大气探测学天气现象的观测

1、1天气现象的观测2本章要求n掌握天气现象的观测方法掌握天气现象的观测方法n掌握雨量计的基本原理和结构掌握雨量计的基本原理和结构3主要内容n降水量的测量降水量的测量n激光云高仪激光云高仪n闪电定位系统闪电定位系统n其它天气现象其它天气现象4序n云和天气现象这类目测内容将改为仪器观云和天气现象这类目测内容将改为仪器观测测n天气现象大致分为六类：天气现象大致分为六类：n地面凝结地面凝结n降水降水n雾雾n雷电雷电n光光1.强风相关（风沙、风暴、吹雪）强风相关（风沙、风暴、吹雪）按照天气现象成因分9类n降水降水n雾雾n风沙风沙n雷电雷电n烟尘烟尘n风暴风暴n吹雪吹雪n地面凝（冻）结地面凝（冻）结n光光5

2、6天气现象n雨雨n滴状的液态降水，下降时清楚可见，强度变化滴状的液态降水，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。干地上可留下湿斑。n阵雨阵雨n开始和停止都较突然、强度变化大的液态降水，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。有时伴有雷暴。7n毛毛雨毛毛雨n稠密、细小而十分均匀的液态降水，下降情稠密、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。飘浮在空中，徐徐落下。n迎面有潮湿感，落在水面无波纹，落在干地迎面有潮

3、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。上只是均匀地润湿地面而无湿斑。8n雪雪n固态降水，大多是白色不透明的六角分枝的星状、六固态降水，大多是白色不透明的六角分枝的星状、六角形片状结晶，常缓缓飘落，强度变化较缓慢。角形片状结晶，常缓缓飘落，强度变化较缓慢。n温度较高时多成团降落。温度较高时多成团降落。n阵雪阵雪n开始和停止都较突然、强度变化大的降雪。开始和停止都较突然、强度变化大的降雪。n雨夹雪雨夹雪n半融化的雪半融化的雪(湿雪湿雪)，或雨和雪同时下降。，或雨和雪同时下降。n阵性雨夹雪阵性雨夹雪n开始和停止都较突然、强度变化大的雨夹雪。开始和停止都较突然、强度变化大的雨夹雪

4、。9n霰霰n白色不透明的圆锥形或球形的颗粒固态降水，白色不透明的圆锥形或球形的颗粒固态降水，直径约直径约25毫米，下降时常呈阵性，着地常反毫米，下降时常呈阵性，着地常反跳，松脆易碎。跳，松脆易碎。n米雪米雪n白色不透明的比较扁的或比较长的小颗粒固态白色不透明的比较扁的或比较长的小颗粒固态降水降水, 直径常小于直径常小于1毫米，着硬地不反跳。毫米，着硬地不反跳。10n冰粒冰粒n透明的丸状或不规则透明的丸状或不规则状的固态降水，较硬，状的固态降水，较硬，着硬地一般反跳。着硬地一般反跳。n直径小于直径小于5毫米。毫米。n有时内部还有末冻结有时内部还有末冻结的水，如被碰碎，则的水，如被碰碎，则仅剩下破

5、碎的冰壳。仅剩下破碎的冰壳。11n冰雹冰雹n坚硬的球状、锥状或形坚硬的球状、锥状或形状不规则的固态降水，状不规则的固态降水，雹核一般不透明，外面雹核一般不透明，外面包有透明的冰层，或由包有透明的冰层，或由透明的冰层与不透明的透明的冰层与不透明的冰层相间组成。冰层相间组成。n大小差异大，大的直径大小差异大，大的直径可达数十毫米。可达数十毫米。n常伴随雷暴出现。常伴随雷暴出现。12n冰针冰针n飘浮于空中的很微小的片状或针状冰晶，在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，有时可形成日柱或阳光照耀下，闪烁可辨，有时可形成日柱或其日晕的现象。其日晕的现象。n多出现在高纬度和高原地区的

6、严冬季节。多出现在高纬度和高原地区的严冬季节。13n雾雾n大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，有雾时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水平能见度小于1.0千米。千米。n高纬度地方出现冰晶雾也记为雾。高纬度地方出现冰晶雾也记为雾。n轻雾轻雾n微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色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的稀薄雾幕，出现时水平能见度为1.010.0千米以内。千米以内。14n露露n水汽在地面及近地面水汽在地面及近地面物体上凝结而成的水物体上凝结而成的水珠珠.n(霜融化成的水珠，不霜融化成的水珠，不记露记露)。15n霜霜n水汽在地面和近

7、地面物体上凝华而成的白色水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶；松脆的冰晶；n或由露冻结而成的冰珠。或由露冻结而成的冰珠。n易在晴朗风小的夜间生成。易在晴朗风小的夜间生成。16n雨凇雨凇n过冷却液态降水碰到过冷却液态降水碰到地面物体后直接冻结地面物体后直接冻结而成的坚硬冰层，呈而成的坚硬冰层，呈透明或毛玻璃状，外透明或毛玻璃状，外表光滑或略有隆突。表光滑或略有隆突。17n雾淞雾淞n空气中水汽直接凝华，空气中水汽直接凝华，或过冷却雾滴直接冻或过冷却雾滴直接冻结在物体上的乳白色结在物体上的乳白色冰晶物，常呈毛茸茸冰晶物，常呈毛茸茸的针状或表面起伏不的针状或表面起伏不平的粒状，多附在细平的

8、粒状，多附在细长的物体或物体的迎长的物体或物体的迎风面上，有时结构较风面上，有时结构较松脆，受振易塌落松脆，受振易塌落18n吹雪吹雪n由于强风将地面积雪由于强风将地面积雪卷起，使水平能见度卷起，使水平能见度小于小于10.0千米的现象。千米的现象。n雪暴雪暴n为大量的雪被强风卷为大量的雪被强风卷着随风运行，并且不着随风运行，并且不能判定当时天空是否能判定当时天空是否有降雪。有降雪。n水平能见度一般小于水平能见度一般小于1.0千米。千米。19n龙卷龙卷n一种小范围的强烈旋一种小范围的强烈旋风，从外观看，是从风，从外观看，是从积雨云积雨云(或发展很盛的或发展很盛的浓积云浓积云)底盘旋下垂的底盘旋下垂

9、的一个漏斗状云体。一个漏斗状云体。n有时稍伸即隐或悬挂有时稍伸即隐或悬挂空中，有时触及地面空中，有时触及地面或水面，旋风过境，或水面，旋风过境，对树木、建筑物、船对树木、建筑物、船舶等均可能造成严重舶等均可能造成严重破坏。破坏。20n积雪积雪n雪雪(包括霰、米雪、冰粒包括霰、米雪、冰粒)覆盖地面达到台站覆盖地面达到台站四周能见面积一半以上时，称为积雪。四周能见面积一半以上时，称为积雪。n结冰结冰n指露天水面指露天水面(包括蒸发器的水包括蒸发器的水)冻结成冰。冻结成冰。21n沙尘暴沙尘暴n由于强风将地面大量由于强风将地面大量尘沙吹起，使空气很尘沙吹起，使空气很泥浊，水平能见度小泥浊，水平能见度小

10、于于1.0千米。千米。n扬沙扬沙n由于风大将地面尘沙由于风大将地面尘沙吹起，使空气相当混吹起，使空气相当混浊，水平能见度在浊，水平能见度在1.0千米至千米至10.0千米千米以内。以内。22n 浮尘浮尘n尘土、细沙均匀地浮游在空中，使水平能见度小于尘土、细沙均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0千米。千米。n浮尘多为远处尘沙经上层气流传播而来，或为沙尘暴、浮尘多为远处尘沙经上层气流传播而来，或为沙尘暴、场沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成。场沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成。n烟幕烟幕n大量的烟存在空气中，使水平能见度小于大量的烟存在空气中，使水平能见度小于10.0千米。千米。n城市、工矿

11、区上空的烟幕呈黑色、灰色或褐包，浓时城市、工矿区上空的烟幕呈黑色、灰色或褐包，浓时可以闻到烟味。可以闻到烟味。23n霾霾n大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于水平能见度小于10.0千米的空气普遍混浊现千米的空气普遍混浊现象。象。n霾使远处光亮物体微带黄、红色，而使黑暗物霾使远处光亮物体微带黄、红色，而使黑暗物体微带兰色。体微带兰色。24n尘卷风尘卷风n因地面局部强烈增热，而在近地面气层中产生因地面局部强烈增热，而在近地面气层中产生的小旋风，尘沙及其它细小物体随风卷起，形的小旋风，尘沙及其它细小物体随风卷起，形成尘柱。成尘柱。n很小的尘卷

12、风，直径在两米以内，高度在十米很小的尘卷风，直径在两米以内，高度在十米以下的不记录。以下的不记录。25n雷暴雷暴n为积雨云云中、云间或云地之间产生的放电为积雨云云中、云间或云地之间产生的放电现象。现象。n表现为闪电兼有雷声，有时亦可只闻雷声而表现为闪电兼有雷声，有时亦可只闻雷声而不见闪电。不见闪电。n闪电闪电n为积雨云云中、云间或云地之间产生放电时为积雨云云中、云间或云地之间产生放电时伴随的电光。伴随的电光。n但不闻雷声。但不闻雷声。26n极光极光n在高纬度地区在高纬度地区(中纬度地区也可偶见中纬度地区也可偶见)晴夜见到晴夜见到的一种在大气高层辉煌闪烁的彩色光弧或光幕。的一种在大气高层辉煌闪烁

13、的彩色光弧或光幕。n亮度一般象满月夜间的云。光弧常呈向上射出亮度一般象满月夜间的云。光弧常呈向上射出活动的光带，光带往往为白色梢带绿色或翠绿活动的光带，光带往往为白色梢带绿色或翠绿色，下边带淡红色；有时只有光带而无光弧；色，下边带淡红色；有时只有光带而无光弧；有时也呈振动很快的光带或光幕。有时也呈振动很快的光带或光幕。27n大风大风n瞬间风速达到或超过瞬间风速达到或超过17.0米秒米秒(或目测估计或目测估计风力达到或超过风力达到或超过8级级)的风。的风。n飑飑n突然发作的强风，持续时间短促。突然发作的强风，持续时间短促。n出现时瞬间风速突增，风向突变，气象要素出现时瞬间风速突增，风向突变，气象

14、要素随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨出现。随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨出现。n瞬时风速达瞬时风速达8m/s以上维持以上维持1小时，然后突然小时，然后突然减小，维持时间平均风速达减小，维持时间平均风速达11m/s。2829303132天气现象的自动识别n降水类型的自动识别降水类型的自动识别n多采用光学、声波、雷达电磁波等探测技多采用光学、声波、雷达电磁波等探测技术。术。n降水粒子的大小、形状、降落速度和浓度降水粒子的大小、形状、降落速度和浓度导致了光信号的强度、频率等变化，基于导致了光信号的强度、频率等变化，基于此判别降水类型。此判别降水类型。3334生产厂家生产厂家国别国别型号型号1、Vaisal

15、a芬兰FD12P；PWD12；PWD222、Thies德国激光降水探测器3、BIRAL英国HSS/VPF-710 7304、OSI美国WIVIS；OWI5、OTT德国PARSIVEL光强衰减多要素判别法35由前向散射仪的原理，接收端接收的光强与测量区域的粒子数量和尺度有关，光强和降水量建立关系前向散射仪+雨水检测器+温度T 8 C deg 不会降雪T 0 C deg 不会下雨降水粒子光强闪烁法n当光束在雨中传播时，不仅因吸收和散射当光束在雨中传播时，不仅因吸收和散射现象而损耗，还因介质的不规则性，使光现象而损耗，还因介质的不规则性，使光束发生畸变。在任一瞬间，各个雨滴在接束发生畸变。在任一瞬间

16、，各个雨滴在接收平面上形成各自衍射图案。随着雨滴的收平面上形成各自衍射图案。随着雨滴的下落运动，接收平面上的图案也移动，此下落运动，接收平面上的图案也移动，此时探测器上光强起伏变化，产生光强闪烁时探测器上光强起伏变化，产生光强闪烁。光强闪烁与降水强度和粒子半径有关。光强闪烁与降水强度和粒子半径有关。36降水粒子下落速度法n降水一般服从降水一般服从Marshal-Palmer分布，而静分布，而静止空气中的雨滴落速服从止空气中的雨滴落速服从Gunn-Kinzer模模型。型。n其中参数=4.1*I (-0.21) (mm-1) ; n常数 N0=8000个/m3 式中；nN（D）是直径D-D+dD内

17、的雨滴数密度；n直径D的单位是mm；nI为雨强，单位毫米/小时。37降水粒子大小/末速度特征38无水成物粒子无水成物粒子吹雪吹雪降雪降雪毛毛雨毛毛雨39冻雨传感器nGOODRICH公司出品的冰水感传感器0872E3是一种专门用于测量降雨与冰雹天气的降水量的传感器。设计这个传感器是为了测量冰暴的强度和持续时间，并在温度接近零度时区分降雨和冻雨类型。结冰厚度最低可测量到0.13mm。冰感传感器可以提供实时的、完整的冰情数据用于地表观察。该产品拥有多种供电方式和通讯协议，可根据实际情况进行灵活配置。该产品可广泛应用于自动/人工气象站、广播电视塔、电力塔、石油平台、防结冰预报等领域。400871LH1

18、0872E341n降水降水：从天空降落到地面上的液态或固态从天空降落到地面上的液态或固态(经融化后经融化后)的水。的水。n降水量降水量：某一时段内的未经蒸发、渗透、流某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。以毫米失的降水，在水平面上积累的深度。以毫米（mm）为单位，取）为单位，取1位小数。位小数。n降水强度降水强度 ：单：单位时间或某一时段内的降水位时间或某一时段内的降水量，通常测定量，通常测定5分钟、分钟、10分钟和分钟和1小时内的小时内的最大降水量。最大降水量。42n人工观测人工观测12小时（每日北京时小时（每日北京时08、20时定时定时观测）和日降水量。时观测）和日

19、降水量。n自动观测每分钟、小时、日降水量。自动观测每分钟、小时、日降水量。437.1 降水量的测量n雨量筒：雨量筒：n构造：金属外层护套上部为一接水器，直径构造：金属外层护套上部为一接水器，直径 20cm，上缘采用一个圆环硬铜箍，节水口下，上缘采用一个圆环硬铜箍，节水口下为一漏斗，雨水收集后由漏斗注入到取样玻为一漏斗，雨水收集后由漏斗注入到取样玻璃瓶内。璃瓶内。 n放置：安装高度放置：安装高度70cmn使用：每天人工读取四次时段内的降水总量，使用：每天人工读取四次时段内的降水总量，用口径远小于雨量筒接水面积的特制量杯读用口径远小于雨量筒接水面积的特制量杯读水，精确至水，精确至0.05mmn加上

20、加热装置可测降雪量加上加热装置可测降雪量444546n用来连续记录液体降水的自记仪器，它由承用来连续记录液体降水的自记仪器，它由承水器水器(通常口径为通常口径为20cm)、浮子室、自记钟、浮子室、自记钟和虹吸管等组成和虹吸管等组成。有降水时，降水从承水器经漏斗进水有降水时，降水从承水器经漏斗进水管引入浮子室。浮子室是一个圆形容管引入浮子室。浮子室是一个圆形容器，内装浮子，浮子上固定有直杆与器，内装浮子，浮子上固定有直杆与自记笔连接。浮子室外连虹吸管。自记笔连接。浮子室外连虹吸管。降水使浮子上升，带动自记笔在钟筒降水使浮子上升，带动自记笔在钟筒自记纸上划出记录曲线。自记纸上划出记录曲线。当自记笔

21、尖升到自记纸刻度的上端当自记笔尖升到自记纸刻度的上端( (一般为一般为10mm)10mm)浮子室内的水恰好上升浮子室内的水恰好上升到虹吸管顶端。虹吸管开始迅速排水到虹吸管顶端。虹吸管开始迅速排水，使自记笔尖回到刻度，使自记笔尖回到刻度“0”0”线，又线，又重新开始记录。自记曲线的坡度可以重新开始记录。自记曲线的坡度可以表示降水强度。表示降水强度。由于虹吸过程中落入雨量计的降水也由于虹吸过程中落入雨量计的降水也随之一起排出，因此要求虹吸排水时随之一起排出，因此要求虹吸排水时间尽量快，以减少测量误差。间尽量快，以减少测量误差。4748单翻斗雨量传感器n该传感器也是用来自动测量降水量的仪器，该传感器

22、也是用来自动测量降水量的仪器，主要由承水器主要由承水器(口径为口径为159.6mm)、过滤漏、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。斗、翻斗、干簧管和底座等组成。降水通过承水器，再通过一个降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲翻转动作通过干簧管转成脉冲信号（信号（1脉冲为脉冲为0.1mm）传输到）传输到采集系统。仪器测量范围采集系统。仪器测量范围0-4mm/min。 4950n

23、双翻斗雨量传感器装在室外，主要由承水器双翻斗雨量传感器装在室外，主要由承水器(常用口径为常用口径为20cm)、上翻斗、汇集漏斗、计、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。采集器或量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。采集器或记录器在室内，二者用导线连接，用来遥测并记录器在室内，二者用导线连接，用来遥测并连续采集液体降水量。连续采集液体降水量。双翻斗雨量传感器与记录器连接作为连续测量降水量的仪器称为双翻斗雨量计。51n工作原理：工作原理：n测量雨滴经过一束光线时，测量雨滴经过一束光线时，由于雨滴的衍射效应引起光由于雨滴的衍射效应引起光的闪烁，闪烁光被接收后进的闪烁，闪烁光被接收后进行谱分

24、析，其谱分布与单位行谱分析，其谱分布与单位时间通过光路的雨强有关时间通过光路的雨强有关。光学雨量计527.2 激光云高仪n原理：原理：n发射低功率的激光束遇到云层将往下反射或者发射低功率的激光束遇到云层将往下反射或者散射回波，检测发射激光与回波信号的时间差散射回波，检测发射激光与回波信号的时间差 t ,t ,即可得到检测云层的高度即可得到检测云层的高度 h = ch = ct/2 t/2 (c(c为光速为光速) )Vaisala Ceilometer(model CL31)537.3 闪电定位系统n方位测定法：方位测定法：n这种仪器利用南北向和东西向的两个正交环形天线把这种仪器利用南北向和东西

25、向的两个正交环形天线把观测场地观测到的天电分成两个方向上的分量，再由观测场地观测到的天电分成两个方向上的分量，再由增益和相移都匹配的一对放大器把分量信号放大到适增益和相移都匹配的一对放大器把分量信号放大到适合处理的振幅。合处理的振幅。n时间到达法：时间到达法：n测定闪击的电磁波从落地点传播到探头所需的时间。测定闪击的电磁波从落地点传播到探头所需的时间。n以上两种方法都需要三个以上的测站才能准确定以上两种方法都需要三个以上的测站才能准确定位。位。54ADTD闪电定位网主要用来探测云地闪，并且能区分正负极性。ADTD闪电定位网由ADTD闪电定位仪、中心数据处理站、用户数据服务网络及图形显示终端组成

26、。性能指标探测效率： 80%-90%探测范围：0600km、平均300km 行定位处理，给出每个闪电回击的准确位置 测向精度：理论随机误差是0.5度回击分辨率：云地闪为3ms时间精度：相对世界时130ns环境温度：-40度到+55度工作温度：-40度到+80度相对湿度：0-100%降雨：7.6cm/hr 在风速为65km/h无故障时间: 30000小时以上 5556电场仪：测量大气电场电场仪：测量大气电场57天气现象监测系统n可以测量各种类型的可以测量各种类型的降水，包括雨、雨夹降水，包括雨、雨夹雪、冰雹、雪、混合雪、冰雹、雪、混合降水和大雾的精确量降水和大雾的精确量值和形态及速度。值和形态及

27、速度。n通过对空气中粒子的通过对空气中粒子的种类、大小、速度指种类、大小、速度指标的测量，分析给当标的测量，分析给当前天气现象实况。尤前天气现象实况。尤其适合交通领域的天其适合交通领域的天气现象的实况监测和气现象的实况监测和预警。预警。58The Vaisala Present Weather DetectorPWD22.59The surface of the capacitive precipitation sensor feels the amount of water that falls on it. When frozen precipitation collects on the surface it is heated in a carefully controlle