现代大气探测学-第三讲-能见度、-天气现象、地面状态的观测-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20日致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜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。第三讲能见度、天气现象、地面状态的观测知识结构能见度的观测1天气现象的观测2地面状态的观测3气象应用4一、能见度的观测能见度就是能够看到周围景物的程度，用目标物的最大能见距离来表示分为水平能见度、垂直能见度、倾斜能见度在气象上，它可以用来了解大气稳定度，判别气团属性在环保方面，它能反映出大气污染的一些基本状况在国防和国民经济建设方面，它是保证航空、航海、交通运输安全的一个重要因素一、能见度的观测所谓“能见”，在白天是指能够看到和辨认出目标物的轮廓和形体；在夜间是指能清楚地看见目标灯的发光点凡是看不清目标物的轮廓，认不清其形体，或者所见目标灯的发光点模糊，灯光散乱，都不算“能见”一、能见度的观测1.影响能见度的基本因子2.水平能见度的观测3.气象光学视程的仪器测量1.影响能见度的基本因子1.大气透明度2.目标物和背景的属性3.眼睛的视觉性能1.影响能见度的基本因子假如有一目标物，其原有亮度为B，在通过了距离为dx的混浊空气后，亮度被减小了dB，其在这段距离的亮度改变率为dB/B=-αdx，其中α是大气的消光系数。若光线在均匀的大气中通过的路径为L时，则有LBBdxBdB00LeBB0得出亮度随α和L的增加按指数规律减小，即大气中的悬浮质粒越多，大气透明度就越差，目标物的能见距离也就越小大气透明度1.影响能见度的基本因子目标物和背景的属性设目标物的亮度为B0，背景亮度为B，亮度对比值K定义为：目标物亮度B0与背景亮度B的绝对差与其中大者之比当B0＞B时K＝（B0－B)/B0当B0＜B时K＝（B－B0)/B0≤K≤1。若B0＝B，则K＝0，此时，目标物和背景融合在一起，无法辨认目标物；若B0＝0，或B＝0，则K＝1，目标清晰可见1.影响能见度的基本因子眼睛的视觉性能当K＝0时，即目标物与背景亮度完全一样，就无法从背景上区别出目标物来。但由于人眼镜的视觉性能，实际上等不到K＝0，而是当K小到某一数值ε后，人眼对亮度对比就已经感觉不到了，此时，目标物已不能见了。我们把人眼开始不能从背景上再感觉到目标物时的亮度对比的最小值称为“对比视觉阈”，用ε来表示。当K≥ε时，目标物能见，否则，目标物不能见。一般说来，具有正常视力的人，在野外观测条件下，ε的平均值约为0.022.水平能见度的观测1.气象能见度2.有效能见度3.观测方法（1）白天能见度的观测（2）夜间能见度的观测2.水平能见度的观测是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。(世界气象组织定义)MOR(Meteorologicalopticalrange)2.水平能见度的观测是指视力正常(对比视感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离；夜间则是能看到和确定出一定强度灯光的最大水平距离2.水平能见度的观测有效能见度：是指周围视野中二分之一以上的范围都能看到的最大水平距离。记录时以千米为单位取小数一位2.水平能见度的观测白天能见度的观测1、选定目标物时，应尽可能以天空为背景；2、大小适度，视角以0.5－5.0°之间为宜；3、仰角不宜超过6°，以越接近水平方向越好；4、颜色应当越深越好，而且亮度一年四季不变或少变；5、浅色，反光强的物体不适宜选为目标物。目标物选定后，要测定观测点与目标物的距离和目标物所在的方位，绘制能见度目标物分布图2.水平能见度的观测能见度目标分布图0.10.20.51.02.05.010.020.050.00.10.20.51.02.05.010.020.050.0远山58.0双峰山18.4牌楼1.6山亭6.3仓库0.7礼堂门灯1.0铁桥9.6松树0.5电杆0.1路灯0.5水塔0.2柏树0.2古塔4.2城楼8.0巷灯6.4红星楼1.4三峰山35.0千米绘图方法：一般是先在纸上画九个同心圆。圆心代表观测点，自近而远地每圈分别代表0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0千米的距离。然后把所有目标物，以其简略图形或编号按其所在方位、距离分别标在相应的位置上2.水平能见度的观测白天能见度的观测在沙漠、草原、海岛或其它地物稀少的地区，可采用人工设置目标物，并视其清晰程度来判定能见度。人工设置的目标物，一般多用来估计1.０千米以内的能见度，其大小要适度，材料因地制宜(木板、土墙、水泥预制件等)，向着观测点的一面应涂成黑色，以与天空背景有清楚的对比。靠近海(湖)岸的站或海岛站，其朝向海(湖)方向的能见度，还可以水天线(即海、天相接的线)的清晰程度2.水平能见度的观测夜间能见度的观测夜间由于光照条件限制，能见度观测最好是用发光物体作为目标物，根据灯光强度和距离，查出相应的能见距离。在无条件利用目标灯进行观测的情况下，则只能根据天黑前能见度的变化趋势，当时天气现象和气象要素的变化情况，结合实践经验加以估计。夜间观测能见度时，应在黑暗处停留至少五分钟，待眼睛适应环境后进行观测。凡是有条件的地方，均应在各方向选择一些固定的目标灯来作为观测能见度的依据。目标灯应选择位于开阔地带不受地方性烟雾影响的、灯光强度不变的、不带颜色的、没有灯罩的、白色的、孤立的点光源3.气象光学视程的仪器测量对单色光，据比尔-朗伯定律（Beer-Lambertlaw;又称Beerlaw;Lambert-Beerlaw;Bouguer-Lambert-Beerlaw）0LFFeF为大气中经过L路径长度接收的光通量F0为L=0时的光通量σ为消光系数透射率（因子）0LFTeFln0.053MOR定义T=0.05ln0.05lnLTL-基线MOR只与σ有关，与白天黑夜天空光强背景无关MOR可由基线长度L的大气路径上的透过率T来确定3.气象光学视程的仪器测量用于测量气象光学视程的仪器可分为以下两类：（1）用于测量水平空气柱的消光系数或透射因数。光的衰减是由沿光束路径上的微粒散射和吸收造成的（2）用于测量小体积空气对光的散射系数。在自然状况下（黑炭除外），吸收通常可忽略，散射系数可视作与消光系数相同3.气象光学视程的仪器测量1.透射能见度仪透射能见度仪采用测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光(透射)系数而算出能见度。发射器提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一个光检测器组成。由光检测器输出测定透射系数，再据此计算消光系数和气象光学视程3.气象光学视程的仪器测量透射仪的准确度①发射器和接收器的准直性不正确；②发射器和接收器安装的刚性和稳定性不牢靠；③光源的老化和中心位置不正确；④校准误差（能见度太低或在不稳定的情况下进行校准影响消光系数）；⑤系统的电子设备的不稳定性；⑥消光系数作为低通信号进行远距离输送时，受到电磁场的干扰（尤其是在机场），这时最好采用数字化信号；⑦来源于日出或日落的干扰和透射仪初始定向不良；⑧大气污染沾污光学系统；⑨局地大气状况（阵雨、强风和雪等）导致不具有代表性的消光系数读数或背离Koschmieder定律Koschmieder定律3.气象光学视程的仪器测量2.散射能见度仪散射能见度仪是测量散射系数从而估算出气象光学视程的仪器3.气象光学视程的仪器测量散射仪的准确度：①校准误差（能见度太低或在不稳定的情况下进行校准影响消光系数）；②当校准中使用不透明散射体时，在程序或材料上缺乏重复性；③系统的电子器件的不稳定性；④将散射系数以较弱的电流或电压信号进行远程传输时，受电磁场的干扰（尤其是在机场），这时最好采用数字化信号；⑤日出或日落的干扰，以及仪器初始取向的不良；⑥光学系统受大气污染的沾污。（这些仪器和透射仪相比，对其光学系统上的灰尘不那么敏感，但是严重的污秽则仍有影响）；⑦大气条件（雨、雪、冰晶、沙、局地污染等）得出的散射系数不同于相应的消光系数3.气象光学视程的仪器测量WMO研究表明：在较低气象光学视程下，散射仪测量准确度不如透射仪；散射仪受降水影响较大，且测量值呈现很大的变动性，系统误差较大二、天气现象的观测§1天气现象的特征§2容易混淆的天气现象的区别§3天气现象观测仪天气现象是指在大气中、地面上产生的降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电的现象，也包括一些风的特征各种天气现象都是在一定的天气条件下产生的，反映着大气中不同的物理过程，是天气变化的直接反映，也是天气预报的重要依据。观测天气现象不仅可以为了解一地的气候情况积累资料，也可以为国防和国民经济建设服务§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪滴状的液态降水，下降时清楚可见，强度变化较缓慢，落在水面上会激起波纹和水花，落在干地上可留下湿斑§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪开始和停止都较突然、强度变化大的液态降水，有时伴有雷暴§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪稠密、细小而十分均匀的液态降水，下降情况不易分辨，看上去似乎随空气微弱的运动飘浮在空中，徐徐落下。迎面有潮湿感，落在水面无波纹，落在干地上只是均匀地润湿地面而无湿斑§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪固态降水，大多是白色不透明的六出分枝的星状、六角形片状结晶，常缓缓飘落，强度变化较缓慢。温度较高时多成团降落§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪开始和停止都较突然、强度变化大的降雪§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪半融化的雪（湿雪），或雨和雪同时下降§1天气现象的特征1.雨2.阵雨3.毛毛雨4.雪5.阵雪6.雨夹雪7.阵性雨夹雪开始和停止都较突然、强度变化大的雨夹雪§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾白色不透明的圆锥形或球形的颗粒固态降水，直径约2-5毫米，下降时常呈阵性，着硬地常反跳，松脆易碎§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾白色不透明的比较扁的或比较长的小颗粒固态降水，直径常小于1毫米，着硬地不反跳§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾透明的丸状或不规则状的固态降水，较硬，着硬地一般反跳。直径小于５毫米。有时内部还有未冻结的水，如被碰碎，则仅剩下破碎的冰壳§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾坚硬的球状、锥状或形状不规则的固态降水，雹核一般不透明，外面包有透明的冰层，或由透明的冰层与不透明的冰层相间组成。大小差异大，大的直径可达数十毫米。常伴随雷暴出现(环工)§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾飘浮于空中的很微小的片状或针状冰晶，在阳光照耀下，闪烁可辨，有时可形成日柱或其它晕的现象。多出现在高纬度和高原地区的严冬季节（自动化）§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，有雾时水平能见度小于1.0千米。高纬度地方出现冰晶雾也记为雾§1天气现象的特征８.霰９.米雪10.冰粒11.冰雹12.冰针13.雾14.轻雾微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色的稀薄雾幕，出现时水平能见度为1.0-10.0千米以内（遥感）§1天气现象的特征15.露16.霜17.雨淞18.雾淞19.吹雪20.雪暴21.龙卷水汽在地面以及近地面物体上凝结而成的水珠（霜融化成的水珠，不记露）§1天气现象的特征15.露16.霜17.雨淞18.雾淞19.吹雪20.雪暴21.龙卷水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶；或由露冻结而成的冰珠。易在晴朗风小的夜间生成§1天气现