天氣現(xiàn)象的觀測儀器

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1、第七章 天氣現(xiàn)象的觀測儀器 序v云和天氣現(xiàn)象這類目測內(nèi)容將改為儀器觀測v天氣現(xiàn)象大致分為六類：地面凝結(jié)降水霧雷電光1.強風(fēng)相關(guān) 7.1 降水量的測量v雨量筒：構(gòu)造放置使用 7.1 降水量的測量（續(xù)）v翻斗式雨量計：構(gòu)造原理缺點 7.1 降水量的測量（續(xù)）v光學(xué)雨量計：工作原理：測量雨滴經(jīng)過一束光線時，由于雨滴的衍射效應(yīng)引起光的閃爍，閃爍光被接收后進(jìn)行譜分析，其譜分布與單位時間通過光路的雨強有關(guān)。光學(xué)雨量計的結(jié)構(gòu)圖 7.1 降水量的測量（續(xù)）儀器的輸出接口：vRS 232vRS 485v模擬電壓儀器輸出信息號通過帶通濾波器。輸出信號的數(shù)值及其組合可以得到降水強度及其降水性質(zhì)的信息。 7.2 激光

2、云高儀v原理：發(fā)射低功率的激光束遇到云層將往下反射或者散射回波，檢測發(fā)射激光與回波信號的時間差 t ,即可得到檢測云層的高度 h = ct/2 (c為光速)v工作原理框圖7.7v最大探測高度可達(dá)7.5km。 7.3 能見度v能見度反映了大氣透明的程度。v觀測能見度是通過辨別目標(biāo)物（距離為已知的）的能見與否，來進(jìn)行的?！澳芤姟本褪悄軐⒛繕?biāo)物的輪廓從天空背景上分辨出來；“不能見”就是目標(biāo)物完全與天空背景融合，連它的大概情況都看不出時，才算“不能見”v地面氣象觀測中，主要觀測水平能見度，以能見距離米數(shù)或相當(dāng)級數(shù)來記錄。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.1 影響能見度的因子和能見度的定義一、影響能見度的因

3、子v大氣透明度v目標(biāo)物和背景的性質(zhì)亮度對比 Kv K=1 目標(biāo)最清晰v K=0 目標(biāo)不能見v觀測者的視覺性能眼睛的對比視覺 1. K 目標(biāo)物才能見 7.3 能見度（續(xù)）7.3.1 影響能見度的因子和能見度的定義二、能見度的定義v氣象能見度的定義：正常人的視力，在當(dāng)時天氣條件下，所能看到的以天空為背景的絕對黑體目標(biāo)物（視角較大）的最大水平距離。v有效能見度的定義：四周視野中二分之一以上范圍里都能看到的最大距離。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測一、能見度目標(biāo)物的選擇v目標(biāo)物顏色越暗越好v目標(biāo)物應(yīng)投影到天空背景上v目標(biāo)物的視角不應(yīng)小于0.31.目標(biāo)物的高度角應(yīng)小于6 7.3 能見度（

4、續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測二、目標(biāo)物圖的編制v目標(biāo)物選定后，要測定觀測點與目標(biāo)物的距離和目標(biāo)物所在的方位。對近距離的目標(biāo)物，可用卷尺、測繩等方法測定距離；遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物可用經(jīng)緯儀、平板儀、測距儀(測遠(yuǎn)機或激光測距儀)等測定，或從大比例尺的地圖上量取。目標(biāo)物的方位可用經(jīng)緯儀或指北針測定。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測v目標(biāo)物的距離、方位測定后，應(yīng)按表的格式進(jìn)行登記，并繪制能見度目標(biāo)物分布圖。繪圖方法：一般是先在紙上畫九個同心圓。圓心代表觀測點，自近而遠(yuǎn)地每圈分別代表0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0千米的距離。然后把所有目標(biāo)物按其所

5、在方位、距離，分別標(biāo)在相應(yīng)的位置上。近距離的目標(biāo)物也可單獨繪制，以使圖象更為清晰。v當(dāng)選定的目標(biāo)物情況有改變，或被其它物體遮蔽而不能繼續(xù)觀測時，應(yīng)另選目標(biāo)物代替，并將情況記入能見度日標(biāo)物(燈)登記表的備注欄。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測三、白天能見度的觀測v應(yīng)在固定地點觀測，根據(jù)“能見”的最遠(yuǎn)目標(biāo)物來決定觀測時的能見度的級數(shù)，計入觀測薄。v在拍發(fā)天氣報告的時間還應(yīng)加計能見度的米數(shù)。如果各方向能見度不一致，則應(yīng)以當(dāng)時的有效能見度為準(zhǔn)。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.3 夜間能見度觀測v夜間由于光照條件限制，能見度觀測最好是用發(fā)光物體(如燈光)作為目標(biāo)物，根據(jù)燈光強度和距離，查出

6、相應(yīng)的能見距離。在無條件利用目標(biāo)燈進(jìn)行觀測的情況下，則只能根據(jù)天黑前能見度的變化趨勢、當(dāng)時天氣現(xiàn)象和氣象要素的變化情況，結(jié)合實踐經(jīng)驗加以估計。v夜間觀測能見度時，應(yīng)先在黑暗處停留至少五分鐘，待眼睛適應(yīng)環(huán)境后進(jìn)行觀測。 7.3 能見度儀v大多數(shù)的能見度測量儀器，是根據(jù)下述兩個原理之一來設(shè)計的：(a)測量一個長空氣柱的衰減系數(shù)或消光系數(shù)；(b)測量一個小空氣體積對光的散射。v這兩類儀器，包括用眼睛進(jìn)行測量的儀器和用光電裝置進(jìn)行測量的儀器。v視覺型測量的主要缺點是，如果觀測員未能用充分時間使他的眼睛習(xí)慣于黑暗環(huán)境，觀測就會有相當(dāng)大的誤差。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.1 透射式能見度儀v這類儀器，

7、在聚光鏡焦點處放有光電裝置。當(dāng)距儀器遠(yuǎn)至幾百米處的小發(fā)光器發(fā)出光束時，由光電裝置測定其輻射出射度的減弱情況。v除了上述發(fā)光器外，只要對主要光電裝置采取妥善的防光措施，使之不受其它光線的照射，這類儀器就不僅用于夜間也可在白天使用?，F(xiàn)在這類儀器已被廣泛采用，甚至在陽光充足的條件下也在使用這樣的儀器。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.1 透射式能見度儀v這類儀器在操作和使用方面的特點，使它特別適合于航空氣象觀測的需要。v但是這并不排除在基本天氣觀測或氣候觀測方面的使用，因為此測量簡而易行。v缺點是此儀器所測的大氣注長度常小于氣象光學(xué)視稱，一般認(rèn)為這個距離太短。不過這可以通過擴(kuò)展觀測時段，在該時段內(nèi)進(jìn)行

8、一系列觀測而部分地得到彌補。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v光在大氣中的衰減雖然是由大氣中塵埃、煙霧和氣體微粒的散射和吸收效應(yīng)兩者所引起的，但吸收效應(yīng)常常是可以忽略不計的，因而消光系數(shù)就可被認(rèn)為等于散射系數(shù)。據(jù)此，測量散射系數(shù)的儀器就可用來得到氣象光學(xué)視程。v最方便的測量方法是把一束光匯聚到一小塊氣體體積里，再用光度測定法確定光在足夠大的立體角里和在非關(guān)鍵方向上的散射比例。只要能完全遮蔽來自其它光源的干擾，這樣的儀器在白天和夜間就都可使用。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v由于不需要長的光程，在沒有用以估計氣象光學(xué)視程的目標(biāo)物成光源可用時，這種儀器應(yīng)是有用

9、的。v但它有缺點，即觀測時的空氣采樣體積非常小，可能不能完全代表外部的空氣。這一缺點在某種程度上是可以克服的，辦法是取相當(dāng)數(shù)量的讀數(shù)的平均值。如果要想使空氣的有效體積大大增加，則應(yīng)采用測量后向散射的儀器。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v后向散射儀，通常在其殼體的上面、下面或里面彼此并排并且?guī)缀跏瞧叫械匕惭b發(fā)光器和收光器。v這類儀器優(yōu)于前面所述儀器之處，就在于其對大氣的采樣體積要比前者大得多。 7.4 閃電定位系統(tǒng)1、引言v天電，可定義為大氣中閃電放電產(chǎn)少的電磁波。v閃電常常迅速釋放居大能量，因而有可能對幾千公里遠(yuǎn)的天電源定位。v人們已經(jīng)查明，一些其它現(xiàn)象如陣雪也能產(chǎn)生類似的

10、效果，但它們只是局地性的。v 般來說，天電源的定位是探測雷暴的一個手段，能為天氣分析與預(yù)報提供有價值的觀測資料。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）2、定義v天電：是大氣中閃電放電產(chǎn)生的電磁波。v陰極射線定向儀：是種無線電定向儀，其中有兩個相同的、指向相配合的天線系統(tǒng)用來按收信號，并在一個雙通道按收機中放大，然后加到陰極肘級管的電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上。v天電源地：是一群天電的源地(風(fēng)暴中心)。v當(dāng)?shù)亻W電計數(shù)器：記錄一個站周圍閃電總次數(shù)的儀器。v天電定位：是從天電觀測中推斷的電閃估計位置。 v源：是天電發(fā)生源地。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測的目的與應(yīng)用v借助于天電數(shù)據(jù)對雷暴活動區(qū)的定位，為氣象工作

11、者提供有價值的補允資料。v對于觀測站稀少的廣大海洋或其它地區(qū)，這種資料尤為可貴。v它也能提供氣團(tuán)的不穩(wěn)定性以及鋒面、颮線、熱帶風(fēng)暴和龍卷的位置和移動的線索，并能幫助對過去天氣過程的研究。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測的目的與應(yīng)用v出于天電定位確定的雷暴是飛行的主要危險，所以氣象航空服務(wù)也可以從天電資料中受益。這是因為雷暴中有劇烈的空氣運動和閃電，有可能襲擊并損壞飛機。提供給機組和航空調(diào)度人員的天氣預(yù)報，會因為包含有最新的天電資料而得到改善。v通過了解正在發(fā)生的雷暴活動區(qū)，可以大大幫助選擇一條無雷暴航線。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測的目的與應(yīng)用v還有一些共它部門，也受閃電電

12、擊的影響。v例如，閃電電擊是地面上方的輸電電纜之類的設(shè)施易受損壞的一個原因。v當(dāng)用炸藥開礦時電擊也是一個危險，電擊還會引起森林火災(zāi)等。v天電觀測，可用來提供這些危險的警報。通過自動報警系統(tǒng)可以直接發(fā)布局地警報，而通過預(yù)報員的解釋則可以發(fā)布地區(qū)范圍的警報。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測的目的與應(yīng)用v天電測量系統(tǒng)覆蓋的范圍，對于局地報警系統(tǒng)而言可達(dá)幾十公里，對于區(qū)域報警系統(tǒng)則可達(dá)200到400km。v而對于一般的氣象目的而言，其范圍則可擴(kuò)展到1500km或更遠(yuǎn)。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）4、天電觀測儀器定向儀v方位測定法：這種儀器利用南北向和東西向的兩個正交環(huán)形天線把觀測場地觀測到的天

13、電分成兩個方向上的分量，再由增益和相移都匹配的一對放大器把分量信號放大到適合處理的振幅。v時間到達(dá)法：測定閃擊的電磁波從落地點傳播到探頭所需的時間。v以上兩種方法都需要三個以上的測站才能準(zhǔn)確定位。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）5、美國的全國性閃電探測網(wǎng)v共99各探頭，2/3的探頭是一種將方位測定法和時間到達(dá)法結(jié)合的探頭，稱作Impact探頭。v整個儀器還配置有GPS信號接收機，作為精確的時標(biāo)信號。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）5、美國的全國性閃電探測網(wǎng)vImpact探頭的不足：它接收的是閃擊電磁波的LF波段信號，以地波傳播為主，因此地形的起伏，下墊面的干濕程度均會導(dǎo)致傳播時間的誤差，對儀器的接地要

14、求很高。它沒有分辨云內(nèi)正極性閃電的能力。v彌補：另1/3探頭只有電場天線，只應(yīng)用時間到達(dá)定位技術(shù)的LAPTS探頭，它可以探測云地和云內(nèi)的閃擊。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）6、法國Dimensions公司的閃電定位v仍是利用方位定位法，但拋棄了十字正交形磁場天線。v天線組共有8根天線單元，布置在一個圓環(huán)上，嚴(yán)格均勻分布在360度之內(nèi)，保持各個天線單元相距在45度。v閃電電磁場處在不同方位時，各個天線接收的信號產(chǎn)生一定的相位差。如果設(shè)置兩組天線分別測量水平和垂直平面上的相位差，可以測定閃擊的方位角和仰角，比較簡單地分辯出對地閃擊以及云內(nèi)閃擊。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）6、法國Dimensions

15、公司的閃電定位v這種天線系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于十字正交磁場天線45倍。vDimensions公司同時把接收頻段設(shè)在無線電波成直線傳播的VHF波段，大約在110118MHz，避免了Impact系統(tǒng)的許多缺點。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）7、閃電定位技術(shù)要求的指標(biāo)v能分辨出云地閃擊和云間閃擊；對云、對地閃擊應(yīng)能分辨出首次以及隨后各次的閃擊。v對于大的閃擊，如峰值電流在16KA以上的閃擊探測效率為90%。v閃擊落地的定位精確度應(yīng)到達(dá)500m。 7.5 其它v介紹三種與天氣現(xiàn)象儀測的小型元件。 7.5.1 下墊面狀態(tài)探頭v這種探頭首先使用于高速公路的自動站系統(tǒng)中，英文稱 Pavement Surface

16、Sensor。v它實際上是一個組件，包括：一支地面溫度表一支淺層土壤溫度表一片電導(dǎo)板一片電化學(xué)極化板v探頭示意圖7.25v該元件只能定性地輸出地表的幾種狀況，包括干、濕潤、濕、化學(xué)性濕潤、霜、雪和結(jié)冰。 7.5.2 電線結(jié)冰探測器v該元件工作原理與振筒式氣壓表相識，物理學(xué)上稱作磁致伸縮原理。v一根鎳合金的薄壁管在線圈激振器的作用下，產(chǎn)生約40kHz的本振頻率。鎳管的上半截暴露在空氣中，下半截與激振線圈和拾振線圈安置在儀器盒內(nèi)。v當(dāng)出現(xiàn)電線結(jié)冰的天氣現(xiàn)象時，裸露在空氣中半截鎳管同樣發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致本振頻率發(fā)生變化，管壁上結(jié)冰達(dá)到0.5mm厚時，本振頻率大約可降低113Hz。 7.5.3 紅外輻射地表溫度表v用玻璃溫度表測低溫有諸多問題。v有效的地溫測量方法是測量它在該溫度下的紅外輻射通量，再換算成地表溫度值。v紅外輻射溫度表的探測波長范圍可選在0.720m，一般的儀器多采用814m波段。