大气探测绪论

1第一章绪论

大气探测概述大气探测的发展概况大气探测学研究的对象、任务、特点探测原理探测仪器大气探测工作的基本要求综合气象观测系统21.1大气探测概述“气象探测，是指利用科技手段对大气和近地层的大气物理过程、现象及其化学性质等进行系统观察和测量。”——中华人民共和国气象法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。3大气运动的基本特点

空间范围广大运动永无休止影响因素繁多运动状态复杂4基本特性和要求准确性：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比较性：不同测站和不同时间的测量值能进行比较5大气边界层和近地面层大气边界层

大气与地面之间充分湍流化的气层厚度约为1千米，随时间和条件变化近地面层（常通量层，表面层）直接与地表接触、受地面强烈影响的气层厚度约为边界层的1/106大气结构特征

（对流层和大气边界层）7影响边界层的物理过程辐射传输过程：短波辐射，长波辐射热力传输过程：显热，潜热动力作用：平流，垂直运动，局地环流湍流运动：无规则，分类（机械、热力），特征，尺度谱，串级传递能量过程，湍流输送过程8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9气象观测系统按照传感器所处位置可分为天基观测、空基观测和地基观测系统。天基：传感器在中层大气之外的为天基观测，主要由低轨卫星和高轨卫星以及相应的地面应用系统组成；空基：传感器在地球表面以上、中层大气及以下的为空基观测，主要由气球探测、飞机探测和火箭探测组成；地基：传感器在地球表面的为地基观测，主要由地面气象观测、地基气候系统观测、地基遥感探测、地基大气边界层观测、地基中高层大气和空间天气监测、地基移动气象观测、地基气象观测运行监控和技术保障等组成。

气象观测系统的分类10111.2大气探测的发展概况人类对大气现象的认识；在生活和生产实践中的提炼和总结。经验性预测—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。121、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。中国最早发明了气象观测仪器。在西汉时（公元前104年），已盛行伣、铜凤凰和相风铜乌等三种风向器，到唐代又发展到在固定地方用相风鸟，在军队中用鸡毛编成的风向器测风。在西汉时还利用羽毛、木炭等物的吸湿特性来测量空气湿度。宋代曾有僧赞宁（公元10世纪）利用土炭湿度计来预报晴雨。关于降水的记录亦以中国最早，据《后汉代》记载，在当时曾要所辖各郡国，每年从立春到立秋这段时间内，向朝廷汇报雨泽情况，此后历代对各地雨情都很重视。13142、地面气象观测开始发展时期 这一长时期的特点是一系列定量测量地面气象要素仪器的出现和应用。从1643年到20世纪初的200多年里，是地面气象观测发展并趋于成熟的时期。1593年意大利学者伽利略（Galileo）发明液体玻璃温度表，1643年意大利学者托里拆利（Torricelli）发明了水银气压表。这两种重要仪器的出现，使气象观测大大向前跃进一步。特别是气压与天气变化的关系最直接，气压表当时曾被誉为天气的“眼睛”，是这一时期的标志性仪器。1783年索修尔（Soussure）发明毛发湿度表，在此前后，还发明了雨量器、风杯风速计以及黑白球日射表，等等。1653年在意大利北部首先建立气象台，此后其它国家亦相继建立地面气象观测站，开始积累气象资料。1802年拉马契克进行了云状分类，逐步发展了现今使用的云与天气现象的目测内容。在时间和地域上同步和连续的观测结果，对于天气预报的准确性具有重要意义，因而提出了建立气象台站网的要求，第一个气象台站网就是由拉马契克在欧洲建立的。

153、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。4、高空大气探测迅速发展时期自从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。165、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。17今后大气探测技术总的发展趋势是：

1．向综合探测方向发展。如地基与空基、天基，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。

18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…...GPS/MET卫星观测天气雷达观测其它观测闪电定位闪电定位卫星测臭氧臭氧探空农气农业海洋环境卫星测辐射辐射遥测辐射酸雨云图测风测雨测要素掩星技术T、V廓线地基总水量测风测温191.3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。203、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、大湿度、压力、风速、风向、降水、蒸发和辐射等。近地面层大气探测（0——3000米）观测项目包括：大气温度、大湿度、压力、风速、风向等。

21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。22

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。231.4探测原理1、直接探测将感应元件置放于测量位置上，直接测量大气要素的变化，根据元件的物理、化学性质受大气某种作用而产生反应的特点，构成~

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。242、遥感探测：探测元件不置放于测量物体上，测量大气要素的变化。根据大气中声、光、电等信号传播工程中性质的变化，反演出大气要素的时空变化。

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。25又分为：主动遥感、被动遥感两种主动遥感：设备具有声、光、电磁波发射源，在其测量空间中大气特性对其传播信号产生相应的吸收、散射、反射形成带有大气特征的回波信号。如：测云雨雷达被动遥感：直接探测来自大气的声、光、电磁波信号。如：气象卫星263、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。274、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。281.5探测仪器对气象仪器的要求：准确度（对于某一特定变量，按照规定的要求）；可靠性；操作与维护方便；设计简单（符合要求）；耐久；29仪器的主要性能指标准确度：准确度表示测量结果与被测量真值的一致程度。

测量范围：在保证主要技术性能情况下，仪器能测量的被测量的量值范围。分辨力：仪器测量时能给出的被测量量值的最小间隔。响应时间（滞后系数）被测量值阶跃变化后，仪器测量值达到最终稳定值的不同百分比所需要的时间。其中达到63.2％所需的时间称为仪器的时间常数。平均时间：求被测量平均值的固定时间段。采样速率：自动观测时获取被测量数据的时间间隔。30WMO对仪器测量准确度的定义：仪器误差分为系统误差和随机误差随机误差（Randomerror）：测量结果减去其平均值，该平均值是在可重复性条件下，对同一被测量进行多次测量得出的平均值。系统误差（Systematicerror）：在可重复条件下，对同一被测量进行多次测量求得的平均值减去被测量的真值。31一个完整的大气探测仪器或系统包括三部分：观测平台：安放仪器的设施，如：观测场观测仪器资料处理单元：将仪器输出的信号实时采集、处理、传送和存储32331.6大气探测工作的基本要求气象观测是在自然条件下进行的，由于近地面层的气象要素存在着空间分布的不均匀性和随时间变化的脉动性，因此地面气象观测必须具有代表性、准确性、比较性。代表性——观测记录不仅要反映测点的气象状况，而且要反映测点周围一定范围内的平均气象状况。地面气象观测在选择站址和仪器性能，确定仪器安装位置时要充分满足观测记录的代表性要求。在观测场选址时，特别是气候观象台、国家气象观测一级站，需要充分考虑台站观测环境的要求，符合《气象探测环境和设施保护办法》。例如：把测风仪器安装在高大建筑群中，不仅影响实际风速，风向也受到影响。34准确性——观测记录要真实地反映实际气象状况。地面气象观测使用的气象观测仪器性能和制订的观测方法要充分满足地面气象观测规范规定的准确度要求。在实际工作中观测记录的准确性主要是从气象各要素的观测仪器的技术性能要求去要求的，规范的观测方法和操作也是观测记录准确性所必须的。比较性——不同地方的地面气象观测站在同一时间观测的同一气象要素值，或同一个地面气象观测站在不同时间观测的同一气象要素值能进行比较，从而能分别表示出气象要素的地区分布特征和随时间变化的特点。地面气象观测在观测时间、观测仪器、观测方法和数据处理等方面要保持高度统一。351.7综合气象观测系统现代气象业务体系主要由公共气象服务业务、气象预报预测业务和综合气象观测业务构成，各业务间相互衔接、相互支撑。由国家需求引领公共气象服务业务发展，并通过公共气象服务业务发展需要引领气象预报预测业务和综合气象观测业务发展，科技、人才、装备保障和信息为其提供支撑。3637以国家气候观象台、国家气象观测站、区域气象观测站、卫星观测系统和移动观测系统为观测业务的主要平台，形成满足宽领域业务需求的国家气候监测网、国家天气观测网、国家专业气象观测网和区域气象观测网。——国家气候观象台（基准站）：主要依据中国气候系统委员会关于中国气候观测系统的设计原则和确定的重点气候观测区，结合世界气象组织（WMO）对全球气候观测系统（GCOS）和区域气候站网选择原则，在原有国家级观测站基础上择优选址确定。平均站间距约为200千米，以原国家基准气候站为基础，择优建设，并兼有国家气象观测站的功能。——国家气象观测站：基本站平均间距为100千米左右，分布相对均匀，优先考虑关键地区和敏感地区。一般站主要根据各地业务服务需求进行布设，重点补充西部地区，进一步改善国家级观测站网布局的密度、覆盖度和均匀性。除全部开展地面常规观测外，部分站根据观测布局要求，开展多普勒雷达、探空等项目观测。我国综合观测业务系统的总体布局38——区域气象观测站：根据中小尺度天气系统的典型空间和时间尺度特征，参考国际中尺度地面观测网的设计思路，并综合考虑各省（自治区、直辖市）的面积、观测要素需求、年平均降雨量和人口密度等多种因素确定。国家级业务负责全国观测业务运行监控，承担全国气象观测资料的收集、处理、评价和全国范围的观测产品制作，组织实施观测新技术、新方法、新仪器设备研究和新观测产品开发、业务化试验和考核。省级业务负责本省观测业务运行和监控，组织应急观测，承担本省范围的观测数据汇集、质量控制、评价和观测产品的制作。地县级业务负责本地区观测业务运行、质量管理和气象观测站的观测环境保护。39我国气象观测系统的现状地基观测系统全国多部门共建有4000多个各类气象台站。

*基准气候站：143个*基本气象站：577个

*一般天气站：1736个*大气辐射站：98个

*酸雨观测站：86个*沙尘暴监测站（一期）：46个

*土壤湿度观测站：433个

*农业气象观测站：624个

*大气本底站：4个

*闪电定位（地闪）：98个

*闪电定位（云间闪）：3个

*多普勒雷达站：101个。

404142434445空基观测系统──高空探测网

由单一的每天二次由气球携带随风飘移的无线电探空、测风发展到包括集成高空探控系统、风廓线雷达、地基水气遥感探测等构成的综合探测提供连续的高空资料。

全国目前共有120个高空气象探测站。目前我国已建成80部L波段数字式电子探空仪-二次测风雷达系统；中国气象局在全国利用飞机开展人工增雨作业，是目前业务中飞机观测最大的用途。

4647天基观测系统我国从20世纪70年代初期开始研制气象卫星，目前已经形成极轨和静止两个业务卫星系列。

地面系统形成了一个国家级的业务运行和数据处理中心（国家卫星气象中心），三个国家级气象卫星地面站（北京、广州和乌鲁木齐）组成的国家级地面系统；卫星数据的应用已拓展到业务和科学研究的许多方面。48极轨气象