大气综合探测

地球大气综合探测刘红年南京大学/大气科学学院

Earth

AtmosphericSounding2013年3月1日中国气象局四大研究计划2009-2014天气研究计划气候研究计划应用气象研究计划综合气象观测研究计划综合气象观测研究计划领域1：地面气象观测仪器设备领域2：高空大气探测仪器设备领域3：地基遥感探测设备与技术领域4：卫星遥感探测基础性与前沿性技术领域5：气象观测方法领域6：气象观测产品领域7：气象观测数据信息标准及传输共享技术领域8：气象观测保障领域9：综合气象观测系统业务布局及外场观测试验2012年度自然科学基金——科学仪器基础研究专款

申请与资助情况

统计类别科学部受理申请情况资助平均强度（万元）项数金额（万元）项数金额（万元）数理5617177.8372170310化学7321786.93123650304.17生命154270.7---地球5416254.9153900300工程与材料7120735.02761760293.33信息14743888.71185360297.78医学4613609.8241160290合计462137723.9325015000300内容概要一、教材二、授课计划三、教学大纲四、考试五、绪论一、教材《大气综合探测教程》讲义二、授课计划具体如下：刘红年—地/空大气探测部分共30学时；彭珍—边界层探测部分共9学时；

赵坤—雷达气象部分共6学时谢旻—大气成分探测共6个学时；金龙山—负责实验部分共40个学时。教学内容共分3篇18章和附录－实验，合计100个学时。

三、教学大纲

绪论第一篇地/空大气探测第二篇大气边界层探测

第三篇大气成分探测

附录第一篇地/空大气探测

第1章气象变量探测总体要求

第2章云、能见度、天气现象观测

第3章温度、湿度、气压、地面风的观测第4章降水、积雪、蒸发与土壤温/湿度的测量

第5章辐射和日照时数的观测第6章现代气象台站观测特征

第7章高空风、温、湿、压的测量

第8章气象雷达第9章卫星遥感和GPS探测第10章地球大气探测系统的质量保证

第二篇大气边界层探测第11章大气边界层塔层观测第12章边界层经纬仪气球探测

第三篇大气成分探测

第13章大气成分探测概论

第14章大气颗粒物的测定

第15章大气微量气体组分的测定第16章大气干湿沉降的测定

第17章环境空气质量的连续监测

第18章

大气成分的遥感探测

附录：大气探测实验实验1：单经纬仪测风实验2：双经纬仪测风及编程计算实验3：低空探空仪测温实验4：温度表的误差：滞后误差与辐射误差实验5：热敏电阻测量温度实验6：超声风温仪观测及数据处理实验7：自动气象站观测及数据处理实验8：系留气艇边界层探测系统及数据处理实验9：环境空气质量监测四、考试平时成绩占总成绩的20%：根据上课、课堂提问、课后作业的质量综合考虑；本课程将在学期中间有一个期中考试，成绩占20%；期末考试成绩比列占60%；考试方式：笔试、闭卷进行。致谢本课件在制作过程中，参考了国内外众多专家学者已发表的文献资料及有关学术报告，此外，还包含了国内大气研究单位、兄弟院校（中科院大气物理研究所、北京大学等）一些教学材料，有些已作了引用标记，有些未作标记。在此说明以示感谢！⑴大气探测概述⑵地球大气探测的发展简史⑶大气探测学研究的对象、任务和特点⑷探测原理⑸基本特性和要求⑹大气探测的代表性和可比性⑺大气探测发展趋势⑻气象业务组织及状况⑼我院现有大气探测设备复习思考题五、绪论最早的大气探测——天气和气候谚语：早霞不出门，晚霞行千里； 天上勾勾云，地上雨淋淋。

随着科学技术的发展，对天气现象的一些定性的、经验性的推断—发展到借助仪器—定量测定—发明了各种探测大气现象的仪器。⑴大气探测概述地球大气发生的变化依赖于大气探测灾害天气气候变化大气环境大气探测是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。大气探测是大气科学的重要分支，是大气科学的基础，并使基础理论与现代科学技术相结合，形成多学科交叉融合的独立学科，处于大气科学发展的前沿。中华人民共和国气象法第十一条国家依法保护气象设施，任何组织或者个人不得侵占、损毁或者擅自移动气象设施。第十二条未经依法批准，任何组织或者个人不得迁移气象台站。中华人民共和国气象法第十九条国家依法保护气象探测环境，任何组织或者个人都有保护气象探测环境的义务。第八章附则第四十一条气象探测环境，是指为避开各种干扰保护气象探测设施准确获得气象探测信息所必需的最小距离构成的环境空间。中华人民共和国气象法第二十条禁止下列危害气象探测环境的行为：（一）在气象探测环境保护范围内设置障碍物、进行爆破和采石；（二）在气象探测环境保护范围内设置影响气象探测设施工作效能的高频电磁辐射装置；（三）在气象探测环境保护范围内从事其它影响气象探测的行为。气象探测环境保护范围的划定标准由国务院气象主管机构规定。各级人民政府应当按照法定标准划定气象探测环境的保护范围，并纳入城市规划或者村庄和集镇规划。1.创始时期

直到16世纪末发明第一批大气探测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，但不能对大气现象进行连续记录。

2.地面气象观测开始发展时期1593年，意大利人伽利略（G.Galileo)发明了气体温度表；1643年，托里拆利（E.Torricelli）发明水银气压表；1659年，瑞士德索修尔（H.B.desaussure)发明毛发温度表；1665年，波义耳（R.Boyle）发明酒精温度表；1803年，拉马契克进行了云状的分类观测。1825年，赫歇尔（Herchel）发明太阳辐射表；

3.高空大气探测的开始发展时期自从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探测大气状况以后，陆续有人采用系留气球、飞机及火箭携带仪器升空，进行高空大气的探测的。⑵地球大气探测的发展简史4.高空大气探测迅速发展时期在1919年法国人巴洛（R.Burean)第一次用无线探空仪探测大气后，前苏联、德国、法国、芬兰等国家都开始研制无线电探空仪，及其它高空风探测技术，为高空大气探测事业开辟了新的途径。这是大气探测向高空发展的第一次突破。

5.大气探测的遥感时期1940年开始用测风雷达追踪气球进行高空风的测量，1945年第二次世界大战结束前夕，美国将雷达首次应用于气象观测。在40年代中期以后，发射了气象火箭，探测到100km以下大气层的要素，后来发射的探空火箭,把探测高度伸展到了500km。这可以说是大气探测史上的第二次突破——高度的突破。

6.大气探测的卫星遥感时期

1960年4月美国第一颗气象卫星泰罗斯——1号发射成功；1966年地球静止卫星云图传真成功，为主要标志。大气探测不仅从根本上扩大了探测范围，也提高了对大气过程探测的连续性。一颗极轨气象卫星昼夜不停地向地球发送全球气象观测资料。使探测大范围大气参量的连续变化成为可能，这可以说是大气探测事业的第三次突破——探测范围的突破。⑶大气探测学研究的对象、任务、特点

1、大气探测是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、连续的观测和测定；为天气、气候预测预报诊断分析提供第一手资料。 包括：直接探测（仪器的感应部分直接置于探测的大气介质中）；遥感探测（遥感探测技术手段）和目测项目（云、天气现象的演变过程）。

2、《大气探测学》是从事大气科学研究、教学的基础。为天气、气候诊断分析、预报及环境保护部门、国家及全球气象资料网络系统等提供大气观测资料。

3、随着科学技术的发展，大气探测的要素量和空间范围越来越大。

大气探测分为近地面层大气探测、高空大气层探测和专业性大气探测。

近地面层大气探测：主要是对近地层大气状况进行观测和探测。包括：地面气象观测和近地面层大气探测

地面气象观测（-1—10米，标准气象观测站的风速、风向观测高度为10米）、观测项目包括：云、能见度和天气现象状况，地温，大气温度、大气湿度、压力、风速、风向、降水、蒸发和辐射等。

近地面层大气探测探测（0—3000米）观测项目包括：大气温度、大气湿度、压力、风速、风向等。

高空大气探测：对3000米以上的大气层状况进行探测。探测的项目主要有：大气温度、压力、风速、风向和湿度等。专业性和研究性项目的大气探测：如区域大气环境容量研究；大气边界层特征研究；城市热岛环流研究；海陆风场研究；峡谷风场研究等。根据研究项目需要大气探测的项目。

近几十年来，作为主动遥感的各种气象雷达探测（可对上百公里范围内的雷暴分布及其结构进行连续探测）和作为被动遥感的气象卫星探测，以及地面微波辐射探测等能获得较多信息的大气探测方法，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。⑷探测原理直接测量：感应元件置于待测介质之中，根据元件性质的变化，得到描述大气状况的气象参数。包括现场测量和遥测方式；遥感探测：根据电磁波在大气中传播过程中信号的变化，反演出大气中气象要素的变化。可以分为主动遥感和被动遥感两种方式。1、直接探测：

探测器（感应元件）直接放入大气介质中，测量大气要素。应用元件的物理、化学性质受大气作用而产生反应特性的原理。如：探空仪上的热敏电阻测温原理。温度变化——电阻值变化——电动势变化——电讯号频率变化——温度变化； 利用金属的热胀冷缩原理，制成的温度计测量大气温度。2、遥感探测：通过大气中传播的要素信息反演出大气要素的时空分布。如：天气雷达测云雨，是根据雷达波对云内含水量的回波强度分布及其结构，实现对云雨的连续探测。微波辐射计测定大气湿度，是根据大气中的水汽在1.35cm波长处有强烈的辐射吸收作用的原理。3、施放示踪物质向大气施放具有光学或金属性质的示踪物质，利用光学方法或雷达观测其随气流传播和演变规律，由此计算大气的流动状况。例如：利用固定升速的气球携带碳棒到要求高度后，气球爆炸，用雷达观测碳棒示踪物在大气层中运动轨迹的回波强度；若施放荧光物质，可采用光学照相方法；若施放化学物质SFS（硫氟化硫），可采用化学分析方法。用以研究大气层的扩散能力。4、模拟实验风洞模拟：模拟大气层边界层风、温及区域流场状况。在大气环境规划、区域大气污染控制等研究中起到深入了解研究区域大气流动规律的作用。如：城市、区域规划；建筑物风压实验等。缺点：无法精确模拟大气边界层中的温度层结。水槽模拟：模拟大气层环流、洋流、建筑物周围环境流场特征。可调控温度场，模拟大气边界层的温度层结，施放示踪颜料，可很形象地了解边界层温度层结和扩散规律。准确性：反映测量值与真实状况误差大小的程度代表性：探测值代表一定空间范围和时间段的平均状况可比较性：不同测站和不同时间的测量值能进行比较⑸基本特性和要求气象仪器的主要性能灵敏度：单位待测量的变化所引起的信号输出值的变化精确度：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。稳定性：仪器性能随时间的变化率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。仪器的性能包括：1、精确度：仪器的精确度是指测量值与实际值的接近程度。一般应该包括仪器的精密度和准确度。精密度——若干独立测定值彼此之间的符合程度。准确度——仪器的测量值（已做各种订正后）与真值的符合程度。精密度考察的是连续测量值彼此相互之间的接近程度。反映的是随机误差大小的程度，常以标准偏差与平均值之比来表示，其值越小，精密度越高。准确度考察的是测量值与实际值的接近程度。反映的是系统误差和随机误差的合成大小，常用相对误差来表示，其值越小，准确度越高。探测仪器的精确度决定于感应元件的灵敏度和惯性。2、灵敏度：仪器的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Δx,相应仪器示度改变量为Δy，则灵敏度表示为：Δy/Δx例如:玻璃温度表的灵敏度的单位为mm/1℃。

10mm/1℃＞5mm/1℃灵敏度与仪器精确度相配合，例如精确度为0.1℃的温度表，能读出0.01℃。

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。3、惯性（滞后性）仪器的惯性——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；大气湍流探测仪器的惯性就要求很小，不然的话，仪器就会将高頻湍涡过滤掉；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。4、分辨率仪器的分辨率——最小环境改变量在测量仪器上的显示单位。它和量程及灵敏度有关，仪器性能的改变也会影响分辨率。5、量程仪器的量程——仪器对要素测量的最大范围。它取决于所测要素的变化范围。如：利用一支温度表测量某一地区常年气温，则要求其量程—20℃＜t＜50℃，-20℃和50℃为该地区100年一遇的最低、最高气温。CO2仪的量程则要考虑植物光合作用的日变化。⑹大气探测的代表性和可比性大气探测是在自然的动态条件下进行的。由于大气是湍流介质，形成被测气象要素随空间和时间的非均匀性和脉动性。但是大气探测资料又往往是用于区域或全球的大气运动的整体诊断和分析，因而，要求气象台站的观测资料必须准确的代表某一地区的大气特征，又能做到相互比较，以了解地区间的差异。所以，要求大气探测资料应具备：代表性和可比性。

气象参数的波动性

M（t）=M+m

气象测量的分辨率时间分辨率，空间分辨率代表性问题观测场地的选择和仪器架设条件对测量的一定的影响

1、代表性代表性是指所测得的某一要素值，在所规定的精度范围内，不仅能够反映观测站该要素的局地情况，而且能够代表观测站周围一定范围内该要素的平均情况。代表性分空间代表性和时间代表性。空间代表性：观测站观测资料代表性的好坏，原则上可以从台站地形是否具有典型性方面进行评定。站址的选择、观测站的建立需要考虑空间的代表性，防止局地地形地物造成大气要素不规则变化。一般说来，平原地区的台站资料代表性较好，山区、城市台站资料代表性较差。局地环境对气象测量的影响

地理环境和地形地表性质、建筑物下垫面表面粗糙度下垫面热力不均匀城市环境时间代表性：大气要素的观测，只有同时性才有可比性。2、比较性指不同测站同一时间测得同一大气要素值，能够进行相互比较，并显示出要素的地区分布特征；另外，也指同一测站不同时间的同一大气层要素的比较，以说明要素随时间的变化特点。观测资料的比较性是建立在一致的基础上，即要求观测时间、观测方法、仪器类型、观测规范、台站地理纬度、地形地貌条件等的一致性。没有这些一致性，也就谈不上比较性。⑺大气探测技术的发展趋势①向综合探测方向发展。如地基与空基，遥测遥感与大气观测，常规与非常规观测。②向系统性方向发展。研制和开发新型设备。从而集信息的获取、预处理及传输为一体化。③向遥测遥感自动化方向发展。自动化遥测遥感设备将逐步取代器测和部分目测项目。④向高精度方向发展。探测的精度主要是指时空上高分辨率，探测数据高准确性。⑤探测仪器向多功能、小型化方向发展。

从人工观测到自动化遥测进一步到遥感探测；从模拟到数字化；从地基观测向空天基探测空基SPACE地基INSITE高空观测特种观测专业观测闪电观测廓线观测器测目测雷达测雨测风经纬仪测风人工遥测……GPS测风导航测风雷达风无线电探空自动站遥感飞机观测飞机遥测地基辐射计测水汽…...闪电定位卫星测臭氧闪电定位云图测风测雨测要素卫星测辐射辐射遥测臭氧探空农气辐射酸雨农业海洋环境掩星技术T、V廓线测风测温

GPS/MET地基总水量卫星观测其它观测天气雷达观测地面观测⑻气象业务组织及状况基准气候站：一般300-400公里设一站，每天观测24次。基本气象站：一般不大于150公里设一站，每天观测8次。一般气象站：一般50公里左右设一站，每天观测3次或4次。高空气象站：一般300公里设一站，每天探测2次或3-4次。基准站计划布设Ⅰ型站基本站计划布设Ⅱ型站观测项目观测项目地面气象观测场观测场四周空旷平坦，所取得的资料应具有较好的代表性；经纬度（精确到分）和拔海高度（精确到0.1m）刻在石桩上，埋设在场内；观测场一般是25mX25m的平整场地，保持均匀草坪，草高不超过20cm，不准种植作物；设1.2m高稀疏围栏，内设0.3-0.5m宽小路，且只准在小路上行走，小路下建线缆沟或埋设线缆管。观测场仪器设置

气象综合探测系统发展的基本特点

以遥感手段特别是基于空间的

卫星遥感技术为主要探测手段,以遥测手段特别是基于地基的遥测系统为综合探测的基准系统；

ProgressofComprehensiveDetectingSystem

1.气象卫星MeteorologicalSatellite2.多普勒天气雷达dopplerweatherradar3.大气监测自动化系统AtmosphericobservingautomationProject4.沙尘暴监测系统DustStormDetectingSystem5.气候监测系统GCOS/CCOS气象卫星探测系统中国风云气象卫星

FYMeteorologicalSatellite极轨气象卫星FY-1静止气象卫星FY-2PolarorbitingGeostationary

FY-1ASept.7,1988FY-1BSept.3,1990FY-1CMay10,1999FY-1DMay15,2002FY-2AJun.10,1997FY-2BJun.25,2000全球空基观测系统

ACombinationofGeostationaryandPolarOrbitingSatellites.65.Characteristicsofthe10-Ch.VIRRofFY-1CFY-1C/D

对

FY-1A/B的改进

辐射计通道由5个增加到10个,更加强了云和环境的观测能力FY-1C/D有三类资料CHRPT:直接广播,格式与NOAA的HRPT一样，传输速率是其2倍即1.3308MbpsGDPT:延迟全球图像传输,4个通道,4km分辨率，资料存储能力从60分钟增加到300分钟，能逐日进行全球覆盖观测.LDPT:延迟局地图像传输,10个通道,1km分辨率，20分钟在轨观测资料，针对全球任何地方.ProgressofComprehensiveDetecting

System1999年12月6日国务院批准未来十年气象卫星发展计划：两种系列气象卫星将实现业务化运行共计发射十颗卫星,投资52亿。

ProgressofComprehensiveDetectingSystem

FY-2B2000年6月25发射

FY-1D2002年5月15日发射

FY-2C,D,E将分别在2003/2006/2009发射

第二代风云气象卫星

FY-3A,B,分别在2004/2006发射

FY-3C,D，分别在2008/2010发射

FY-4A在2010发射我国极轨气象卫星序列风云一号A(FY-1A)1988.9.7试验三轴稳定、5通道、设计寿命一年风云一号B(FY-1B)1990.9.3试验三轴稳定、5通道、设计寿命一年风云一号C(FY-1C)1999.5.10业务三轴稳定、10通道、设计寿命两年风云一号D(FY-1D)2002试验三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号B(FY-3B)2006试验三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号C(FY-3C)2008业务三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号D(FY-3D)2010业务三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年我国静止气象卫星序列风云二号A(FY-2A)1997.6.10试验自旋稳定、3通道、设计寿命三年风云二号B(FY-2B)2000.6.25试验自旋稳定、3通道、设计寿命三年风云二号C(FY-2C)2003业务自旋稳定、5通道、设计寿命三年风云二号D(FY-2D)2006业务自旋稳定、5通道、设计寿命三年风云二号E(