辐射与探空气象仪器--新疆气象手册（41）第3篇第1章第3、4节

 2020 02 29

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3 辐射气象仪器

3．1 辐射的测量

这里指的辐射是太阳、地球和大气辐射的总称。通常称太阳辐射为短波辐射，地球和大气辐射为长波辐射。观测的物理量主要是辐射能流率，或称辐射通量密度或辐射强度，标准单位W/m²。气象上常测定以下几种辐射量：

⑴ 太阳直接辐射，指来自日盘0.5°立体角内与该立体角轴垂直面的太阳辐射。

⑵ 天空辐射（或称太阳散射辐射），指地平面上收到的来自天空各方的向下散射和天空反射的太阳辐射（短波）。

⑶ 太阳总辐射，指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和（短波）。

⑷ 反射太阳辐射，指地面反射的太阳总辐射（短波）。

⑸ 地球辐射，指由地球（包括大气）放射的辐射（长波）。

⑹ 净辐射，由天空（包括太阳和大气）向下投射的和由地表（包括土壤、植物、水面）向上投射的全波段辐射量之差称为净全辐射，简称净辐射（含短波和长波）。

3．2 总辐射表

总辐射表测量总辐射。

它由感应件、玻璃罩和附件组成。感应件由感应面与热电堆组成，涂黑感应面通常为圆形，也有方形。热电堆由康铜、康铜镀铜构成。另一种感应面由黑白相间的金属片构成，利用黑白片的吸收率的不同，测定其下端热电堆温差电动势，然后转换成辐射。

 总辐射表

玻璃罩为半球形双层石英玻璃构成。它既能防风，又能透过波长0.3～3.0μm范围的短波辐射，透过率接近0.9。双层罩的作用是为了防止外层罩的红外辐射影响，减少测量误差。

3．3 净全辐射表

净全辐射表是测量净辐射的仪器，由感应件、薄膜罩和附件等组成。

感应件由涂黑感应面与热电堆组成。与总辐射表不同，它有上、下两个感应面，两面均能吸收波长为0.3～100μm全波段辐射。热电堆两端与上、下两个感应面相贴。由于上、下感应面吸收的辐照度不同，使得热电堆两端产生温度差异，其输出的电动势与涂黑感应面接收的辐照度差值成正比。

为防风和保护感应面，净全辐射表上下感应面装有既能透过短波（0.3～3μm），又能透过长波辐射（3～100μm）的半球形专用聚乙烯薄膜罩。

3．4 直接辐射表

太阳直接辐射表（简称直接辐射表或直射表）测量太阳直接辐射。直接辐射表由进光筒、感应件、跟踪架（赤道架）及附件组成。

① 进光筒是一个金属圆筒。② 感应件是仪器的核心部分，由感应面与热电堆组成。③ 跟踪架是支撑进光筒使之自动准确跟踪太阳的一种装置，有时钟控制、直流电机控制和全自动三种形式。

3．5 散射辐射表

散射辐射表是测量散射辐射的仪器，由总辐射表和遮光环两部分组成。遮光环的作用是保证从日出到日落 能连续遮住太阳直接辐射。它由遮光环圈、标尺、丝杆调整螺旋、支架、底盘等组成。

中国采用遮光环圈的宽度为65mm，直径为400mm，固定在标尺的丝杆调整螺旋上，标尺上刻有纬度与赤纬刻度。此外，还有用电机带动的自动跟踪太阳的遮光球（板）和手动的遮光板两种装置，以阻挡太阳直接辐射。

3．6 长波辐射表

长波辐射表测量长波辐射，它的构造、外观与总辐射表相似，由感应件、玻璃罩和附件等组成。不同的是玻璃罩内镀上硅单晶，保证了3μm以下的短波辐射不能到达感应面。仪器观测到的值，包括感应面接收到的长波辐射以及感应面本身向外发射的长波辐射的差值，因此长波辐射表观测到的是长波辐射。

白天太阳辐射较强，硅罩的温度明显高于腔体温度。使得感应面将从硅罩得到附加的热辐射，形成仪器数据系统偏高。新型长波辐射表增加一个热敏电阻，测量硅罩温度孔，用来修正上述误差。有的还采用自动跟踪遮光板，挡住太阳直接辐射。（下图）

 长波辐射表

4 探空仪器、设备

4．1 水电解制氢

在电解槽中通入直流电时，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。反应式为 ：阴极反应：2H₂O+2e→H₂↑+2OH⁻；阳极反应：2OH⁻－2e→1/2O₂↑+H₂O；总反应式：H₂O→H₂+1/2O₂↑。

① 电解槽：电解槽是制氧机的核心部分，水在这里被分解成氢气和氧气。② 过滤器：过滤器内装有滤芯。③ 分离器：从电解槽出来的气液混合体在分离器内进行气液分离，分离器内装有蛇管冷却器，通入冷却水用于冷却电解液，从而控制电解槽的工作温度。④ 除雾器：气体通过除雾器得到冷却和碰撞降低气体的含水量和含碱量。⑤ 压力平衡阀：控制压力压差。

4．2 经纬仪

CFJ–1型光学经纬仪是用来跟踪气球，进行高空风测量的仪器。由望远镜、读数系统、转动装置、照明装置等部份组成，望远镜由大、小物镜组、大、小反光镜、中间镜、分划板、目镜组等组成。（右图：CFJ–1型光学经纬仪）

目前，台站用的经纬仪主要有：五八式、六三式、CFJ–1型、CFJ–2型等，各种类型的经纬仪主要原理基本相同。均由望远镜、转动装置、读数装置、水平调整装置、照明装置和其他附件等构成。

4．3 无线电探空仪

探空仪是用来测定自由大气各高度的气象要素值，并将要素值用无线电讯号发送到地面的遥测仪器（它由氢气球带着升空）。其感应元件具有较高的灵敏度、准确度，整体体积小、重量轻、牢固可靠，能经受风云雨雪的影响并减少高空（太阳）强辐射。依据测量内容不同，中国制探空仪分两类：

⑴ 常规探空仪：主要测量高空对流层、平流层气象资料。由感应器，转换器和发射装置三部分组成。

⑵ 特种探空仪：在常规探空仪的基础上，根据不同的目的（如测定臭氧、平流层露点、各种辐射通量、大气电场，监视低层大气污染等）或不同施放方式（如气球升空或气象飞机、气象火箭、定高气球下投等）派生了多种特殊探空仪，如臭氧探空仪，火箭探空仪等。

4．4 五九型探空仪

五九型探空仪是一种电码式探空仪。在由气球携带升空的过程中，感应周围空气的气压、温度、湿度，由编码机编成电码，通过发讯机将感应的结果发向地面观测站。观测自地面至高空的气压、温度和湿度的垂直分布情况。它与光学经纬仪或测风雷达配合，还可以同时观测自地面至高空的风向、风速垂直分布情况。它主要由探空仪机体、纸盒、发射机、天线和电池、检定证等组成。其外形尺寸为197×120×250mm；重量（不带电池、发射机）不大于580g。

4．5 气象气球

用橡胶或塑料制成的球皮，充以氢气、氮气等比空气轻的气体，能携带仪器升空进行高空气象观测。

⑴ 测风气球：气象上称小球，用橡胶制作，球皮重约30g，主要用于经纬仪测风或边界层探空，最大升空高度在10～15km。

⑵ 探空气球：用橡胶或氯丁乳胶制作，球皮重0.8～2.0kg，携带1kg仪器升速为5～6m/s，最大升空高度可达30km。是日常高空观测使用的气球。

⑶ 系留气球：用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的气球。通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与地面交角可以估算气球距地面高度，它可以携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量，用完后收回作多次使用。适用于大气污染监测和研究大气边界层等。

⑷ 定高气球：在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的气球，也称等密度气球或等容气球。气球由塑料制成多层复合膜，耐压性强，保气性好。气球大小视飞行高度和所带仪器的重量而定，其直径小至一米，大至数十米不等，在空中可飘行数天至数月。大型定高气球直径22m，距地高度24km，一次可携带200个探空仪。能接受卫星指令，每隔一定飘浮距离投下一架探空仪，下投的探空仪带降落伞，观测数据由无线电信号发到母球，再由母球转送到卫星，最后由卫星播发到地面站接收。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统，在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。

4．6 701测风二次雷达

二次雷达是指所追踪的目标是有源的，具有发射无线电波能力的“无线电回答器”工作时，受雷达发射的“询问信号”触发，发射“回答信号”为雷达接收。这种一问一答的工作状态构成了二次雷达的基本特点。而一次雷达所测定的目标是一个无源的反射体（如轮船、飞机、反射靶等），是靠目标反射电磁波，被雷达接收作为回波信号的。二者的根本区别在于所测目标是有源的还是无源的。

701测风二次雷达，是中国设计制造的专用气象雷达。探测是和探空仪、回答器相配合进行的。当气球带着回答器上升的同时，还随高空风飘移,测出其单位时间内的水平位移，就可以测出各层风向、风速，雷达观测高空风不受黑夜、阴雨、烟雾等条件的限制，探测高度比经纬仪高；探空气球上挂的探空仪，能遥测大气层各高度的温、压、湿要素，编成电码并发回地面, 由雷达接收，经检波后，输出温、压、湿探空信号；雷达通过测出回答器斜距、方位、仰角三个数据，测定其在空间的位置。

4．7 701测风二次雷达结构

701测风二次雷达有两种形式。① 牵引式，分机装在拖车里，天线架于拖车顶；② 固定式，分机装在机房里,天线架在机房顶。两种形式的组成和性能是一样的。主要组成部份为：定时器、发射机、接收机、天线及馈线系统、测距显示器、测角显示器、一号电源、二号电源、配电盘、天线传动系统等。

定时器是全机工作的控制中心，它产生各种脉冲作为计时的基准去控制其它有关的分机，使全机协调一致地工作；

发射机由超高频振荡器、调制器和高压电源等组成，是全机的高频功率源。

接收机的任务是将接收到的回答和探空信号加以变频、放大、检波。并从高频转变为视频脉冲，供测距显示器和测角显示器进行观测，进而把探空信号视频脉冲转换成音频的探空信号。

4．8 天线及馈线系统

它是由天线阵和馈线两部分组成。天线是用来定向发射和接收无线电波用的，它由16根引向（八木）振子及其反射网等组成。每四根振子按菱形排列成一小组天线，分成上、下、左、右四个小组。四个小组天线仍按菱形编组排列，组成总体天线阵。天线阵由天线传动装置控制它作方位转动（360°）和上下俯仰（90°）。馈线系统的作用是将发射机产生的超高频发射脉冲有效地送到天线阵的各个引向振子上，并有效地将天线阵接收到的超高频回答脉冲及探空信号送到接收机。

4．9 701C测凤二次雷达

701C测凤二次雷达是701测风二次雷达的改进型，其体制和技术性能与701雷达基本相同。它要和GZZ2–1型探空仪、GPZ–2型发射回答器协同工作才能完成对高空大气层的风速、风向、温度、湿度、气压等五个气象要素的综合探测。

701C雷达采用固定站形式，天线座、发射机与主控台之间用电缆连接。主控台在工作室内，天线座和发射机安装在建筑物顶层的天线房内。

4．10 L波段二次测风雷达—电子探空仪系统

L波段二次测风雷达—电子探空仪系统是新一代高空气象探测系统。在探空仪施放后，自动完成温度、湿度、气压、风速、风向的探测。它采用应答式测风体制，可实现从地面到高空整个过程的距离与角度的自动跟踪，自动获取球坐标数据和探空数据，自动输出气象报表。设备操作简单，具有检测系统，模块化设计。探空仪是全电子探空仪，完成温度、湿度、气压测量和对雷达的应答，探测精度有明显提高。

主要技术指标：工作频率：1671MHz；探测范围：距离200km，方位0～360°，仰角0～90°。

4．11 气象火箭探测

气象火箭携带仪器对中高层大气进行探测，探测高度主要在30km以上，80km以下。探测项目包括温度、密度、气压、风向和风速等气象要素，以及大气成份和太阳紫外辐射等。当火箭达到顶端时，抛射出探空仪，利用降落伞使仪器阻尼下落，可探测20～70km高度的气象要素，如果火箭上升到顶端，放出金属化尼龙充气气球、尼龙条带或其它轻质材料，用精密雷达跟踪，可探测30～100km上空风、密度，再推算出温度、气压等气象要素。此外，还有用取样火箭测定大气成份和臭氧含量，以及用火箭研究电离层、太阳紫外辐射等。

4．12 气象飞机探测

用飞机携载气象仪器进行的专门探测，要根据任务性质选择飞机的种类，必要时需添加特殊装备。例如远程大中型飞机适用探测台风、强风暴等天气；小型飞机和直升飞机适用于中小尺度系统和云雾物理探测；民航机可兼作航线气象观测。探测飞机高度以下的大气状况需携带下投探空仪；探测云、雨、风、湍流需装设机载雷达；了解云中雷电现象、含水量、云滴谱、升降气流时，均需分别配备相应仪器。

5．沙尘暴、酸雨、紫外线、雷电气象仪器

5．1 沙尘暴观测自动跟踪太阳光度计

气象台站配备的CE318自动跟踪太阳光度计（简称光度计）是由法国CIMEL公司生产，用于气溶胶光学特性观测。

大气气溶胶对太阳辐射的衰减作用，可以用比尔定律描述，在地面上利用光度计对太阳直接辐射进行观测，可以推导出大气气溶胶的光学厚度；又由于天空散射辐射与气溶胶谱分布有关，因此可以通过测量天空散射光和数学模型计算反演气溶胶谱分布和相函数等。

CE318自动观测，将采集数据自动存入机器内部存储单元，并通过ASTP软件定时传输到计算机内（也可以手动方式将测量数据传输到计算机内）。CE318太阳光度计由光学头部、跟踪伺服系统、控制箱、太阳能电池板和湿度传感器等部分组成。

5．2 沙尘暴观测大气粒子监测仪

TEOM1400a型大气粒子监测仪对粒径10μm以下的大气气溶胶质量浓度（PM10）进行自动测量。测量的要素为当前质量浓度、30min平均质量浓度、1h平均质量浓度、8h平均质量浓度、24h平均质量浓度、总质量、环境温度、环境气压。质量浓度，单位为μg/m³；总质量，单位μg；环境温度，单位℃；环境气压，单位hPa，。

气象台站配备美国Rupprecht & Patashnick公司的TEOM1400a型大气粒子监测仪，能进行自动连续监测。主要部件包括：粒径切割器、采样管路、质量传感器单元（锥管振荡微天平，TEOM）、控制单元（包括操作终端和控制电子部件）、气泵。

5．3 沙尘暴观测浊度计

M9003型浊度计是沙尘暴观测仪器，气象台站配备澳大利亚Ecotech公司生产的M9003型浊度计进行大气浑浊度的自动观测，完成大气浑浊度数据的采集、记录，并形成观测数据文件。

大气浑浊度观测，主要是通过对环境大气中颗粒物的光学散射（即散射系数）进行连续、实时的测量，用测量数据反演环境大气中颗粒物的污染程度。

5．4 沙尘暴观测能见度仪

FD12能见度仪用于大气光学能见度的观测，利用仪器对环境大气中颗粒物的前向散射现象进行连续、实时的测量，用以反映环境大气中颗粒物对环境大气的污染程度。

气象台站配备Vaisala公司的FD12能见度仪是由微处理器控制的大气前向散射测量仪器。它由发射板（FDT12），接收板（FDR12），控制板（FDP12）和内部连接电缆组成。FDT12发射红外光的脉冲，透镜将它聚焦成一条窄的光束。接收机透镜将散射光收集到PIN－光二极管上用于检测。检测到的光分别转换为频率，发送到仪器处理单元，通过专门算法转化为气象光学能见度（MOR）。

5．5 酸雨观测PH 值仪器

PHS-3B是在酸雨观测项目中，测量降水样品的PH值的仪器。PHS–3B是一台3位半LED(数码管)数字显示的精密PH计。适用于化验室取样测定PH及温度值。

仪器由电子单元、PH复合电机和温度传感器组成。仪器可分别显示PH、MV、温度值。

5．6 酸雨观测电导率仪

DDS–307型电导率仪是在酸雨观测项目中，测量降水样品的电导率(K)值的仪器。是实验室测量水溶液电导率必备的仪器。

仪器主机由机箱盖、显示屏、面板、机箱底等组成。

5．7 紫外线辐射仪器

测量紫外线辐射的仪器一般可以分为二大类，第一类就是所谓的宽波段测量仪器，此类仪器的响应是按照与特定的作用曲线相一致的。第二类就是所谓的窄波段测量仪器。这类仪器是把整个紫外线辐射谱分成若干个很窄的波段，分别测量每个波段的实际辐射量。

目前一般使用的宽波段紫外线辐射测量仪的测量原理是：以紫外滤光片和探测器的组合，或者再加上荧光涂层为基础的。滤光片的作用是只让所需要的紫外波段的光线通过而阻挡其它波段的光线进入。磷荧光涂层的作用则是把以下的紫外线辐射转换成可见光，然后，用能探测可见光的光电倍增管来进行测量。

SUR–1型紫外辐射测量仪输出毫伏级的电压信号，可以通过：① 人工用数字式电表直接测量，读出电压值并转换成相应的紫外辐射量；② 利用台式自动纪录仪作连续纪录，以后进行人工数据处理；③ 利用配套的QXY–1型信号变换采集器自动进行数据采集，并送入计算机处理和储存。紫外线辐射强度的记录单位为：mW/m²（毫瓦/平方米）。

5．8 雷电监测定位仪

雷电监测定位仪（闪电定位仪）是一种监测雷电发生的气象探测仪器，是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测设备。在探测技术上，雷电监测定位方法有声学法、光学法和电磁场法。进入90年代，由于GPS技术的使用，雷电监测在测向系统的基础上增加GPS时钟，形成时差测向混合系统，同时采用数字波形处理技术（DSP），对波形作相关性分析、定位处理，使雷电定位精度和探测效率都有明显提高。它可记录雷电发生的时间、位置、强度、极性等指标。定位精度在有效探测范围内能达到1km，时间精度小于1s，可全天候、长期、连续运行。

闪电定位仪可以发现空中雷电的生成、发展并进行实时跟踪定位。通过对闪电定位仪组网使用，来实现对闪电信号的精确定位，这就形成了“闪电定位系统”。