大气探测4251.doc

气象观测工作的组织
观测站的分类：
（1）国家基准气候站（基准站）
是国家气候站的骨干；一般300-400公里设一站，每天观测24次。
（2）国家基本气象站（基本站）
是国家天气气候网中的主体；一般不大于150公里设一站，每天观测8次。
（3）国家一般气象站（一般站）
是国家天气气候站的补充；一般50公里左右设一站，每天观测3次或4次。
（4）无人值守气象站（无人站）
用于天气气候站网的空间加密；观测项目和发报时次可根据需要而定。
（5）高空气象站：一般300公里设一站，每天探测2次或3-4次。
观测场设置：
(1) 观测场一般为25m×25m的平整场地；确因条件限制，也可取16m（东西向）×20m（南北向），高山站、海岛站、无人站不受此限；需要安装辐射仪器的台站，可将观测场南边缘向南扩展10m。 
(2) 要测定观测场的经纬度（精确到分）和拔海高度（精确到0.1米），其数据刻在石桩上，埋设在观测场内的适当位置。 
(3) 观测场四周一般设置约1.2m高的稀疏围栏，围栏所用材料不宜反光太强。场地应平整，保持有均匀草层（不长草的地区例外），草高不能超过20厘米。对草层的养护，不能对观测记录造成影响。场内不准种植作物。 
(4) 为保持观测场地自然状态，场内铺设0.3-0.5m宽的小路（不用沥青铺面），只准在小路上行走。有积雪时，除小路上的积雪可以清除外，应保护场地积雪的自然状态。 
(5) 根据场内仪器布设位置和线缆铺设需要，在小路下修建电缆沟或埋设电缆管，用以铺设仪器设备线缆和电源电缆。电缆沟（管）应做到防水、防鼠，并便于铺设和维护。 
(6) 观测场的防雷必须符合气象行业规定的防雷技术标准的要求。
仪器设施布置：
要注意互不影响，便于观测操作。具体要求： 
(1) 高的仪器设施安置在北边，低的仪器设施安置在南边； 
(2) 各仪器设施东西排列成行，南北布设成列，相互间东西间隔不小于4 m，南北间隔不小于3m，仪器距观测场边缘护栏不小于3m； 
(3) 仪器安置在紧靠东西向小路南面，观测员应从北面接近观测仪器；
 (4) 辐射观测仪器一般安装在观测场南面，观测仪器感应面不能受任何障碍物影响。
(5) 因条件限制不能安装在观测场内时，总辐射、直接辐射、散射辐射、以及日照观测仪器可安装在天空条件符合要求的屋顶平台上，反射辐射和净全辐射观测仪器安装在符合条件的有代表性下垫面的地方。
⑹北回归线以南的地面气象观测站观测场内设施的布置要考虑太阳位置的变化进行灵活掌握，使观测员的观测活动尽量减少对观测记录代表性和准确性的影响。
时制、日界和对时：
时制：
人工器测日照采用真太阳时，辐射和自动观测日照采用地方平均太阳时，其余观测项目均采用北京时。
日界：
人工器测日照以日落为日界，辐射和自动观测日照以地方平均太阳时24时为日界，其余观测项目均以北京时20时为日界。
对时：
⑴台站观测时钟采用北京时。
⑵自动气象站以采集器的内部时钟为观测时钟；值班员每天19时正点检查屏幕显示的采集器时钟，当与北京时相差大于30秒时，在正点后按自动气象站操作手册规定的操作方法调整采集器的内部时钟。
⑶未使用自动气象站的台站，观测用钟表要每日19时对时，保证误差在30秒之内。
气象仪器的属性：
灵敏度：测量仪器的响应变化除以相应的激励变化。（灵敏度可依赖激励性）。
识别率：测量仪器响应激励值微小变化的能力。
分辨率：指示器件对被指示量的紧密相邻值作有意义的辨别的能力的定量表示。
滞差：测量仪器对确定的激励作用的响应特性，表现为与先前的激励结果有关
稳定度（仪器的稳定性）：仪器维持计量特性随时间不变的能力。
漂移：测量仪器的计量特性随时间的缓慢变化。
响应时间：响应受到特定突变激励与响应到达并保持在其规定的最后稳定值时刻的时间间隔。
滞后误差：由于观测仪器的有限响应时间而使一组测量可能具有误差。

大气探测的“三性”要求（简述）
大气探测工作是在自然条件下进行的，由于气象要素随时、随地在不断地变化，而且仪器本身也受到许多复杂因素的影响，所以大气探测是一种复杂的动态测量过程。为便于了解大气整体的运动变化规律，大气探测资料必须具有代表性、准确性、比较性。
“三性”是大气探测工作的基本要求。
代表性：
测站的观测记录不仅要反映测站的气象状况，而且要反映测站周围一定范围内的平均气象状况，确保观测地点的代表性，观测数据取样平均的代表性。
准确性：
测量值与真值一致的程度。观测记录要真实反映实际大气状况。
比较性：
不同测站在同一时间观测的同一气象要素值，或同一测站在不同时刻观测的同一气象要素值能进行比较，从而能分辨出气象要素值的地区分布特征和随时间变化的特点。
三性”的联系：
互相联系、互相制约
观测资料的代表性是建立在准确性的基础之上的，没有准确性也就谈不上代表性。
只有准确性而没有代表性的观测资料，也是难以使用的。
观测资料的比较性，也必须以代表性和准确性为前提，因为如果观测资料既无代表性，又无准确性，也就没有了时空比较的意义。
什么是云
云是由大气中水汽凝结（凝华）而形成的微小水滴、过冷水滴、冰晶、雪晶，由它们单一或混合组成的，形状各异飘浮在天空中可见的聚合体。
其底部不接触地面
云的宏观观测：
判定云状 估计云量 测定云高 选定云码
云状分类
我国地面气象观测规范中，按云的外形特征、结构特点和云底高度，将云分为三族，十属，二十九类。
云形成的基本条件
形成云的两个条件：
（1）空气中水汽达到饱和（关键）
（2）大气中存在凝结核或冰核
使水汽达到饱和的方式：
（1）水汽含量不变，空气降温冷却（主要）
（2）空气温度不变，增加水汽含量
（3）既增加水汽，又降低温度
降温冷却过程的方式：
（1）绝热上升冷却（主要）
（2）混合冷却
（3）辐射冷却
对流云的演变：

Ci not Cs
↑ ↗
Cs fil← — — Cb cap — — →As op
/ ↑ \ ↖
/ Cb calv \ ↘ Ns
↙ ↑ ↘
Sc cug← — —Cu cong — — →Ac cug
↖ ↑ \
＼ ∣ \
＼ ∣ ↘
Cu hum ← — → Fc
测定云高
各云属常见云底高度范围

气象能见度的目测
人工观测能见度，一般指有效水平能见度。
有效水平能见度：是指四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离。
如某一目标物轮廓清晰，但没有更远的或看不到更远的目标物时，可参考下述几点酌情判定：
⑴ 目标物的颜色、细微部分（如村庄的单个树木、远处房屋的门窗等）清晰可辨时，能见度通常可定为该目标物距离的五倍以上；
⑵ 目标物的颜色、细微部分隐约可辨时，能见度可定为该目标物距离的二倍半到五倍；
⑶ 目标物的颜色、细微部分很难分辨时，能见度可定为大于该目标物的距离，但不应超过二倍半。
应考虑目标物的大小，背景颜色，以及当时的光照等情况。
气象光学视程:
是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度，用来表示大气透明度。（能见度用气象光学视程表示）
透射式能见度仪
原理：采用测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光（透射）系数而算出能见度。
适用范围：仅用于一些对能见度测量要求较高的测站，如机场；或是做为散射仪的检定标准。
散射仪有三类：前向散射型、后向散射型、侧向散射型
天气现象：
是指发生在大气中和近地面上的一些物理现象。包括降水现象、地面凝结现象、视程障碍现象、大气光学现象、雷电现象，也包括一些风的特征。
台站经常观测的天气现象共34种

特征和符号
降水现象：

雷电现象：
雷暴：为积雨云云中、云间或云地之间产生的放电现象。表现为闪电兼有雷声，有时亦可只闻雷声而不见闪电
闪电：为积雨云云中、云间或云地之间产生放电时伴随的电光。但不闻雷声。
风暴现象：
大风：瞬间风速达到或超过17.0米／秒（或目测估计风力达到或超过8级）的风。
飚：突然发作的强风，持续时间短促。出现时瞬间风速突增，风向突变，气象要素随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨出现。
龙卷：一种小范围的强烈旋风，从外观看，是从积雨云底盘旋下垂的一个漏斗状云体。有时稍伸即隐或悬挂空中；有时触及地面或水面，旋风过境，对树木、建筑物、船舶等均可能造成严重破坏。
尘卷风：因地面局部强烈增热，而在近地面气层中产生的小旋风，尘沙及其它细小物体随风卷起，从地面向上扩展，形成尘柱。直径超过2 m，高度在10m以上。多形成于干燥地区的春季、夏季午后。
记录规定：
(1) 天气现象按出现的先后顺序记录。下列天气现象应记录开始与终止时间(时、分)：雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、雾、雨淞 、雾淞、吹雪、雪暴、龙卷、沙尘暴、扬沙、浮尘、雷暴、极光、大风。
(2) 飑只记开始时间。凡规定记起止时间的现象，当其出现时间不足一分钟即已终止时，则只记开始时间，不记终止时间。
(3) 下列天气现象不记起止时间：冰针、轻雾、露、霜、积雪、结冰、烟幕、霾、尘卷风、闪电。
(4) 天气现象正好出现在20时，不论该现象持续与否，均应记入次日天气现象栏；如正好终止在20时，则应记在当日天气现象栏。
（5）凡同一现象一天内出现两次或以上时，其第二次及之后出现的起止时间，可接着第一次起止时间分段记入，不再重记该现象符号。
（6）大风的起止时间，凡两段出现的时间间歇在15分钟或以内时，应作为一次记载；若间歇时间超过15分钟，则另记起止时间。
例如：某日大风实际出现时间是：
1302－1304 1306－1307
1322－1325 1341－1342 1344－1345
则观测簿应记为： 1302－1325 1341－1345
(7) 最小能见度的记录规定：
沙尘暴、雾、雪暴以及浮尘，烟幕、霾等现象出现能见度小于1.0km时，都应观测和记录最小能见度，记录加方括号“[ ]”。
每一现象出现时，每天只记录一个最小能见度。
最小能见度是指最小有效水平能见度，以m为单位取整数。
(8) 雷暴记录：起止时间和开始、终止方向。

起止时间记法：
以该系统第一次闻雷时间为开始时间，最后一次闻雷时间为终止时间。
两次闻雷时间相隔15分钟或以内，应连续记载。
如仅闻雷一声，只记开始时间。
温标：
（1）摄氏温标（℃）（2）华氏温标（℉）（3）热力学温标（K）
三种温标间的换算关系：

玻璃液体温度表
构造原理：
构造：其感应部分是一个充满液体的玻璃球或柱，一根一端封闭的玻璃毛细管与它相连。
常用的测温液体有水银、酒精和甲苯等。温度表可以根据不同的测温目的，选用不同的测温液。
原理：是利用装在玻璃容器中的测温液体随温度改变引起的体积膨胀，从液柱位置的变化来测定温度的。
最高温度表:
它的感应部分内有一玻璃针，伸入毛细管，使感应部分与毛细管之间形成一窄道。
最高温度表的测量原理：
升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数，水银被挤进毛细管内；但在降温时，毛细管内的水银不能通过狭缝退回到球部，水银柱在此中断。因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。
当观测完时，需要由人工将毛细管中的水银复位。
最低温度表:
感应液是酒精，它的毛细管内有一哑铃形游标。
观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。
升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝通过，游标不动；
温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动。
因此，游标指示的温度只降不升，远离球部的一端将指示出一定时段的最低温度。
双金属片温度计
是自动记录气温连续变化的仪器。
由感应部分、传递放大部分、自记部分组成。
如果固定双金属片的一端，另一端作为自由端可以随温度变化自由移动，那么自由端的位移量和温度的变化是何关系呢 ?
设温度为0℃时，双金属片是平直的，其长度为L0 ；
当温度为ｔ时，双金属片产生了弯曲，由于两个金属片的膨胀系数不一样，因此，其长度分别为：
Ｌ1＝L0 (1+α1t)
Ｌ2＝L0 (1+α2t)
弯曲的双金属片可视为以Ｒ为半径（以焊接面计算即双金属片的中间），以Ｏ点为圆心的一段圆弧，圆心角为ψ弧度。如果取双金属片的厚度分别为h1、h2 ，则其长度又可表示为:
可解出：

若此时，双金属片焊接面自由端的位移量为λ，则：
λ＝Ｒ－ＲcosΨ =2Rsin2(Ψ/2)
当Ψ很小时，可以认为：
Ｒ≈L0/Ψ, sin2(Ψ/2)≈(Ψ/2 )2=Ψ2/4

因此，双金属片自由端位移量的大小是与温度变化成正比的，故温度自记纸具有等分的刻度。
热电偶温度表
热电原理：
将两个不同的金属导体，连接成一个闭合回路。由于不同导体的自由电子密度不同，在接触处就会发生电子的扩散，若两端接触点的温度不同，就会产生温差电动势，回路中就有电流产生，这种现象叫热电现象。这种装置称为热电偶或温差电偶。
金属电阻温度表
测量原理：
金属导体电阻的阻值随温度的升高而增大，根据电阻和温度的这种关系，只要测定金属电阻的阻值，就可知导体所处环境的温度。
热敏电阻温度表
测量原理：
半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，因此它具有负温度系数。这是因为当温度升高时，半导体内载流子受热激发，使载流子浓度大大增加，从而使半导体电阻值急剧下降。
RT=A•eB/T
根据电阻和温度的这种关系，只要测定电阻的阻值，就可知半导体所处环境的温度。
地温的测量
安装位置：地面三支表放在地段中央偏东，按0cm、最低、最高自北向南平行排列，感应部分向东，在南北一条线上，表间距5cm。
草温和雪温观测的切换应在20时进行。
气温测量中为什么要防辐射？
由于太阳的直接辐射和地面的反射辐射等影响，会使测温元件的表示度与实际气温存在差异，在白天强日射的情况下，将使元件温度高于气温，导致较大的误差。
空气湿度
测量湿度的仪器主要有：干湿球温度表、毛发湿度表、通风干湿表、湿度计和湿敏电容湿度传感器等。
表示空气湿度变化的参量
混合比r：空气中水汽质量mv与干空气质量ma之比。单位用千克／千克 。

比湿q：空气中水汽质量mv 与空气总质量mv+ma之比。单位用千克／千克。
水汽压e：空气中水汽部分的压力，单位用hPa，取一位小数,Ｐ为气压。
相对湿度：空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比。以百分数（％）表示，取整数。U=e/E×100％
饱和水汽压Ew和Ei：水汽中的水汽压不能无限制的增加，在一定温度下，能够容纳的水汽含量有一个极限值，如果超过这个极限值，就会有一部分水汽凝结成液态水或凝华成冰，这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。分为水面Ew和冰面Ei两种。
露点温度td ：空气在水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度。单位以摄氏度(℃)表示，取一位小数。当空气中的水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同t =td ，而水汽未达到饱和时，t ＞td 。
td与t的差值就表示了空气距饱和的程度。
干湿球温度表
垂直悬挂，球部向下，干球在东，湿球在西，球部中心距地面1.5m高。
湿球球部包扎一条纱布，其下部浸到一个带盖的水杯内。杯口距湿球球部约3cm，杯中盛蒸馏水（只允许用医用蒸馏水），供湿润湿球纱布用。
测湿原理
1、 空气未达到饱和 2、湿球表面水分蒸发 3、消耗蒸发潜热 4、湿球温度下降 5、四周空气与湿球产生热交换达到平衡状态 6、湿球温度不再下降 7、维持稳定干湿球温差
干湿表测湿公式：
融冰观测：
目的：是使湿球上的纱布有足够的水分（或冰衣），保持湿球表面有良好的蒸发，以获得正确的湿球示度。
融冰时间：当风速、湿度中常时，在观测前30分钟左右进行；湿度很小，风速很大时，在观测前20分钟以内进行；湿度很大，风速很小时，要在观测前50分钟左右进行。
气温在-10.0℃或以上湿球纱布结冰时，观测前须进行湿球溶冰。
毛发湿度表：
工作原理：
毛发在重锤的作用下，始终处于拉紧状态。当空气湿度增大时，毛发因吸湿而增长，固定在曲柄上的球状重锤便下移，带动指针轴和指针顺时针偏转，相对湿度示值增大；当相对湿度减小时，吸附在毛发上水蒸发，毛发缩短，指针反时针偏转，相对湿度示值减小。
液体气压表
利用一定长度的液柱重量直接与大气压力相平衡的原理。常用测温液体有水银、油、甘油。
空盒气压表和气压计
利用空盒的金属弹力和大气压力相平衡的原理。
沸点气压表
利用液体的沸点温度随气压变化而变化的特性测量气压。
膜盒式电容气压传感器
利用真空膜盒，当大气压力产生变化时，弹性膜片产生形变引起电容量的改变，通过测量电容量来测定气压。
振筒式气压传感器
弹性金属圆筒在外力作用下发生振动，当筒壁两边存在压力差时，其振动频率随压力差变化。
压阻式气压传感器
利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上，通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由压电效应知道电阻值随气压变化而变化，通过测量电阻值来测量气压。
水银气压表：
g以纬度为45°的海平面为标准,9.80665m/s2。
定槽式水银气压表表身刻度要比动槽式短一些，在我国1mmHg的实际长度只有0.98mm。
注意事项：
水银气压表的读数要依次经过仪器差、温度差、纬度重力差、高度重力差订正后，就可获得本站气压值。
计算时一律取两位小数，最后本站气压只要精确到一位小数（百帕）。
为什么要进行水平气压的订正（计算）
为了比较各地气压的高低，便于分析气压场，必须把各地的本站气压统一订正到海平面上，这种订正称为海平面气压订正。
动槽式和定槽式水银气压表的构造及工作原理。
水银气压表为什么要进行读数订正？试说明各项订正的物理意义。
风速：
是空气质点在单位时间内所移动的水平距离。以米/秒为单位，定时观测取整数，自记记录取一位小数。
最大风速：是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值。
极大风速(阵风)：是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。
瞬时风速：是指三秒钟的平均风速。
EL型电接风向风速计
风速部分：
当风杯转动时，带动涡轮，并通过拨钩推凸轮一起转动。风速电接簧片的一端在凸轮表面滑动，当凸轮不断转动时，上面一个簧片先从凸轮最高点跌下来，与下面一个簧片接触，紧接着下面一个簧片也从凸轮最高点跌下来，于是上面簧片断开，完成一次电接。风速越大，风杯转的越快，单位时间内电接的次数越多。由于每吹过200m风程（风杯转过80圈），接点就接触一次，记录器风速笔尖就在自记纸风速坐标上向上或向下移动1/3格（三次移动一格）。根据笔尖10分钟内自记纸上移动的格数，就可求出当时的平均风速。

雨量计-虹吸式测量原理：
降雨时，雨水从承水器经漏斗进入浮子室后，水面即升高，浮子和笔杆也随着上升（由于笔杆总是做上下运动，因此雨量自记纸的时间线是直线而不是弧线），下雨时随着浮子室内水集聚的快慢，笔尖即在自记纸上记出相应的曲线表示降水量及其强度。当笔尖到达自记纸上限时（一般相当于10mm），室内的水就从浮子室旁的虹吸管排出，流入管下的盛水器中，笔尖即落到0线上。若仍有降水，则笔尖又重新开始随之上升，而自记纸的坡度就表示出了降水强度的大小。由于浮子室的横截面积与承水口的面积不等，因而自记笔所记出的降水量是经过放大了的。
小型蒸发器观测与记录：
每天20时进行观测，测量前一天20时注入的20mm清水（即今日原量）经24小时蒸发剩余的水量，然后倒掉余量，重新量取20mm(干燥地区和干燥季节须量取30mm)清水注入蒸发器内，并记入次日原量栏。
蒸发量计算公式：蒸发量＝原量＋降水量－余量
有降水时，应取下金属丝网圈；有强降水时，应注意从器内取出一定的水量，以防水溢出。
因降水或其它原因，致使蒸发量为负值时，记0.0。蒸发器中的水量全部蒸发完时，按加入的原量值记录，并加“>”,如>20.0。
辐射测量单位：
（1）辐照度E：在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观测到的瞬时值。单位为瓦·米-2 （W·m-2），取整数。
（2）曝辐量H：指一段时间（如一天）辐照度的总量或称累计量。单位为兆焦耳·米-2（MJ·m-2），取两位小数，1MJ=106J=106W·s。
气象站用总辐射表：
（1）结构
感应件：由涂黑感应面（圆形或方形）和热电堆组成（康铜和康铜镀铜）。
玻璃罩：半球形双层石英玻璃，既防风又能透过短波辐射。
附件：机体、干燥器、白色挡板、底座、水准器、接线柱、金属盖、调整螺旋等。　
什么是积雪？
测站四周能见面积被雪（包括米雪、霰、冰粒）覆盖超过一半时称为积雪
自动气象站的硬件部分
常用传感器：
气压——振筒式气压传感器、膜盒式电容气压传感器
气温——铂电阻温度传感器
湿度——湿敏电容湿度传感器
风向——单翼风向传感器
风速——风杯风速传感器
雨量——翻斗式雨量传感器
蒸发——超声测距蒸发量传感器
辐射——热电堆式辐射传感器
地温——铂电阻地温传感器
日照——直接辐射表、双金属片日照传感器