氣象學與氣候學實習教材

1、總論&主要內容氣象觀測是氣象工作的基礎。它對一定范圍內的氣象狀況及其變化，進行系統(tǒng)的、連續(xù) 的觀察和測定，為天氣預報、氣象情報、氣候分析和科學研究提供重要依據(jù)。根據(jù)觀測項目的不同，氣象觀測分為地面氣象觀測、高空探測和專業(yè)氣象觀測三類。地 面氣象觀測是用氣象儀器測定近地面層（主要是離地1.5米范圍內）的氣象要素值，以及用 目力對自由大氣中的一些現(xiàn)象如云、光、電等進行觀測，為天氣預報、氣候分析和科學研究 提供氣象情報和積累基本資料。地面氣象觀測的項目有：氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、 降水、積雪、蒸發(fā)、云、天氣現(xiàn)象、能見度、日照、地溫等。這些項目也稱為氣象要素。高 空探測是用氣球、雷達、火箭、人造

2、衛(wèi)星等，對自由大氣及高層大氣的氣象情況進行測定。 如果為了某些專業(yè)部門的需要而進行的觀測，如農(nóng)業(yè)氣象觀測、海洋水文氣象觀測等則稱專 業(yè)氣象觀測。天氣預報和氣候分析往往需要廣大地區(qū)乃至全球的氣象資料。這些氣象資料是從分散的 氣象臺站網(wǎng)取的，使用時又是集中起來進行比較分析，這就要求各站的記錄不僅能夠準確， 而且基本上代表一個地區(qū)的氣象情況，還要能夠相互之間進行比較。因此，氣象觀測的特點 是：觀測記錄必須具有代表性、準確性、比較性。同時，氣象要素是隨時間不斷變化的，它 的變化只有通過對大氣連續(xù)觀測，并進行天氣學分析才能了解。因此氣象觀測必須保持連續(xù) 性，不能中斷或短缺。連續(xù)觀測記錄的年代越長，對預報

3、業(yè)務和科研工作價值越大。氣象站是氣象網(wǎng)點的基層單位。氣象站的布局一般分散在各地，從平原到山區(qū)，從高山 到沿海，從沙漠到海島，有些人煙稀少的極其偏僻的地區(qū)，為了取得氣象資料也要建立氣象 站。建立氣象站的工作，除規(guī)劃氣象站網(wǎng)的布局外，還包括觀測場地的選擇，觀測場內儀器 的布置，規(guī)定觀測時間和觀測次數(shù)，以及觀測、發(fā)報、記錄表報等。地面觀測分為定時觀測和不定時觀測兩類。定時觀測包括定時氣候觀測和定時天氣觀 測，定時氣候觀測是臺站的基本觀測，觀測的目的是積累資料，了解一地的氣候情況，為預 報提供實況。一般說一天內觀測次數(shù)越多，越能反映出一地的氣候要素變化情況，但為了節(jié) 約人力、物力，可以在一天中選幾個適

4、當?shù)臅r間進行觀測。統(tǒng)計結果表明，每日選適當時間 觀測4次與觀測24次的日平均值非常接近，所以確定每天進行4次氣候觀測，基本能滿足 要求。目前我國確定每日以北京時02、08、14、20時進行四次氣候觀測，一部分站、哨僅 負擔08、14、20時三次氣候觀測任務。為了獲得各氣象要素的連續(xù)變化和極值，氣象站還配有各種自記儀器，連續(xù)記錄各種氣 象要素的變化，經(jīng)過和實測值訂正，便能在自記記錄上得到任意時間的氣象要素值，和一天 中出現(xiàn)的極值，這樣就彌補了定時氣候觀測的不足。定時天氣觀測主要是為了編發(fā)天氣報告（電報編碼按統(tǒng)一規(guī)定編成），滿足天氣預報進行 天氣分析的需要而進行的氣象觀測，由于天氣分析預報，必須了

5、解全球各地同一瞬間的氣象 要素情況，因此要求全球臺站按同一時間進行天氣觀測。天氣系統(tǒng)的移動和變化是相當快的。為了比較全面地掌握天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和消亡情 況，觀測次數(shù)不能太少。一般每隔36小時觀測一次，基本可以滿足要求。目前全球以世 界標準時0、6、12、18時進行基本繪圖天氣觀測，換為北京時是08、14、20、02時四次。 在兩次繪圖天氣觀測之間，進行一次補助繪圖天氣觀測，即北京時05、11、17、23時四次。 擔負天氣觀測的氣象站，叫國家基本發(fā)報站。此外，有些臺站根據(jù)上級指示和服務單位的需要進行一些定時或不定時的觀測。如航空 天氣觀測、危險天氣觀測和預約天氣觀測等。這些觀測的次數(shù)、項目和時

6、間視需要單位的具 體要求而定。為了使觀測記錄有比較性，觀測程序要盡可能統(tǒng)一。基本原則是短時間變化不大的要素， 如目測項目可先觀測。溫、濕、壓等要素盡可能接近正點觀測。發(fā)報臺站對天氣現(xiàn)象的觀測 必須固定在4346分進行，氣壓觀測必須固定在5658分進行。每次定時觀測，一般應在 正點前30分鐘左右巡視觀測場及所用儀器，尤其注意濕球溫度表球部的濕潤狀態(tài)和冬季濕 球溶冰等準備工作。氣象要素均以北京時20時為日界（即從昨天20時一一今天20時為一天），自記記錄則 以北京時24時為日界。表1 1觀測的時間和項目主要內容實習一空氣溫度和土壤溫度的觀測實習二 空氣濕度的觀測實習三氣壓觀測實習四云的觀測實習五風

7、的觀測實習六日照、降水和天氣現(xiàn)象觀測實習七分析等值線實習八分析天氣圖實習九輻射熱強度測定實習一空氣溫度和土壤溫度的觀測一、實習目的：理解各種氣溫觀測儀器的構造原理，掌握氣溫觀測的方法。二、實習說明：用水銀或酒精溫度計。注意應在沒有輻射熱情況下使用。掛于測量地點待溫度穩(wěn)定后再讀 數(shù)。配備若干套普通溫度表、最高溫度表、最低溫度表、曲管地溫表、溫度計等儀器。進行定時的氣溫和地溫觀測。三、實習與作業(yè)：常用的溫標有哪幾種？它們的換算關系是什么？玻璃液體溫度的測溫原理是什么？比較水銀與酒精溫度表的優(yōu)缺點。最高與最低溫度表構造與性能是哪些？曲管、直管地溫表與普通溫度表構造的不同點是什么，其原因是什么？溫度表

8、誤差的主要來源有哪些。避免或減小使用上誤差的方法有哪些？百葉箱的作用是什么？箱內的儀器如何安置。調整最高、最低溫度表的方法有哪些？雙金屬片溫度計的作用原理是什么？ 了解自記儀器的換紙步驟、換紙時間。選擇下墊面不同條件、不同高度進行氣溫觀測，并和百葉箱內氣溫進行比較：時間，地點，氣溫，百葉箱內氣 。時間，地點，氣溫，百葉箱內氣 。以小組為單位，連續(xù)三天的氣溫、地溫，及日最高、最低溫度觀測。并分析氣溫、地溫 日變化特點。實習二 空氣濕度的觀測一、實習目的：通過濕度觀測，掌握根據(jù)干濕球溫度表的讀數(shù)查算絕對濕度、相對濕度、飽和差和露點的方 法。在此基礎上，進一步弄清楚有關濕度的一些概念及它們之間的相互

9、關系。二、實習說明：干濕球溫度計：原理：利用并列兩溫度計，在一支的球部用濕潤紗布包裹，由于濕紗布上水分蒸發(fā)散熱，使 濕球上溫度比干球的溫度低，其相差度數(shù)與空氣中相對濕度成一定比例（圖1）。圖1干濕球溫度計使用方法：1）將濕球溫度計紗布潤濕后固定于測定地點約10分鐘后，先讀濕球溫度，再讀干球溫度， 記下二者的差數(shù)。2）轉動干濕球溫度計上的圓滾筒，在其上端找出干濕球溫度差數(shù)。3）在實測濕球度數(shù)的水平位置作一水平線與中央圓筒旁豎行相交點的讀數(shù)，即相對濕度百 分數(shù)。手搖溫濕度計：原理：由兩并列溫度計構成，原理同干濕球溫濕度計，但在使用時要轉動造成固定風速（一 般為4m/s），加強了傳導對流散熱，以抵消

10、輻射熱的影響。使用方法：先將濕球上紗布浸濕，測定時搖動儀器，每分鐘約120150轉（視手搖溫度計長度而定）， 測定35分鐘，停止后立即讀數(shù)（先讀濕球溫度，后讀干球溫度），結果查實習表。通風溫濕度計（aspiration hygrometer）:原理：同手搖溫濕度計，將兩并列溫度計分別將須鍍鎳的雙層金屬風筒中（圖2），儀器上 端有一帶發(fā)條的小風扇，開動發(fā)條時風扇轉動，從溫度計球部旁邊吸入空氣，因此造成溫度 計球部的固定風速（一般為4m/s），同時，因金屬筒的反射，使輻射熱影響被抵消，故可測 得較準確的結果。圖2通風溫濕度計使用方法：1）先將濕球紗布濕潤。2）用鑰匙旋轉風扇發(fā)條，風扇開始轉動。將儀

11、器懸掛在測定地點。3）經(jīng)35分鐘，讀取濕球及干球溫度的讀數(shù)，結果可查氣象常用表。三、查表步驟：觀測空氣的濕度通常是用安放在百葉箱內的干、濕球溫度表進行的，毛發(fā)濕度表只是一種 輔助儀器，但在野外，所使用的是通風干濕表。記錄濕度連續(xù)變化的是濕度計。根據(jù)干、濕 球溫度讀數(shù)，求絕對濕度、相對濕度、飽和差和根據(jù)不同絕對濕度或相對濕度求露點，可查氣象常用表。根據(jù)干濕球溫度t和t查出n值。根據(jù)n值和氣壓值P，查出濕球溫度訂正值 t。根據(jù)和t算出氣壓訂正后的濕球溫度。根據(jù)t和訂正后的t查出絕對濕度e，相對濕度r，和飽和差d。根據(jù)e或r查出露點t。實習三氣壓觀測一、實習目的：通過實習掌握氣壓觀測儀器的構造原理和

12、氣壓讀數(shù)訂正的理論根據(jù)和方法。二、實習說明：氣壓儀器有兩類，即水銀氣壓表和空盒氣壓表。前者的優(yōu)點是讀數(shù)精密，后者的優(yōu)點是攜 帶便利，但不如水銀氣壓計準確，必須經(jīng)常按水銀氣壓計來進行校正。因此，氣象臺站使用 水銀氣壓表，而野外工作者使用空盒氣壓表。為取得氣壓連續(xù)變化的記錄，則使用氣壓計。圖1杯狀氣壓計圖2氣壓計的游尺水銀氣壓表原理：水銀氣壓表是一個上端封閉，下端開口的真空玻璃管，其下端浸在盛有水 銀的杯中（圖1）,大氣壓力作用于水銀杯中的水銀面上，使水銀升入真空玻璃管中，水銀 柱就能隨大氣壓的高低而上升或下降，其水銀柱的高低，可借玻璃管外面的一個金屬套管上 的標尺及游標尺讀出mmHg的數(shù)值（圖2

13、），測量單位為mmHg。再換算為kPa1mmHg=0.133kPa水銀氣壓表的觀測步驟為：第一步：觀測附屬溫度，讀數(shù)精確到小數(shù)一位；第二步：動槽式調整水銀槽內水銀面，轉動水銀槽底部的螺旋，使水銀面與指未刻度零 點的指標尖端剛剛接觸，校正零點。定槽式用手指輕擊表身（輕擊部位以刻度標尺下部附溫 表上部之間為宜），使水銀商凸面處于正常狀態(tài)。第三步：調整游尺與讀數(shù)記錄。氣壓表的刻度不論是毫巴現(xiàn)己用百帕）還是毫米均取一 位小數(shù)。定時觀測時，在水銀氣壓表觀測完后；便讀氣壓計，將讀數(shù)記入觀測簿相應欄中，并作時 間記號。三、實習與作業(yè)：為什么能根據(jù)水銀氣壓表水銀柱高度測出大氣壓？內管粗細不同的兩支氣壓表同一時

14、間水 銀枉是否相同？為什么？動槽式與定槽式水銀氣壓表的構造有何不同?定槽式氣壓表為何要進行標尺補償？試述水銀氣壓表儀器差、溫度差，重力差訂正的物理意義，并確定下列三個站的溫度差、 重力差的正負。表中Ci是溫度差訂正值，Cj是緯度重力差訂正值，Ch為高度重力差訂正值。觀察氣壓計，特別注意它的感應部分、傳動部分和自記筆，以及它們之間的關系。畫一個 示意圖，表示它們之間的關系。氣壓計作時間記號的方法是什么？5為什么要進行海平面氣壓訂正?高度重力訂正和高度差訂正是否相同？為什么？試查算下列各題的本站氣壓與海平面氣壓?？蘸袣鈮罕頊y壓原理及觀測步驟為哪些？進行定時的氣壓觀測并求算本站氣壓和海平面氣壓。實習

15、四云的觀測一、實習目的：進一步了解各云層及其類別的特征，掌握云狀判別、云量、云高和云的觀測記錄方法。二、實習說明：云的觀測包括判定云狀、估計云量和測定云高。云是經(jīng)常變化的，所以除了定時觀測 記錄外，還必須在兩次定時觀測之間注意云的生成、發(fā)展和變化。云狀應根據(jù)云的特征并參考云圖來判定，還應利用云的演變過程和伴見的天氣現(xiàn)象來 判定云是那一類，對云狀的記載，要用簡寫符號。云的觀測應盡量選擇在能看到全部天空及地平線的開闊地點或平臺上進行，如陽光較 強時，須戴黑色（或暗色）眼鏡。三、實習與作業(yè)：熟記并寫出各種云狀類別及其國際縮寫符號。高云族，中云族、低云族各有何特征？說明下列各類云之間的異同之處，并繪草

16、圖說明各類云的特征：1）卷積云與高積云；高積云與層積云。2）卷層云與高層云；高層云與雨層云；雨層云和層云。3）碎積云、碎層云、碎雨云在外形與成因上的不同點。4）淡積云、濃積云、禿積雨云，鬃積雨云的區(qū)別界限是什么？如何正確估計云量及提高目測云高的準確性?云狀，云量記錄練習：實習五風的觀測一、實習目的：了解測風儀器的原理，并掌握風向，風速的觀測方法。二、實習說明：風是一個向量，所以風的觀測包括風向、風速兩項。風向是指風的來向。風向觀測用十六 方位法，以拉丁文縮寫記錄。風速是指空氣質點在單位時間內所移動的水平距離。以m/s 為單位，定時觀測取整數(shù)，自記記錄取一位小數(shù)。測定風向風速的儀器有電接風向風速

17、計，輕便風向風速表等，也可用目測風向、風力。對 于電接風向風速計的觀測和記錄要求掌握指示器的觀測，自計紙的更換、自記紙的整理等方 法。杯狀風速計（cup anemometer）:原理：利用風力使風杯轉動，從指針轉動的周數(shù)及所用時間算出空氣流動的速度。使用方法：1）使用前先記下風速計的原始讀數(shù)。2）將風速計放置測定地點，縱軸與空氣流動方向垂直，等風杯轉動后開動啟動開關，并同 時用秒表記錄時間。3）經(jīng)100秒，將風速及秒表同時關閉。記錄指針讀數(shù)和時間，算出風速：風速（m/s）=測定后讀數(shù)（m）原始讀數(shù)（m） / 測定總時間（s）翼狀風速計（deflecting vane anemometer）:原

18、理：同杯狀風速計，只是以翼代替風杯而已。使用方法：1）按下風速計上方的“回零”鍵，使指針回復到零。2）將風速計置于測定地點，翼軸對準氣流方向。3）撳下風速計下方的“計時啟動鍵”，30秒鐘后，指針開始走動，60秒鐘后，當風速指針 停止走動時，即可直接讀數(shù)（m/min），再換算成m/s。注意事項：1）勿用手撥杯（翼），或強迫停止轉動。2）避免在腐蝕性氣體或粉塵多的地方使用，并注意保持清潔。3）測定氣流時，注意勿使身體或其他物體阻擋氣流。熱球式電風速計：原理：本儀器的探頭部裝有熱電偶的熱端，另一端暴露于空氣中，在不同風速下熱電偶的熱 端散熱量不同，因而其溫度下降的程度不同，風速小時，下降的程度小，反

19、之程度大。下降 程度的大小通過熱電偶在電表上指示出來。經(jīng)校正后，即可自電表讀數(shù)，表示風速，該儀器 測定范圍0.0510m/s。使用方法：1）校正開關置于“斷”的位置。2）將插桿插頭插在插座上，使桿呈垂直位，螺塞壓緊使探頭密封?！靶Ｕ_關”置于“滿度” 位置，慢慢調整“滿度調節(jié)”旋鈕，使電表指在零點位置。3）將“校正開關”置于“零位”的位置，慢慢調整“粗調”、“細調”兩個旋鈕，使電表指在零點置。然后，輕輕拉動螺塞使測桿探頭露出，將測頭上的紅點面對風向。此時，可從電表上 讀數(shù)，再查閱校正曲線，得出被測風速。三、實習與作業(yè)：試述電接風向風速計測定風向風速的原理。如何進行目測風力和風向?填寫下表中與風

20、力等級相應的地物征象及相當風速。電接風自記紙如何整理？為什么整理出來的是十分鐘平均風速和最多風向？風速小數(shù)部分 為什么只是0，3，7？進行風向、風速觀測：實習六日照、降水和天氣現(xiàn)象觀測一、實習目的：理解日照、降水觀測儀器的構造原理，掌握日照、降水和天氣現(xiàn)象的觀測記錄方法。二、實習說明：日照觀測就是測定地面日照時數(shù)。測定日照時數(shù)的儀器有暗筒式和聚焦式兩種日照計。日 照時數(shù)以小時為單位，取一位小數(shù)。降水量觀測以毫米為單位，取一位小數(shù)，配有自記儀器的，作降水量的連續(xù)記錄并進行資 料整理。測定降水量的儀器有雨量器、翻斗式遙測雨量計或虹吸式雨量計。天氣現(xiàn)象觀測是指觀測記錄對當?shù)靥鞖庾兓哂忻黠@的前期征兆

21、或為當?shù)胤罩苯有枰?的天氣現(xiàn)象。三、實習與作業(yè)：試述暗筒式日照計的涂藥、換紙與記錄處理方法。試比較暗筒式日照計與聚焦式日照計的優(yōu)缺點。3.20厘米雨量器專用量杯損壞，用普通量杯量得水量為219. 8立方厘米（克），其降水量是 多少？試述虹吸雨量計的作用原理。正常情況下，雨量自記紙上的曲線型式如何？為什么？寫出下列天氣現(xiàn)象的符號：將下列情況記入天氣現(xiàn)象欄中：1）3月15日，1845下雨，1920轉為雨夾雪，2030全部轉為雪，2122雪止。15/3天氣觀象欄記為：16/3天氣觀象欄記為：2）7月19日，1619降陣雨；20時終止；1756聞雷，1908止，雷聲自東方經(jīng)北方在西南方 消失。從20

22、時整開始測站出現(xiàn)閃電。19/7天氣現(xiàn)象欄記為：20/7天氣現(xiàn)象欄記為：3）8月5日，1628風把地面塵土吹起，水平能見度降為5.0千米；1630到1644風力斷續(xù)達 到8級，1701又達到8級，但不是1分鐘；1745開始下陣雨；1807聞雷一聲，方向未能辨 別；1821陣雨止，1929又下陣雨，20時夾降冰雹，2018冰雹止，陣雨一直持續(xù)到24時轉 為間歇性雨，于056止；陣性降水期間，又在1948天頂聞雷，接著于1950 （天頂）、1958（天 頂）、2009（東南方）、2015 （東南方）、2027（東方）又分別聞雷。5/8記為：6/8記為：實習七分析等值線、實習目的：通過實習使學生熟悉分

23、析等值線的原則、方法和技能。二、實習說明：等值線（等壓線、等高線，等溫線等）是天氣圖上最基本的線條，是表現(xiàn)天氣系統(tǒng)位置、 范圍，形狀、強度，溫度特性的主要形式，是認識天氣圖的必須基礎知識，每個學生應該熟 悉和掌握。本次實習分析兩幅天氣圖上的等值線：一是在地面圖上根據(jù)各站填寫的氣壓、風向、風 速值，分析等壓線；另一是在500百帕等壓面圖上，根據(jù)位勢高度、風向、風速、氣溫資料， 分析等高線和等溫線。三、實習與作業(yè)：分析地面天氣圖底圖等壓線。圖上有幾個高壓和低壓？高、低壓中心的氣壓值各是多 少？分析高空（500百帕）天氣圖底圖的等高線和等溫線。圖上的高、低壓中心在什么位 置（經(jīng)、緯度）？高、低壓中心的位勢、高度值是多少？圖上等壓線、等高線、等溫線的排列順序有什么規(guī)律？它反映出什么問題？實習