量，按一定格式转换成二进制代码，以二进制代码“0”控制32.7kHz调制波信号12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪•发射机组成——由超高频晶体管、微带线、可微调电容、鞭状天线、地网和穿芯电容构成作用——发送温湿压信息，接收地面雷达发射的询问信号(大气3)12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪其他探空仪•RS-80型——芬兰Vaisala公司生产，业务上已经普遍使用，所有元件基本上是变电容式的•RS90型——RS-80型的新型号•带GPS测风的无线电探空仪关于无线电探空仪•无线电探空仪：–资料具有较高的精度和分辨率–长期以来形成了较严密的全球探测网，资料有一定的可比性–费用较低全球高空探测网分布示意图截止2001年10月上半月全球高空探测网分布示意图•无线电探空仪的优势：–结果精度较高（但不如最新研制的探空仪，故面临更新）–实时性强–操作方便–几乎不受天气条件限制–如配合适当的设备(无线电经纬仪或测风追踪雷达)，可以同时获得高空风场的资料•无线电探空仪还可以装配各种类型的特种探空仪，例如：–测量臭氧–大气电场–云内含水量–各种辐射通量按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：(1)常规探空仪•由上升气球携带，升空30~40km•最长工作时间2h•信号传播距离200km•气球可携带重量0.5~2kg•升速：400m／min•探测项目：温、湿、压和风（使用“回答器”，与701二次雷达配合测风）。探空仪即将施放701雷达待命工作(2)定高气球探空仪•由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，可绕地球某个纬度带进行•工作时间数天•为节电，常间隔数小时定时发报，地面接收站可设数个，采取接力方式接收•探测项目：温、湿、压，一些专门项目。(3)下投式和火箭探空仪•多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，由气球或降落伞携带下落•工作距离300km•工作时间几个小时•可由地面站或飞机接收信号•探测项目：温、湿、压等。•探空仪使用的探测元件：–注意要满足高空探测方面的基本精度要求•探测仪为一次性使用产品：–力求结构简单、体积小、重量轻，且较坚固–具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及耐高空低温的能力•高空探测的特点：–从地面到30～40km的高空，大气中各要素的值远大于地面站的年变化范围–气压：从1000hPa到10hPa以下–温度：从+40℃到-60℃以下–相对湿度：0到100％•可见，要满足在全量程范围内的低相对误差和绝对误差是较难办到的。•在较短时间(1小时)，较大升空(从地面到高空30～40km)的条件下，探测元件必须快速响应飞升各高度的上的气象要素变化•要求探测元件应具有足够小的滞后系数，包括在高层低密度流量的条件下。•探空仪信号解调之后，需利用检定曲线换算成对应的气象要素变量•检定结果由厂家进行。探空资料的整理及其软件设计•资料整理的内容：(1)连续要素的时间曲线(2)求各规定等压面的温度、湿度（露点温度）(3)求各规定等压面的海拔高度，给出气球上升的时间高度曲线(4)选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明显的差异。探空资料的整理及其软件设计(5)选择对流层顶(6)选择0℃层(7)漏测层(8)最终探测高度(9)编写天气电码探空资料的整理及其软件设计•由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理前还得根据不同的情况进行原始资料的预处理：–进行多点的滑动平均，以判断和剔除一些明显错误的读数。•对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作•探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。–①空盒气压表高空探测的精度–②测温元件的辐射误差–③湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作•探空仪的对比方式：–不同类型的业务探空仪对比–业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比–各国标准探空仪之间的对比•基准探空仪设计定型思路：–①采用辐射误差小的测温元件–②采用空盒和沸点气压表两套系统测压–③使用露点仪改善测湿精度典型探空结果1.气球测风的基本原理2.单经纬仪定点测风3.双经纬仪基线测风4.雷达测风12.2高空风的探测空中各个高度上的风向风速的测定，有助于了解高空大气环流状况，对天气分析预报、航空飞行以及环境污染研究等方面都具有十分重要的意义。实际上各种大气系统都有不同大小的水平和垂直范围。许多主要的天气现象都发生在大气底层，这个底层就包括了从地面到三十公里高度的范围。获得这个范围内不同高度上大气运动及其变化的数据的方法，通称为“高空测风”或“高空风的观测”观测意义？气球就会垂直上升而无水平方向的位移气球就会做合成运动，产生水平方向的位移，由于气球的质量很小，随气流移动的惯性很小，可以近似地看作是空气的质点，因此它的水平位移具有气流的方向和速率。back无风有风㈠作用在气球上的力测风气球充入氢气后，它在空中受到两个作用力,一个是向上的浮力,一个是向下的重力.根据阿基米德定理,气球受到的浮力大小应等于气球所排开的同体积空气的重力,即:式中F为浮力,ρ为单位体积内空气的质量,V为气球的体积F=ρgV1气球测风的基本原理气球测风的基本原理（大物）由于氢气本身有质量，它要产生一个向下的力，用Vγg表示（γ为氢气的质量密度）。另外气球的球皮和附加物也有重量，也要产生一个向下的力，我们设为B。我们把与气球同体积的空气重力与氢气重力之差，称为总举力。用E表示，即：E=V（ρ-γ)g1气球测风的基本原理我们把总举力与气球的球皮和附加物产生的重力之差称为净举力。用A表示总举力不能够完全决定气球能否上升，只有净举力才能完全决定﹗﹗A=E-B=V（ρ-γ)g-B1气球测风的基本原理任意高度上的A与A0的关系净举力A一般是不随气球上升而改变的。A0=V0（ρ0-γ0)g-B1气球测风的基