天气现象的观测仪器

第七章 天气现象的观测仪器 序v云和天气现象这类目测内容将改为仪器观测v天气现象大致分为六类：地面凝结降水雾雷电光1.强风相关 7.1 降水量的测量v雨量筒：构造放置使用 7.1 降水量的测量（续）v翻斗式雨量计：构造原理缺点 7.1 降水量的测量（续）v光学雨量计：工作原理：测量雨滴经过一束光线时，由于雨滴的衍射效应引起光的闪烁，闪烁光被接收后进行谱分析，其谱分布与单位时间通过光路的雨强有关。光学雨量计的结构图 7.1 降水量的测量（续）仪器的输出接口：vRS 232vRS 485v模拟电压仪器输出信息号通过带通滤波器。输出信号的数值及其组合可以得到降水强度及其降水性质的信息。 7.2 激光云高仪v原理：发射低功率的激光束遇到云层将往下反射或者散射回波，检测发射激光与回波信号的时间差 t ,即可得到检测云层的高度 h = ct/2 (c为光速)v工作原理框图7.7v最大探测高度可达7.5km。 7.3 能见度v能见度反映了大气透明的程度。v观测能见度是通过辨别目标物（距离为已知的）的能见与否，来进行的。“能见”就是能将目标物的轮廓从天空背景上分辨出来；“不能见”就是目标物完全与天空背景融合，连它的大概情况都看不出时，才算“不能见”v地面气象观测中，主要观测水平能见度，以能见距离米数或相当级数来记录。 7.3 能见度（续）7.3.1 影响能见度的因子和能见度的定义一、影响能见度的因子v大气透明度v目标物和背景的性质亮度对比 Kv K=1 目标最清晰v K=0 目标不能见v观测者的视觉性能眼睛的对比视觉 1. K 目标物才能见 7.3 能见度（续）7.3.1 影响能见度的因子和能见度的定义二、能见度的定义v气象能见度的定义：正常人的视力，在当时天气条件下，所能看到的以天空为背景的绝对黑体目标物（视角较大）的最大水平距离。v有效能见度的定义：四周视野中二分之一以上范围里都能看到的最大距离。 7.3 能见度（续）7.3.2 白天能见度观测一、能见度目标物的选择v目标物颜色越暗越好v目标物应投影到天空背景上v目标物的视角不应小于0.31.目标物的高度角应小于6 7.3 能见度（续）7.3.2 白天能见度观测二、目标物图的编制v目标物选定后，要测定观测点与目标物的距离和目标物所在的方位。对近距离的目标物，可用卷尺、测绳等方法测定距离；远距离的目标物可用经纬仪、平板仪、测距仪(测远机或激光测距仪)等测定，或从大比例尺的地图上量取。目标物的方位可用经纬仪或指北针测定。 7.3 能见度（续）7.3.2 白天能见度观测v目标物的距离、方位测定后，应按表的格式进行登记，并绘制能见度目标物分布图。绘图方法：一般是先在纸上画九个同心圆。圆心代表观测点，自近而远地每圈分别代表0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0千米的距离。然后把所有目标物按其所在方位、距离，分别标在相应的位置上。近距离的目标物也可单独绘制，以使图象更为清晰。v当选定的目标物情况有改变，或被其它物体遮蔽而不能继续观测时，应另选目标物代替，并将情况记入能见度日标物(灯)登记表的备注栏。 7.3 能见度（续）7.3.2 白天能见度观测三、白天能见度的观测v应在固定地点观测，根据“能见”的最远目标物来决定观测时的能见度的级数，计入观测薄。v在拍发天气报告的时间还应加计能见度的米数。如果各方向能见度不一致，则应以当时的有效能见度为准。 7.3 能见度（续）7.3.3 夜间能见度观测v夜间由于光照条件限制，能见度观测最好是用发光物体(如灯光)作为目标物，根据灯光强度和距离，查出相应的能见距离。在无条件利用目标灯进行观测的情况下，则只能根据天黑前能见度的变化趋势、当时天气现象和气象要素的变化情况，结合实践经验加以估计。v夜间观测能见度时，应先在黑暗处停留至少五分钟，待眼睛适应环境后进行观测。 7.3 能见度仪v大多数的能见度测量仪器，是根据下述两个原理之一来设计的：(a)测量一个长空气柱的衰减系数或消光系数；(b)测量一个小空气体积对光的散射。v这两类仪器，包括用眼睛进行测量的仪器和用光电装置进行测量的仪器。v视觉型测量的主要缺点是，如果观测员未能用充分时间使他的眼睛习惯于黑暗环境，观测就会有相当大的误差。 7.3 能见度仪（续）7.3.1 透射式能见度仪v这类仪器，在聚光镜焦点处放有光电装置。当距仪器远至几百米处的小发光器发出光束时，由光电装置测定其辐射出射度的减弱情况。v除了上述发光器外，只要对主要光电装置采取妥善的防光措施，使之不受其它光线的照射，这类仪器就不仅用于夜间也可在白天使用。现在这类仪器已被广泛采用，甚至在阳光充足的条件下也在使用这样的仪器。 7.3 能见度仪（续）7.3.1 透射式能见度仪v这类仪器在操作和使用方面的特点，使它特别适合于航空气象观测的需要。v但是这并不排除在基本天气观测或气候观测方面的使用，因为此测量简而易行。v缺点是此仪器所测的大气注长度常小于气象光学视称，一般认为这个距离太短。不过这可以通过扩展观测时段，在该时段内进行一系列观测而部分地得到弥补。 7.3 能见度仪（续）7.3.2 散射式能见度仪v光在大气中的衰减虽然是由大气中尘埃、烟雾和气体微粒的散射和吸收效应两者所引起的，但吸收效应常常是可以忽略不计的，因而消光系数就可被认为等于散射系数。据此，测量散射系数的仪器就可用来得到气象光学视程。v最方便的测量方法是把一束光汇聚到一小块气体体积里，再用光度测定法确定光在足够大的立体角里和在非关键方向上的散射比例。只要能完全遮蔽来自其它光源的干扰，这样的仪器在白天和夜间就都可使用。 7.3 能见度仪（续）7.3.2 散射式能见度仪v由于不需要长的光程，在没有用以估计气象光学视程的目标物成光源可用时，这种仪器应是有用的。v但它有缺点，即观测时的空气采样体积非常小，可能不能完全代表外部的空气。这一缺点在某种程度上是可以克服的，办法是取相当数量的读数的平均值。如果要想使空气的有效体积大大增加，则应采用测量后向散射的仪器。 7.3 能见度仪（续）7.3.2 散射式能见度仪v后向散射仪，通常在其壳体的上面、下面或里面彼此并排并且几乎是平行地安装发光器和收光器。v这类仪器优于前面所述仪器之处，就在于其对大气的采样体积要比前者大得多。 7.4 闪电定位系统1、引言v天电，可定义为大气中闪电放电产少的电磁波。v闪电常常迅速释放居大能量，因而有可能对几千公里远的天电源定位。v人们已经查明，一些其它现象如阵雪也能产生类似的效果，但它们只是局地性的。v 般来说，天电源的定位是探测雷暴的一个手段，能为天气分析与预报提供有价值的观测资料。 7.4 闪电定位系统（续）2、定义v天电：是大气中闪电放电产生的电磁波。v阴极射线定向仪：是种无线电定向仪，其中有两个相同的、指向相配合的天线系统用来按收信号，并在一个双通道按收机中放大，然后加到阴极肘级管的电子束偏转系统上。v天电源地：是一群天电的源地(风暴中心)。v当地闪电计数器：记录一个站周围闪电总次数的仪器。v天电定位：是从天电观测中推断的电闪估计位置。 v源：是天电发生源地。 7.4 闪电定位系统（续）3、天电观测的目的与应用v借助于天电数据对雷暴活动区的定位，为气象工作者提供有价值的补允资料。v对于观测站稀少的广大海洋或其它地区，这种资料尤为可贵。v它也能提供气团的不稳定性以及锋面、飑线、热带风暴和龙卷的位置和移动的线索，并能帮助对过去天气过程的研究。 7.4 闪电定位系统（续）3、天电观测的目的与应用v出于天电定位确定的雷暴是飞行的主要危险，所以气象航空服务也可以从天电资料中受益。这是因为雷暴中有剧烈的空气运动和闪电，有可能袭击并损坏飞机。提供给机组和航空调度人员的天气预报，会因为包含有最新的天电资料而得到改善。v通过了解正在发生的雷暴活动区，可以大大帮助选择一条无雷暴航线。 7.4 闪电定位系统（续）3、天电观测的目的与应用v还有一些共它部门，也受闪电电击的影响。v例如，闪电电击是地面上方的输电电缆之类的设施易受损坏的一个原因。v当用炸药开矿时电击也是一个危险，电击还会引起森林火灾等。v天电观测，可用来提供这些危险的警报。通过自动报警系统可以直接发布局地警报，而通过预报员的解释则可以发布地区范围的警报。 7.4 闪电定位系统（续）3、天电观测的目的与应用v天电测量系统覆盖的范围，对于局地报警系统而言可达几十公里，对于区域报警系统则可达200到400km。v而对于一般的气象目的而言，其范围则可扩展到1500km或更远。 7.4 闪电定位系统（续）4、天电观测仪器定向仪v方位测定法：这种仪器利用南北向和东西向的两个正交环形天线把观测场地观测到的天电分成两个方向上的分量，再由增益和相移都匹配的一对放大器把分量信号放大到适合处理的振幅。v时间到达法：测定闪击的电磁波从落地点传播到探头所需的时间。v以上两种方法都需要三个以上的测站才能准确定位。 7.4 闪电定位系统（续）5、美国的全国性闪电探测网v共99各探头，2/3的探头是一种将方位测定法和时间到达法结合的探头，称作Impact探头。v整个仪器还配置有GPS信号接收机，作为精确的时标信号。 7.4 闪电定位系统（续）5、美国的全国性闪电探测网vImpact探头的不足：它接收的是闪击电磁波的LF波段信号，以地波传播为主，因此地形的起伏，下垫面的干湿程度均会导致传播时间的误差，对仪器的接地要求很高。它没有分辨云内正极性闪电的能力。v弥补：另1/3探头只有电场天线，只应用时间到达定位技术的LAPTS探头，它可以探测云地和云内的闪击。 7.4 闪电定位系统（续）6、法国Dimensions公司的闪电定位v仍是利用方位定位法，但抛弃了十字正交形磁场天线。v天线组共有8根天线单元，布置在一个圆环上，严格均匀分布在360度之内，保持各个天线单元相距在45度。v闪电电磁场处在不同方位时，各个天线接收的信号产生一定的相位差。如果设置两组天线分别测量水平和垂直平面上的相位差，可以测定闪击的方位角和仰角，比较简单地分辩出对地闪击以及云内闪击。 7.4 闪电定位系统（续）6、法国Dimensions公司的闪电定位v这种天线系统的定位精度优于十字正交磁场天线45倍。vDimensions公司同时把接收频段设在无线电波成直线传播的VHF波段，大约在110118MHz，避免了Impact系统的许多缺点。 7.4 闪电定位系统（续）7、闪电定位技术要求的指标v能分辨出云地闪击和云间闪击；对云、对地闪击应能分辨出首次以及随后各次的闪击。v对于大的闪击，如峰值电流在16KA以上的闪击探测效率为90%。v闪击落地的定位精确度应到达500m。 7.5 其它v介绍三种与天气现象仪测的小型元件。 7.5.1 下垫面状态探头v这种探头首先使用于高速公路的自动站系统中，英文称 Pavement Surface Sensor。v它实际上是一个组件，包括：一支地面温度表一支浅层土壤温度表一片电导板一片电化学极化板v探头示意图7.25v该元件只能定性地输出地表的几种状况，包括干、湿润、湿、化学性湿润、霜、雪和结冰。 7.5.2 电线结冰探测器v该元件工作原理与振筒式气压表相识，物理学上称作磁致伸缩原理。v一根镍合金的薄壁管在线圈激振器的作用下，产生约40kHz的本振频率。镍管的上半截暴露在空气中，下半截与激振线圈和拾振线圈安置在仪器盒内。v当出现电线结冰的天气现象时，裸露在空气中半截镍管同样发生结冰现象，导致本振频率发生变化，管壁上结冰达到0.5mm厚时，本振频率大约可降低113Hz。 7.5.3 红外辐射地表温度表v用玻璃温度表测低温有诸多问题。v有效的地温测量方法是测量它在该温度下的红外辐射通量，再换算成地表温度值。v红外辐射温度表的探测波长范围可选在0.720m，一般的仪器多采用814m波段。