第22章邊界層和對(duì)流層專(zhuān)用廓線(xiàn)技術(shù)易1

1、第 22 章 邊界層和對(duì)流層的專(zhuān)用廓線(xiàn)技術(shù)22.1 概述專(zhuān)用廓線(xiàn)技術(shù)已被開(kāi)發(fā)用于在高時(shí)間和空間分辨率上獲取數(shù)據(jù)，以滿(mǎn)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(cè)量技術(shù)。其中一些技術(shù)可用于整個(gè)對(duì)流層的測(cè)量，一些技術(shù)用于低對(duì)流 層的測(cè)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(cè)量相反， 遙感測(cè)量?jī)x器和被測(cè)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(dòng)遙感和主動(dòng)遙感技術(shù)。被動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)(聲雷達(dá)，風(fēng)廓線(xiàn)儀，

2、 RASS 和激光探測(cè)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(xiàn)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(jiǎn)闡述了將儀器設(shè)置于不同平臺(tái)上，直接獲取邊界層測(cè)量結(jié)果的直接測(cè)量技術(shù)(氣球，邊界 層無(wú)線(xiàn)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(xiàn)測(cè)量的技術(shù)。關(guān)于廓線(xiàn)技術(shù)的文獻(xiàn)是很豐富的。一般性的討論和評(píng)述見(jiàn)Derr(1972) ， WMO(1980) ，Martner 等(1993)和對(duì)流層廓線(xiàn)的第二屆國(guó)際研討會(huì)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(wú)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(cè)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(lèi)型的聲雷達(dá)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)， 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(lèi)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(guò)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(cè)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(hào)。單點(diǎn)聲多普勒雷達(dá)既測(cè)量回波信號(hào)強(qiáng)度， 也對(duì)發(fā)射和接收信號(hào)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(dòng)而產(chǎn)生的， 由此可測(cè)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(lái)。600m聲雷達(dá)最大探測(cè)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(cè)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(hào)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(lái)監(jiān)測(cè)逆溫層高度，通過(guò)邊界層穩(wěn)定度變化來(lái)監(jiān)測(cè)混合層的厚度，以及監(jiān)測(cè) 霧的濃度。然而，要正確解釋這類(lèi)曲線(xiàn)圖則需要相當(dāng)多的技巧和背景知識(shí)，以及來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(cè)風(fēng)。尤其適合于逆溫層的連續(xù)監(jiān)測(cè)以及對(duì)存在潛在污染問(wèn)題的工業(yè)區(qū)附近風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。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(huì)給鄰近地區(qū)帶來(lái)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(lái)的煩惱。這種泡沫材料的物理特性會(huì)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(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)儀是為在所有天氣條件下測(cè)量風(fēng)廓線(xiàn)而設(shè)計(jì)的高頻和甚高頻多普勒雷達(dá)。雷達(dá)觀測(cè)二分之一雷達(dá)波長(zhǎng)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(hào)（Bragg條件）。湍流渦旋隨平均風(fēng)速移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量湍流移動(dòng)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(xiàn)儀在三個(gè)甚至更多的方向上測(cè)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(jiǎn)化的系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(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(jiàn)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(xiàn)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(zhǎng)脈沖，較高的高度覆蓋范圍），它們?cè)诖怪弊饔镁嚯x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(xiàn)儀參數(shù)平流層對(duì)流層低對(duì)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(xiàn)類(lèi)型Yagi （八木陣列）Yagi 或 CocoYagi 或 Coco盤(pán)狀或相位排列典型天線(xiàn)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(xiàn)儀能夠在無(wú)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(cè)量。和通過(guò)跟蹤氣球來(lái)測(cè)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(xiàn)雷達(dá)都有最小和最大測(cè)量距離。 低于或高于這一界限時(shí)都不能進(jìn)行測(cè)量。最小測(cè)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?chē)矬w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(xiàn)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(duì)平流層廓線(xiàn)儀來(lái)說(shuō)這些考慮是最重要的。可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來(lái)減小地物雜波對(duì)較高頻雷達(dá)的影響。廓線(xiàn)儀接收到的信號(hào)通常隨高度的增加而減小。這從根本上決定了廓線(xiàn)儀的探測(cè)高度。廓線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)儀能夠在最大高度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。然而，對(duì)于每部廓線(xiàn)儀，探測(cè)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(cè)不到。由于在盡可能高的高度上進(jìn)行測(cè)量是非常重要的，廓線(xiàn)儀用幾分鐘的時(shí)間收集數(shù)據(jù)，以對(duì)獲取的弱信號(hào)進(jìn)行積分。典型情況下，廓線(xiàn)儀可能用6或12分鐘來(lái)進(jìn)行三組需要的觀測(cè)，以便對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。在許多系統(tǒng)中，把一系列這樣的觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，以給出每小時(shí)一次的測(cè)量結(jié)果。由于廓線(xiàn)儀對(duì)來(lái)自不均一大氣的弱回波非常靈敏，它們能夠探測(cè)到來(lái)自航行器，鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)的回波信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，這樣的信號(hào)會(huì)干擾廓線(xiàn)儀測(cè)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(cè)量可以加以比較或者結(jié)合起來(lái)，既給出一致的測(cè)量結(jié)果，又可以擯棄不真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。在1000和400MHz波段中，降雨似乎會(huì)把折射率的不均一性反映成更大的目標(biāo)物。因此，測(cè)量 到的垂直速度是反射率權(quán)重（reflectivity-weighted ）在應(yīng)用中是無(wú)用的。大型的平流層廓線(xiàn)儀是非常昂貴的。它需要大型天線(xiàn)陣列，典型值是100m x 100m，和相對(duì)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(duì)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(cè)量，并且除極大的降水外，測(cè)量幾乎不受到任何影響。對(duì)流層

13、廓線(xiàn)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(cè)量。 它們具有中等外形尺寸，相對(duì)來(lái)說(shuō)也不受雨的影響。邊界層廓線(xiàn)儀價(jià)格廉并且使用小型天線(xiàn)。雖然雨天廓線(xiàn)儀不能測(cè)量垂直速度，但是雨滴增加了回波信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)際上也就增大了水平風(fēng)的測(cè)量的有效垂直距離。廓線(xiàn)儀是主動(dòng)設(shè)備；在許多國(guó)家獲取必要的頻率許可是一個(gè)很重要的問(wèn)題。然而，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上 廓線(xiàn)儀的頻率分配常常是主動(dòng)提出要求而分配的。22.2.3 電- 聲探測(cè)系統(tǒng)( RASS)RASS 用于測(cè)量低對(duì)流層的虛溫廓線(xiàn)。它的主要技術(shù)是通過(guò)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(cè)量技術(shù)基于這樣一個(gè)原理：聲波是

14、縱波，它使周?chē)目諝饷芏劝l(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(guò)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(dòng)以當(dāng)?shù)芈曀偕仙龝r(shí)，微波 雷達(dá)測(cè)量它們的傳播速度。 聲波波長(zhǎng)與二分之一微波波長(zhǎng)相匹配 ( Bragg 條件)，因此來(lái)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(hào)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(guò)測(cè)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(kāi)發(fā)出多種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)掃描聲音頻率獲取虛溫廓線(xiàn)。 通過(guò)在上述類(lèi)型廓線(xiàn)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(kāi)發(fā)出許多電-聲探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)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?xún)?nèi)；在900Hz，實(shí)際中探測(cè)高度達(dá)到 24km ;而110Hz通過(guò)使用大型50MHz廓線(xiàn)儀，在有利的條件下， 探測(cè)高度可達(dá) 4 8km 。和無(wú)線(xiàn)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(cè)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(cè)量會(huì)受到限制。RASS

16、技術(shù)是一種很有前途的獲取虛溫廓線(xiàn)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(hù)要求的更高探測(cè)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(lài)于它們的溫度 和空間分布。對(duì)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(guò)地基被動(dòng)微波輻射計(jì)測(cè)量氧氣在近60GHz 的微波熱輻射來(lái)獲得低層大氣的垂直溫度廓線(xiàn)。通過(guò)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(jiàn)Hogg 等(1983)和 West

17、water 等(1990)。從衛(wèi)星向下觀測(cè)輻射溫度測(cè)定原理已經(jīng)充分得到確立(見(jiàn)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(duì)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(xiàn)(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(cè)高度上。利用得到的輻射值和權(quán)重函數(shù), 通過(guò)數(shù)學(xué)反演技術(shù)計(jì)算出溫度廓線(xiàn)。權(quán)重函數(shù)曲線(xiàn)的寬度使得在近地面處得不到準(zhǔn)確的溫度廓線(xiàn)。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(cè)量結(jié)果到溫度廓線(xiàn)的反演處理從根本上比星載系統(tǒng)更加困難,對(duì)儀器誤差也更加敏 感。這種反演技術(shù)還依賴(lài)于站點(diǎn)的溫度、濕度廓線(xiàn)的氣候?qū)W

18、的統(tǒng)計(jì)特性。權(quán)重函數(shù)曲線(xiàn)表明微波輻射 計(jì)的垂直分辨率是相對(duì)較差的(以 500 米為一級(jí)),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(cè)量。水蒸汽和液態(tài)水權(quán)重函數(shù)曲線(xiàn)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(shì)在于它在時(shí)間上具有連續(xù)測(cè)量的能力。 這一點(diǎn)當(dāng)需要對(duì)溫度廓線(xiàn)中一些明 顯變化的發(fā)展過(guò)程和到達(dá)時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)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(duì) 測(cè)量結(jié)果的反演技術(shù)較復(fù)雜，所以在低層大氣測(cè)量中微波輻射計(jì)還不能取代無(wú)線(xiàn)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(xiàn)到可見(jiàn)光到紅外線(xiàn)） 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(guò)對(duì)光的探測(cè)和定位（光達(dá)）來(lái)探測(cè)大氣。光散射通?？?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(zhǎng)與入射激光波長(zhǎng)不同， 這一過(guò)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(guò)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(dòng)狀態(tài)分子之間的能量交換而產(chǎn)生。在彈性散射過(guò)程中， 入射波長(zhǎng)和散射波長(zhǎng)相等。這種散射是瑞利（Rayleigh）散射或米（Mie ）散射，它依賴(lài)于粒子的種類(lèi)和尺度，并且

20、與入射激光波長(zhǎng)有關(guān)（見(jiàn)第 9章）。這兩種主要的散射過(guò)程在大氣中可能同時(shí)發(fā)生。詳細(xì)資料可參見(jiàn) 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(hào)通常可在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的陰極射線(xiàn)顯示器上顯示出來(lái)，并傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行更詳細(xì)的分析?；夭ㄐ盘?hào)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(lài)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(guò)程可在不同的激光雷達(dá)中開(kāi)發(fā)利 用，從而提供多種測(cè)量結(jié)果?；趶椥陨⑸涞睦走_(dá)（稱(chēng)為瑞利，米或簡(jiǎn)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(cè)量云底高度可以明顯看出： 標(biāo)志來(lái)自云底的后向散射回波信號(hào)迅速增強(qiáng)； 通過(guò)測(cè)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(jiàn)第一編第15章）。激光雷達(dá)也可用于探測(cè)出現(xiàn)在相對(duì)清澈的空氣中的懸浮顆粒和繪制具體結(jié)構(gòu)特征曲線(xiàn)，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(méi)有降水的情

22、況下連續(xù)測(cè)量空氣運(yùn)動(dòng)速度。 它們還可用于測(cè)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(cè)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(cè)量需要復(fù)雜的多參數(shù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)項(xiàng)測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(duì) 大氣組成的測(cè)量方法中最有發(fā)展前途的遙感技術(shù)，已成功地用來(lái)測(cè)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(lèi)而改變的。后向散 射信號(hào)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(zhǎng)的激光器或可調(diào)諧的激光器；激光器波長(zhǎng)可以從大氣吸收光譜區(qū)任意選擇。通過(guò)測(cè)量 Raman 頻譜，從預(yù)選的大氣組成獲得空間組成， 從而得到對(duì)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(xiàn)。它的主要缺點(diǎn)是因散射截 面積較小造成的對(duì)遠(yuǎn)距離測(cè)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(lái)的眼睛 安全問(wèn)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(duì)昂貴，同時(shí)需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員來(lái)開(kāi)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(wú)降水條件下工作。22.3 直接測(cè)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(xiàn)） 。這種跟蹤通常通過(guò)光學(xué)經(jīng)緯儀或一部跟蹤雷達(dá) 來(lái)完成。第一編第 13 章給出了跟蹤風(fēng)的一般說(shuō)明。在進(jìn)行對(duì)流層低層探測(cè)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(guò)制動(dòng)傘，也可通過(guò)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(duì)于對(duì)流層低層探測(cè)，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(cè)風(fēng)可用單經(jīng)緯儀完成，但為了更準(zhǔn)確測(cè)風(fēng)，需要一個(gè)雙經(jīng)緯儀系統(tǒng)。經(jīng)緯儀間的基線(xiàn)應(yīng)超過(guò) 1 公里。 為確保高準(zhǔn)確度并為方便測(cè)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(xiàn)。然而，在條件不利時(shí)，例如有降 水，低云或霧時(shí)，測(cè)風(fēng)也可能失敗。當(dāng)然，在低層大氣中使用傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電探空儀，在正常的全程探

26、測(cè)過(guò)程中的前幾分鐘內(nèi)，進(jìn)行更 加頻繁的跟蹤測(cè)量，如每分鐘兩到十次，可以獲得補(bǔ)充的風(fēng)場(chǎng)信息。22.3.2 邊界層無(wú)線(xiàn)電探空儀傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)電探空儀， 應(yīng)用于邊界層和對(duì)流層下層的探測(cè)中。 與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電探空儀可用來(lái)測(cè)量從地面到 35 公里高空的溫度、濕度和風(fēng)廓線(xiàn)。這些無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)。通過(guò)選擇大小適當(dāng)?shù)臍馇騺?lái)確定上升速度，也可以 通過(guò)

27、一個(gè)拖在氣球下面的制動(dòng)傘來(lái)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(cè)風(fēng)氣球攜帶。在其它方面，探測(cè)步驟 和資料處理與標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)電探空儀的使用方法是相似的。當(dāng)探測(cè)高度不超過(guò) 2000 米時(shí)，有時(shí)可省去氣壓傳感器，這樣既簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)電探空儀，同時(shí)價(jià)格也太不貴。單純只測(cè)量溫度時(shí)，還可以用更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。對(duì)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(cè)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(cè)大氣污染的擴(kuò)散情況。 Pano fsky(1973)提供了有關(guān)此問(wèn)題的一些討論。出于某些特定的目的，塔的高度一定要超過(guò)100米，按照空氣污染的監(jiān)測(cè)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(cè)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(jí)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(cè)量層次數(shù)目既依賴(lài)于測(cè)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(cè)量，則不能提供氣象變量垂直廓線(xiàn)的形狀，因而是非常

29、受限的。在科研項(xiàng)目中使用的觀 測(cè)層次通常比常規(guī)觀測(cè)多。通常資料自動(dòng)處理并給出結(jié)果，同時(shí)也給出了不同層之間測(cè)量結(jié)果的差異。層間差異可以用來(lái)描述不同的氣象條件。如果資料直接由非專(zhuān)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(guò)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(wú)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(xiàn)。所有的傳感器應(yīng)有線(xiàn)性的或線(xiàn)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(cè)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(cè)量結(jié)果。這一點(diǎn)是非常重要的。 對(duì)于開(kāi)放結(jié)構(gòu)而言，支桿無(wú)論是固定的或可收縮的應(yīng)至少有2米長(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(dòng)影響的上風(fēng) 方的傳感器上進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)。有時(shí)在特殊情況下，在塔上沒(méi)有直接固定安裝的傳感器可以用來(lái)收集氣象廓線(xiàn)資料；則可使用簡(jiǎn)化的探測(cè)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(guò)手動(dòng)或馬達(dá)控制 的絞盤(pán)，把無(wú)線(xiàn)電探空儀

31、升降到需要的高度。無(wú)線(xiàn)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(cè)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(lái)。從而，可能只在一個(gè)高度上進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。如果在一定天氣條件下要對(duì)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電 探空儀，用以在 3000米高度以?xún)?nèi)進(jìn)行當(dāng)?shù)靥綔y(cè)。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(cè)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(xiàn)（和它們的短期變化）的測(cè)量， 以及在一個(gè)或多個(gè)高度層次下進(jìn)行較長(zhǎng)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(guò)無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)也可以通過(guò)并入懸系繩中的導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)，而大型的用于進(jìn)行多個(gè)高度測(cè)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(duì)于小氣球?yàn)?00 300千克）。系留氣球的施放應(yīng)當(dāng)遵從國(guó)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(dòng)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(pán)可以電動(dòng)或手

34、動(dòng)操作。電纜至少可以以?xún)蓚€(gè)速度進(jìn)行傳動(dòng)（例如1或2米/秒）。此外，絞盤(pán)配備有手動(dòng)制動(dòng)器，電纜長(zhǎng)度記數(shù)器，和拉力測(cè)量?jī)x表。作為防止大氣放電的保護(hù) 措施，無(wú)論是否用電力操作，絞盤(pán)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(hào)傳到地面。一般來(lái)說(shuō)，使用專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)電探 空儀是更可取的。 這種無(wú)線(xiàn)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(yáng)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(duì)遙測(cè)來(lái)說(shuō)，可能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(cè)時(shí)遇到的主要問(wèn)題是，超過(guò)平均數(shù)的系繩振動(dòng)和氣球移動(dòng)造成對(duì)觀測(cè)值的影 響。在這樣的測(cè)量過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處

36、 理。無(wú)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(cè)。對(duì)于較低層，它的 高度可以從放出的系繩的長(zhǎng)度估算出來(lái)。但是在較高層，這種手段只是近似估計(jì)，需要其他測(cè)量方法?？衫脺y(cè)量到的氣壓，溫度和濕度分布情況，通過(guò)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(shì)高度增加量由下式給出：29.2兀1門(mén)（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(duì)應(yīng)的氣壓值。如果需要從位勢(shì)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(cè)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(cè)量過(guò)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(cè)過(guò)程可能需要半小時(shí)到一小時(shí)。對(duì)于所有的無(wú)線(xiàn)電探空儀， 在使用前必須在百葉箱內(nèi)進(jìn)行基值測(cè)定，確定與氣壓表和通風(fēng)干濕表的差值。探測(cè)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電探空儀中獲取。探測(cè)到的氣壓，溫度和濕度的數(shù)據(jù)，在每一層進(jìn)行平均。對(duì)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(cè)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(cè)

38、或系列探測(cè)計(jì)劃向航空交通管理機(jī)構(gòu)報(bào)告， 并申請(qǐng)?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,

39、 Volume 16, pp. 47-109.Derr, V. E. 1972: Remote Sensing of the Troposphere. National Oceanic and Atmospheric Admi nistratio n, WPL Boulder, Colorado.Gaynor, J. E., et al., 1990: The International Sodar Intercomparison Experiment. Acoustic Remote Sensing. Mc Graw Hill, New York.Gossard, E. E. and Str

40、auch, R.G., 1983: Radar Observations of Clear Air and Clouds. Elsevier, Amsterdam.Hinkley, E. D., 1976: Laser Monitoring of the Atmosphere: Topics in Applied Physics. Volume 14, Sprin ger Verlag, New York.Hogg, D. C., et al., 1983: An automatic profiler of temperature, wind and humidity in the tropo

41、sphere. Journal of Climate and Applied Meteorology, Volume 22, pp. 807-831.Lataitis, R. j., 1992: Signal power for radio acoustic sounding of temperature: The effects of horizontal win ds, turbule nee and vertical temperature gradie nts. Radio Science, Volume 27, pp. 369-385.Lataitis, R. J., 1993: T

42、heory and Application of a Radioacoustic Sounding System (RASS). NOAA Technical Memorandum ERL WPL-230.Martner, B. E., et al., 1993: An evaluation of wind profiler RASS and microwave radiometer performance. Bulletin of the American Meteorological Society, Volume 74, Number 4, pp. 599-613.May P. T.,

43、et al., 1990: Temperatuue sounding by RASS with wind profiler radars: A preliminary study. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Volume 28, pp. 19-28.Neff, W. D. and Coulter, R. L. 1986: Acoustic remote sounding. In : Lenschow, D. H. (ed.), Probing the Atmospheric Boundary Layer , Amer

44、ican Meteorological Society, pp. 201-236.Panofsky, H. a., 1973: Tower micrometeorology. In: Haugen, D. A. (ed.). Workshop on Micrometeorology, Chapter 4, American Meteorological Society.Second Internatioanal Symposium on Tropospheric Profiling,1994: Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Feb

45、ruary 1994, Volume 11, Number 1.Singal, S P., 1990: Current status of air quality related boundary layer meteorological studies using sodar. Acoustic Remote Sensing, Mc Graw Hill, New York, pp. 453-476.Strauch, R. G., et al., 1990: Preliminary evaluation of the first NOAA demonstration network wind profiler. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Volume 7, pp. 909-918.Syed Ismael, et al., 1994: Recent Lidar technology development