《大气综合观测》复习资料祥解.docx

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《大气综合观测》复习资料祥解

PartI_地基微波辐射计在大气探测中的应用

1、紫外线：

uv-A（0.315-0.4）,uv-B（0.28-0.315）,uv-C（0.150-0.28）um

红外线：

近红外（0.7-2.5），远红外（2.5-1000）；微波：

1mm到1m波段。

2、地基微波辐射计：

微波辐射计是一种为了测量物质的微波辐射而设计的高灵敏度宽频带信号接收机。

微波辐射计通常因搭载平台的不同而分为星载微波辐射计、空基（机载）微波辐射计和地基微波辐射计等。

PartII_微波辐射计基本原理

1、辐亮度B（Radiance）：

单位辐射源表面积、单位时间、向单位立体角所辐射的能量，单位为Wm-2sr-1.

在Ωr内的发射功率为

辐射强度

天线接收功率

为天线的方向性函数

2、时的频率范围，称为带宽，也叫半功率带宽。

天线接收到的功率为：

自然界中天线的接收功率为

3、天线温度Te

在电子线路中，温度为T的电阻,产生输入到系统的热噪声功率为。

天线输出其后端接收机的功率，相当于一个温度为Te的电阻所产生的热噪声功率。

天线温度不是天线自身的物理温度，而是代表外来能量。

4、辐射计系统：

天线＋传输线＋接收机

天线：

物理温度，有损耗即“有吸收就有热辐射”，功率透射系数。

传输线：

物理温度通常也是Tp，信号损耗因子1。

理想传输线L=1

接收机：

现实接收机＝无噪声接收机＋等效热噪声源

为系统噪声功率，相当于在传输线的输入端口（就是天线的输出端口）输入的总功率。

5、天线方向性函数

天线温度TA成为从天线所指方向射入天线的亮温度TBβ。

这就是我们所要的信息，代表（0，0）方向上被测目标物的辐射状态（如物理温度，辐射物质含量等）。

6、微波辐射计被动地测量目标物在某个频率附近发射的热辐射功率。

工作频率：

辐射计本振频率，中频为，因此进入天

线可以被测量的微波频率可以是或

系统的增益:

Gs称之为辐射计系统的增益

系统的灵敏度:

B为辐射计系统的带宽，τ为积分时间。

7、全功率辐射计与Dicke辐射计

（1）全功率：

天线连续接收外来热辐射（不是脉冲式的）。

缺点：

系统增益GS若不稳定，则破坏了Tout与Tsys的确定关系。

（2）Dicke辐射计：

脉冲式的接收外来辐射，解决接收机内部噪声Tr和增益不稳定性的影响。

与增益是否稳定无关。

PartIII_辐射传输理论

1、辐射亮温度权重函数：

在辐射传输路径上某点附近介质的透过率变化率

记为

定义和的高度变化率分别为下行和上行辐亮温的权重函数：

W↓总是在z=0时取得最大值，随高度的增加逐渐减小到0。

W↑在某一高度取得最大值。

对于波长λ，权重函数廓线的最大值所在的高度称为峰值高度（Zλ），权重函数廓线的最大值的一半所在的高度称为半峰全宽度（△Zλ）.

2、地基遥感的权重函数

●频率为f的某一通道接收到的能量来自于权重函数不为0的大气薄层内，权重函数最大值所处的高度为薄层的代表高度。

●能量大小：

由大气薄层内温度，即大气中分子的温度和分子的含量决定，分子的种类与频率有关。

●通过权重函数的应用可以进行温度和湿度遥感。

●选取一系列的不同频率来测量不同高度上的大气温度和湿度。

PartIV_廓线反演理论

大气温湿廓线的1DVAR反演

1DVAR是一种基于最优估计法的非线性反演技术，数值预报模式能够为最优估计法提供更好的初始猜测值。

优点

●1DVAR的方法可以对微波辐射计的探测和数值预报模式的输出进行有效的耦合

●数值预报模式可以提供给1DVAR更优的初始猜测值

缺点

●运算时间比较长●迭代收敛问题

地基微波辐射计在气象上的应用价值：

●地基微波辐射计可以在无人值守的情况下全天候、不间断的提供连续的大气温度、湿度和云中液态水含量资料。

●对云液态水和大气廓线测量，为人工影响天气选择最佳作业时机提供依据，也可以作为天气预报有效的参考资料。

●地基微波辐射计提供的大气温度、湿度和云中液态水含量资料可以作为数值预报模式的输入以改进数值预报模式对灾害性天气的预报精度。

对天气预报的改进：

●由于缺少实时的数据尤其在灾害性天气频发的低对流层，使得目前短期预报（<12hr）能力还相当薄弱。

●地基微波辐射计可以实时获得准确的大气温度和湿度数据。

●地基微波辐射计可以实时获得与降水、大气能见度和雾等天气现象密切相关大气的水汽和液态水含量。

●实时的、准确的大气温湿廓线和云中液态水含量是改进短期天气预报的关键因素。

Char1大气边界层&湍流

1、大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。

大气边界层定义：

由于各种尺度（空间和时间）湍流涡旋的动力和热力过程，将下垫面的强迫作用（动量、热量和水汽、二氧化碳等物质）影响扩散所及高度的大气层。

存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素具有明显的日变化特征的低层大气层。

2、大气边界层研究方法

理论研究（纯理论、经验、半经验）

野外实验观测（直接获取资料，基础）

实验室物理模拟（可控制、可重复等）

数值模拟（促进、指导、支持和补充）

3、大气边界层的基本特征

（1）湍流是边界层大气的主要运动形态。

热力因素（热力湍流），动力因素（机械湍流）。

气流和风的三种主要形态：

平均风——对水平方向的输送贡献较大；湍流——对垂直方向的输送贡献较大；波动

（2）气象要素存在明显日变化。

白天边界层称为对流边界层（不稳定边界层），其厚度可达几百米甚至几千米。

夜间边界层称为稳定边界层或夜间边界层，厚度较低只有一两百米。

4、大气边界层垂直结构

根据湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力对不同层次空气运动作用的大小，把大气边界层分为三层：

粘性副层：

紧靠地面，分子粘性力>>湍流切应力。

典型厚度小于1cm，忽略。

近地面层（surfacelayer）：

从粘性副层向上到50-100m，厚度约为边界层厚度10%。

这层内大气运动呈明显湍流性质，且湍流通量随高度变化很小，也成为常通量层。

埃克曼层（上部摩擦层）：

从近地面层向上到1-1.5km。

湍流摩擦力、气压梯度力、科氏力量级相当。

5、大气边界层的分类：

不稳定、稳定和中性

6、湍流的主要特征

（1）不规则性和随机性

（2）扩散性（3）大Reynolds数性质（4）涡旋性

（5）耗散性（6）连续性（7）流动性

7、湍流的产生

热力作用：

地面的太阳加热使暖空气热泡上升，形成湍涡。

动力作用：

地面对气流的摩擦拖曳力产生风切变，常常演变为湍流。

8、泰勒假设

在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。

（湍强不太大风速不太小均匀湍流平稳湍流）

9、湍流控制方程组

气体状态方程+连续性方程+运动方程+热力学能量方程+水汽守恒方程

Char2大气边界层观测

1、大气边界层探测分类

直接探测：

边界层探测中的常用观测平台包括观测塔、系留气球、等容气球、无线电探空仪、观测飞机等。

间接探测：

边界层探测的间接探测方法代表性的有微波雷达、声雷达、激光雷达和无线电声学探测系统等。

2、观察原则

地面气象观测记录必须具有代表性、准确性、比较性

3、地面观测场环境要求（XX气象观测场）

地面气象观测场是取得地面气象资料的主要场所，地点应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。

观测场四周必须空旷平坦，避免建在陡坡、洼地或邻近有铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方。

避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。

地面气象观测场四周障碍物的影子应不会投射到日照和辐射观测仪器的受光面上，附近没有反射阳光强的物体。

观测场一般为25m×25m的平整场地，场地应保持均匀草坪，确因条件限制，也可取16m（东西向）×20m（南北向）。

观测场四周一般设置1.2m高的稀疏围栏，内设0.3-0.5m宽的小路，围栏不宜采用反光太强的材料。

观测场围栏的门一般开在北面。

场内仪器线缆应埋设于地下。

4、塔体效应

用于安装感应元件的铁塔、伸臂和支架可以影响气流，因此在测量梯度和通量时会引起误差。

铁塔由于结构数小和空隙大，可以考虑将元件安装于略大于塔体处的迎风方向。

对大多数边界层观测，元件安装不小于铁塔最大截面的1.5倍。

如只需一层观测时，则可考虑安装于铁塔顶部。

Char3湍流通量观测

1、通量：

是指单位时间通过单位面积的流体对某物理量的输送。

流体运动可分解为平均运动和脉动运动两部分

2、为什么关注通量观测

（1）在气候预测、天气预报等全球尺度和中尺度模式以及污染扩散模式、城市街渠模式和大涡模拟等微尺度数值模式中，下垫面的湍流通量参数化是十分关键的敏感问题，直接决定模式的模拟能力。

（2）全球变化研究是当今国际科技研究的热点问题。

为了获得地气之间CO2、水和能量交换的第一手资料，全球相继建立了大量的湍流观测站并组成了观测网络——全球通量观测网（Fluxnet）和全球城市通量观测网（Urban-Fluxnet）

3、湍流通量获取的基本方法

涡动相关法、波文比法、空气动力学方法

4、涡动相关法测量地气通量的基本原理

●地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；

●涡动相关法测量地气通量是从物质和能量守恒方程出发，经过一系列的简化而得到的

5、涡动相关通量观测系统常用仪器

超声风速仪、H2O、CO2开路分析仪、辐射传感器、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤热通量板、土壤水分传感器、冠层温度传感器

6、超声风速仪的工作原理

超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。

声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。

若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。

因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。

通过计算即可得到精确的风速和风向。

由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

7、CO2/H2O开路分析仪工作原理

观测的气象要素：

q和C的瞬时量。

Li-7500利用水汽和二氧化碳对红外辐射吸收的波段不同可以同时观测水汽和二氧化碳的摩尔浓度

8、热电偶温度传感器工作原理

热电效应原理：

两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触点的温度存在差异时，回路中就会有电流通过，两接触点间形成电势差，电势差的大小与温度差有关。

观测的气象要素：

瞬时温度。

FW05即是运用热电效应原理制作的热电偶温度传感器。

当热电偶的测量端与基准端的空气温度存在差异时，两者之间形成电势差因此，可以通过测量两端的电势差来测量热电偶两端的温度差。

优点：

观测精度高，无需进行订正；缺点：

易损坏，不宜用于长期观测。

6、涡动相关系统的架设与日常维护

超声风速仪与H2O/CO2分析仪架设在同一高度，H2O/CO2分析仪不能靠超声风速仪太近

超声风速仪与H2O/CO2分析仪均指向盛行风方向

如果使用金属丝热电偶温度仪（FW05）则架设在超声风速感应探头中间

KH20安装高度与超声风速仪高度一致。

H2O/CO2分析仪的维护：

（1）光路清洁

（2）更换干燥剂

维护频率：

在常规观测期，至少每个月一次；在加强观测期，最好每天一到两次。

维护内容：

1.仪器设备和电缆等是否有人为破坏和自然损坏；

2.检查供电系统是否工作正常；

3.检查仪器是否正常工作，做好仪器清洁维护；

4.检查数据采集器是否工作正常，各观测量是否合理；

5.更换存储卡，取回近期的观测资料。

7、湍流资料处理步骤

（1）瞬时资料（观测资料）——单位转换、野点剔除、坐标旋转、去趋势

（2）通量订正——超声虚温订正、水汽CO2的密度订正、频率响应订正

（3）质量控制——QC/QA结果分析

（4）EC系统观测通量的物理基础：

大气定常；湍流充分发展；下垫面水平均匀

单位转换：

将仪器输出电压转换成对应物理量，检验数据各物理量单位是否统一

剔除野点：

野点类型：

1.环境因子（雨、雪、尘粒等对声程、光程的干扰；瞬时断电等）

2.仪器因素（电子电路、电缆、电源不稳定等）

30min的资料，一般野点数不超过10~100，否则剔除

1.仪器诊断标志检查（diag_CSAT3,diag_Li-7500≠0）

2.瞬时值或平均值超过物理上的合理范围（超阈值）

3.方差检验、偏度峭度检验、不连续性检验等

坐标旋转：

涡动相关法成立的基本假设之一：

平均垂直风速

因此应尽量满足：

地势平坦、下垫面均一，仪器安装w轴尽量垂直于平均风。

因此需要进行坐标旋转

1.旋转法；二维坐标旋转（DR）三维坐标旋转（TR）2.平面拟合法

去趋势：

根据雷诺分解，从瞬时值中去除平均量获取湍流脉动量

8、资料质量控制

剔除：

仪器故障

处理过程中引入伪信号

不满足EC系统适用条件

印痕区域以外的源区贡献

显著降水时段资料

8、湍流平稳性、充分性检验

湍流平稳性是指一个观测时段内主要的统计量保持稳定。

以30min为例，

（1）将观测时段（30min），分为6个子时段，每个5min；

（2）对30min观测，计算总体协方差CV30；

（3）分别计算各子段的协方差（CV1,CV2,CV3,CV4,CV5,CV6）及其均值CVm=∑CVi/6；

（4）计算非平稳指数：

IST=∣（CVm-CV30）/CV30∣

充分性检验就是测量的垂直风速方差和摩擦速度的比值与根据莫宁-奥布霍夫相似理论模拟值的符合程度检验，可用总体湍流特征系数（ITC）表示：

σw是垂直速度的方差

8、能量平衡闭合：

是指利用涡动相关仪器直接观测的潜热和感热通量之和与净辐射能量、土壤热通量、热储存项之和之间的平衡。

公式：

H+LE=Rn-G-S-Q

H+LE湍流热通量，Rn-G-S-Q有效能量或可利用能量。

湍流热通量与有效能量相等时，称为能量平衡闭合；反之，则能量平衡不闭合。

9、能量平衡不闭合的主要原因

（1）通量观测中的采样误差

涡动相关系统测量的通量面积与净辐射、土壤热通量仪器的测量面积不相同会带来湍流能量与有效能量之间的不平衡。

（下垫面的不均匀带来很大误差）

（2）测量仪器的系统误差

（3）其他能量源汇项的忽略（能量Q的大小不可忽略）

（4）高、低频湍流通量的损失

（5）平流的影响（地形有较大起伏的地区和夜间湍流很弱时能量平衡均很难闭合）

10、辐射观测与印痕分析

净辐射表测量的面积是以净辐射表为中心，以一定半径（与辐射表的安装高度有关）为圆的下表面面积。

该测量面积一般不随时间、风速、风向而变化。

涡动相关系统所测量的湍流通量面积大致成椭圆形，随着风速和风向的转变而改变，椭圆长轴偏向盛行风方向。

11、湍流通量计算方法——波文比法和空气动力学法

Bowen比法是基于能量平衡方程和湍流K理论的一种计算湍流热通量的方法。

●优点：

简易，而且最后得到的通量与地面能量收支其他分量平衡

●缺点：

在有些时间，例如日出尤其是日落时，Δq与Δθ很小，方程失效

梯度法估算通量的优缺点：

●优点：

用花钱少的慢速响应传感器就能测量到平均廓线，然后再从平均廓线中推导出通量。

●缺点：

（1）通量和平均廓线之间的关系是经验参数化；

（2）廓线形状有时还受诸如粗糙度或零平面位移等因子的变化而变化；（3）因为采用近地层相似，所以只能计算地面通量；（4）对于城市这样高度复杂的下垫面的地表通量，此时M-O相似理论是否成立还需要进一步的研究，因此还能否使用梯度法估算通量也需要进一步的研究。

独家资料By：

CynthiaChen