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大气探测--新疆气象手册(7)第1篇2章1-2节

已有 591 次阅读 2019-12-12 11:07 |个人分类:新疆气象手册|系统分类:科研笔记

大气探测--新疆气象手册(7)第121-2 

 

2 人类监测和影响下的气象

1 大气探测的原理、仪器和方法

11 大气探测在气象学中的地位

大气探测是人类认识自然的重要手段,是气象学的基础和先导。没有对大气状况准确、及时、详尽的了解,就谈不上对灾害性天气变化规律的科学掌握,更谈不上预报预警、趋利避害、为人类造福。一部气象学发展史生动地表明:大气探测技术一旦实现突破性的跨越式发展,必将极大地促进大气科学理论的创新,实现气象业务的飞跃。

世纪之交气候变化已成为热门话题,人们关心自己居住的地球村向何处去。建立全球气候观测系统,客观地、全面地确定气候的变化,是科技工作者努力奋斗的重要目标。

12 大气探测的发展概况

121 萌芽时期

16世纪中叶以前这一漫长时期,中国最早发明了气象观测仪器。在西汉时(公元前104年),已盛行伣(音“现”xian4声)、铜凤凰和相风铜鸟等三种风向器,到唐代又发展到在固定地方用相风鸟,在军队中用鸡毛编成的风向器测风。在西汉时还利用羽毛、木炭等物的吸湿特性来测量空气湿度。宋代曾有僧赞宁(公元10世纪)利用土炭湿度计来预报晴雨。关于降水的记录亦以中国最早,据《后汉代》记载,在当时曾要所辖各郡国,每年从立春到立秋这段时间内,向朝廷汇报雨泽情况,此后历代对各地雨情都很重视。所以中国的雨量和水旱灾记录丰富,历史亦最悠久。中国在观云测天的长期实践中,还积累了丰富的天气谚语。

122 发展初期

16世纪中叶到20世纪初。这一长时期的特点是一系列定量测量地面气象要素仪器的出现和应用,如1593年意大利学者伽利略(Galileo)发明液体玻璃温度表,1643年意大利学者托里拆利(Torricelli)发明了水银气压表。这两种重要仪器的出现,使气象观测大大向前跃进一步。特别是气压与天气变化的关系最直接,气压表当时曾被誉为天气的“眼睛”,是这一时期的标志性仪器。1783年索修尔(Soussure)发明毛发湿度表,在此前后,还发明了雨量器、风杯风速计以及黑白球日射表,等等。有了这些仪器就为建立气象台站提供了必要的条件。1653年在意大利北部首先建立气象台,此后其它国家亦相继建立地面气象观测站,开始积累气象资料。1802年拉马契克进行了云状分类,逐步发展了现今使用的云与天气现象的目测内容。在时间和地域上同步和连续的观测结果,对于天气预报的准确性具有重要意义,因而提出了建立气象台站网的要求,第一个气象台站网就是由拉马契克在欧洲建立的。从1643年到20世纪初的200多年里,是地面气象观测发展并趋于成熟的时期。

123 发展中期

20世纪初期到中叶。20世纪20年代,随着无线电技术的发展,法国、前苏联、德国和芬兰开始研制无线电探空仪,发展了高空探测技术,大气探测扩展到更广阔的三维空间。40年代开始,探测高度从对流层顶部、平流层底部扩展到2030km高空,而火箭探测的应用,进一步把探测高度提高到100km。同时,气象观测的内涵发生了深刻变化,监测内容从单一的地面观测,发展到地面观测与高空探测并举,因而也改称为大气探测。

124 发展近期

这一时期大气探测的新特点是大气遥感系统的发展。19411942年开始应用专门的云雨测量雷达,19604月美国发射第一颗气象卫星泰罗斯1号。大气遥感技术不但扩展了大气探测的范围,也提高了大气过程探测的连续性。以20世纪60年代初声雷达的研制为标志,各种类型的遥感设备相继研制和试验成功,如激光雷达、风廓线雷达、微波辐射计等,呈现出现代大气探测系列的基本特点。20世纪90年代开始,中国现代大气探测发展的某些事件是很有意义的:首先是广泛地建立地面观测自动气象站网,这些自动站并包括许多以往必须依赖于目测的项目;其次是一些遥感系统加入到大气探测的日常观测业务中,如713714天气雷达和新一代(多普勒)天气雷达、气象卫星云图接收和遥感资料的广泛应用;另外,还有探空仪改型换代、数字化信号传输以及GPS测风系统的引入,将会在高智能化的条件下实施探空仪的生产、施放和数据采集。预计在2020年以前,一个崭新的、面向整个气候系统的、包括地基观测、空基观测、天基观测的现代大气探测系统将会出现在中国气象部门的大气探测业务体系之中。

13 大气探测原理

大气探测主要有直接探测和遥感探测。直接探测是将感应元件放于测量位置上,直接测量大气要素的变化;根据元件的物理、化学性质受大气某种作用而产生反应的特点,构成直接探测原理。例如百叶箱中的水银玻璃温度表,充满水银的玻璃球与大气进行热交换取得该处大气的温度,温度变化时,引起测温水银体积膨胀或收缩,使进入毛细管的水银柱高度随之变化。遥感探测原理是根据大气中声、光、电等信号传播过程中性质的变化,反演出大气要素的时空变化。例如透射式能见度仪,是利用光波在传播过程中的衰减程度确定出当时的能见距离。

遥感探测又可分为主动遥感被动遥感两种方式。主动遥感设备具有声、光、电磁波发射源,在其测量空间中,大气特性对其传播信号产生相应的吸收、散射、反射,从而形成带有大气特征的回波信号,最典型的设备是测云雨雷达;被动遥感则是直接测量来自大气的声、光、电磁波信号,例如水汽在1.35cm波长处有强辐射信号,接收其微波辐射可反演出大气中水汽的含量。

14 大气探测仪器

仪器是大气探测的工具,充分了解仪器的性能,才能发挥它应有的功效。决定仪器性能的首要因素是感应原理,由感应原理决定了它的主要性能指标,包括灵敏度、精确度、惯性(时间常数)和坚固性(含稳定性)。

一个完整的大气探测仪器(或系统)包括观测平台观测仪器资料处理单元三个部分。观测平台是指安装仪器的设施,例如地面观测场地、气象铁塔、飞机、探空气球等。资料处理单元则是将仪器输出的信号实时采集、处理、传送和储存。

15 大气探测方法

探测方法与观测仪器和观测任务是不可分割的。仪器的基本感应原理决定了使用仪器应遵守的一般原则,在这个基础上根据任务的性质选用合适类型的仪器,并制定相应的探测方法。

探测任务是多种多样的,有一般的日常运行的台站网,也有针对特殊天气系统的探测网,还有为一些科研任务设置的探测网。不同任务需要制定不同的观测方法,例如适用于普遍气象台站的“观测规范”,但在灾害性天气预警系统中的监测网或者青藏高原大气科学实验中的监测网,又将在“规范”基础上做出补充规定。尽管如此,不同任务制定的不同观测方法也有共同需要遵守的原则,其中最主要的一条是资料的代表性。影响资料代表性的因素有两条:一是观测地点的代表性;二是数据取样平均的代表性。

2 气象雷达和气象卫星探测

21 雷达简述

雷达”这个词,是由英文“radio detection and ranging”缩写成“radar”后音译过来的,其含意是无线电探测与测距,也就是说雷达可以探测空间目标的位置,同时提取目标反射特征等方面的信息。对于地球上的某一定点(雷达站)而言,任何一个空间目标的位置,可以用三个基本的参数表示:斜距水平距离(或高度、仰角)方位角

22 气象雷达的工作原理

雷达发射机产生电磁能量,雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波,由雷达天线以电磁波的方式辐射出去,电磁能在大气中以光速(29.98×104km/s)传播。当传播着的电磁波遇到了目标物后便产生散射波,而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接收天线,被接收的这一部分散射能量,称为目标的后向散射,也就是回波信号,对这种回波信号的检测可以确定目标的空间位置。

雷达是用测量回波信号的延迟时间来测量距离的。假设目标离开雷达的斜距用R表示,则发射信号在R距离上往返两次经历的时间用Δt表示,目标的斜距R便可由下式给出:R=1/2cΔt,其中c为光速。

雷达测量目标的方位角和仰角是依靠天线的定向作用去完成的,它辐射的电磁波能量只集中在一个极狭小的角度内。空间上任一目标的方位角和仰角,都可以用定向天线辐射的电磁波束的最大值(即波束的轴向)来对准目标,同时接收目标的回波信号,这时天线所指的方位角和仰角便是目标的方位角和仰角。雷达天线装在传动系统上,可以固定方位角而在仰角范围内扫描,或固定仰角而在方位角范围内扫描,从而可以得到各个方向和探测距离内目标的信息。

23 气象雷达的组成

典型的气象雷达的主要电子线路组成部分如下图所示,它由发射系统天线系统接收系统信号处理器显示系统等部分组成。




 (图略)

(引自参考文献1,第340页)

 

24 气象雷达的主要技术指标

气象雷达的技术指标主要描述有关雷达性能的各种参数,它们既表示雷达的探测能力、精度,也是雷达定量探测的依据。雷达参数主要有:工作波长;发射功率;脉冲重复频率;脉冲宽度;波束形式与波束宽度;天线增益;灵敏度等。

雷达的工作波长(或工作频率)是指发射机高频振荡器的工作波长(或频率)。工作波长是气象雷达的主要参数之一。工作波长不同,雷达的结构、技术性能和用途也有所不同。

对于气象雷达而言,由于液态水滴(雨、云和雾)和固态粒子(冰晶、冰雹和雪片)对雷达波的后向散射和衰减在很大程度上依赖于雷达的波长,因此对于不同的目标应选择不同的工作波长。在一般情况下,常规气象雷达的工作波长很少超过20cm。常用的工作波长有3cm5cm10cm几种。下表列举了气象雷达波长和可探测的天气目标的范围。

 

 气象雷达波长与可探测的天气目标

波长(cm

频率(兆赫)

波段

可探测的目标

0.86

35000

Ka

云和云滴

3

10000

X

小雨和雪

5.5

5600

C

中雨和雪

10

3000

S

大雨和强风暴

20

1500

L

天气监测

(引自参考文献1,第347页)

 

25 气象多普勒雷达及其应用


(图略)

气象多普勒雷达的理论基础是电磁波的多普勒效应。所谓多普勒效应,是指波源相对于观察者运动时,观察者接收到的信号频率和波源发出的频率是不同的,而且发射频率和接收频率之间的差值和波源运动的速度有关。由多普勒效应引起的频率变化,叫多普勒频移或多普勒频率。在雷达系统中心,这一多普勒频移表现为相继脉冲的相位变化。


 

20057152134分不同仰角的反射率因子(新疆阿克苏气象台提供)

 

计算表明,对气象目标而言,多普勒频率总是处在音频范围内。当然,多普勒频率和载频频率相比是很小的。尽管如此,多普勒频率还是可以采用相应的方法观测到。另外,相对于一个固定的波源,固定目标的回波不包括相位变化的信息。固定目标的回波是不变化的,而运动目标的回波都有因每个回波信号的相位变化而引起的波动。

在结构体制上,气象多普勒雷达可以分为射频功率放大型和射频功率振荡型两种型式。前者是指其发射机的末级电路由射频功率放大器组成;而后者是由多腔磁控管大功率振荡器组成。

气象多普勒雷达是非常有用的探测工具。可以应用于:探测降水区中气流的垂直速度平均值;雨滴谱的测量;湍流的估计;探测龙卷等强风暴;测量大范围稳定性降水区中的流场结构。中国新一代多普勒(包括在新疆的7台)天气雷达(CINRAD/CC)已投入业务应用,效果良好。

26 气象卫星概述

利用人造地球卫星作为观测平台把遥感到的视场范围内的地球大气信息通过通讯设备传到地面,从而实现对地球大气信息的监测,这类专门用来获取地球大气要素和参数的卫星称作气象卫星。它是空间技术、遥感技术和通讯技术相结合的产物,也是一个国家高科技水平和综合国力的一个体现。

196041,美国把世界上第一颗气象卫星送上太空,开创了人类从空间观测天气(天基观测)的新纪元。到目前为止,全世界已发射各种类型的气象卫星160余颗。从20世纪60年代末开始,气象卫星逐步从试验走向业务化。由不同种类轨道气象卫星组成的监测网,已经成为是气象组织下属的世界天气监测网(WWW)计划的重要组成部分。当前,世界上发射和委托发射气象卫星的国家和集团有:美国、俄罗斯、日本、欧洲气象卫星组织、中国和印度。其中,以美国的气象卫星最先进,发展历史也最具代表性。

气象卫星探测的最大优势是高空间分辨率、高时间分辨率和全球覆盖。选择合适的轨道、姿态、遥感探测器是实现这些优势的关键。例如:气象卫星的观测范围和频次仅决定于卫星的轨道,与地表类型(海洋、沙漠、高山等)无关。选择合适的轨道就可以获取覆盖全球的资料(如:极地轨道),也可以对某一特定地区进行高频次观测(如:地球静止轨道)。正是这些突出的特点和优点,使它的出现极大地促进了天气预报、气象科学研究、短期气候变化监测和自然资源环境监测等业务和学科的发展。

气象卫星是最先发展的对地观测卫星。目前,它和其他对地观测卫星(如:资源卫星、海洋卫星等)组合在一起,已经成为获取全球、长时期、多圈层的大气、环境和其他地球物理参数的最佳手段,成为全球变化研究、可持续发展和数字地球等当代最前沿课题的技术基础。

27 气象卫星的轨道参数

指表征卫星运行轨道或某一时刻卫星位置的参数。常用的业务气象卫星有两种(轨道),一是极轨气象卫星,另一种是地球静止气象卫星。

极轨卫星又称为太阳同步轨道卫星。其特点是卫星的运行轨道平面与地球赤道面的夹角(即轨道倾角)略大于90°。卫星运行的轨道平面与太阳方向的夹角保持不变,即卫星沿经线偏西方向运行,对地球上的任何地点,它每天准时光临其上空。这类轨道的优点是可以得到全球的观测资料;在任何地方观测时其太阳高度角相同,从而保证了相同的太阳光照条件。

地球静止卫星又称地球同步轨道气象卫星。其特点是卫星运行的轨道平面与地球赤道平面重合,卫星轨道高度只能在35800km附近(比极轨卫星高很多),这种卫星运行的角速度与地球自转的角速度相等,卫星相对静止于赤道某一点的上空。它不能观测全地球,但是最大优点是可以频繁地监测卫星视场范围内的天气系统的发展和演变,对生命史不足12h的中小尺度强对流天气系统和热带海洋上的风暴,其监测预警作用十分显著。

从卫星资料的定位要求而言,应该知道某一时刻t的开普勒轨道根数,它包括以下6个参数,即:半长轴a、偏心率e、轨道倾角I、升交点赤经Ω、近地点幅角ω和半近点角M。由此可以计算任一时刻t的卫星位置。开普勒轨道根数由卫星测控中心根据测控站的测控数据,经过计算而定期发布。

28 卫星姿态、大气吸收和大气窗

281 卫星姿态

气象卫星在轨道上运行时,其遥感探测器相对于地球表面或空间某一固定方向的取向称为卫星姿态。气象卫星主要有两类姿态:一是自旋稳定姿态,卫星的自旋轴指向空间某一固定方向;二是三轴稳定方式的卫星姿态,它的三条正交轴线(俯仰、横滚、偏航)指向空间某一固定方向。

282 大气吸收和大气窗

大气是由多种分子状态的大气成份组成。电磁波在大气中传播时,大气成份会对它产生吸收和散射,从而使电磁辐射减弱,如果把地球看成一个300°K黑体,则其电磁辐射能主要分布在波长3120μm的范围内。就瑞利散射而言,在这个波段范围内,大气成份的分子散射是可以忽略不计的,辐射能减弱的原因主要是分子吸收。但在波长小于3μm的可见光和近红外波段,气体分子的散射,尤其是不同直径的气溶胶粒子的散射则是必须考虑的因素。

把组成大气的气体分子的所有吸收带和吸收线排列在一起,就会发现,有些波段,大气的吸收很小,甚至几乎为零,这些波段的太阳入射辐射和地球大气辐射可以像光通过窗户那样达到地球表面和宇宙空间。我们把这些波段叫做大气窗区。下表列出了不同波段的大气窗区。

 

主要的大气窗区

谱段

紫外与可见光(μm

近红外(μm

红外(μm

远红外(μm

微波(mm

波长

0.300.75

1.01.12

3.54.1


2.062.22

1.191.39

4.55.0

17.022.0

3.03.75

0.770.91

1.551.75

8.09.2


7.511.5

2.052.46

10.212.4


2.03.0

(转引自参考文献3,第65页)

 

大气窗在对地卫星遥感中十分重要。任何对地观测卫星要想得到地球表面(陆面、水面或冰雪表面)和大气中云层上表面的信息,都要选择大气窗波段进行遥感探测。

大气对辐射的吸收对气象卫星遥感有重要意义,要想观测大气成份的含量及垂直分布、大气要素(压、温、湿)的垂直分布,必须充分利用大气成份的吸收特性,选择气体的吸收波段进行遥感。

29 气象卫星遥感探测器

遥感探测器的主要技术指标之一是卫星探测的水平分辨率或称空间分辨率,这是指卫星遥感探测仪器能分辨的探测目标的最小水平的大小,即每个观测到的小点(像素)所代表的面积。由于地球是一球面,对地遥感卫星又多采用扫描的方式观测,同样的卫星遥感探测器的瞬时视场,在地面的投影大小却可以相差一倍以上。现在通常所说的水平分辨率是指卫星遥感探测器的瞬时视场对应的星下点的水平尺寸。

衡量气象卫星性能和水平的主要指标之一是星上遥感探测器的数量,而衡量遥感探测器性能和水平的主要指标则是通道数、星下点空间分辨率、数据量化等级和探测精度。气象卫星遥感探测器主要有:扫描辐射仪;垂直探测器;微波探测器;高分辨率光谱探测器;紫外后向散射仪(SBUV);平流层气溶胶和气体试验(SAGE)等。

210 地球观测卫星

20世纪90年代美国国家宇航局(NASA)提出了一个由15颗卫星组成的行星使命计划,为研究地球自然环境系统的现状、演变和相互作用获取监测信息。这15颗星统称为地球观测系统EOS),其中的第一颗地球观测卫星于1999年末成功发射,并被命名为Terra(地球)。

地球观测卫星是一个十分先进的极地轨道的对地遥感卫星,携带多种先进遥感探测器进行综合观测是其主要特点。Terra卫星上携带有以下五种探测仪器:先进的空间热辐射反射辐射仪(ASTER);云和地球辐射能量系统(CERES);多角度成像光谱辐射计(MISR);中分辨率成像光谱仪(MODIS);对流层污染探测装置(MOPITT)。

新疆环境气象中心已把接收和应用地球观测卫星的探测资料作为一项重要的气象业务

211 3S系统和全球定位系统气象学  

3S系统是地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS)和地球定位系统(GPS)的统称。

由美国军方研制、发射和运行管理的,由24颗卫星组成星座的全球导航、授时和测距系统,简称地球定位系统(GPS)。它在科学技术和经济社会的许多领域都得到了广泛的利用。其中研究利用GPS技术探测大气参数的原理和方法,以及如何把这些资料用于大气科学的交叉分枝学科叫做全球定位系统气象学(GPS–MET)。利用GPS技术探测大气参数分为空基GPS和地基GPS两大类。所谓空基GPS就是提高精度的GPS接收机安装低轨卫星上;地基GPS就是在地面测站安装双频测地型GPS接收机。详见本章第9节。




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2 周少祥 苏保霞

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