大气探测学的学习使我对气象探测有了进一步的认识，从而对大气科学的兴趣更加浓厚，坚定了以后从事大气研究的信念。有些作业的练习涉及到程序的编写，这使我能够复习并巩固Fortran编程，编写程序解决实际问题的能力有所提高。

《大气探测学》的内容可分为三个部分：地面气象要素的测量、高空气象要素的测量和气象要素的遥感探测。

现按照袁仁民老师上课时的顺序对《大气探测学》的学习进行简单的总结。

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、连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理。

上面对大气探测的定义中，气象要素主要指温度、湿度、气压、能见度、辐射能、日照时数和冻土深度等，天气现象主要指云、降水、积雪和积冰等。

根据探测的对象和范围，大气探测可分为地面气象观测、高空气象观测和专业性气象观测。

气象仪器是进行大气探测必不可少的工具，其性能直接决定着气象观测的质量。气象仪器的性能可以用如下几个物理量来描述：

一．惯性（即滞后性）：测量仪器正确表示所测物理属性真值所需的反应时间。

二．灵敏度：测量仪器示度在被测要素改变单位物理量时所移动的距离或旋转角度的大小。

三．准确度：测量仪器的测值和真值的符合程度。

四．精密度：测量仪器对所测物理量的若干独立测定量彼此之间的符合程度。

五．分辨率：导致测量系统响应值变化的最小的环境改变量。

六．量程：测量仪器的测量范围。

但无论气象仪器性能如何好，测量误差总是存在的。测量误差分为系统误差和随机误

差（或偶然误差），而系统误差又分为仪器差、条件（环境）误差和读数（单向）误差。

为保证大气探测资料具有代表性、准确性和比较性，进行气象观测时应注意以下几点：

一．地面气象观测要在统一规定的时刻进行，一般有基本天气观测、辅助天气观

测和补充天气观测；

二．观测场地要有较大范围的代表性，且四周平坦，气流畅通；

三．采取多样化的观测手段。

能见度即目标物的能见距离，是指观测目标物时，能从背景上分辨出目标物轮廓的最大距离。定义目标物最大能见距离有消失距离和发现距离两种方法。

气象能见度的测量有两种方法：目测法和器测法。

在实际测量中，一般可用如下几个物理量来描述气象能见度：

在用目测法对气象能见度进行观测时，不论是在夜间还是在白天，观测员的眼睛应该距地面适当高度（约为1.5m），最好不要在高楼或其它高建筑物上。点光源应选择孤立的灯光，其周围不能有其它光源。

用于气象能见度测量的仪器有遥感光度计、透射表和散射仪等。

器测法克服了目测法主观性强的缺点，有较小的误差。在机场、港口、高速公路和环境监测站一般使用器测法。

温度是表示物体冷热程度的物理量。

气象中的温度观测通常指气温和地温的测量。气温一般指离地面1.5m左右，处于通风防辐射条件下温度表读取的温度；地温是地面温度和不同深度的土壤温度的统称。

常用的温标有绝对温标、摄氏温标和华氏温标三种，其中绝对温标和摄氏温标属国际单位制。

日常使用的摄氏温标度数t与绝对温度T的关系为

                     

摄氏温标度数t与华氏温标度数τ的换算式为

             或  

测量温度的仪器通常称为温度表或温度计，是根据热平衡定律，利用物体某一属性随温度而变化作为测温依据的。

气象上常用的测温仪器见下表：

测温元件与被测物体或介质接触后，交换热量建立热平衡需要一定的时间，这称为温度表的热滞效应或热惯性。热滞系数是反映测温仪器热滞效应大小的物理量，用符号λ表示。

考虑到温度测量仪器的热滞效应，仪器示数变化可用如下方程来表示：

其中θ为介质温度，t₀为温度表初始读数，t为时刻τ温度表读数。

由于太阳直接辐射和地面反射辐射的影响，测温元件的示数与实际气温存在差异。可通过以下途径来减少辐射误差：（1）屏蔽，使太阳辐射和地面反射辐射不能直接照射到测温元件上；（2）增加元件反射率，使到达元件表面的短波辐射大部分被反射掉；（3）人工通风，促进元件与空气之间的热交换，减小两者之间的温差；（4）采用极细的金属丝元件，既有利于热交换，又提供良好的反射面。

湿度是表示大气中水汽含量程度的物理量。

在气象上，可以用混合比r、比湿q、绝对湿度 、水汽压e以及相对湿度f等物理量来表征空气的湿度。

水面饱和水汽压E_w是指在一定气压和温度下，水汽和纯水平面达到汽、液两相中性平衡时所需水汽压力；而冰面饱和水汽压E_i是指在一定气压和温度下，水汽和纯冰平面达到汽、固两相中性平衡时所需水汽压力。可采用戈夫—格雷奇经验公式计算E_w和E。

热力学露点温度T_d是在某气压p下，混合比为r的湿空气降温，直至其对水面的饱和混合比等于原有的r而达到饱和时所具有的温度。对冰面而言，可同样定义出热力学霜点温度T_f。

测量空气湿度的方法可分为如下五种：

气压即大气压强，指在任何表面的单位面积上，空气分子运动所产生的压力。由大气静力学方程，其数值上等于单位面积上从所在地点向上直至大气上界整个空气柱的重量，则海拔高度为z的测站所受大气压强P_z为：

                    

气象上用于测定大气压力的仪器主要有以下几种：

一．液体气压表：气象台站主要使用的是动槽式或定槽式水银气压表。

    使用液体气压表测量室内气压时，应注意：（1）保持室内温度均匀少变，远

离热源或冷源；（2）避免阳光直射；（3）保持室内空气流通，但要避免外界风对

气压表的直接影响。

    使用气压表读出气压后，要进行如下读数订正：（1）器差订正；（2）温度订

正；（3）重力订正。

    得到经过订正的气压值后，为满足天气分析和预报的需要，还要进行海平面

气压换算，即求算台站海拔高度到海平面之间的气压差。

二．空盒气压表（或气压计）：精度较小，但适合于野外操作。

    空盒气压表和气压计利用金属弹力和大气压强相平衡的原理测定气压。

    用空盒气压表读取的气压值，经刻度订正、温度订正和补充订正后才是本站

气压值。

三．沸点气压表

利用液体沸点温度随气压而变化的特性制成的气压测量仪器。

四．振动筒式压力传感器

根据弹性金属圆筒在外力作用下的振动频率随筒壁两边压力差的变化而变化

的现象来进行气压测量。这种压力表具有性能稳定、测量分辨率和精度较高以及

便于遥感的优点，但制造工艺复杂，互换性差，成本较高。

五．单晶硅压力传感器

根据单晶硅压敏元件在不同大气压强下发生不同的形变，从而引起元件电阻变化

的原理来测量气压。其特点是测压灵敏度和准确度都很高。

风即空气的水平运动。

气象中风的观测包括风向观测和风速观测两个部分。风向几水平气流的来向，在地面气象观测中常用16个地理方位来表示。风速即单位时间内空气所经过的距离，单位m/s。

风的测量除瞬时风速、风向外，主要是用算术平均法或矢量平均法计算平均风速、风向，或用最多风向代替平均风向。平均风一般指瞬时风的时间平均值，而瞬时风与平均风之间的差别即脉动风。

风向测量用风向标，并用机械传送、电传送及光电转换等自记方式实时记录风向变化。

风速的测量用风速表（或风速计）。常用的风速表（风速计）有以下几种：

（1）旋转式风速表（风速计）；

（2）压力式风速仪：利用风的压力效应（风压与风速的平方成正比）来测量风速；

（3）热力式风速表：利用被加热物体散热速率与周围空气流速有关的特性测量风速；

（4）声学风速表：利用声波在大气中传播速度与风速之间的函数关系测量风速。

风速测量的误差较大，这主要是由风速表（风速计）的滞后效应所造成的。

降水量：降落在地面上未经蒸发、渗透和流失的液态降水或固态降水的积水量，以积水深度表示，单位mm。雨水溅失、蒸发损失和风的影响是降水量观测误差的三个主要原因。

降水时数：降水实际持续的时间，以h、min为单位。

降水强度：单位时间的降水量，以mm/h为单位。

气象上常用降水量测量仪器有雨量器和雨量计，雨量计又分虹吸式和翻斗式两种类型。

气象台站主要测量积雪深度和雪压。

雪深即从积雪表面到地面的垂直深度，单位cm，取整数。一般用雪尺测量雪深：选取三个相距10m以上的点进行测量，再取平均值。

雪压是单位面积上的积雪重量，单位 ，取一位小数。雪压用体积量雪器或称雪器测量。

我国主要用小型蒸发器和E601型蒸发器测量蒸发量。

也可通过测定其它气象要素计算蒸发量，如水汽湍流扩散法，测出高度Z₁和Z₂上的比湿q、q和风速v、v，利用下式可计算出蒸发率E，若再对时间积分，则可求出蒸发量。

                  

    利用蒸发与风速的关系也可进行蒸发量的测量。

    地球能量收支情况如下图所示：

WMO规定气象上需要观测的辐射量有：

（1）太阳直接辐照度S：包含太阳面和太阳周围一个非常狭窄的环形天空的辐射；

（2）散射辐射辐照度E_d↓：水平面接收到的天空2π立体角减去日面所张立体角内

的大气等的散射辐射强度；

（3）总辐射：投射到地面水平面上太阳直接辐射和2π球面度天空散射辐射之和；

（4）反射太阳辐射辐照度E_r↑：地面对太阳直接辐射的反射辐射强度；

（5）净辐射辐照度 ：通过某水平面的短、长波辐射强度的差额。

辐射能的测量常见的有直接测温度法和补偿法两种。

日照时数指地面上受太阳照射的时数，以真太阳时为单位，取一位小数。观测日照时

数的仪器主要有四种：（1）聚焦式日照计，利用日光焦点在自记纸上燃出焦迹来记录；（2）暗筒式日照计，利用日光在日照纸上留下感光迹线来记录；（3）Foster日照转换器，利用日光使一对硒光电池产生不平衡信号触发记录器记录；（4）Marvin日照计，由一定辐射热驱使水银膨胀导致电路闭合来实现自记。

云是漂浮于大气中的小水滴或冰晶微粒的可见聚合体，是水汽在空气中的凝结（或凝华）现象。云形成和演变的物理过程是错综复杂的，其形态、分布、数量及相关的变化都标志着大气运动的状况。

云的形成方式主要有三种：

（1）水汽含量不变，空气降温冷却；

（2）温度不变，增加水汽含量；

（3）既增加水汽有降低温度。

    云的观测包括云状、云量和云高的观测。云量指云遮蔽天空的比例，云高即云底离地面的垂直高度。

目前对云的观测主要靠目力进行。在进行云的观测时，要选择较开阔的地点（保证能看到全部天空和地平线），并在强阳光下要配戴暗色的眼镜。此外，还要注意云的“远景效应”，即因云离观测者距离较远而在视觉中反映的情况与实际情况有所出入的现象。

云高的测量主要方法有目力估测法、公式估测法、气球测云高法、激光测云仪法以及夜间适用的云幂灯测云高法等。

按云的外形特征、结构特点及云底高度将云分为高云、中云和低云三族，下又分为10属29类。详细分类及各云属主要特征见附录表。

天气现象指发生在大气中和贴地面的一些物理现象，包括降水现象、地面凝结现象、雾的现象、视程障碍现象、大气光学现象、雷电现象以及风现象等。

降水现象指云中液体或固体滴粒向地面降落的天气现象，有雨（包括毛毛雨）、雪（包括米雪）、霰、雹、冰粒和冰针等。

地面凝结现象指水汽从空气中直接凝集在地表或物体上的凝结现象，有露、霜、雨淞和雾凇等。

视程障碍现象是固体或液体微粒或可见聚集体漂浮在大气中，造成的视程障碍使能见度降低的地面现象，主要有雾（包括轻雾）、霾、沙尘、烟幕、尘卷风和吹雪等。

大气光学现象是日、月光线在空气分子或悬浮滴粒上的折射、反射、散射或衍射而产生的各种天气现象，包括虹、晕、华、娥眉宝光、海市蜃楼和极光等。

雷电现象、指雷雨云中出现的闪电和雷声的天气现象，主要指雷暴、闪电。

风现象包括大风（瞬时风速超过17m/s）、龙卷风、积雪和结冰等。

雨是常见的天气现象之一，指从云中降落的滴状液态降水。

各级降雨的强度见下表：

高空风(或空中风)指地面上空各高度的空气水平运动。

高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。其测量方法有：

常用测风气球作为气流示踪物，使用地点跟踪设备观测其运动轨迹，测定其在空间各个时刻的位置，再用图解法、解析法或矢量法确定相应大气层中的平均风向、风速。

气球空间位置的确定需要测定三个参数：仰角δ、方位角α和球高H。测风经纬仪是一种跟踪观测和测定空中测风气球仰角、方位角的光学仪器。

在实际测量中，可以采用单经纬仪测风，也可采用双经纬仪测风（基线测风法）。其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方法的准确性，但这种方法的观测和计算较复杂。用双经纬仪测风计算高度时，可采用投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。

二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的相互作用，由多普勒效应引起的频率变化推算空中的风向、风速；

在我国，目前主要采用59型探空仪和701型二次测风雷达组成59—701高空探测系统，进行高空温、压、湿、风的综合测量。

三．利用系留气球、风筝、飞机、气象塔等观测平台，使测风仪器安置在不同高度上，根据气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。

导航测风就是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确定其位置，并将位置信号、气象资料信号一起发回基站，然后在基站进行处理，计算高空风的方法。

第十二章. 高空温、压、湿的测量

高空温、压、湿探测的主要任务是准确及时地测定某一时刻测站上空温、压、湿随高度的分布。

高空温度、气压、湿度测量的方法有无线电探空仪探测、飞机探测、火箭探测以及卫星遥感探测、地基遥感探测等。

无线电探空仪探测法是常用的高空气象探测方法，它采用无线电遥感技术，由充有氢气的探空气球携带无线电探空仪上升，进行高空温、压、湿的测量。

根据遥感编码方式可将无线电探空仪分为5种类型：（1）时间间隔式（脉冲记数式）；（2）电码式；（3）变高频式；（4）变低频式；（5）超高频式。

无线电探空系统由无线电探空仪及其地面设备组成，其中无线电探空仪又可分为气象要素感应器、编码机构和发信装置三部分。

我国台站目前使用59型探空仪（即GZZ2型转筒式电码探空仪）作为常规的高空温、压、湿测量仪器。此外，我国还自行设计了GZZ7型常规电子探空仪，由气球携带升空，地面用701型测风雷达跟踪和接收探空仪发回的遥感信号，并将信号传送给地面专用设备进行数据处理和记录。

第十三章. 自动气象站

自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站。

自动气象站的基本组成如下图所示：

      

自动气象站有三种形式：（1）无人自动气象站；（2）有线遥测自动气象站；（3）长期自动气象站。

第十四章. 大气探测资料的传递和处理

大气探测的资料主要以气象电码形式，利用无线通信、有线通信和卫星通信手段进行收集、传递和分发。

气象电码是代表气象要素特征及天气变化情况的气象专用电码，即将观测到的气象要素由国际或国内统一规定编译为若干位数字组的格式。

全球气象电信系统由全球范围内的三级气象电信网络所组成，这三级气象电信网络分别是：（1）全球气象电信主干电路；（2）区域气象电信网；（3）国家气象电信网。

大气探测资料的自动处理是近年来气象业务技术发展的重要趋势，即应用计算机技术，把自动化的观测技术、数据处理技术、通信技术以及客观分析、预报制作和发布结合成一个整体，构成一个完整的自动化系统。见下图：

 

第十五章. 大气遥感探测

遥感是指掌握和运用目标物体辐射、反射、散射电磁波能量的科学规律，来反映目标物的存在、状态和变化。

现代遥感技术通过架设在地面或火箭、气球、飞机、卫星等遥感平台上的各种遥感仪器（如照相机、光学扫描仪、微波辐射仪、激光雷达、微波雷达和VHF—UHF雷达等），收集和记录地球表面和大气各种目标物体辐射、反射及散射的电磁波等遥感信息或遥感数据。

根据这些数据信息，按照已建立和掌握的目标物体的波谱特性，进行整理、分类、比较和处理，从中提出所需要的数据信息，迅速达到大面积感测远距离目标物体的位置、状态和性质。

遥感探测可以依赖被测对象自身发射的辐射，也可以用人为发射的声波、微波或激光，但大部分遥感依赖于太阳光。大气探测中激光雷达、声雷达的应用尚处于探索阶段。

现代遥感的分类方式很多，见下表：

主动式有源遥感：遥感器发射声波、微波或激光照射被测目标，随后接收被测目标反射、散射返回的声波、微波、激光，通过对返回波的检测获取被测物体的位置、运动、状态和性质的信息。

被动式无源遥感：遥感器仅接收被测目标物体发射的电磁波，遥感器不身不发射用于探测目标物的波。

天气雷达探测气象要素主要依据空气、云雾和降水质点对雷达波的散射和衰减，以及云雾降水质点的运动和对雷达波具有不同折射率的的空气块的流动导致雷达回波的多普勒频移。

雷达定向发射的电磁波碰到目标物时，有一部分电磁波能量被散射返回。雷达接受回波，并用显示器显示，根据发射波束指向可确定目标物方向，测量从发出电磁波到收到回波的时间可确定目标的距离（电磁波在大气中近似以光速传播）。根据目标物后向散射截面确定的回波强度和回波相位变化可以推断出云、雨、气溶胶等目标物的特性。

该章内容比较繁杂，下面分几个专题对本章内容做个总结：

一．雷达回波的识别

按目标物性质可将雷达回波分为如下两类：

（1）非气象回波：地物、飞机和海浪等非气象目标对雷达波反射形成的回波；

（2）气象回波：大气中云、降水中的水汽凝结物对电磁波的后向散射和大气中温、压、湿等气象要素的剧烈变化形成的回波。

二．气象要素的雷达测量

降水质粒、云及大气折射率等的空间分布可由雷达回波显示出来，而运动状况可由多

普勒效应反映出来。因此，根据雷达回波可对降水、雨滴谱及大气风场等气象要素进行估测。

采用Z—I关系法、标准目标物法和正交偏振法，可用雷达定量测量降水强度。

当多普勒雷达天线垂直指向天顶时，忽略湍流作用时所测量的平均多普勒速度 可写成如下形式（速度以向下为正）：

                            

式中 为大气垂直速度， 为粒子群在静止大气中的平均多普勒下落速度。

从回波强度中估算出 ，即可获得大气垂直速度值 。

此外，利用多普勒雷达还可对雨滴谱、湍流和水平风场进行测量。

三．被动式微波遥感

由于大气自身发射的微波辐射信号穿透云层（主要指非降水性云层）的能力较强，利用被动式微波遥感可以探测云下温度、水汽量，从而得到大气温度和湿度随高度的分布。又因为云和降水对微波能强烈吸收和辐射，被动式微波遥感还可用于探测云和降水的结构。

利用空基和地基的大气微波遥感方程，按具体情况进行简化后，采用反演求解的方法，可用微波来遥感高层大气的温度分布和水汽分布。