現(xiàn)代大氣探測學-第十二講-高空溫濕壓風探測-zxl

第十二講

高空溫濕壓風的探測2意義大氣中個高度上的溫度、濕度、氣壓以及風場資料，是研究大氣中各種熱力、動力過程，以及天氣分析和預報的最重要的資料當前熱點科學問題：對流層-平流層相互影響3主要內(nèi)容12.1高空溫濕壓的綜合探測12.2高空風的探測12.3氣象應用12.4復習思考題412.1高空探空儀

——概述方法？飛機探測衛(wèi)星遙感探測火箭探測無線電探空雷達探測512.1高空探空儀

——概述

目前氣象常規(guī)觀測中，大量使用的是無線電探空儀，由充有氫氣的探空氣球攜帶無線電探空儀上升，進行溫、濕、壓的測量612.1高空探空儀

——概述什么是無線電探空呢？

無線電探空儀是一種遙測儀器，它可以將感應的氣象要素值轉換為無線電信號，不斷地向地面發(fā)送，地面上的接收設備同時接收和處理探空信號，即可迅速獲得探測結果

7高

空

探

空

儀8即將升空的探空儀9L波段雷達天線1012.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字式高空探空儀（當前主流）

需與GFE(1)型(即L波段)二次測風雷達配合使用1112.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀探空儀的測量原理A熱敏電阻熱敏電阻濕敏電阻壓力傳感器R/V電池R/VR/VV/V多路開關模數(shù)轉換微處理器發(fā)射機參考電壓B12

探空儀的基本結構

GTS1型數(shù)字探空儀由傳感器、智能轉換器、發(fā)射機三部分構成。

12.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀13傳感器

溫度傳感器采用棒狀熱敏電阻，在測量范圍內(nèi)-90℃-55℃，阻值限定在9KΩ-700KΩ,阻體長10mm，直徑1mm左右，表面有高反射率涂層，短波反射率優(yōu)于93%，長波吸收率超過90%

濕度傳感器采用高分子濕敏電阻，濕敏電阻出廠時都密封在帶有干燥劑的玻璃瓶中，一旦打開，要及時使用（一次性）

氣壓傳感器采用硅阻固態(tài)壓力傳感器(簡稱硅壓阻壓力傳感器)，該傳感器對溫度非常敏感，所以專門用一個熱敏電阻測量該傳感器的溫度，用于對被測氣壓的補償氣壓傳感器安裝在電路板上（在智能轉換器上）

12.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀1412.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀15智能轉換器作用

——將各傳感器的物理量，按一定格式轉換成二進制代碼，以二進制代碼“0”控制32.7kHz調(diào)制波信號12.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀16發(fā)射機

組成——由超高頻晶體管、微帶線、可微調(diào)電容、鞭狀天線、地網(wǎng)和穿芯電容構成

作用——接收地面雷達發(fā)射的詢問信號，發(fā)送應答脈沖，發(fā)送溫濕壓信息12.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀1712.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀工作原理探空儀在升空過程中，熱敏電阻、硅壓阻壓力傳感器以及濕敏電阻分別隨大氣的溫度、氣壓、濕度而改變電阻值大小，這些變化值通過智能轉換器轉變成不同的二進制數(shù)據(jù)。智能轉換器同時將這些探測到的氣象信息，調(diào)制到1675MHz發(fā)射機上，使其產(chǎn)生不同的工作狀態(tài)，向地面GFE(1)型雷達發(fā)射溫度、氣壓、濕度二進制代碼和測距應答脈沖，以完成高空溫壓風濕的綜合探測1812.1高空探空儀

——GTS1型數(shù)字高空探空儀探空儀的測量范圍溫度：+40---80℃△t≤±0.2℃相對濕度：95%-15%環(huán)境溫度>-25℃，△U≤±5%

環(huán)境溫度<-25℃，△U≤±10%

氣壓：1050-10hPa氣壓>500hPa，△P≤±2hPa

氣壓<500hPa，△P≤±1hPa19其他探空儀

RS-80型——芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)，業(yè)務上已經(jīng)普遍使用，所有元件基本上是變電容式的RS-90型——RS-80型的新型號GPS數(shù)字式探空——

RS-92型WMO國際探空比對試驗截止2010年，一共舉辦了8屆2010年7月在廣東陽江，來自9個國家16種探空儀，其中15個都屬于GPS探空儀2012.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀（已淘汰）GZZ2-1型探空儀（又稱五九型探空儀）我國曾長期使用的機械式電碼探空儀212212.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀

探空儀的測量范圍溫度：+40—-75℃

相對濕度：100%—15%

氣壓：1050—10hPa

為使所測氣象要素值超過測量范圍仍能查算數(shù)據(jù)，因此，儀器的氣溫外延到-85℃，相對濕度外延到5%，氣壓校準曲線外延到5hPa，外延部分的資料僅供參考使用23探空儀2412.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀GZZ2-1探空儀的結構感應器編碼機構發(fā)射裝置2512.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀

溫度感應器由雙金屬片、指針和支架等組成，將厚度約0.2mm的薄雙金屬片，卷曲成螺旋形，固裝在支架上濕度感應器由鼓膜狀腸膜、中心連桿、扭力彈簧和濕度指針所組成氣壓感應元件是兩個波紋形金屬扁空盒。感應器2612.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀

主要由電碼筒及驅(qū)動電碼筒轉動的微型電機和減速齒輪所組成。探空儀工作時，電碼筒以每分鐘5-9轉的速度轉動。它的主要作用是將氣象要素的變化轉換成電碼訊號，通過發(fā)射機發(fā)向地面接收站編碼機構2712.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀編碼機構

電碼筒由電碼片、電碼筒支架，參考訊號片和尼龍齒輪絕緣接頭等組成。

電碼片是用具有槽紋、長70cm的金屬薄片卷曲而成。槽紋上印有莫爾斯電碼圖案，在電碼片上，白色部分是導電的，棕色部分是絕緣的。當感應器的指針與電碼片的白色部分接觸時，電路接通，發(fā)出電碼訊號；指針與棕色部分接觸時，電路不通，不發(fā)訊號。在電碼筒軸一端有扇形的參考訊號片。電碼筒每轉一周，參考訊號片與機架上的導電簧片相接，發(fā)出一長聲“－”的參考訊號，此時電碼片不與任何指針相接。參考訊號用來區(qū)別各氣象要素電碼順序。發(fā)出參考訊號后，緊接著發(fā)溫度訊號，然后是氣壓訊號和濕度訊號

2812.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀

電碼片上有兩排導電花紋。上面一排代表電碼的十位，共35個碼；下面一排代表電碼的個位數(shù)，共350個電碼。每一個十位數(shù)電碼對應有十個個位數(shù)電碼，即每一個十位數(shù)占有十個槽紋的寬度，每一個個位數(shù)只占一個槽紋寬度。探空儀工作時，感應器的指針首先與十位數(shù)電碼部分接觸，然后與個位數(shù)電碼部分接觸。因此，氣象要素電碼都是由兩個電碼組成。由于電碼筒是連續(xù)運轉的，因此發(fā)訊工作不間斷地進行，電碼訊號拍發(fā)次序為：參考訊號溫度訊號氣壓訊號濕度訊號……，依次循環(huán)往復編碼機構2912.1高空探空儀

——GZZ2-1型電碼式探空儀

發(fā)射裝置的作用是將探空儀各感應器所測到的溫、濕、壓訊號，以無線電波的形式傳遞到地面。發(fā)射機產(chǎn)生24.5MHz（配用701雷達接收時為400MHz）的高頻電磁波，由單端半波天線發(fā)射出去。發(fā)射裝置30五九型轉筒式電碼探空儀的性能測量溫度的誤差主要是滯后誤差(雙金屬片的熱滯系數(shù))和輻射誤差(太陽輻射加熱)還有因元件沾濕和氣球的熱空氣尾流引起的誤差31五九型轉筒式電碼探空儀的性能測量氣壓的誤差使用測壓膜盒，因金屬的彈性隨溫度和時間有變化，使測壓有誤差。由錫、磷、青銅制成的膜盒溫度系數(shù)較大經(jīng)檢測對比，五九型轉筒式電碼探空儀在低壓測量精度較差32五九型轉筒式電碼探空儀的性能測量濕度的誤差各種濕度元件不同程度存在多種誤差五九型的測濕元件——腸膜，因其性能不穩(wěn)定，不同時間的檢定曲線不能重合，相對濕度平均偏差可達±4％（檢定曲線——表示探空儀信號與氣象要素值關系的曲線。每個探空儀都應該有溫度、氣壓、濕度三條檢定曲線）由于腸膜的滯后系數(shù)隨溫度降低而加大，在低溫時的測濕誤差較大，在-30攝氏度以下幾乎無法使用33關于無線電探空儀無線電探空儀：資料具有較高的精度和分辨率長期以來形成了較嚴密的全球探測網(wǎng)，資料有一定的可比性費用較低3435全球高空探測網(wǎng)分布示意圖

截止2001年10月上半月全球高空探測網(wǎng)分布示意圖36無線電探空儀的優(yōu)勢：精度較高（但不如最新研制的探空儀）實時性強操作方便幾乎不受天氣條件限制如配合適當?shù)脑O備(無線電經(jīng)緯儀或測風雷達)，可以同時獲得高空風場的資料37探空儀還可以裝配各種類型的特種探空儀，例如：測量臭氧大氣電場云內(nèi)含水量各種輻射通量38按其使用的方式，探空儀有三種裝配方式：(1)常規(guī)探空儀由上升氣球攜帶，升空30~40km最長工作時間2h信號傳播距離200km氣球可攜帶重量0.5~2kg升速：400m／min探測項目：溫、濕、壓和風（使用“回答器”，與701二次雷達配合測風）。39探空儀即將施放

701雷達待命工作40(2)定高氣球探空儀由定高氣球攜帶，沿等密度線飛行探測，可繞地球某個緯度帶進行工作時間數(shù)天為節(jié)電，常間隔數(shù)小時定時發(fā)報，地面接收站可設數(shù)個，采取接力方式接收探測項目：溫、濕、壓，一些專門項目。41(3)下投式和火箭探空儀多使用飛機、火箭或定高氣球?qū)x器帶到一定高度，然后將儀器彈射至攜帶艙外，由氣球或降落傘攜帶下落工作距離300km工作時間幾個小時可由地面站或飛機接收信號探測項目：溫、濕、壓等。42探空儀使用的探測元件：注意要滿足高空探測方面的基本精度要求探測儀為一次性使用產(chǎn)品：力求結構簡單、體積小、重量輕，且較堅固具有一定的防輻射、防云雨沾濕，以及耐高空低溫的能力43高空探測的特點：從地面到30～40km的高空，大氣中各要素的值遠大于地面站的年變化范圍氣壓：從1000hPa到10hPa以下溫度：從+40℃到-60℃以下相對濕度：0到100％可見，要滿足在全量程范圍內(nèi)的低相對誤差和絕對誤差是較難辦到的。44在較短時間(1小時)，較高升空(從地面到高空30～40km)的條件下，探測元件必須快速響應飛升各高度的上的氣象要素變化要求探測元件應具有足夠小的滯后系數(shù)，包括在高層低密度流量的條件下。45探空儀信號解調(diào)之后，需利用檢定曲線換算成對應的氣象要素變量檢定結果由廠家進行。46探空資料的整理及其軟件設計資料整理的內(nèi)容：(1)連續(xù)要素的時間曲線(2)求各規(guī)定等壓面的溫度、濕度（露點溫度）(3)求各規(guī)定等壓面的海拔高度，給出氣球上升的時間高度曲線(4)選擇特性層：指該層的溫度或濕度梯度與相鄰的上、下層的溫度或濕度梯度具有明顯的差異。47探空資料的整理及其軟件設計(5)選擇對流層頂(6)選擇0℃層(7)漏測層(8)最終探測高度(9)編寫天氣電碼48探空資料的整理及其軟件設計由于探空儀的類型不同，在進行上述過程處理前還得根據(jù)不同的情況進行原始資料的預處理：進行多點的滑動平均，以判斷和剔除一些明顯錯誤的讀數(shù)。對于溫度測量值還必須進行輻射誤差訂正。49探空儀的觀測誤差以及探空儀的對比工作探空儀的測量誤差是各種因素導致的誤差總和。①空盒氣壓表高空探測的精度②測溫元件的輻射誤差③濕度元件的沾濕以及低濕條件下的癱瘓效應50探空儀的觀測誤差以及探空儀的對比工作探空儀的對比方式：不同類型的業(yè)務探空儀對比業(yè)務探空儀與各國自己的標準探空儀對比各國標準探空儀之間的對比WMO國際探空比對試驗截止2010年，一共舉辦了8屆2010年7月在廣東陽江，來自9個國家16種探空儀，其中15個都屬于GPS探空儀51典型探空結果52

1.氣球測風的基本原理

2.單經(jīng)緯儀定點測風

3.雙經(jīng)緯儀基線測風

4.雷達測風

12.2高空風的探測

空中各個高度上的風向風速的測定，有助于了解高空大氣環(huán)流狀況，對天氣分析預報、航空飛行以及環(huán)境污染研究等方面都具有十分重要的意義。獲得從地面到三十公里高度范圍內(nèi)不同高度上大氣運動及其變化的數(shù)據(jù)的方法，通稱為“高空測風”或“高空風的觀測”關于高空風觀測意義？氣球就會垂直上升而無水平方向的位移氣球就會做合成運動，產(chǎn)生水平方向的位移，back1氣球測風的基本原理無風有風㈠作用在氣球上的力根據(jù)阿基米德定理,氣球受到的浮力為:

式中F為浮力,ρ為單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量,V為氣球的體積

F=ρV1氣球測風的基本原理氣球測風的基本原理與氣球同體積的空氣重力與氫氣重力之差，稱為總舉力。用E表示，即：

E=V（ρ-γ)

1氣球測風的基本原理總舉力與氣球的球皮和附加物產(chǎn)生的重力之差稱為凈舉力。用A表示

總舉力不能夠完全決定氣球能否上升，只有凈舉力才能完全決定﹗﹗A=E-B=V（ρ-γ)-B1氣球測風的基本原理任意高度上的A與A0的關系

凈舉力A一般是不隨氣球上升而改變的。A0=V0（ρ0-γ0)-B1氣球測風的基本原理

三個假定！在氣球上升時可以認為球內(nèi)部的氣體壓力接近于周圍的空氣壓力。由于球內(nèi)氣體質(zhì)量很小，球內(nèi)溫度與外界溫度很快地趨于一致，即認為氣球在上升時，氣球內(nèi)外的溫度是相等的。經(jīng)驗表明氫氣的擴散逸出不足以構成對浮力的顯著影響，因此，球內(nèi)氫氣的質(zhì)量在放球觀測的時段也可以認為基本不變1氣球測風的基本原理氣球在上升過程中球內(nèi)氫氣密度的變化正比例于外界空氣密度的變化，而反比例于氣球的體積的變化1氣球測風的基本原理即Vρ=V0ρ0=常量，Vr=V0r0=常量故而我們可以得到A=A0=常量

這一結論的假設條件（等壓、等溫及不透氣的條件）與實際情況會有些出入，但這個出入不大，假定的條件基本滿足氣球在上升過程中，凈舉力保持恒定A0=V0（ρ0-γ0)-BA=E-B=V（ρ-γ)-B㈡氣球的上升速度

1、氣球的升速公式

氣球的升速公式R-空氣阻力，s-氣球的大圓面積，式中γ/ρ在球內(nèi)、外等溫等壓的假定下，可看作是常量，約等于1/14，空氣密度ρ可由觀測當時的氣壓、氣溫來確定，阻力系數(shù)c雖然可以隨球的大小而不同，但一般可以取c=0.4，A、B則可以稱量出來

氣球的升速公式引入空氣標準密度ρ0=1.205㎏/m3

（ρ0

指氣溫為293K，氣壓為760mmHg時的密度值），升速公式可以寫成

目前常用的氣球升速公式其中氣球的升速公式⑴A與B影響：升速與凈舉力A，球皮及附加物重量B重量有關，要使升速增大，必須要增大A或減小B2.影響氣球升速的因子⑵空氣密度ρ的變化：因為ω∝

ρ-1/6，即氣球的升速是隨空氣密度的減小而緩慢增大的，也就是說升速隨高度的增高而緩慢增大，根據(jù)資料，其增加平均為每上升1千米增大2％影響氣球升速的因子⑶空氣阻力系數(shù)c：理論計算中，阻力系數(shù)取為常量0.4。實際上，在亂流很強時，空氣阻力系數(shù)減小，使計算值偏低，在低空，尤其在白天，這一因素影響很大⑷大氣中垂直氣流對升速的影響很大，尤其是在山區(qū)，在山的迎風坡，氣流上升運動強，背風坡下降運動強，都直接影響升速氣球的升速公式⑸滲透和擴散的影響;隨著高度的增加，滲透會越來越大，使升速逐漸減?、驶魏蜕仙械姆瓭L，阻力增大，氣球升速變小氣球的升速公式實際升速與計算升速之間的差別基本上是兩頭大中間小(大物)實驗發(fā)現(xiàn)在12公里以上，實際升速比計算升速小，且越向上越小，這主要是由于隨著施放時間的增加，球內(nèi)氫氣滲透量增加從而使升速減小的影響超過了空氣的密度的減小而使升速增大的影響在2~12公里內(nèi)，實際升速和計算升速比較接近，其原因主要是空氣密度隨高度減小使升速加大的影響基本上和球內(nèi)氫氣向外滲透使升速減小的影響基本上互相抵消back在2公里高度以內(nèi)，實際升速要比計算升速大20%~30%，而且越靠近地面，誤差越大，起作用的主要因子是空氣的亂流運動的影響722、單經(jīng)緯儀定點測風

我們在觀測點施放一個具有標準升速的氣球，某一瞬時，氣球在空間的位置對地面有一個垂直投影點，測得在某一個時段內(nèi)氣球投影點的位移，就是氣球在這段時間里的水平位移，據(jù)此就可以測定這一時段所對應的高度上的風向和風速

單經(jīng)緯儀定點測風就是使用一臺經(jīng)緯儀，在一個固定的地點，觀測氣球移動的軌跡來確定高空的風向風速

各風層的風向，可通過測量正北與各線之間的夾角(順時針)加減180°求得。單經(jīng)緯儀測風簡便易行，但由于實際升速偏離所假定的升速，因而誤差較大2單經(jīng)緯儀定點測風75

已知：測風氣球的升速w=80米/分

第2分鐘的仰角α2=45°，方位角β2=30°

第4分鐘的仰角α4=30°，方位角β4=60°

求第2-4分鐘平均風速和風向θ76

已知：測風氣球的升速w=80米/分

第2分鐘的仰角α2=45°，方位角β2=30°

第4分鐘的仰角α4=30°，方位角β4=45°

求第2-4分鐘平均風速和風向

雙經(jīng)緯儀基線測風，就是用兩架經(jīng)緯儀架設在已知距離的兩個測點上，同時觀測氣球的運動，讀出仰角和方位角并通過計算求出氣球的高度然后，與單經(jīng)緯儀定點測風一樣，計算出各高度上的風向、風速

兩觀測點之間的連線稱為基線。由于氣球高度是實測的，因而準確度較高。這種方法也可用來測定云高或云中個體3雙經(jīng)緯儀定點測風3.雙經(jīng)緯儀定點測風（一）基線的選擇（二）氣球高度的計算（1）投影法計算氣球高度（2）矢量法計算氣球高度（三）計算風向風速（一）基線的選擇

基線的長度和方位對測風精度有直接影響。一般基線應選擇在與當?shù)厥⑿酗L向相垂直的方位上；另外再選擇與盛行風向相平行的第二條基線，兩條基線互相垂直。以保證任何時候都能選擇一條與高空風交角較大的基線基線越長，計算精度越高，但是基線太長會給通訊聯(lián)絡帶來不便，也會影響兩架經(jīng)緯儀的相互瞄準，因此，應該在保證測量精度的前提下，選擇合適的基線長度

一般基線長度選為氣球飛升最大高度的五分之一到五分之二左右。

80（一）基線的選擇

兩觀測點可以有一定的高度差，但一般情況下，兩架經(jīng)緯儀互望時，其仰角或俯角不應超過1°

NAB813.雙經(jīng)緯儀定點測風㈠基線的選擇㈡氣球高度的計算

（1）投影法計算氣球高度（2）矢量法計算氣球高度水平面投影法823.雙經(jīng)緯儀定點測風㈠基線的選擇㈡氣球高度的計算

（1）投影法計算氣球高度（2）矢量法計算氣球高度鉛直面投影法833.雙經(jīng)緯儀定點測風㈠基線的選擇㈡氣球高度的計算

（1）投影法計算氣球高度

（2）矢量法計算氣球高度

投影法計算時是假定基線兩端的兩架經(jīng)緯儀觀測空間氣球位置的兩條視線是相交的，而矢量法計算是假定兩架經(jīng)緯儀觀測空間氣球的兩條視線是不相交的。氣球在空中飄移，兩經(jīng)緯儀觀測的同時性很難滿足，視線不相交于同一點的假定比較符合實際情況。提高了計算精度（2）矢量法計算氣球高度hR2BCMR3DR1AB′矢量法確定氣球在空間的位置hR2BCMR3DR1AhR2BCMR3DR1AhR2BCMR3DR1A923.雙經(jīng)緯儀定點測風（一）基線的選擇（二）氣球高度的計算（1）投影法計算氣球高度（2）矢量法計算氣球高度（三）計算風向風速934.雷達測風

雷達被廣泛用來測定高空風向和風速要對空間一點進行定位，須知道它的三個座標。經(jīng)緯儀測風是借助仰角、方位角和高度進行定位的，而雷達則是借助仰角、方位角和斜距來定位的對于普通的一次雷達，當雷達天線發(fā)射出的高頻電磁波在空中行進時，碰上目標物被反射回來，然后又被雷達天線接收。因此，只要測出從發(fā)射高頻脈沖（主波）到接收到反射訊號（回波）所經(jīng)過的時間，則目標至雷達站的斜距Ｓ便可用下式計算出來

4雷達測風95一次雷達的缺點要求雷達發(fā)射機有較大的發(fā)射功率。電力消耗大，不經(jīng)濟探測高度低，平均高度約10km，斜距最大約60km當高度較高、距離較遠時，回波訊號太弱不能同時進行高空氣壓、溫度、濕度等氣象要素的探測96二次雷達定義：所跟蹤的目標物是有源的該有源目標物就是具有發(fā)射能力的“無線電回答器”?；卮鹌魇芾走_發(fā)射的“詢問”脈沖所觸發(fā)，同時它以和雷達相同的工作頻率，從空中發(fā)回“回答”脈沖（探空信號）。這種一問一答的工作狀態(tài)就構成了二次雷達的基本特點97常用二次測風雷達701二次測風雷達

工作波長75cm測角精度0.15-0.2°探測高度30km測距精度80mCFE（L）1型二次測風雷達（L波段）發(fā)射機頻率遠程~1675MHz；近程~1687MHz98雷達波段劃分大多數(shù)雷達工作在超短波及微波波段，其頻率范圍在30~30000