第22章邊界層和對流層專用廓線技術(shù)易1

1、第 22 章 邊界層和對流層的專用廓線技術(shù)22.1 概述專用廓線技術(shù)已被開發(fā)用于在高時(shí)間和空間分辨率上獲取數(shù)據(jù)，以滿足分析、預(yù)報(bào)、小尺度氣象 研究、以及多種特殊應(yīng)用的要求。本章介紹了目前應(yīng)用于上述目的的地面系統(tǒng)的概況。本章分為兩個(gè) 主要部分：遙感技術(shù)和直接測量技術(shù)。其中一些技術(shù)可用于整個(gè)對流層的測量，一些技術(shù)用于低對流 層的測量，尤其是行星邊界層。遙感技術(shù)基于電磁或聲音的能量和大氣的相互作用。 和直接測量相反， 遙感測量儀器和被測變量 在空間上距離是分離的。在大氣應(yīng)用上，該項(xiàng)技術(shù)可以分為被動遙感和主動遙感技術(shù)。被動遙感技術(shù) 利用大氣中自然產(chǎn)生的輻射(微波輻射計(jì)) 。主動系統(tǒng)(聲雷達(dá)，風(fēng)廓線儀，

2、 RASS 和激光探測雷達(dá)) 的特點(diǎn)是在人工發(fā)射進(jìn)入大氣的特殊輻射。地面廓線技術(shù)在 22.2 節(jié)中進(jìn)行闡述。與此相關(guān)的其它遙 感技術(shù)在第一編的第 8 章和第 9 章進(jìn)行討論。22.3 簡闡述了將儀器設(shè)置于不同平臺上，直接獲取邊界層測量結(jié)果的直接測量技術(shù)(氣球，邊界 層無線電探空儀，安裝儀器的塔和桿，裝載儀器的系留氣球) 。第一編的第 12 章和第 13 章講述了更 為廣泛應(yīng)用的利用氣球進(jìn)行廓線測量的技術(shù)。關(guān)于廓線技術(shù)的文獻(xiàn)是很豐富的。一般性的討論和評述見Derr(1972) ， WMO(1980) ，Martner 等(1993)和對流層廓線的第二屆國際研討會中的報(bào)告。22.2 地基遙感技術(shù)2

3、2.2.1 聲雷達(dá)(聲達(dá))聲雷達(dá)(Sodars)基于大氣對聲波進(jìn)行散射的原理而工作。根據(jù)聲散射的理論，一個(gè)聲脈沖射入 大氣會被由于小尺度湍流溫度及速度起伏引起的折射率變化造成散射， 而這種湍流溫度及速度的起伏 在空氣中自然存在，特別伴隨出現(xiàn)在逆溫層的強(qiáng)溫度和濕度梯度中。在后向散射情況下(180°)，只有尺度相當(dāng)于二分之一發(fā)射聲波波長尺度的溫度起伏才能決定返回的回波。然而，在別的方向上，除 無散射的 90 度角之外，回波是由溫度和速度起伏共同導(dǎo)致的。有關(guān)聲音探測方面的可利用的參考文獻(xiàn)包括， Brown 和 Hall(1978) ， Neff 和 Coulter(1986) ， Gayn

4、or 等(1990)和 Singal(1990) 。一些不同類型的聲雷達(dá)已經(jīng)被開發(fā)出來， 但在業(yè)務(wù)中廣泛使用的是單點(diǎn)聲雷達(dá)和多普勒單點(diǎn)聲雷 達(dá)兩種類型。單點(diǎn)聲雷達(dá)由一個(gè)垂直指向脈沖的聲源和一個(gè)配置好的接收機(jī)組成。每個(gè)聲脈沖中有小部分脈沖通過空氣中自然產(chǎn)生的溫度起伏散射返回接收機(jī)。接收機(jī)測量返回聲波的強(qiáng)度。在常規(guī)雷達(dá)中，從發(fā) 射到接收回波的時(shí)間延遲即反映了目標(biāo)物的距離。 在雙點(diǎn)聲雷達(dá)中， 接收機(jī)被置于距離聲源一定距離 以外接收速度起伏產(chǎn)生的回波的信號。單點(diǎn)聲多普勒雷達(dá)既測量回波信號強(qiáng)度， 也對發(fā)射和接收信號進(jìn)行頻譜分析， 以確定發(fā)射聲波和 后向散射聲波的多普勒頻移。 多普勒頻移是因溫度起伏隨空氣

5、移動而產(chǎn)生的， 由此可測量空氣徑向風(fēng) 速。多普勒聲雷達(dá)使用三種典型波束：一個(gè)垂直方向和兩個(gè)偏離垂直方向有一定傾斜的方向，從而在 三個(gè)方向上確定出風(fēng)速分量，從這些分量中就可以計(jì)算出垂直風(fēng)和水平風(fēng)。在時(shí)間-高度圖中，風(fēng)矢 量按照30-50m的高度間隔顯示出來。600m聲雷達(dá)最大探測高度取決于系統(tǒng)參數(shù)，但隨著大氣條件而改變。電子系統(tǒng)通常能夠探測到 的高度甚至更高，高度分辨率可達(dá)幾十米。一個(gè)聲雷達(dá)應(yīng)該包括以下參數(shù)：參數(shù)特征值脈沖頻率1500Hz脈沖寬度0.050.2s脈沖重復(fù)周期2 5s波束寬度15°發(fā)射功率100w單點(diǎn)聲雷達(dá)通常能生成后向散射回波信號強(qiáng)度的時(shí)間-高度圖。圖中包含大量邊界層內(nèi)

6、部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)資料。大體上能夠用來監(jiān)測逆溫層高度，通過邊界層穩(wěn)定度變化來監(jiān)測混合層的厚度，以及監(jiān)測 霧的濃度。然而，要正確解釋這類曲線圖則需要相當(dāng)多的技巧和背景知識，以及來自現(xiàn)場測量和有關(guān) 全面天氣狀況的有價(jià)值的附加信息資料。多普勒單點(diǎn)聲雷達(dá)系統(tǒng)在測風(fēng)的同時(shí)，也提供了強(qiáng)度信息。這種系統(tǒng)低成本、高效地進(jìn)行邊界層 測風(fēng)。尤其適合于逆溫層的連續(xù)監(jiān)測以及對存在潛在污染問題的工業(yè)區(qū)附近風(fēng)場進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。聲雷達(dá)系統(tǒng)的主要局限性除有限的覆蓋高度外，是干擾噪聲影響它們的靈敏度，干擾噪聲可能產(chǎn)生于交通運(yùn)輸或降水和強(qiáng)風(fēng)。這一局限性使它不能在全天氣系統(tǒng)中工作。此外聲雷達(dá)產(chǎn)生的聲音和音量會給鄰近地區(qū)帶來煩惱，這也妨礙了

7、它在其它一些適當(dāng)環(huán)境中的使用。一些系統(tǒng)采用有吸聲作用的泡沫材料，以減少外部噪聲源的影響，也減少給人們帶來的煩惱。這種泡沫材料的物理特性會隨著時(shí)間老化，必須定期更換以避免儀器性能降低。2222風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線儀是為在所有天氣條件下測量風(fēng)廓線而設(shè)計(jì)的高頻和甚高頻多普勒雷達(dá)。雷達(dá)觀測二分之一雷達(dá)波長尺度的湍流渦旋造成的大氣折射率不均勻體產(chǎn)生的后向散射信號（Bragg條件）。湍流渦旋隨平均風(fēng)速移動，通過測量湍流移動速度，可直接獲取平均風(fēng)矢量。與常規(guī)天氣雷達(dá)不同，它們能夠 在晴空條件下工作。典型的風(fēng)廓線儀在三個(gè)甚至更多的方向上測量空氣的徑向速度，垂直方向，正北 和正東偏離垂直方向 15度的方向。從這些分

8、量中，能夠確定水平和垂直風(fēng)速分量。假設(shè)垂直風(fēng)速可 以忽略，較簡化的系統(tǒng)可以通過測量兩個(gè)傾斜方向的徑向速度，從而得到水平風(fēng)速。有關(guān)的深入討論見Gossard 和 Strauch（1983）， Hogg 等（1983）， Strauch 等（1990）， Weber 和Wuentz（1990），WMO（1994）。這種散射機(jī)制的特性要求風(fēng)廓線雷達(dá)工作在40 1300MHz范圍內(nèi)。在頻率高于1300MHz時(shí)雷達(dá)性能變差。工作頻段的選擇受所需高度覆蓋范圍和分辨率的影響。實(shí)際上，系統(tǒng)確定在3個(gè)頻段：50MHz附近、400MHz和1000MHz附近，并且工作在低模式（短脈沖，較低的高度覆蓋范圍）和高 模式

9、（長脈沖，較高的高度覆蓋范圍），它們在垂直作用距離和分辨率之間進(jìn)行折衷。典型的特征值總結(jié)在下表中。廓線儀參數(shù)平流層對流層低對流層邊界層頻率（MHz）504004001000峰值功率（kW）50040"2-工作高度范圍（km）3 301 160.650.32垂直分辨率（m100大線類型Yagi （八木陣列）Yagi 或 CocoYagi 或 Coco盤狀或相位排列典型天線尺寸（m）100X 10010X 106X 63X 3雨或雪的影響小在小雨中很小在小雨中很小很大風(fēng)廓線儀能夠在無人值守狀態(tài)下工作， 并且?guī)缀跄茉谡局返恼戏阶鲞B續(xù)的風(fēng)測量。和通過跟蹤氣球來測量

10、風(fēng)的系統(tǒng)相比，這些特性是最主要的優(yōu)點(diǎn)。每部風(fēng)廓線雷達(dá)都有最小和最大測量距離。 低于或高于這一界限時(shí)都不能進(jìn)行測量。最小測量距離決定于發(fā)射脈沖寬度，雷達(dá)接收機(jī)恢復(fù)時(shí)間和接收到的周圍物體的地物雜波的強(qiáng)度。因此，應(yīng)特別 注意在工作中的風(fēng)廓線儀，要盡量減少接收到的地物雜波。雷達(dá)站址最好選擇在山谷或凹地，這樣只 在很小的范圍內(nèi)受地物雜波的影響。對平流層廓線儀來說這些考慮是最重要的。可以通過適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來減小地物雜波對較高頻雷達(dá)的影響。廓線儀接收到的信號通常隨高度的增加而減小。這從根本上決定了廓線儀的探測高度。廓線儀的最大作用距離取決于雷達(dá)的特征參數(shù)，它隨著產(chǎn)品的平均發(fā)射機(jī)功率和天線孔徑的增大而增加，但

11、它也決定了雷達(dá)所用頻率。這些要素意味著大功率的平流層廓線儀能夠在最大高度范圍內(nèi)進(jìn)行測量。然而，對于每部廓線儀，探測的最大高度隨著氣象條件的不同有相當(dāng)?shù)淖兓?。有時(shí)在較低的高度的范圍 內(nèi)可能探測不到。由于在盡可能高的高度上進(jìn)行測量是非常重要的，廓線儀用幾分鐘的時(shí)間收集數(shù)據(jù)，以對獲取的弱信號進(jìn)行積分。典型情況下，廓線儀可能用6或12分鐘來進(jìn)行三組需要的觀測，以便對風(fēng)速進(jìn)行測量。在許多系統(tǒng)中，把一系列這樣的觀測結(jié)合起來，以給出每小時(shí)一次的測量結(jié)果。由于廓線儀對來自不均一大氣的弱回波非常靈敏，它們能夠探測到來自航行器，鳥類和昆蟲的回波信號。一般來說，這樣的信號會干擾廓線儀測量，從而導(dǎo)致不正確的風(fēng)輸出。在

12、這些情況下，許多 獨(dú)立的測量可以加以比較或者結(jié)合起來，既給出一致的測量結(jié)果，又可以擯棄不真實(shí)的測量結(jié)果。在1000和400MHz波段中，降雨似乎會把折射率的不均一性反映成更大的目標(biāo)物。因此，測量 到的垂直速度是反射率權(quán)重（reflectivity-weighted ）在應(yīng)用中是無用的。大型的平流層廓線儀是非常昂貴的。它需要大型天線陣列，典型值是100m x 100m，和相對更高功率發(fā)射機(jī)。它們龐大的物理尺寸意味著很難找到合適的站點(diǎn)，并且他們的高度分辨率和最小高度距離對于特定的應(yīng)用而言是不夠好的。它們的優(yōu)點(diǎn)是能在高度在20km以上進(jìn)行常規(guī)風(fēng)測量，并且除極大的降水外，測量幾乎不受到任何影響。對流層

13、廓線儀工作在 400 500MHz頻帶中，可能是最適合于進(jìn)行天氣尺度的和中尺度的測量。 它們具有中等外形尺寸，相對來說也不受雨的影響。邊界層廓線儀價(jià)格廉并且使用小型天線。雖然雨天廓線儀不能測量垂直速度，但是雨滴增加了回波信號強(qiáng)度，實(shí)際上也就增大了水平風(fēng)的測量的有效垂直距離。廓線儀是主動設(shè)備；在許多國家獲取必要的頻率許可是一個(gè)很重要的問題。然而，國內(nèi)和國際上 廓線儀的頻率分配常常是主動提出要求而分配的。22.2.3 電- 聲探測系統(tǒng)( RASS)RASS 用于測量低對流層的虛溫廓線。它的主要技術(shù)是通過并列的微波多普勒雷達(dá)跟蹤垂直入射 到大氣中的高強(qiáng)度短聲脈沖。這項(xiàng)測量技術(shù)基于這樣一個(gè)原理：聲波是

14、縱波，它使周圍的空氣密度發(fā) 生變化。這些變化導(dǎo)致當(dāng)?shù)卮髿庹凵渎拾l(fā)生相應(yīng)的變化，隨之，這種變化又使微波多普勒雷達(dá)發(fā)射的 電磁能量通過聲脈沖傳播時(shí)，引起電磁能量的后向散射。當(dāng)這些折射率擾動以當(dāng)?shù)芈曀偕仙龝r(shí)，微波 雷達(dá)測量它們的傳播速度。 聲波波長與二分之一微波波長相匹配 ( Bragg 條件)，因此來自于幾個(gè)聲波 后向散射的能量迭加到接收機(jī)上， 大大增加了回波信號的強(qiáng)度。 虛溫與聲脈沖傳播速度同垂直空氣速 度之差的平方成比例，因此通過測量聲脈沖傳播速度，能夠計(jì)算出虛溫。有關(guān)此項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)文獻(xiàn)包括May等(1990), Lataitis(1992 ; 1993), Angevine等(1994)。已

15、開發(fā)出多種實(shí)驗(yàn)方法來掃描聲音頻率獲取虛溫廓線。 通過在上述類型廓線雷達(dá)系統(tǒng)上增加聲源 和進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砑夹g(shù)，已開發(fā)出許多電-聲探測系統(tǒng)，對于頻率為50、400、1000MHz 的雷達(dá)，需要聲頻約在 110、900、2000Hz 左右。在 2000Hz 的聲音衰減通常將高度覆蓋距離限制在12km 以內(nèi)；在900Hz，實(shí)際中探測高度達(dá)到 24km ;而110Hz通過使用大型50MHz廓線儀，在有利的條件下， 探測高度可達(dá) 4 8km 。和無線電探空儀加以比較顯示，在有利的條件下，當(dāng)高度分辨率為100 300m,虛溫的測量準(zhǔn)確度能達(dá)到0.3C左右。然而，在強(qiáng)風(fēng)和降雨情況下，測量會受到限制。RASS

16、技術(shù)是一種很有前途的獲取虛溫廓線的方法。然而,還需要進(jìn)一步探索,以期能有足夠的 可信度,使它能夠符合用戶要求的更高探測高度、分辨率、準(zhǔn)確度。22.2.4 微波輻射計(jì)空氣中微波波段的熱輻射主要是由氧氣、 水蒸氣和液態(tài)水的輻射產(chǎn)生的, 并且依賴于它們的溫度 和空間分布。對于氣體而言,例如氧氣,它的密度作為高度的函數(shù),是為人熟知的,已知地面氣壓, 輻射包含的信息主要是大氣溫度。通過地基被動微波輻射計(jì)測量氧氣在近60GHz 的微波熱輻射來獲得低層大氣的垂直溫度廓線。通過工作頻率為 21GHz 和 32GHz 的微波輻射儀可以獲得大氣中水汽和 液態(tài)水含量。詳細(xì)內(nèi)容參見Hogg 等(1983)和 West

17、water 等(1990)。從衛(wèi)星向下觀測輻射溫度測定原理已經(jīng)充分得到確立(見第8 章)。工作在不同頻率的輻射計(jì)在特定的大氣壓范圍內(nèi)對溫度最靈敏。其靈敏度作為氣壓的函數(shù),遵循一個(gè)鐘形曲線(權(quán)重函數(shù))。選擇輻射計(jì)的頻率使權(quán)重函數(shù)的峰值理想地分布在預(yù)定探測高度上。利用得到的輻射值和權(quán)重函數(shù), 通過數(shù)學(xué)反演技術(shù)計(jì)算出溫度廓線。權(quán)重函數(shù)曲線的寬度使得在近地面處得不到準(zhǔn)確的溫度廓線。地基或向上看的遙感溫度輻射計(jì)的權(quán)重函數(shù)在地面達(dá)到峰值,然后隨高度增加呈指數(shù)下降。這意味著從輻射計(jì)測量結(jié)果到溫度廓線的反演處理從根本上比星載系統(tǒng)更加困難,對儀器誤差也更加敏 感。這種反演技術(shù)還依賴于站點(diǎn)的溫度、濕度廓線的氣候?qū)W

18、的統(tǒng)計(jì)特性。權(quán)重函數(shù)曲線表明微波輻射 計(jì)的垂直分辨率是相對較差的(以 500 米為一級),并且它們只能在地面以上兩到三公里范圍內(nèi)進(jìn)行 有效測量。水蒸汽和液態(tài)水權(quán)重函數(shù)曲線是基本平直的;因此,從輻射計(jì)不能得到它們的垂直信息。然而, 它能夠提供垂直方向的水汽和液態(tài)云的路徑積分總量。地面輻射計(jì)的主要優(yōu)勢在于它在時(shí)間上具有連續(xù)測量的能力。 這一點(diǎn)當(dāng)需要對溫度廓線中一些明 顯變化的發(fā)展過程和到達(dá)時(shí)間進(jìn)行觀測時(shí)非常有用。由于設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)要求更精細(xì)，微波輻射計(jì)的安裝和操作運(yùn)行費(fèi)用也較高。由于費(fèi)用較高，以及對 測量結(jié)果的反演技術(shù)較復(fù)雜，所以在低層大氣測量中微波輻射計(jì)還不能取代無線電探空儀。22.2.5 激光雷達(dá)

19、（ Lidars ）（光達(dá)）激光產(chǎn)生的光波和近光波 （從紫外線到可見光到紅外線） 的電磁能量被大氣中的氣體分子和懸浮 顆粒散射。這種散射機(jī)制符合雷達(dá)原理，通過對光的探測和定位（光達(dá)）來探測大氣。光散射通常可 被分為非彈性的和彈性的兩種。 被大氣成分散射的激光散射波長與入射激光波長不同， 這一過程叫做 非彈性散射。廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)的大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)的非彈性散射過程是拉曼（Rama n）散射，它由散射分子中的入射光子，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的分子和振動狀態(tài)分子之間的能量交換而產(chǎn)生。在彈性散射過程中， 入射波長和散射波長相等。這種散射是瑞利（Rayleigh）散射或米（Mie ）散射，它依賴于粒子的種類和尺度，并且

20、與入射激光波長有關(guān)（見第 9章）。這兩種主要的散射過程在大氣中可能同時(shí)發(fā)生。詳細(xì)資料可參見 Himkley（1976），WMO（1982），Thomas（1991）和 Syedlsmael 等（1994）。大多數(shù)激光雷達(dá)工作于單點(diǎn)模式， 接收機(jī)與激光發(fā)射機(jī)配置在一起。 典型的激光雷達(dá)系統(tǒng)用激光 脈沖發(fā)射到大氣中， 激光的平均功率可由幾微瓦變化到幾十瓦。 安裝在激光器附近的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于 接收后向散射能量。 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡收集到的光束被光電倍增管或者光敏二極管接收。接收到的信號通?？稍趯?shí)時(shí)監(jiān)測的陰極射線顯示器上顯示出來，并傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行更詳細(xì)的分析。回波信號的強(qiáng)度既取決于目標(biāo)物的散射量， 也決定于

21、激光雷達(dá)和目標(biāo)物之間的雙向衰減這種衰 減依賴于該路徑上散射的光束能量和大氣氣體的吸收。 散射和吸收過程可在不同的激光雷達(dá)中開發(fā)利 用，從而提供多種測量結(jié)果?；趶椥陨⑸涞睦走_(dá)（稱為瑞利，米或簡單激光雷達(dá)）大部分用于研究云和懸浮粒子。用激光雷 達(dá)測量云底高度可以明顯看出： 標(biāo)志來自云底的后向散射回波信號迅速增強(qiáng)； 通過測量一個(gè)激光脈沖 由發(fā)射機(jī)到云底，再返回接收機(jī)的傳輸時(shí)間，即可確定云底高度（見第一編第15章）。激光雷達(dá)也可用于探測出現(xiàn)在相對清澈的空氣中的懸浮顆粒和繪制具體結(jié)構(gòu)特征曲線，如熱力穩(wěn)定度和逆溫層高度。自然界低層大氣中懸浮粒子濃度是相當(dāng)高的，激光雷達(dá)可以象天氣雷達(dá)一樣，在 沒有降水的情

22、況下連續(xù)測量空氣運(yùn)動速度。 它們還可用于測量人為造成的微粒濃度并繪圖， 比如那些 產(chǎn)生于工業(yè)煙囪的微粒。激光雷達(dá)觀測已經(jīng)為平流層氣溶膠濃度的研究作出了廣泛而且巨大的貢獻(xiàn)。氣溶膠的濃度受到大型火山爆發(fā)的強(qiáng)烈影響，同時(shí)它也是全球輻射平衡的一個(gè)重要因素。由于雨滴形狀和相態(tài)的變化，含量水的變化，水、冰和混合態(tài)的辨別，以及懸浮顆粒和氣溶膠性 質(zhì)的變化，使得獲取云的定量數(shù)據(jù)更加困難。事實(shí)上，這種測量需要復(fù)雜的多參數(shù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)項(xiàng)測量 的研究系統(tǒng)，使用有關(guān)介質(zhì)的光學(xué)特性的假定和復(fù)雜的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)換算法。差分吸收激光雷達(dá)（ DlAL ）的使用是依據(jù)大氣氣體的吸收系數(shù)隨著波長的變化產(chǎn)生顯著的變化。 DlAL 系統(tǒng)通常

23、用可以在兩個(gè)間隔很近的頻率點(diǎn)調(diào)整頻率的激光器。其中一個(gè)可以被某種特定氣體強(qiáng) 烈吸收，而另一個(gè)則不行。測量結(jié)果的差值作為距離的函數(shù)，可用于估算研究中的氣體濃度。這是對 大氣組成的測量方法中最有發(fā)展前途的遙感技術(shù)，已成功地用來測量水汽濃度，二硫化物，二氧化氮 的濃度，尤其是臭氧的濃度。拉曼（Raman）散射的應(yīng)用有特別的意義，因?yàn)樯⑸漭椛涞念l率是隨分子種類而改變的。后向散 射信號的強(qiáng)度和分子濃度有關(guān)。 Raman 激光雷達(dá)不需要某種特定波長的激光器或可調(diào)諧的激光器；激光器波長可以從大氣吸收光譜區(qū)任意選擇。通過測量 Raman 頻譜，從預(yù)選的大氣組成獲得空間組成， 從而得到對流層中水汽，氮?dú)夥肿樱?/p>

24、氣分子以及微量氣體分子含量廓線。它的主要缺點(diǎn)是因散射截 面積較小造成的對遠(yuǎn)距離測量靈敏度較低， 以及在實(shí)際應(yīng)用中需要高功率的激光器， 由此帶來的眼睛 安全問題。激光雷達(dá)已經(jīng)為研究工作提供了大量有用的資料，但作為業(yè)務(wù)工具，它也有局限性。這是因?yàn)樗?們價(jià)格相對昂貴，同時(shí)需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員來開發(fā)，安裝和操作。此外，某些激光雷達(dá)只能在有限的 條件下，如黑暗或無降水條件下工作。22.3 直接測量22.3.1 氣球跟蹤氣球跟蹤法已頻繁地用在獲取邊界層風(fēng)（廓線） 。這種跟蹤通常通過光學(xué)經(jīng)緯儀或一部跟蹤雷達(dá) 來完成。第一編第 13 章給出了跟蹤風(fēng)的一般說明。在進(jìn)行對流層低層探測時(shí)，為保證高垂直分辨率，需使用低

25、速上升的氣球。降低上升速率既可通 過制動傘，也可通過減少上升升力實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)跟蹤法中，需要在氣球下面懸掛一個(gè)小型雷達(dá)反射靶。對于對流層低層探測，雷達(dá)應(yīng)該能夠 提供小至 100m 距離的資料。理想情況下氣球施放點(diǎn)一定要在下風(fēng)方遠(yuǎn)離最小距離處。一般測風(fēng)可用單經(jīng)緯儀完成，但為了更準(zhǔn)確測風(fēng)，需要一個(gè)雙經(jīng)緯儀系統(tǒng)。經(jīng)緯儀間的基線應(yīng)超過 1 公里。 為確保高準(zhǔn)確度并為方便測風(fēng)經(jīng)緯儀應(yīng)配備計(jì)算機(jī)并與之連接在一起，以便記錄數(shù)據(jù)并及時(shí)地進(jìn)行必要的計(jì)算。條件好時(shí)，可獲得高度達(dá) 3000 米的風(fēng)廓線。然而，在條件不利時(shí)，例如有降 水，低云或霧時(shí)，測風(fēng)也可能失敗。當(dāng)然，在低層大氣中使用傳統(tǒng)的無線電探空儀，在正常的全程探

26、測過程中的前幾分鐘內(nèi)，進(jìn)行更 加頻繁的跟蹤測量，如每分鐘兩到十次，可以獲得補(bǔ)充的風(fēng)場信息。22.3.2 邊界層無線電探空儀傳統(tǒng)的無線電探空儀系統(tǒng)將在第一編的第 12 章進(jìn)行詳盡的闡述。 已開發(fā)出專用的無線電探空儀， 應(yīng)用于邊界層和對流層下層的探測中。 與傳統(tǒng)無線電探空儀相比， 它們的傳感器有更高的靈敏度和更 短的響應(yīng)時(shí)間。這樣的無線電探空儀可用來測量從地面到 35 公里高空的溫度、濕度和風(fēng)廓線。這些無線電探空儀的垂直上升速度通常在 150m/min 到 200m/min 之間，比傳統(tǒng)的無線電探空儀慢 得多。較慢的上升速度可獲得更詳盡的垂直廓線。通過選擇大小適當(dāng)?shù)臍馇騺泶_定上升速度，也可以 通過

27、一個(gè)拖在氣球下面的制動傘來改變上升速度。由于這些儀器只需要到達(dá)某個(gè)有限高度，因此它們通常由測風(fēng)氣球攜帶。在其它方面，探測步驟 和資料處理與標(biāo)準(zhǔn)的無線電探空儀的使用方法是相似的。當(dāng)探測高度不超過 2000 米時(shí)，有時(shí)可省去氣壓傳感器，這樣既簡化了無線電探空儀，同時(shí)價(jià)格也太不貴。單純只測量溫度時(shí)，還可以用更簡單的系統(tǒng)。對邊界層探空儀的基本要求如下:變量工作范圍分辨率氣壓1050500hPa± 0.5hPa溫度40 °C - -40 C± 0.1K濕度100% 20% （或 10%）± 2%風(fēng)速0.5 60m/s± 0.5m/s風(fēng)向0 360

28、76;P± 5°為保證50100m的垂直分辨率，至少要每 30秒進(jìn)行一次測量。2233儀器塔和桿特定的裝載儀器的塔和桿可以用于許多目的，尤其是用于監(jiān)測大氣污染的擴(kuò)散情況。 Pano fsky(1973)提供了有關(guān)此問題的一些討論。出于某些特定的目的，塔的高度一定要超過100米，按照空氣污染的監(jiān)測控制計(jì)劃，它至少應(yīng)該比重要污染源的高度高 50米。溫度，濕度和風(fēng)的測量應(yīng)該在幾個(gè)高度進(jìn)行(至少兩個(gè)或三個(gè))，最低一級應(yīng)在接近塔或桿的標(biāo)準(zhǔn)的氣象百葉箱高度進(jìn)行。測量層次數(shù)目既依賴于測量任務(wù)，同時(shí)也與塔和桿的高度有關(guān)。若只進(jìn)行 兩層高度的測量，則不能提供氣象變量垂直廓線的形狀，因而是非常

29、受限的。在科研項(xiàng)目中使用的觀 測層次通常比常規(guī)觀測多。通常資料自動處理并給出結(jié)果，同時(shí)也給出了不同層之間測量結(jié)果的差異。層間差異可以用來描述不同的氣象條件。如果資料直接由非專業(yè)氣象人員使用一一例如那些關(guān)心空氣污染物的現(xiàn)有濃度是 否在安全范圍內(nèi)一一這時(shí)通過計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理，給出能直接應(yīng)用的具體資料。在塔和桿上通常采用的傳感器是：(a) 溫度：百葉箱中用的電阻或溫差電偶溫度表，有通風(fēng)或無通風(fēng)；(b) 濕度：百葉箱中用的干濕表，電化學(xué)或機(jī)電式濕度傳感器；(c) 風(fēng)：風(fēng)杯，風(fēng)向標(biāo)，螺旋槳，聲能或熱線。所有的傳感器應(yīng)有線性的或線性化的性能，并且它們的時(shí)間常數(shù)應(yīng)當(dāng)足夠小，小到確保觀測數(shù)據(jù)能充分反映出該

30、地氣象要素的變化情況。塔和桿的結(jié)構(gòu)不應(yīng)當(dāng)明顯地影響傳感器和它們的測量結(jié)果。這一點(diǎn)是非常重要的。 對于開放結(jié)構(gòu)而言，支桿無論是固定的或可收縮的應(yīng)至少有2米長，并且盡可能使傳感器與塔或儀器桿的距離至少10倍于其直徑。對于實(shí)心結(jié)構(gòu)或不適宜用支桿的地方，在每一個(gè)高度就需要兩個(gè)系統(tǒng)，塔或桿的相 對兩面設(shè)置較短桿，使它們伸出的距離至少 3倍于結(jié)構(gòu)的直徑，從那些安置在不受風(fēng)擾動影響的上風(fēng) 方的傳感器上進(jìn)行定時(shí)觀測。有時(shí)在特殊情況下，在塔上沒有直接固定安裝的傳感器可以用來收集氣象廓線資料；則可使用簡化的探測方法。把一個(gè)滑輪在可能的最高點(diǎn)上扣緊，一個(gè)環(huán)行繩索延伸到地面，通過手動或馬達(dá)控制 的絞盤，把無線電探空儀

31、升降到需要的高度。無線電探空儀可以修改為包含風(fēng)傳感器，把數(shù)據(jù)傳遞給 適當(dāng)?shù)牡孛娼邮障到y(tǒng)。 這種方法比塔和桿測量提供的垂直信息要多得多，并且一些有明顯特征的高度也能夠確定出來。從而，可能只在一個(gè)高度上進(jìn)行持續(xù)觀測。如果在一定天氣條件下要對污染擴(kuò)展的分布情況做出準(zhǔn)確的確定時(shí)，塔的高度就非常有限了。 在這種情況下，除非在 50公里范圍內(nèi)有無線電探空站，否則應(yīng)在塔和桿的位置準(zhǔn)備一個(gè)特殊的無線電 探空儀，用以在 3000米高度以內(nèi)進(jìn)行當(dāng)?shù)靥綔y。除這一主要目的之外，獲得的資料還可作為基本氣 象站網(wǎng)的補(bǔ)充，并且可以用于當(dāng)?shù)靥鞖猬F(xiàn)象的深入研究。塔的測量設(shè)備需要有資歷的儀器維護(hù)人員定期檢驗(yàn)，他們還應(yīng)該特別注意那

32、些安裝在室外天氣條件下的傳感器、記錄器、連接電纜、插頭、插座的狀態(tài)和性能。22.3.4儀器系留氣球主要的應(yīng)用包括從地表到 1500米高度內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)的廓線（和它們的短期變化）的測量， 以及在一個(gè)或多個(gè)高度層次下進(jìn)行較長期天氣條件的研究。這些傳感器懸掛在氣球下面的一個(gè)或幾個(gè)包裝中，或被緊緊的懸掛在電纜上。傳感器的感應(yīng)既可以通過無線電遙測也可以通過并入懸系繩中的導(dǎo)線傳遞到地表。這項(xiàng)技術(shù)在Thompson（1980）中有討論。系留氣球系統(tǒng)趨向于使用大型（600立方米）或小型（10到100立方米）的氣球。小型氣球通常用于獲取廓線，而大型的用于進(jìn)行多個(gè)高度測量。系留氣球應(yīng)設(shè)計(jì)為低阻力、漂行穩(wěn)定的系統(tǒng)

33、。 它們通常充灌氦氣膨脹。大型氣球攜帶50公斤負(fù)荷（除懸系電纜之外）可以升至1500米高空。氣球能夠在地面風(fēng)速達(dá)到 5米/秒時(shí)正常工作，在工作距離范圍內(nèi)的高度上，風(fēng)速達(dá)到15米/秒時(shí)仍能正常工作。大型氣球的懸系電纜應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受住2000 3000千克力而不致拉斷（對于小氣球?yàn)?00 300千克）。系留氣球的施放應(yīng)當(dāng)遵從國家的航空安全規(guī)則。鑒于此同時(shí)也為了工作人員操作方便，使用的氣球應(yīng)當(dāng)有醒目的顏色，并且建議安裝夜晚航警燈。當(dāng)選用金屬質(zhì)的雷達(dá)目標(biāo)懸掛在氣球下面時(shí)，要強(qiáng) 制性安裝使氣球放氣的自動裝置。限制系留氣球工作的最主要因素是高空中的強(qiáng)風(fēng)、近地表的亂流和危險(xiǎn)閃電。用于控制氣球的絞盤可以電動或手

34、動操作。電纜至少可以以兩個(gè)速度進(jìn)行傳動（例如1或2米/秒）。此外，絞盤配備有手動制動器，電纜長度記數(shù)器，和拉力測量儀表。作為防止大氣放電的保護(hù) 措施，無論是否用電力操作，絞盤都應(yīng)當(dāng)電接地。出于某些原因的考慮，不再需要用導(dǎo)體將傳感器信號傳到地面。一般來說，使用專用的無線電探 空儀是更可取的。 這種無線電探空儀應(yīng)有較之于自由飛行的有更好的分辨率。在通風(fēng)充分條件下溫度和濕度傳感器一定有要水平防護(hù)罩，避免太陽輻射和降水影響。另外還需要加裝風(fēng)速和風(fēng)向傳感器?；疽笕缦拢鹤兞抗ぷ鞣秶直媛蕷鈮?050850hPa± 0.5hPa溫度40 C -20 C± 0.1K濕度100% 20%

35、 （或 10%）± 2%風(fēng)速0.5 15m/s± 0.5m/s風(fēng)向0 360 °± 1°對遙測來說，可能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無線電探空儀頻率；可選擇400MHz頻率的探空儀。包括電池的最大重量，應(yīng)當(dāng)在氣球的負(fù)荷允許范圍內(nèi)，在5千克范圍內(nèi)是合理的。在穩(wěn)定的條件下，無線電探空儀應(yīng)懸掛在氣球下面至少相當(dāng)于3倍于氣球直徑的距離處，以便保證充分的防護(hù)和通風(fēng)。在湍流中進(jìn)行探測時(shí)遇到的主要問題是，超過平均數(shù)的系繩振動和氣球移動造成對觀測值的影 響。在這樣的測量過程中應(yīng)使用特殊的技術(shù)。地面設(shè)備一定要包括一個(gè)接收機(jī)和一個(gè)記錄器。通常在一個(gè)小型計(jì)算機(jī)的幫助下對數(shù)據(jù)進(jìn)行處

36、 理。無論氣球連續(xù)上升和下降或停留在空中某一高度上，探空儀都可以進(jìn)行探測。對于較低層，它的 高度可以從放出的系繩的長度估算出來。但是在較高層，這種手段只是近似估計(jì)，需要其他測量方法。可利用測量到的氣壓，溫度和濕度分布情況，通過流體靜力學(xué)方程導(dǎo)出計(jì)算公式。這樣，從n層到n+1層的位勢高度增加量由下式給出：29.2兀1門（巳/巳1）這里Tv是n層和n+1層虛溫的平均值；Pn和Pn+1是對應(yīng)的氣壓值。如果需要從位勢高度向幾何高度轉(zhuǎn)換，這可從Smithsonian氣象表中很容易得到，但這好象并不必要。氣象站氣壓表的高度可以作為這些計(jì)算的基準(zhǔn)。如果用逐層方法依次觀測氣象變量，那么必須在每個(gè)層面進(jìn)行幾個(gè)循

37、環(huán)的測量過程，這需要兩到三分鐘穩(wěn)定時(shí)間。用這種方法，整個(gè)探測過程可能需要半小時(shí)到一小時(shí)。對于所有的無線電探空儀， 在使用前必須在百葉箱內(nèi)進(jìn)行基值測定，確定與氣壓表和通風(fēng)干濕表的差值。探測結(jié)束后也必須進(jìn)行相似的檢查。另一方面，關(guān)于日常施放的無線電探空儀，氣象站的數(shù)據(jù)必須從標(biāo)準(zhǔn)的氣象站百葉箱中 的常規(guī)儀器獲取，而不是從無線電探空儀中獲取。探測到的氣壓，溫度和濕度的數(shù)據(jù)，在每一層進(jìn)行平均。對風(fēng)速應(yīng)按照100或120秒的時(shí)間進(jìn)行平均。如果風(fēng)向不能直接進(jìn)行測量，那么它能夠從氣球的經(jīng)向軸偏離正北的方向做大致的估計(jì)。這一 方法的不確定度為土 30 °。必須強(qiáng)調(diào)操作者必須就他們使用系留氣球的每次探測

38、或系列探測計(jì)劃向航空交通管理機(jī)構(gòu)報(bào)告， 并申請?jiān)S可。參考文獻(xiàn)An gevi ne, W. M., et al., 1994: Improved radio acoustic sounding tech niq ues.Jour nal of Atmosphericand Ocea nic Tech nology, Volume 11, Number 1, pp. 42-49.Brown, E. H. and Hall, f. f., 1978: Advances in atmospheric acoustics. Reviews of Geophysics and Space Physics,

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