《大氣探測緒論》課件

大氣探測緒論大氣探測是一個廣泛且復(fù)雜的領(lǐng)域,涉及對大氣物理、化學和動力學等多個方面的研究。本課程將闡述大氣探測的基本原理、主要技術(shù)和應(yīng)用,為您全面了解大氣探測提供基礎(chǔ)知識。大氣探測的重要性1天氣預(yù)報和氣候分析大氣探測為天氣預(yù)報和長期氣候分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，確保人類活動的安全和可持續(xù)發(fā)展。2資源管理和環(huán)境保護大氣監(jiān)測有助于追蹤和分析空氣質(zhì)量、溫室氣體和臭氧層等環(huán)境指標，支持資源管理和環(huán)境保護決策。3航空航天安全保障大氣探測數(shù)據(jù)為航空航天活動提供關(guān)鍵支持,確保飛行器的安全運行和航天員的生存環(huán)境。4氣象災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)大氣監(jiān)測預(yù)報可及時預(yù)警并響應(yīng)重大氣象災(zāi)害,如熱帶風暴、干旱和洪澇,降低天氣災(zāi)害風險。大氣探測的定義和概念大氣探測是利用各種先進的儀器設(shè)備,對大氣層的各種物理和化學特性進行測量和監(jiān)測的一門學科。它涉及大氣層的溫度、濕度、壓力、風速風向、成分組成等參數(shù)。通過大氣探測可以獲得大氣環(huán)境的實時動態(tài)信息,為天氣預(yù)報、氣候研究、空中導(dǎo)航、環(huán)境保護等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。大氣探測是理解地球系統(tǒng)運行機制的重要工具。大氣探測的歷史發(fā)展1初期觀察人類從最初就開始觀察天氣和氣候變化2科學探索17世紀開始利用儀器測量氣象要素3技術(shù)進步20世紀發(fā)展了氣球、雷達和衛(wèi)星探測4現(xiàn)代應(yīng)用大氣探測應(yīng)用日益廣泛,服務(wù)于氣象、氣候和環(huán)境大氣探測的歷史可以追溯到人類最初就開始對天氣和氣候變化進行觀察。17世紀開始,科學家們利用溫度計、氣壓計等儀器開始系統(tǒng)測量氣象要素。20世紀,氣球探測、雷達探測和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展極大推動了大氣探測的進步。如今,大氣探測廣泛應(yīng)用于氣象、氣候和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,為人類的生產(chǎn)生活提供了重要支持。大氣探測的基本原理基于物理定律大氣探測的基本原理建立在各種物理定律之上,如光學、電磁波、聲波等,通過這些定律可以對大氣的溫度、濕度、壓力等參數(shù)進行測量和分析。利用遙感技術(shù)大氣探測廣泛應(yīng)用遙感技術(shù),通過對大氣中的電磁波、熱輻射、聲波等的檢測和測量來獲取大氣信息。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)大氣探測系統(tǒng)能持續(xù)不斷地監(jiān)測和收集大氣相關(guān)數(shù)據(jù),對于天氣預(yù)報、氣候分析等都具有重要意義。多源數(shù)據(jù)融合大氣探測通常需要整合來自地面觀測、遙感衛(wèi)星、雷達等多種觀測源的數(shù)據(jù),以獲得更全面和準確的大氣信息。大氣探測的分類按探測位置分包括地面觀測、氣球探測、航空探測和衛(wèi)星探測等。每種方式適合不同的觀測范圍和對象。按探測手段分根據(jù)所采用的探測波段,分為雷達探測、光學遙感探測、熱紅外探測和微波遙感探測等。按探測對象分常見對象包括溫度、濕度、風速風向、云量、輻射、電離層等大氣物理參數(shù)。按應(yīng)用領(lǐng)域分廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報、氣候變化監(jiān)測、環(huán)境保護、航空航天和國防等領(lǐng)域。地面觀測系統(tǒng)地面觀測系統(tǒng)是氣象觀測的基礎(chǔ),包括地面氣象站和各種自動氣象觀測儀器。它們能實時監(jiān)測溫度、濕度、風速風向、降水量、大氣壓力等基本氣象要素,為天氣預(yù)報和氣候分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地面觀測系統(tǒng)廣泛分布在全球各地,通過有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綒庀蟛块T,為天氣預(yù)報和氣候分析提供第一手資料。氣球探測系統(tǒng)高空氣球探測氣球探測系統(tǒng)可將測量儀器升至高空,對大氣中的溫度、濕度、壓力等參數(shù)進行長期持續(xù)觀測。自由氣球探測自由氣球可攜帶各種探測設(shè)備,以垂直方向探測大氣層內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)和變化。纜繩氣球探測纜繩氣球探測可通過控制纜繩長度,實現(xiàn)對大氣中不同高度層的重復(fù)監(jiān)測和采樣。航空探測系統(tǒng)航空探測系統(tǒng)利用各種類型的飛機和直升機,作為移動平臺載荷執(zhí)行空中探測任務(wù)。這些系統(tǒng)能夠以更高的觀測角度和靈活的機動性,對地表、大氣和航天環(huán)境進行探測觀測。航空探測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、國土安全等領(lǐng)域,為人類提供了寶貴的科學數(shù)據(jù)和實時情報。它們是大氣探測體系不可或缺的一部分。衛(wèi)星探測系統(tǒng)高空觀測衛(wèi)星可以從遙遠的太空俯瞰地球,提供全天候、全球范圍的各種環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)。全面數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星觀測系統(tǒng)可實時采集包括溫度、濕度、風速等在內(nèi)的大量氣象數(shù)據(jù),為氣象預(yù)報提供關(guān)鍵支撐。長期監(jiān)測衛(wèi)星可以進行持續(xù)長期的氣象監(jiān)測,為研究氣候變化和重大天氣過程提供寶貴數(shù)據(jù)。雷達探測系統(tǒng)雷達探測系統(tǒng)是一種利用電磁波探測大氣物理參數(shù)的重要技術(shù)手段。它可以精確測量氣象要素如風速、風向、降水強度等,為氣象預(yù)報和監(jiān)測提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。雷達探測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于天氣監(jiān)測、航空管制、氣象預(yù)報等領(lǐng)域,是保障人類生產(chǎn)生活安全的重要工具。光學遙感探測系統(tǒng)衛(wèi)星光學遙感通過安裝在人造衛(wèi)星上的光學傳感器,可以獲取地球表面的高分辨率影像,用于監(jiān)測地形變化、災(zāi)害評估等應(yīng)用。航空光學遙感采用安裝在飛機或無人機上的光學傳感器,可以獲取更高分辨率的區(qū)域性影像,用于精細化的資源調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測。地面光學遙感利用地面設(shè)置的可見光、紅外等光學傳感器,監(jiān)測特定區(qū)域的大氣成分、溫度、濕度等參數(shù),為環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)支撐。熱紅外遙感探測系統(tǒng)熱紅外遙感探測系統(tǒng)利用中紅外和長紅外波段的輻射信號來探測地表、大氣和云層的溫度分布。它可以提供地面、海洋和大氣的溫度數(shù)據(jù),對氣象分析、環(huán)境監(jiān)測和資源調(diào)查等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。該系統(tǒng)通過檢測物體的熱量輻射,能夠在陰暗或夜間條件下對目標進行成像和分析。它為不同應(yīng)用領(lǐng)域提供了寶貴的可見光以外的補充信息,是一種非常重要的遙感技術(shù)。微波遙感探測系統(tǒng)微波遙感探測系統(tǒng)利用微波頻譜探測大氣物理和化學參數(shù),如溫度、濕度、雨水和云量等。這些系統(tǒng)具有特殊的穿透性,能夠穿透云層并獲取大氣信息。微波遙感廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、氣候監(jiān)測和空間天氣監(jiān)測等領(lǐng)域。它們采用主動探測或被動探測的方式,通過分析微波信號的特征來獲取大氣數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)具有操作靈活、信號穩(wěn)定等特點,是一種重要的大氣探測手段。聲波遙感探測系統(tǒng)聲波遙感探測系統(tǒng)利用聲波在大氣中的傳播特性,測量和分析聲波的變化來獲取大氣參數(shù)。這種探測方法可以遠程、非接觸地測量風速、風向、溫度、濕度等大氣要素,在氣象監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。聲波遙感技術(shù)具有成本低、遠程探測等優(yōu)點,能夠提供高時間分辨率和空間分辨率的觀測數(shù)據(jù),在氣象預(yù)報、空氣質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。大氣參數(shù)測量方法溫度測量利用各種熱敏傳感器,如溫度計、熱電偶等,可以準確測量大氣溫度。觀測數(shù)據(jù)還可用于分析溫室氣體濃度變化。濕度測量通過測量空氣中水蒸氣的含量,可以了解大氣的濕度狀況。這有助于研究云層形成和降水過程。壓力測量氣壓傳感器能夠準確記錄大氣壓力變化,為天氣預(yù)報和氣候模型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。風速和風向測量利用風杯或超聲波測風儀,可以測定風速和風向,為大氣環(huán)流研究提供重要信息。溫度測量常用溫度測量方法采用熱電偶、熱電阻等原理的儀器，能夠準確測量環(huán)境溫度溫度測量范圍從極低溫到高溫，能夠全面覆蓋大氣溫度探測需求溫度數(shù)據(jù)分析采用數(shù)字信號處理技術(shù)提高測量精度，并進行實時數(shù)據(jù)傳輸和分析溫度測量是大氣探測的基礎(chǔ)之一。不同的溫度測量方法能夠覆蓋廣泛的溫度范圍，滿足大氣溫度監(jiān)測的需求。通過先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，可以提高溫度測量的精度和實時性。濕度測量5%最低濕度干旱地區(qū)可達5%以下100%最高濕度完全飽和狀態(tài)下達到100%60%舒適范圍人體感覺舒適的濕度一般在40-60%之間濕度是大氣中水分含量的量度。通過測量空氣溫度和水汽壓差可以計算出相對濕度。常用的濕度測量方法有干濕球溫度法、電容式濕度傳感器法和光學法等。每種方法都有自己的特點和應(yīng)用場景。壓力測量準確測量環(huán)境氣壓是大氣探測的重要組成部分。常用的氣壓測量儀器包括水銀氣壓表、電子氣壓表和微小壓力傳感器等。這些儀器能精確記錄大氣壓力變化,為天氣預(yù)報和氣候分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。準確的壓力測量還可以監(jiān)測氣候系統(tǒng)變化,幫助進一步了解全球環(huán)境變化。風速和風向測量測量風速的方法使用風速儀測量風速,包括機械式和聲波式。前者測量葉片轉(zhuǎn)動速度,后者測量聲波傳播速度。測量風向的方法使用風向儀測量風向,通常采用風向標。可測得風向角度和變化趨勢。測量精度和分辨率現(xiàn)代儀器可以實現(xiàn)高達0.1m/s的風速分辨率,以及1度的風向分辨率。數(shù)據(jù)采集和處理測量數(shù)據(jù)可以實時采集和分析,作為氣象監(jiān)測和天氣預(yù)報的重要輸入。云量和能見度測量云量和能見度是重要的大氣觀測參數(shù),可反映大氣狀況和天氣變化。通過專用測量儀器,如云高儀、能見度計和霧檢測儀等,可連續(xù)監(jiān)測云層高度、云層覆蓋率以及能見度等信息。這些數(shù)據(jù)有助于天氣預(yù)報、航空氣象和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用。通過對大氣云量和能見度的持續(xù)監(jiān)測,可以及時掌握當前的天氣狀況,為天氣預(yù)報、航空航天和環(huán)境保護等提供重要依據(jù)。大氣污染物探測20主要污染物如二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等10K+監(jiān)測站點覆蓋城市、農(nóng)村、遠程地區(qū)1M+數(shù)據(jù)記錄每年積累的大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)200環(huán)境標準針對不同污染物制定的排放限值大氣污染物探測是監(jiān)測和評估大氣質(zhì)量的重要手段。利用各種先進技術(shù),如遙感、化學分析等,對主要污染物如二氧化硫、顆粒物等進行全面監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄。這些數(shù)據(jù)為制定環(huán)境保護標準和政策提供依據(jù),對改善環(huán)境質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。對流層溫室氣體探測400+測量點數(shù)全球范圍內(nèi)建立了400多個溫室氣體監(jiān)測站20主要氣體主要監(jiān)測二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等20種溫室氣體0.2%年增長率二氧化碳在過去10年內(nèi)年平均增長率為0.2%左右對流層溫室氣體的連續(xù)監(jiān)測對氣候變化研究至關(guān)重要。通過地面觀測站、衛(wèi)星遙感等手段,全面掌握溫室氣體的變化趨勢和區(qū)域分布,為制定應(yīng)對氣候變化的政策提供科學依據(jù)。臭氧層監(jiān)測臭氧層是大氣圈中一個非常重要的組成部分,它能夠有效吸收有害的紫外線輻射,保護地球上的生命。但近年來,人類活動產(chǎn)生的氯氟碳化合物等物質(zhì)導(dǎo)致了臭氧層的破壞和變薄,這已經(jīng)成為一個嚴重的環(huán)境問題。上圖顯示了過去幾十年中全球臭氧濃度的變化趨勢,我們可以看到臭氧層在上世紀80年代和90年代出現(xiàn)了明顯的破壞,后來隨著相關(guān)政策措施的實施,情況有所好轉(zhuǎn),但也提醒我們必須持續(xù)關(guān)注和監(jiān)測臭氧層的變化。太陽輻射監(jiān)測太陽輻射是地球上一切生命得以維系的基礎(chǔ),對氣候和天氣變化也有重要影響。因此,準確監(jiān)測和評估地球接收的太陽輻射對于氣候預(yù)測和環(huán)境保護極其重要。監(jiān)測類型監(jiān)測對象監(jiān)測方法總輻射監(jiān)測來自太陽的可見光和紅外輻射使用日射計和輻射計等設(shè)備測量地表入射輻射通量光譜輻射監(jiān)測不同波長段的太陽輻射使用光譜儀測量太陽輻射的光譜分布太陽常數(shù)監(jiān)測在大氣層外的太陽輻射利用衛(wèi)星測量大氣層外的太陽輻射強度宇宙線監(jiān)測宇宙線是從太空中不斷到達地球的高能粒子流,對地球的氣候、電離層等都有重要影響。通過宇宙線探測可以研究太陽活動、地球磁場等信息?，F(xiàn)代宇宙線探測主要使用高靈敏度的探測裝置,如氣象探空氣球、人造衛(wèi)星等,不斷監(jiān)測和分析宇宙線的變化特征。這些數(shù)據(jù)對于研究地球環(huán)境、太陽活動和宇宙環(huán)境都有重大意義,有助于提高對氣候變化、航天活動的預(yù)報和預(yù)警能力。地球磁場和電離層監(jiān)測地球磁場和電離層的監(jiān)測是大氣探測的重要組成部分。地球磁場在空間天氣和電離層活動中起著關(guān)鍵作用。通過對地球磁場強度、變化趨勢和擾動情況的監(jiān)測,可以掌握電離層狀態(tài),并預(yù)測可能發(fā)生的空間天氣事件。監(jiān)測對象觀測方法應(yīng)用領(lǐng)域地磁場磁力儀、磁通門磁力儀空間天氣預(yù)報、航天器導(dǎo)航、地質(zhì)勘探電離層電離層探測儀、電離層垂直探計無線電通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、空間天氣監(jiān)測天氣預(yù)報和氣候預(yù)測數(shù)值天氣預(yù)報利用復(fù)雜的氣象模型對未來天氣狀況進行模擬和預(yù)測,大幅提高天氣預(yù)報的準確性。氣候研究通過分析歷史氣候數(shù)據(jù),識別氣候變化的規(guī)律,有助于對未來氣候趨勢進行預(yù)測。對流層監(jiān)測利用衛(wèi)星和雷達等技術(shù),持續(xù)監(jiān)測對流層狀況,為短期天氣預(yù)報提供支撐。極端天氣預(yù)警針對極端天氣事件,及時預(yù)警并采取防范措施,降低人員和財產(chǎn)損失。航天器和導(dǎo)彈探測航天器的監(jiān)測利用雷達、光學和電磁波等技術(shù)對航天器的飛行軌跡、姿態(tài)和狀態(tài)進行實時監(jiān)測和跟蹤,以保證航天活動的安全性和有效性。導(dǎo)彈的探測預(yù)警部署完善的導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng),利用衛(wèi)星、地基雷達等手段,實時監(jiān)測潛在導(dǎo)彈發(fā)射,并及時預(yù)警,以提高防御能力。航天器探測技術(shù)包括光學成像、紅外熱成像、無線電遙測等多種先進技術(shù),能夠?qū)教炱鞯臓顟B(tài)進行全面、精確的檢測和評估。導(dǎo)彈探測技術(shù)利用多層次、多手段的探測系統(tǒng),包括導(dǎo)彈發(fā)射檢測、彈道跟蹤、彈頭識別