大气探测学 培训教案.pptx
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大气探测学 培训教案.pptx
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北京大学物理学院大气科学系刘树华,大气探测学,郑重致谢声明,在制作本课程多媒体教材中所用资料过程中得到中国气象局培训中心主任王强教授、北京大学物理学院大气科学系主任李万彪博士、蒋浩宇同学、中国气象局、甘肃省气象局宋连春局长、中国科学院中国科学院生态网络站、中国科学院地理研究所、中国科学院寒区旱区研究所马耀明等很多同志和单位的帮助,谨表示衷心感谢。
第一章绪论,&1.1大气探测学的发展概况&1.2大气探测学研究的对象、任务和特点&1.3大气探测学原理&1.4大气探测学仪器&1.5大气探测的代表性和可比性&1.6大气探测学的发展趋势&1.7复习思考题,2、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。
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。
发展简史气象要素定量测量阶段:
16世纪气象仪器出现,高空探测发展阶段:
大气遥感探测阶段:
20世纪20年代无线电探空20世纪40年代后雷达卫星,现代大气探测是综合性探测系统的发展,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,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可比较性:
不同测站和不同时间的测量值能进行比较,大气结构特(对流层和大气边,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1/10,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,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,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影响,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,气象业务组织,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。
基准站计划布设型站,基本站计划布设型站,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。
观测场内仪器设置,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。
&1.1大气探测学的发展概况,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。
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。
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。
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。
&1.2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(-110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。
近地面层大气探测探测(03000米)观测项目包括:
大气温度、大湿度、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。
&1.3探测原理,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地原理。
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。
&1.4探测仪器,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x,相应仪器示度改变量为y,则灵敏度表示为:
y/x,例如:
玻璃温度表的灵敏度的单位为mm/1。
10mm/15mm/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5
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