《大气探测学》学习资料：第一章 总论课件.ppt

大气探测学,南京信息工程大学 大气物理学院,2,主要内容,3,4,课程要求,全面了解现代大气探测学的基本内容，并掌握各种气象要素测量元件、仪表和设备的基本构造、工作原理、仪器安装方法等。课程安排： 32学时考核方式： 笔试 ,闭卷参考书目：大气探测学孙学金等编著， 气象出版社，2009 大气探测原理与方法张文煜等 编著，气象出版社，2007,5,1.1 大气探测概述1.2 大气探测的发展历史和趋势1.3 气象观测工作的组织1.4 气象仪器1.5 大气探测的“三性”要求,第一章 总 论,6,1.1 大气探测概述,大气探测: 又称之为气象观测，是指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的过程和方法。大气探测的意义和作用： 是大气科学的重要分支，是探测大气奥秘的重要手段。在大气科学的发展过程中，大气探测起到了十分重要的作用，也是大气科学的基础。大气探测为天气预报、气候分析、科学研究以及国民经济各部门直接提供常规的资料和数据。,7,7,大气探测的划分及研究内容:地面气象观测、高空气象观测、专业性气象探测,（1）地面气象观测：以目力或仪器对近地面层的大气状况进行观察和测定。包括云、能见度、天气现象、气压、温度、湿度、风、降水、蒸发、辐射能、日照时数、冻土深度、积雪和电线积冰等。,8,8,（3）专业性气象探测：根据不同专业研究的需要而进行的观测，如大气污染监测、农业气象观测等。,（2）高空气象观测：利用气球、无线电探空仪、气象探测飞机、气象火箭、气象雷达和卫星等对自由大气的 压、温、湿、风等要素进行探测。,9,9,1.2 大气探测的发展历史和趋势,发展历史,始创时期地面气象观测开始发展的时期高空探测的开始发展时期高空和高层大气探测的迅速发展时期,10,10,发展历史,始创时期：直到16世纪末发明了第一批气象仪器。 (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，但没有对大气现象进行系统、连续的记录。也称为目测和定性阶段。,11,11,地面气象观测开始发展的时期：1593年，意大利人伽利略 发明了气体温度表；1643年，托里拆利发明 水银气压表；1659年，瑞士人德索修尔发明毛发湿度表；1665年，波义耳发明 酒精温度表；,发展历史,12,12,1803年，拉马契克进行了云状的分类观测；1825年，赫歇尔发明太阳辐射表；18世纪初，建立了有组织的气象观测网；世界地面气象探测网的建立是大气探测史上的第一次革命。,发展历史,13,13,高空探测的开始发展时期：18世纪末（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对高空大气进行探测；20世纪初，系留气球、飞机及火箭携带仪器升空，进行高空大气的探测；1919年法国人巴洛（ R.Burean) 第一次用无线探空仪探测大气，为高空大气探测事业开辟新途径；高空气象要素探测系统的发展是大气探测发展的第二次革命。,发展历史,14,14,高空和高层大气探测的迅速发展时期：1940年开始用测风雷达追踪气球进行高空风的测量；1945年美国将雷达首次应用于气象观测，之后发射了气象火箭（100km以下）和探空火箭（500km以下）实现高度上的突破；1960年美国发射第一颗气象卫星泰罗斯-1号;1966年地球静止卫星云图传真成功，是遥感技术发展的标志，是大气探测的第三次革命。,发展历史,15,15,近几十年来，除了天气雷达、气象卫星外，声雷达、风廓线仪、激光雷达、红外辐射仪、微波辐射仪等遥感设备被应用到大气探测中，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。大气探测也进入了新的发展阶段。,发展历史,16,随着科学与技术的发展，大气探测取得了显著的发展，主要表现在探测能力显著增强，自动化水平迅速提高，观测方法、观测网的设计和观测工具的配合得到重视，直接探测和遥感技术并存，各取所长，综合利用。,现状,现代大气探测是综合性探测系统的发展,17,（1）传感器与测量仪器,现状,铂电阻温度传感器将取代应用了400多年玻璃液体温度表。,18,现状,利用振筒传感器制成的振筒气压仪替代了水银气压表用于日常业务测量。,19,现状,翻斗雨量计普遍应用于降水量自动测量中，取代人工观测。,20,现状,各种辐射表广泛应用于辐射测量中，准确度大大提高。,21,现状,探空气球进行高空探测,22,现状,L波段雷达：是现阶段我国最为先进的测风雷达。,23,现状,气象卫星遥感仪器从最初的成像辐射仪发展到谱分辨率达到1cm-1的超光谱分辨率辐射计，形成了图谱合一的辐射遥感仪器。,24,现状,微波辐射计测量大气水汽和云液态水的垂直积分量及分布的能力。,25,现状,风廓线仪应用到大气风廓线连续监测中，为研究大气运动提供实时连续的风场数据。,26,（2）监测网,现状,从发明了第一支温度表以来，经过四百多年的发展，目前已在全球范围内建成了由多种手段组成的世界天气监测网（WWW），它由各种探测平台、探测仪器、资料处理方法和传送手段组成，已能对大气进行比较全面的监测。,27,参加全球气象资料交换,28,参加区域气象资料交换,29,30,自2002年建成了594个自动气象站（2004）,31,31,自2002年建成了31573个自动气象站（2010）,32,33,34,35,36,全球地基观测系统的分布图气象站（红色）观测船舶（蓝色）,37,全球高空探测网分布示意图截止2001年10月上半月,38,全球气候观测系统,39,全球空基观测系统,40,从目前已有的各种技术来看，可以预测到，在未来1520年内，大气探测将向以下几个方向发展：（1）地面气象观测以自动气象站为主，组成自动遥测网。（2）电子探空仪、GPS探空仪取代机械探空仪应用于业务系统中，使高空气象探测更加智能化，达到更高的精度。,发展趋势,41,（3）各种遥感设备加入到大气探测业务中，成为中、小尺度天气系统检测的重要设备。（4）GNSS（全球导航卫星系统）技术应用于大气探测中，与进一步发展的卫星监测网组成互为补充的天基、地基综合监测网。（5）气象卫星遥感探测向全天候、多光谱、更高分辨率定量探测方向发展。,发展趋势,42,1.3 气象观测工作的组织,观测站的分类：（1）国家基准气候站（基准站）是国家气候站的骨干；一般300-400公里设一站，每天观测24次。（2）国家基本气象站（基本站）是国家天气气候网中的主体；一般不大于150公里设一站，每天观测8次。,43,（3）国家一般气象站（一般站）是国家天气气候站的补充；一般50公里左右设一站，每天观测3次或4次。（4）无人值守气象站（无人站）用于天气气候站网的空间加密；观测项目和发报时次可根据需要而定。（5）高空气象站：一般300公里设一站，每天探测2次或 3-4次。,44,观测方式：（1）人工观测：又包括人工目测、人工器测（2）自动观测观测任务：（1）观测（2）记录处理（3）编发气象报告,地面气象观测,45,观测项目：,地面气象观测,46,地面气象观测,47,观测程序：（1）人工观测程序：一般应在正点前30分钟左右巡视观测场和仪器，尤其注意湿球温度表球部的湿润状态，做好湿球溶冰等准备工作。4560分观测云、能见度、空气温度、湿度、降水、风向风速、气压、地温、雪深等发报项目，连续观测天气现象。,地面气象观测,48,雪压、冻土、蒸发、地面状态等项目的观测可在40分至正点后10分钟内进行。日照在日落后换纸，其它自记仪器的换纸时间由省级气象主管机构自定。电线积冰观测时间不固定，以能测得一次过程的最大值为原则。观测程序的具体安排，台站可根据观测项目的多少和观测仪器的布设状况确定，但气压的观测时间尽量接近正点，全站的观测程序必须统一，并且尽量少动。,49,（2）自动观测程序：每日日出后和日落前巡视观测场和仪器设备，具体时间，各站自定，但站内必须统一；正点前约10分钟查看显示的自动观测实时数据是否正常；00分，进行正点数据采样；,50,00-01分，完成自动观测项目的观测，并显示正点定时观测数据，发现有缺测或异常时及时按规范中缺测记录的处理和不完成记录的统计规定处理； 01-03分，向微机内录入人工观测数据；按照各类气象报告的时效要求完成各种定时天气报告和观测数据文件的发送。,51,时制、日界和对时：时制： 人工器测日照采用真太阳时，辐射和自动观测日照采用地方平均太阳时，其余观测项目均采用北京时。 日界： 人工器测日照以日落为日界，辐射和自动观测日照以地方平均太阳时24时为日界，其余观测项目均以北京时20时为日界。,地面气象观测,52,对时： 台站观测时钟采用北京时。 自动气象站以采集器的内部时钟为观测时钟；值班员每天19时正点检查屏幕显示的采集器时钟，当与北京时相差大于30秒时，在正点后调整。 未使用自动气象站的台站，观测用钟表要每日19时对时，保证误差在30秒之内。,53,地面气象观测场：环境条件要求： (1) 观测场应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形影响。四周空旷平坦，避免建在陡坡、洼地或邻近有丛林、铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方。避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。观测场四周障碍物的影子应不会投射到日照和辐射观测仪器的受光面上，在附近没有反射阳光强的物体。,地面气象观测,54,(2) 在城市或工矿区，观测场应选择在城市或工矿区最多风向的上风方。 (3) 观测场的环境必须依法进行保护。 (4) 观测场周围观测环境发生变化后要进行详细记录。新建、迁移观测场或观测场四周的障碍物发生明显变化时，应测定四周各障碍物的方位角和高度角，绘制地平圈障碍物遮蔽图。 (5) 无人值守气象站和机动气象观测站的环境条件可根据设站的目的自行掌握。,55,观测场设置： (1) 观测场一般为25m25m的平整场地；确因条件限制，也可取16m（东西向）20m（南北向），高山站、海岛站、无人站不受此限；需要安装辐射仪器的台站，可将观测场南边缘向南扩展10m。 (2) 要测定观测场的经纬度（精确到分）和拔海高度（精确到0.1米），其数据刻在石桩上，埋设在观测场内的适当位置。,56,(3) 观测场四周一般设置约1.2m高的稀疏围栏，围栏所用材料不宜反光太强。场地应平整，保持有均匀草层（不长草的地区例外），草高不能超过20厘米。对草层的养护，不能对观测记录造成影响。场内不准种植作物。 (4) 为保持观测场地自然状态，场内铺设0.3-0.5m宽的小路（不用沥青铺面），只准在小路上行走。有积雪时，除小路上的积雪可以清除外，应保护场地积雪的自然状态。,57,(5) 根据场内仪器布设位置和线缆铺设需要，在小路下修建电缆沟或埋设电缆管，用以铺设仪器设备线缆和电源电缆。电缆沟（管）应做到防水、防鼠，并便于铺设和维护。 (6) 观测场的防雷必须符合气象行业规定的防雷技术标准的要求。,58,仪器设施布置： 要互不影响，便于观测操作。具体要求： (1) 高的仪器设施安置在北边，低的仪器设施安置在南边； (2) 各仪器设施东西排列成行，南北布设成列，相互间东西间隔不小于4 m，南北间隔不小于3m，仪器距观测场边缘护栏不小于3m； (3) 仪器安置在紧靠东西向小路南面，观测员应从北面接近观测仪器；,59,(4) 辐射观测仪器一般安装在观测场南面，观测仪器感应面不能受任何障碍物影响。 (5) 因条件限制不能安装在观测场内时，总辐射、直接辐射、散射辐射、以及日照观测仪器可安装在天空条件符合要求的屋顶平台上，反射辐射和净全辐射观测仪器安装在符合条件的有代表性下垫面的地方。,60,观测场仪器布置参考图,61,观测方式：直接探测飞机探测气球探测遥感探测主动遥感（如雷达探测）被动遥感（如卫星探测）观测项目： 主要有大气温度、压力、风速、风向和湿度等。,高空气象观测,62,1.4 气象仪器,对气象仪器的要求：（1）长时间内保持一致的准确度。（2）具有一定的可靠性。（3）操作与维护方便。（4）在符合要求的前提下设计简单。（5）具有耐久性。,63,气象仪器的分类：就其测量方法而言，可分两类。（1）接触式仪器：仪器的感应元件与被测物质直接接触，以测出被测物质的气象特性。（2）遥感式仪器：利用被测物散射、反射、发射出来的电磁波或声波，以测出被测物的气象特性。,64,气象仪器的属性： 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。稳定性：仪器性能随时间的变化率。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，其值越小，准确度越高。,65,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x,相应仪器示度改变量为y，则灵敏度表示为：y/x。,66,例如:玻璃温度表的灵敏度的单位为10mm/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。,67,惯性（滞后性）：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；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。,68,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。它与量程及灵敏度有关，仪器性能的改变也会影响分辨率。量程：仪器的测量范围，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20t50，-20和50为该地区100年一遇的最低、最高气温。,69,1.5 大气探测的“三性”要求,大气探测工作是在自然条件下进行的，由于气象要素随时、随地在不断地变化，而且仪器本身也受到许多复杂因素的影响，所以大气探测是一种复杂的动态测量过程。为便于了解大气整体的运动变化规律，大气探测资料必须具有代表性、准确性、比较性。“三性”是大气探测工作的基本要求。,70,代表性：测站的观测记录不仅要反映测站的气象状况，而且要反映测站周围一定范围内的平均气象状况，确保观测地点的代表性，观测数据取样平均的代表性。,准确性： 测量值与真值一致的程度。观测记录要真实反映实际大气状况。,比较性： 不同测站在同一时间观测的同一气象要素值，或同一测站在不同时刻观测的同一气象要素值能进行比较，从而能分辨出气象要素值的地区分布特征和随时间变化的特点。,71,“三性”的联系： 互相联系、互相制约观测资料的代表性是建立在准确性的基础之上的，没有准确性也就谈不上代表性。只有准确性而没有代表性的观测资料，也是难以使用的。观测资料的比较性，也必须以代表性和准确性为前提，因为如果观测资料既无代表性，又无准确性，也就没有了时空比较的意义。 观测资料质量的好坏， 均以观测资料的“三性”衡量。,72,复习思考题,1.什么是大气探测？大气探测的划分与研究内容。2.了解大气探测发展的概况。3.掌握观测站的分类情况。4.熟悉地面气象观测的方式、任务、观测项目及观测流程。5.试述时制、日界和对时。6.熟悉地面气象观测场环境条件要求、观测场的设置及仪器设施的布置。7.为什么要提出气象观测资料的“三性”？,73,本章结束,谢谢大家！,