《天气现象观测》PPT课件.ppt

气象仪器,第9章 天气现象观测,第9章 天气现象观测,2023/7/12,2,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,3,序言,本章学习有关天气现象的观测及有关仪器。天气现象是指发生在大气中、地面上的一些物理现象，包括降水、凝结、视程障碍、雷电和其他现象等，这些现象都是在一定的天气条件下产生的，其中的一些天气现象对人们的生产、生活和交通运输具有重要影响，有些还会形成严重的自然灾害。对气象部门，天气现象必须按要求进行观测和记录，对某些天气现象所造成的灾害，还应及时进行调查记载。随着多年科学技术的发展，多数天气现象可以通过仪器进行观测，本章主要介绍降水、蒸发、能见度及云的观测与仪器测量原理和实现。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,4,9.1 降水(雨水)测量,降水(precipitation)是指从云中降落或从空气中沉降到达地面(地球表面)的固态或液态的水汽凝结物，包括雨(rain)、雪(snow)、雹(hail)、露(dew)、霜(rime)、雾淞(hoar frost)、雾水(fog precipitation)等。降水可分为固态降水和液态降水，它们最典型的代表分别是雨和雪，雨和雪是最主要的降水形式。,据记载我国在宋朝已有用器具进行雨量测量的记录，在1424年前后已有全国统一的雨量器，这些雨量器被分发到全国各地的州府，在公元1442年改为铜制的统一雨量器，并由各地向国家上报雨情。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,5,9.1 降水(雨水)测量,1、雨水测量：降水测量包括降水量和降水强度，降水量是指在一段时间内，从空中降落到地面的降水总量。液态降水用降水所覆盖的地球表面的深度来表示，降雪用覆盖在水平面上雪的深度来表示，也可以用溶化后的水的深度来表示。根据世界气象观测方法指南的规定，降水量以毫米(mm)为单位(或kg/m2)，取一位小数。日降水量应致少读到0.2mm；最好读到0.1mm。周或月降水量应精确到1mm，日降水量的测量应定时进行。降水强度是指单位时间内的降水量，通常测定每5分钟、10分钟和1小时内的降水量。降水根据强度大小可分为4类，小雨(0.12.5mm/h)、中雨(2.68.0mm/h)、大雨(8.115.9mm/h)和暴雨(16mm/h)。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,6,测量降水的仪器主要有雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、双阀容栅式雨量计，此外还有光学雨量计。最早使用的是雨量器，是一种人工测量和读数的最简单雨量测量仪器，只能记录某一时段内的总降水量，而无法得知降雨随时间的变化情况。虹吸式运雨量计也是一种较早使用的雨量计，它可以测量降雨总量，降雨起讫时间，以及降雨随时间的分布情况，从而可以换算成降雨强度。1953年，国内开始生产传统的虹吸式雨量计，在上世纪80年代以前，我国气象台站主要以虹吸式雨量计为主。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,7,9.1 降水(雨水)测量,日降水量一般在0100mm，但也能到数千mm。我国有记录的最大降水量出现在台湾，1967年10月17日，日降雨量达到1672毫米，世界最大降雨量出现在印度洋岛屿上，日降雨量达3240mm。我国大陆有记录的日最大降水量出现在1967年，达到1062mm。我国将降雨从小雨到特大暴雨分为11个等级，日降水量从0.1mm到大于250mm以上。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,8,9.1 降水(雨水)测量,2、雨量器 雨量器是观测降水量的仪器，它将自然降水接入一定的容器内，然后换算成降水量。雨量器由雨量筒与量杯组成，如图9.9-1所示。雨量筒用来承接降水物，它包括承水器、储水瓶和外筒。不同国家承水器的形状和大小有些差别，我国雨量器/计国家标准规定，承雨器统一采用内径为200mm的正圆形承水器，误差不超过0.6mm。承雨器口呈内直外斜刀刃结构，刃口锐角为400-450，保证外部雨水不会溅入筒内，进人承雨口的降雨也不应溅出承雨口外,其形状应符合如图9.9-1所示。承雨口材料应坚实，内壁光滑，不得有砂眼、毛刺、碰伤、镀层脱皮、渗漏等缺陷。承水器有两种，一种是带漏斗的承雨器，另一种不带漏斗的承雪器。承雨器内的漏半是活动的，可以拿出，漏斗起到引水作用，重要的是可以防止雨量器中收集的降水发生蒸发。外筒内放储水瓶，以收集降水量，储水瓶是一个有一定容量并方便倒水的玻璃瓶。量杯为一特制的有刻度的专用量杯，其口径和刻度与雨量筒口径成一定比例关系，量杯有100分度，每1分度相当雨量器测得的降水量为0.1mm。若用其它量杯则需要经过换算后得到实际的雨量。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,9,9.1 降水(雨水)测量,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,10,9.1 降水(雨水)测量,储水瓶是有一定容量并有倒水咀的玻璃瓶 雨量杯为特制的玻璃杯，杯上的刻度一般从0.05mm到10.5mm，每一小格代表0.1mm降水量，每一大格为1.0mm降水量，量杯的刻度大小直接表示了降水量，不必要再进行换算,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,11,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,12,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,13,雨量器观测时的注意事项 a.雨量器安置在观测场内固定架子上，器口要保持水平，口沿离地面高度为70cm，仪器四周不受障碍物影响，以保证准确收集降水。b.在冬季积雪较深地区，应在其附近装一备份架子。c.当雨量器安在此架子上时，口沿距地面高度为1.01.2m，在雪深超过30mm时，就应该把仪器移至备份架子上进行观测。d.冬季降雪时，须将漏斗从承水器内取下，并同时取出储水瓶，直接用外筒接纳降水。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,14,3、虹吸式雨量计,虹吸式雨量计(Siphon rainfall recorder)利用虹吸原理，当水位达到一定量时会自动排出，同时可以自动记录雨量随时间的变化。虹吸式雨量计是较早出现的雨量仪器，能够记录液体降水量和降水强度的雨量仪器，可以自动完成记录。,9.1 降水(雨水)测量,3、虹吸式雨量计,目前使用的虹吸式雨量计，记录纸分度范围为 0.1mm10mm，记录误差为 0.05mm，降水强度记录范围为 0.01mm/min4mm/min，承水口内径200mm，自记纸上雨量最小分度 0.1mm，全程记录时间 26h。时间最小分度 10min。虹吸式雨量计不需要电源，但需要人工定时更换自记纸和人工给钟筒上弦，类似于机械式钟表，但是，由于原理上限制，不易将降雨量转换成可供处理的电信号输出，因而不能远距离传输，也不能进一步数据处理，这是虹吸式雨量计的局限性。,9.1 降水(雨水)测量,3、虹吸式雨量计,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,17,4、翻斗式雨量计,翻斗式雨量计(Tipping bucket raingaug)的原理是利用一个翻斗式机械双稳态秤重机构。翻斗是用塑料或金属加工成的两个三角斗室(也有其它形状),中间被隔板分开，两边容积相等，放在一个水平轴上，构成一个机械双稳态结构，如图9.9-4给出了其结构示意图，其中A、B是两个分开的等容积三角斗室，D是水平支承轴，C是漏斗的导水管。不同的雨量计，斗室A、B的容积不同，容积大时雨量计的分辩率力较小，相反则较大。我国雨量计标准规定，翻斗式雨量计斗室容积有4种，分别相当于降水量0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,18,4、翻斗式雨量计,1)、单翻斗式雨量计,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,19,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,20,4、翻斗式雨量计,双翻斗雨量计,双翻斗雨量计是对单翻斗雨量计的改进，由于单翻斗雨量计在翻斗翻倒的过程中雨水继续注入该翻斗，同时正常降水时，雨量差别较大，这样就会带来误差，因此产生了双翻斗雨量计。采用多个翻斗可以将强度不同的自然降水断续而均匀地注入到计量翻斗。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,21,4、翻斗式雨量计,双翻斗雨量计,双翻斗雨量计是对单翻斗雨量计的改进，由于单翻斗雨量计在翻斗翻倒的过程中雨水继续注入该翻斗，同时正常降水时，雨量差别较大，这样就会带来误差，因此产生了双翻斗雨量计。采用多个翻斗可以将强度不同的自然降水断续而均匀地注入到计量翻斗。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,22,4、翻斗式雨量计,翻斗式雨量量计的误差 理想情况下翻斗翻动应该很灵活，实际上由于轴承的摩擦力，如果加上斗上的沾水或泥沙影响都会造成雨量测量的误差。大雨时，由于翻斗的惯性来不及翻转，造成雨量的流失，使得测定的雨量有较大误差甚至记录失真。翻斗雨量传感器测量的是一个动态过程，当翻斗称量已达到预定质量时，雨水仍不停地注入翻斗，其增加量随着降雨强度的加大也随着增加，这是翻斗式雨量计存在的问题，一般情况下，大雨时翻斗式雨量量计测量的雨量会偏小。此外一次降雨达不到翻斗的翻转量，则此无法记录，并且当前一次降雨最后达不到翻斗的翻转量而残存在斗内，也会影响下次降水的测量，一般翻斗式雨量对小雨测量结果会偏小。,对于高分辨率的翻斗(如0.1mm)，翻转一次误差虽较小，对于一次降小过程因翻转次数增多，使得累积起来误差则相当大。因此在雨量较大时，若采用分辨率较低的翻斗(如0.5mm或1mm)，相对翻转次数较少，使得累积起来的雨量误差较小。因此低分辨率的翻斗对于降水较强时，较为适用。,9.1 降水(雨水)测量,2023/7/12,23,5、双阀容栅式雨量计,双阀容栅式雨量计由承水器、储水室、容栅、进水电磁阀门、排水电磁阀门和信号处理电路构成，如图所示,9.1 降水(雨水)测量,24,6、光学雨量计,光学雨量计的原理是，当雨滴或其它颗粒物(沉降物)降落过程中穿过光束时，由于它们的阻挡，会引起光的闪烁，接收到的信号会产生变化，亮度变化过程反映了沉降物的大小，根据信号的持续时间可以推导出下降速度，并可以分辨出雨的强度、雪或雨夹雪等。有些光学雨量计可以测出粒径分布、降水量、能见度、降水类型等综合参数。不同的光学雨量计结构不同，有些称为雨滴谱仪，如图是一种光学雨量计的结构，它是由一个光源、透镜、接收器、处理电路等组成的，光源是一个红外发光管，工作波长为880nm，前端装有一个聚光透镜，使出射的光成为一个具有很小发散角的线光源，为了避免自然光干扰，采用50Hz的方波调制。光通过一个降雨区后经一会聚透镜，然后通过一水平狭缝后入射到光敏二极管上检测。检测部分包括整流单元、自动增益放大器AGC、信号处理电路以及输出接口。输出信号的强度与降雨有一定关系，需要通过实验确定。,9.2降雪测量,25,雪也是降水的一种，大气里以固态形式落到地球表面上的降水，称为固态降水。雪是大气固态降水中的一种主要形式。冬季，我国许多地区的降水，是以雪的形式出现。对雪的观测主要包括雪深和雪压。由于降落到地面上的雪花的大小、形状、以及积雪的疏密程度不同，因此雪深和雪压并不能真正代表实际的降水多少，因此真正的降水量是以雪溶化后的水的深度来表示，称为雪降水量。雪深和雪压虽然不能真实的反映实际降水量的大小，但在一定程度上也反映了降雪的大小，特别是雪深，对人们的生活、生产、交通、作物的生长等都有很大影响，因此也是农业、气象、水文上观测的重要气象指标。一般将降雪分为小雪、中雪、大雪或暴雪。小雪是指12小时内雪降水量小于1.0mm或24小时雪降水量小于2.5mm的降雪过程。中雪指12小时内雪降水量为1.03.0mm或24小时为 2.5 5.0mm的降雪过程，相当于降雪深度在3cm左右。大雪指12小时内雪降水量为3.06.0mm或24小时内降雪量 5.0 10.0mm的降雪过程，相当降雪深度为5cm左右。暴雪指12小时内雪降水量大于6.0 mm或24小时内降雪量大于 10.0mm的降雪过程，相当于降雪深度在8cm左右。,降雪测量,9.2 降雪测量,26,雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米(cm)为单位，取整数；雪压是单位面积上的积雪重量，以克/平方厘米(gcm2)为单位，取l位小数。当气象站四周视野地面被雪(包括米雪、霰、冰粒)覆盖超过一半时要观测雪深；在规定的日期当雪深达到或超过5cm时要观测雪压。测定雪深用量雪尺或普通米尺；测定雪压用体积量雪器或称雪器。雪深、雪压的观测地段，应选择在观测场附近乎坦、开阔的地方。入冬前，应将选定的地段平整好清除杂草，并做上标志。气象站一般用量雪尺(或普通米尺)来测量雪深。量雪尺是一木制的有厘米刻度的直尺。符合观测雪深的日子，在规定时间和选定的观测地点，将量雪尺垂直地插入雪中到地表为止(勿插入土中)，依据雪面所遮掩尺上的刻度线，读取雪深的厘米整数，小数四合五入。使用普通米尺时，每次观测须作3次测量，并求其平均值。3次测量的地点，彼此相距应在10m以上，并做出标记，以免下次在原地重复测量。,2、雪深和雪压的人工观测,9.2降雪测量,27,3、雪深和雪压的仪器测量,雪深的仪器测量 目前雪深的仪器测量，主要是利用超声波测距的原理实现的。测量超声波在不同界面上的反射时间差来测量雪的深度。由于超声波的传播速度受温度影响较大，因此测量时需要对声速进行温度修正。如图9.9-109是一种超声波测雪仪及原理图。另外一种超声波测雪深的方法是将超声波收发装置放于雪的下面.,9.2降雪测量,28,降水量大小分布，我国由东南向西北逐次降低,降水量等值线基本呈东北-西南走向。长江以南的大部分地区年降水量在800mm 以上,西北大部、西藏西部和内蒙基本在400 mm以下,东北大部、华北和黄淮地区基本在400 800mm 之间。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,29,蒸发量定义:蒸发量（evaporation），水由液态或固态转变成汽态，逸入大气中的过程称为蒸发。而蒸发量是指在一定时段内，水分经蒸发而散布到空中的量。通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示，水面或土壤的水分蒸发量，分别用不同的蒸发器测定。气象学上的蒸发主要指液态或固态水转变为水汽的过程。气象站测定的蒸发量是水面(含结冰时)蒸发量，它是指定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度，以毫米(mm)为单位，取l位小数。用这种方式观测的蒸发量通常称为蒸发皿蒸发量。蒸发器主要是一个开口面积一定的承水容器和测量水面高度的测量装置，也有通过测量水的重量来换算出水面高度变化。蒸发器主要有小型蒸发器(蒸以皿)、E-601B型蒸发器、超声波蒸发器、称重式蒸发器、自动探针式蒸发器等，实际上超声波、称重、自动探针等都是测量水位变化的一种工具，可用于小型蒸发器和E-601B型蒸发器上。我国在80所代以前主要使用的是一种小型蒸发器，上世纪80年后陆续使用直径为61.8cm的E-601B型蒸发器，其圆型水面面积为3000cm2，但小型蒸发器还有大量使用。,1、蒸发量测量,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,30,测定蒸发量的主要仪器（1）小型蒸发器（2）E-601型蒸发器（3）超声波蒸发传感器,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,31,2、小型蒸发量器,小型蒸发器(蒸以皿)小型蒸发器为口径20cm，高约10cm的金属圆盆，口缘镶有角度为40-45度的内直外斜的刀刃形铜圈，器旁有一倒水小咀到底面高度距离为6.8cm，俯角10-15度。为防止鸟兽饮水，器口附有一个上端向外张开成喇叭状的金属丝网圈,如图所示。小型蒸发器安装在一竖直圆柱上，蒸发器口缘保持水平，距地面高度为70cm。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,32,2、小型蒸发量器,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,33,一般情况下蒸发器安装在口缘距地面70cm高处，每天20时进行观测，测量前一天20时注入的20mm清水（即今日原量）经24小时蒸发剩余的水量，蒸发量计算公式如下：蒸发量原量降水量余量 蒸发器内的水量全部蒸发完时，记为20.0，此种情况应避免发生，平时要注意蒸发情况，增加原量。结冰时用称量法测量，其它季节用杯量法或称量法均可。有降水时，应取下金属丝网圈；有强烈降水时，应随时注意从器内取出一定的水量，以防止溢出。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,34,3、E-601B型蒸发器,E-601B型蒸发器由蒸发桶、水圈、溢流桶和测针等组成（见图1）。蒸发桶是由白色玻璃钢制作，器口面积为3000cm2，有圆锥底的圆柱形桶，器口正圆，口缘为内直外斜的刀刃形。器口向下6.5cm器壁上设置测针座，座上装有水面指示针，用以指示蒸发桶中水面高度。在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶管与溢流桶相连通，以承接因降水较大时从蒸发桶内溢出的水量。水圈是安装在蒸发桶外围的环套，材料也是玻璃钢。用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。它由四个相同的弧形水槽组成。内外壁高度分别为13.7cm和15.0cm。每个水槽的壁上开有排水孔。为防止水槽变形，在内外壁之间的上缘设有撑档。水圈内的水面应与蒸发桶内的水面接近。溢流桶是承接因降水较大时而由蒸发桶溢出的水量的圆柱形盛水器，可用镀锌铁皮或其它不吸水的材料组成。桶的横截面以300cm2为宜，溢流桶应放置在带盖的套箱内。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,35,3、E-601B型蒸发器,测针是专用于测量蒸发器内水面高度的部件，应用螺旋测微器的原理制成。读数精确到0.1mm。测针插杆的杆径与蒸发器上测针座插孔孔径相吻合。测量时使针尖上下移动，对准水面。测针针尖外围还设有静水器，上下调节静水器位置，使底部没入水中。E-601B型蒸发器需要埋设安装，安装时力求少挖动原土，蒸发桶放入坑内，必须使器口离地30cm，并保持水平。桶外壁与坑壁间的空隙，应用原土填回捣实。水圈与蒸发桶必须密合。水圈与地面之间，应取与坑中土壤相接近的土料填筑土圈，其高度应低于蒸发桶口缘约7.5cm。在土圈外围，还应有防塌设施，可用预制弧形混凝土块拼成，或水泥砌成外围。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,36,3、E-601B型蒸发器,E-601型蒸发器主要由蒸发桶、水圈、溢水桶和测针四部分组成。工作环境温度要求是050。,（2）E-601型蒸发器,（2）E-601型蒸发器,（2）E-601型蒸发器 蒸发桶 是一个器口面积为3000平方厘米、有圆锥底的圆柱形桶，器口要求正圆，口缘为内直外斜的刀刃形。桶底中心装有一根直管，在直管的中部有三根支撑与桶壁连接，以固定直管的位置并使之垂直。直管的上端装有测针座，座上装有器内水面批示针，用以指示针，用以指示蒸发桶中水面高度。在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶管与溢流桶相连通，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。桶身的外露部分和桶内侧涂上白漆，以减少太阳辐射的影响。水圈 是装置在蒸发桶外围的环套，用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。它由四个相同的、其周边稍小于四分之一的圆周的弧形水槽组成。水槽用较厚的白铁皮制成，宽20厘米，内外壁高度分别为13.7厘米和15.0厘米。每个水槽的外壁上开有排水孔，孔口下缘离水槽均应按蒸发桶的同样要求涂上白漆。水圈内的水面应与蒸发桶内的水面接近。,溢水桶 用金属或其它不吸水的材料制成。它用来承接因暴雨从蒸发桶溢出的水量。用量尺直接观测桶内水深的溢流桶，应做成口面积为 300平方厘米的圆柱桶；不用量尺观测的，所用的溢流桶的形式不拘，其大小以能容得下溢出的水量为原则。放置溢流桶内的箱要求耐久、干燥和有盖。须注意防止降落在胶管上的雨水顺着胶管流入溢流桶内。不出现暴雨的地方，可以不设置溢流桶。,测针 用于测量蒸发器内水面高度。使用时将测针的插杆插在蒸发桶中的测针座上，插杆下部的圆盘与座口相接。测什所对方向，全站应统一。插杆上面用金属支架把测杆平等地固定地插杆旁侧。测杆上附有游标尺，可使读数精确到 0.1毫米。测杆下端有一针尖，用磨擦轮升降测杆，可使什尖上下移动，对准水面。针尖的外围水面上套一杯形静水器，器底有孔，使水内外相通。静水器用固定螺丝与插杆相连，可以上下调整其位置，恰使静水器底没入水中。,（2）E-601型蒸发器的测针,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,43,4、超声波蒸发传感器,超声波蒸发传感器是在小型蒸发器或E-601B型蒸发器的基础上，增加超声波传感器来测量水位变化，从而实现自动测量和遥测。一种小型超声波蒸发器是由超声波测距仪和不锈钢圆筒组成，如图是一种超声波蒸发传感器。超声波探头放置在水中，向上发射超声波脉冲，根据超声波测距原理，发射的声波遇到水面后被反射，测量出声波的往返时间t，则探头到水面的距离为,其中c为水中的声速。由于声速与温度有关，因此需要同时设计温度测量电路，通过测温对声速进行校正。其测量范围为0100mm，分辨率为0.1mm，测量精度为为1.5%，使用温度为050oC。,超声蒸发传感器,超声蒸发传感器由超声波传感器和不锈钢圆筒组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对E601B型蒸发器内水面高度变化进行检测，Ct/2，C水中声速、t超声波脉冲往返于水面高度H经历的时间，转换成电信号输出。并配置温度校正部分，以保证在使用温度范围内的测量精度。它的测量范围为0-100mm，分辨率0.1mm，测量准确度1.5%，在气温0+50范围使用。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,45,4、超声波蒸发传感器,测量范围:0100mm 分辨率:0.1mm精度:1.5%（0+50）供电:015VDC 耗电:10V，200mA 15V,100mA 输入阻抗:500 最高水位输出:4mA，0V 最低水位输出:20mA，5V，10V,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,46,4、称重式蒸发器,称重式蒸发器的原理是，在原有小型蒸发器的下面安装高精度的电子称重传感器，测量蒸发皿内液体重量的变化，再换算成液面高度。可以在结冰情况下使用，因此可用于观测全年的蒸发量。如图是一种称重式蒸发器，精度为1，测量范围为0100mm，工作温度为4060。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,47,蒸发皿蒸发量:不同地区蒸发量差别较大。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,48,蒸发皿蒸发量:不同地区蒸发量差别较大。,淮河流域年蒸发量最大值接近1 300mm左右,最小值在750mm 左右。蒸发量极端最大值出现在1966年,约为1 276 mm;极端最小值出现在2003 年,仅为778mm,极端最大最小值相差约500 mm。,9.3 蒸发量测量,2023/7/12,49,蒸发皿蒸发量:不同地区蒸发量差别较大。,1960-2009 年新疆渭干河流域蒸发皿蒸发量,气象应用,农谚说：“清明要明，谷雨要雨”。这说明适时适量的降水对农业生产能提供有利的条件，是人类生存发展和生态系统得以维系的淡水资源供应源。而反常降水则会带来灾害。我国大部分地区降水都集中在下半年，而这时正是农作物的生长季节，大型降水的多少能造成大面积的涝旱。尤其是时间长、面积大的暴雨，还能引起洪水泛滥，不仅对生产建设造成极大的危害，而且对人民的生命财产也带来巨大的威胁。因此，工农业生产、交通运输、水利建设、防涝抗旱等都需要及时准确的降水观测资料。降水在军事上也有很重要的影响，比如降水对舰艇舱面人员的健康力和战斗力影响较大，对武器装备也会产生一定的不良影响；降雪会迅速改变海岸目标的伪装条件，使舰艇目力通信和利用天体及沿岸目标定位的工作受到限制。蒸发在地球的水表面、土壤以及雪和冰表面不停的发生，植被也总是以最大速度蒸腾水汽。蒸发也是地气间水分循环的主要环节之一，它不仅以水汽的形式进入大气，而且还在地面与大气间传递热量，蒸发对农业、气象和水文气象研究都具有重要意义。,9.4 能见度测量,2023/7/12,51,1、概述,能见度(visibility)是一个重要的气象观测要素，能见度值的测报不仅用于气象部门的天气分析，更广泛用于航空、航海、高速公路等交通运输部门、军事以及环境监测等领域，准确及时地测量能见度具有重要意义。能见度就是能够看到周围物体的远近程度，通常用最大可见距离来表示，也就是指观测目标物体时，能从背景中分辨出目标物的最大距离，能见度反映了大气透明的程度。能见度的测量是比较复杂的，因为影响能见度的因子有很多，对于正常人的眼睛而言，则有目标物的光学特性，背景的光学特性，自然界的照明和大气透明度等。气象上的能见度是这样定义的，标准视力的眼睛，观察水平方向以天空为背景的黑体目标物(视角在0.55)时,能从背景上分辨出目标物轮廓的最大水平距离称为气象能见距离，用Rm来表示。上述定义的能见度，需要用目测确定，显然会受到许多主观和物理因素的影响,为了客观地定义不以人的视觉而变化的大气光学特性，引入气象光学视程(MOR，meteorological optical range)这一概念，气象光学视程是指自炽灯发出色温为2700 K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，用MOR表示。,9.4 能见度测量,2023/7/12,52,1、概述,能见度分白天能见度和夜间能见度。白天能见度是指视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离，实际上也是气象光学视程。夜间能见度是指：(1)假定总体照明增加到正常白天水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离。(2)中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离。所谓“能见”，在白天是指能看到和辨认出目标物的轮廓和形体；在夜间是指能清楚看到目标灯的发光点。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，都不能算“能见”。人工观测能见度，一般指有效水平能见度。有效水平能见度是指四周视野中看到的目标物的最大水平距离。能见度观测仪测定的是一定基线范围内的能见度。能见度观测记录以千米(km)为单位，取一位小数，第二位小数舍去，不足0.1km记0.0。,9.4 能见度测量,2023/7/12,53,2、影响能见度的要素,亮度对比度(luminance contrast),眼睛的视觉性能,9.4 能见度测量,2023/7/12,54,3、能见度的人工观测,白天能见度的观测。目标物的选择，在四周不同方向、不同距离上选择若干固定能见度目标物，标物的颜色应当越深越好，而且亮度要一年四季不变或少变的为目标物。目标物在背景的衬托下，轮廓清晰，且与背景的距离尽可能远一些。目标物大小要适度。近的目标物可以小一些，远的目标物则应适当大一些，并绘制出目标物分布图，观测时必须选择在视野开阔，能看到所有目标物的固定地点作为能见度的观测点。观测四周事先测定的各目标物，根据“能见”的最远目标物和“不能见”的最近目标物，从而判定当时的能见距离。如某一目标物轮廓清晰，但没有更远的或看不到更远的目标物时，还需要根据一定的比例进行调整。,9.4 能见度测量,2023/7/12,55,3、能见度的人工观测,夜间能见度的观测。灯光目标物的选择，有条件的地方，均应在各个方向选择一些固定的目标灯或专门设置的目标灯作为观测能见度的依据。但应注意：应选择孤立的点光源作为目标灯，不宜选择成群、成带、重叠的灯光；目标灯的灯光强度应固定不变；应是不带颜色、没有灯罩的白色光源(除白炽灯外，碘钨灯、汞灯等均不适宜)；应位于开阔地带，不受地方性烟雾的影响。选择和专设目标灯后，应测定目标灯至观测点的距离，了解其功率，再按给定的表格查出其相当的白天能见距离，制成登记表，并绘制成灯光目标物图，作为观测的依据。观测时，观测者应先在黑暗处停留515分钟，待眼睛适应环境后进行观测，根据最远目标灯能见与仔确定能见距离，在无条件利用目标灯进行观测的情况下，需要根据天黑前能见度的实况和变化趋势，结合观测时天气现象、湿度、风等气象要素的变化情况，以及实践经验加以判定。月光较明亮时，可根据目标物的能见与否来判定能见度，由于光照条件差，不可能能象白天那样清楚地看清目标物的形体、轮廓，因而只要能隐约地分辨出比较高大的目标物的轮廓该目标物距离就可定为能见距离，如能清楚分辨时，能见距离可定为大于该目标物的距离。,9.4 能见度测量,2023/7/12,56,4、能见度的仪器测量原理,气象光学视程测量 气象光学视程测量的基本方程是布格尔-朗伯(Bouguer-Lambert)定律，假定光传输路径上大气均匀分布，一束平行光在坐标为0的位置光通量为，在通过基线长度后的光通量为,其中为消光系数(单位为km-1)，大气透明程度不同时，的值不同。对上式微分可以得到,根据气象光学视程的定义，T=0.05，于是气象光学视程与消光系数的关系为,9.4 能见度测量,2023/7/12,57,4、能见度的仪器测量原理,气象能见距离测量,9.4 能见度测量,2023/7/12,58,5、能见度测量仪器的实现,能见度测量仪器有两种，即透射式和散射式。,(1)透射式能见度仪,透射式能见度仪是通过测量大气的消光系数来间接测量气象光学视程的仪器。透射式能见度测量时，需设置一个人工光源，在一定距离处检测光的衰减程度，计算大气的消光系数，然后换算出能见距离。根据式(9.4.5)，气象光学视程MOR写成大气透射率T的函数，即,选择两点间距离为L的长度作为测量基线，测出两点间的透射率T，即可计算出气象光学视程。,9.4 能见度测量,2023/7/12,59,5、能见度测量仪器的实现,(2)透射式能见度仪的类型与工作过程,有两种类型的透射仪：(a)双端透射式，发射器和接收器处于两个单元内，它们间的距离是基线的长度L，L是已知的，如图,9.4 能见度测量,2023/7/12,60,5、能见度测量仪器的实现,(2)透射式能见度仪的类型与工作过程,(b)单端透射式，发射器和接收器在同一单元内，发射器发出的光经过相隔一定距离后经反器反射后，又射回射端，通过一个半反射镜后入射到一个接收单元上，如图所示。,9.4 能见度测量,2023/7/12,61,5、能见度测量仪器的实现,(2)散射式能见度仪,散射式能见度仪是通过测量散射系数来间接测量气象光学视程的仪器。大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，但是在一般情况下吸收因子可以忽略，认为光的衰减是由散射引起的，散射引起了能见度的降低。因此可以认为消光系数和散射系数相等，从而测量散射系数来估计MOR。通过把一束光汇聚在小体积空气中，通过测量散射光的强弱变化从而间接测量出散射系数，若把来自其它光源的干扰完全屏蔽掉，则这种类型的仪器在白天和夜晚都能使用。,(a)后向散射式在这种仪器中，把一束光线聚集在发射器前面一小块体积空气中，接收器装置在同一相壳内且位于光源下面，接收取样空气块的后向散射的光。如图所示。,9.4 能见度测量,2023/7/12,62,5、能见度测量仪器的实现,(b)前向散射式 如图所示是前向散射仪的示意图，接收器和发射器分开放置，接收器接收取样空气对光的前向散射部分的光。,9.4 能见度测量,2023/7/12,63,5、能见度测量仪器的实现,透射仪的发射器和接收器分开安装，而且相距较远，还需要对准，因些安装和现场调校较为困难。而后向散射仪的接收器和发射器可以做成一体，前向散射仪的发射器和收器通常也在几米的范围内，通常安装在同一支架上，因此，总的来说散射仪结构较为紧凑，具有体积小、成本低、安装和维护保养方便、动态测量范围大的优点。散射仪的不足在于测量的只是一个较小体积空气样本的散射量，代表性稍差，测量数据变化较大，测量准确度、可靠性和稳定性不如透射表能见度仪。高能见度时误差较大，定标也相对困难。能见度测量仪器是一种全天候条件下连续工作的光电式仪器，仪器的工作环境特殊，要求它具有良好的可靠性、稳定性以及耐久性。仪器一般由发射系统、接收系统和支架等构成，发射系统由光源、光源控制电路、聚集透镜等构成，接收部分由光学聚集系统、光电管、接收处理电路等，此外有些仪器还有加热、吹风、尘埃污染检测等装置。,9.5 云的观测与测量,2023/7/12,64,云及人工观测,云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴、冰粒和雪晶。其底部不接触地面。云的观测主要包括判定云状、估计云量、测定云高和选定云码等。云的观测应尽量选择在能看到全部天空及地平线的开阔地点或平台进行，应注意它的连续演变。云量是指云遮蔽天空视野的成数，云高是指云底距测站地面的垂直距离。云状指云的外形特征，包括云的尺度，在空间的分布情况、形状、结构以及它的灰度和透光程度。云状的判定，主要根据天空中云的外形特征、结构、色泽、排列、高度以及伴见的天气现象，参照给定的云图(共有29类)，经过认真细致的分析对比判定是那种云。判定云状要特别注意云的连续演变过程。,9.5 云的观测与测量,2023/7/12,65,云及人工观测,云量是指云遮蔽天空视野的成数。估计云量的地点应尽可能见到全部天空，当天空部分为障碍物(如山、房屋等)所遮蔽时，云量应从未被遮蔽的天空部分中估计；如果一部分天空为降水所遮蔽，这部分天空应作为被产生降水的云所遮蔽来看待。云量观测包括总云量、低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数，低云量是指大空被低云族的云所遮蔽的成数，均记整数。云高指云底距测站的垂直距离，以米(m)为单伍，记录取整数，并在云高数值前加记云状。由于云的复杂性，因此利用仪器对云进行观测较为困难，目前除了卫星云图外，借助于仪器对云观测较少，但云高可以借助于仪器测量，因此下面介绍云高的观测。,9.5 云的观测与测量,2023/7/12,66,2、云高的测量,云高的观测分为云高估测和云高实测，前者主要指利用目测借助于云的形状、结构、大小、亮度等给合本地的云高范围进行估测，后者表示借助特定的仪器或设备对云的高度进行测量，得到的结果称为实测云高。实测云高通常借助云幕球、激光测距仪和云幕灯等设备测量云底的高度。,(1)云幕球测云高 云幕球测定云高，是用已知升速的氢气球，观测其从施放到进入云底的时间，乘以气球升速(mmin)求得：云底高度气球升速x(分钟数+秒数/60)气球入云时间是指气球开始模糊时间，而不是气球消失时间。,9.5 云的观测与测量,2023/7/12,67,2、云高的测量,(2)激光测云仪测云高激光云高仪实质上是一个激光测距仪。激光器发出的激光脉冲遇到云层被云滴散射，后向散射部分被接收后，测量出往返时间，或者借助相位测距，即可测量出云团到光源的距离，根据光束的仰角，即可计算出云高，如图9-20所示，云高H为,其中L为激光测距仪测量的距离，,为测距仪仰角。,Thank you,