1、总论,第一章 总论,&1.1 气象观测的发展概况&1.2气象观测研究的对象、任务和特点&1.3气象观测原理&1.4气象观测仪器&1.5气象观测资料的代表性和可比性&1.6气象观测的发展趋势&1.7 复习思考题,2、气象探测概述,“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气象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。气象探测是大气气象科学的重要分支，是气象科学的基础，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
2、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： 20世纪20年代无线电探空大气遥感探测阶段： 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
3、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,大气结构特征（对流层和大气边界层）,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
4、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,国家观象台：一般300-400公里设一站， 每天观测24次。国家一级站：一般不大于150公里设一站， 每天观测8次。国家二级站：一般50-10公里左右设一站，中小尺度站：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
5、测2次或3-4次。,国家气候观象台布设的型站,国家一级站布设型站,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
6、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
7、围，并纳入城市规划或者村庄和集镇规划。,&1.1气象探测的发展概况,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。,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)
8、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
9、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 、气象探测的遥感时期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 、气象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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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,对气象仪器的要求准确度（对于某一特
15、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；,&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
16、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。
17、 如：灵敏度1m/1的温度表，50的测量范围的话，温度表起码要50m高。,3、惯性（滞后性）仪器的惯性仪器的动态响应速度。具有两重性，一般要求惯性的大小由观测任务所决定。如：探空仪的惯性不能太大，否则,在上升过程中就不能准确反映温、湿、压随高度的变化；大气湍流探测仪器的惯性就要求很小，不然的话，仪器就会将高頻湍涡过滤掉；而地面气象台站使用的观测仪器就要求具备一定的惯性，使其具备一定的自动平均的能力。另外，惯性太小，观测员将无法靠近仪器读数。,4、分辨率仪器的分辨率最小环境改变量在测量仪器上的显示单位。它和量程及灵敏度有关，仪器性能的改变也会影响分辨率。5、量程仪器的量程仪器对要素测量的最大范围
18、。它取决于所测要素的变化范围。如：利用一支温度表测量某一地区常年气温，则要求其量程20t50，-20和50为该地区100年一遇的最低、最高气温。CO2仪的量程则要考虑植物光合作用的日变化。,&1.5 气象探测的代表性和可比性,大气探测是在自然的动态条件下进行的。由于大气是湍流介质，形成被测气象要素随空间和时间的非均匀性和脉动性。但是大气探测资料又往往是用于区域或全球的大气运动的整体诊断和分析，因而，要求气象台站的观测资料必须准确的代表某一地区的大气特征，又能做到相互比较，以了解地区间的差异。所以，要求大气探测资料应具备：代表性和可比性。,1、代表性代表性是指所测得的某一要素值，在所规定的精度范
19、围内，不仅能够反映观测站该要素的局地情况，而且能够代表观测站周围一定范围内该要素的平均情况。代表性分空间代表性和时间代表性。空间代表性：观测站观测资料代表性的好坏，原则上可以从台站地形是否具有典型性方面进行评定。站址的选择、观测站的建立需要考虑空间的代表性，防止局地地形地物造成大气要素不规则变化。一般说来，平原地区的台站资料代表性较好，山区、城市台站资料代表性较差。,时间代表性：大气要素的观测，只有同时性才有可比性。2、比较性指不同测站同一时间测得同一大气要素值，能够进行相互比较，并显示出要素的地区分布特征；另外，也指同一测站不同时间的同一大气层要素的比较，以说明要素随时间的变化特点。观测资料
20、的比较性是建立在一致的基础上，即要求观测时间、观测方法、仪器类型、观测规范、台站地理纬度、地形地貌条件等的一致性。没有这些一致性，也就谈不上比较性。,&1.6 气象探测的发展趋势,闪电定位,卫星测臭氧,闪电定位,云图测风测雨测要素,卫星测辐射,辐射遥测,臭氧探空农气,辐射酸雨,农业海洋环境,掩星技术T、V廓线,测风测温,GPS/MET,地基总水量,卫星观测,其它观测,天气雷达观测,地面观测,大气探测技术的发展趋势 从人工观测到自动化遥测 进一步到遥感探测 从模拟到数字化 从地基观测向空天基探测,气象综合探测系统发展的基本特点 以遥感手段特别是基于空间的 卫星遥感技术为主要探测手段,以遥测手段特
21、别是基于地基的 遥测系统为综合探测的基准系统；,Progress of Comprehensive Detecting System,1.气象卫星 Meteorological Satellite2.新一代多普勒天气雷达 New generation doppler weather radar CINRAD3.大气监测自动化系统 Atmospheric observing automation Project4.沙尘暴监测系统 Dust Storm Detecting System5.气候监测系统 GCOS/CCOS,气象卫星探测系统中国风云气象卫星 FY Meteorological Sat
22、ellite极轨气象卫星 FY-1 静止气象卫星 FY-2Polar orbiting Geostationary,FY-1A Sept. 7, 1988FY-1B Sept. 3, 1990FY-1C May 10, 1999FY-1D May 15, 2002,FY-2A Jun.10,1997FY-2B Jun.25,2000,4 颗气象卫星在运行中,全球空基观测系统 A Combination of Geostationary and Polar Orbiting Satellites,Characteristics of the 10-Ch. VIRR of FY-1C,FY-1C/
23、D 对 FY-1A/B的改进 辐射计通道由5个增加到10个, 更加强了云和环境的观测能力,FY-1C/D有三类资料,CHRPT: 直接广播,格式与NOAA的 HRPT一样，传输速率是其 2倍即 1.3308 MbpsGDPT: 延迟全球图像传输, 4 个通道, 4 km 分辨率，资料存储能力从60分钟增加到300分钟，能逐日进行全球覆盖观测.LDPT: 延迟局地图像传输, 10 个通道, 1 km 分辨率，20分钟在轨观测资料，针对全球任何地方.,Progress of Comprehensive Detecting System,1999年12月6日国务院批准 未来十年气象卫星发展计划 两种
24、系列气象卫星将实现 业务化运行 共计发射十颗卫星, 投资52亿,Progress of Comprehensive Detecting System,FY-2B 2000年6月25发射 FY-1D 2002年5月15日发射 FY-2C, D, E 将分别在2003/2006/2009发射 第二代风云气象卫星 FY-3A, B, 将分别在2004/2006发射 FY-3C, D，将分别在2008/2010发射 FY-4A 计划在2010发射,我国极轨气象卫星序列,风云一号A(FY-1A) 1988.9.7 试验 三轴稳定、5通道、设计寿命一年风云一号B(FY-1B) 1990.9.3 试验 三轴
25、稳定、5通道、设计寿命一年风云一号C(FY-1C) 1999.5.10 业务 三轴稳定、10通道、设计寿命两年风云一号D(FY-1D) 2002 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号B(FY-3B) 2006 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号C(FY-3C) 2008 业务 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年风云三号D(FY-3D) 2010 业务 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命两年,我国静止气象卫星序列,风云二号A(FY-2A) 1997.6.10 试验 自旋稳定、3通道、设计寿命三年风云二号B(FY-2B) 2000.6.25 试验 自旋稳定、3通道、设
26、计寿命三年风云二号C(FY-2C) 2003 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命三年风云二号D(FY-2D) 2006 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命三年风云二号E(FY-2E) 2009 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命三年风云四号(FY-4) 2010 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命三年,气象卫星发展趋势,提高地面分辨率提高光谱分辨率提高时间分辨率提高温度分辨率加强垂直探测能力增加新型探测器,新一代天气雷达网 Weather Radar Network 现有 : 217 部雷达 组网雷达 S波段 - 15 部 C波段 - 42 部局地警戒雷达 X波段 - 160多部,基本探测系统现
27、状 观测站 observing stations : 2640其中:地面站 ground observation : 2400高空站 upper air observation : 120 辐射站 radiation observation : 98特种站 special observation : 4仍以人工观测、手工操作为主。,Progress of Comprehensive Detecting System,1、地基气象观测, 向高精确度高时空分辨率发展 向气候系统拓展 向遥感遥测、自动化方向发展 向一站多能、综合观测发展,2、空基气象观测, GPS探空系统成为趋势 WMO新的通用高空
28、探测系统 无人驾驶和专用飞机探测成为重要手段 AMDAR系统将进一步完善 火箭探测得到发展,3、天基气象观测,卫星遥感向对地综合观测发展遥感探测向“四高两全一多”发展向主动和被动多源遥感相结合方向发展遥感应用正向定量和地球系统领域发展,全球地面天气报告 1999年10月1-15日,地基观测系统的分布图气象站（红色）观测船舶（蓝色）,图2 地基观测系统的分布图：气象站（红色）观测船舶（蓝色）,全球高空天气报告 1999年10月1-15日,全球高空探测网分布示意图截止2001年10月上半月,图3 截止2001年10月上半月全球高空探测网分布示意图,全球气候观测系统,&1.7 复习思考题,1、气象探测研究的对象、范围和特点是什么？2、气象探测的发展主要有哪几个时期？3、简述气象探测原理有哪几种方法？4、气象探测仪器的性能包括哪几个？5、如何保证气象探测资料的代表性和可比性,
