大氣探測(cè)學(xué)天氣現(xiàn)象的觀測(cè)

1、1天氣現(xiàn)象的觀測(cè)2本章要求掌握天氣現(xiàn)象的觀測(cè)方法掌握雨量計(jì)的基本原理和結(jié)構(gòu)3主要內(nèi)容降水量的測(cè)量激光云高儀閃電定位系統(tǒng)其它天氣現(xiàn)象4序云和天氣現(xiàn)象這類目測(cè)內(nèi)容將改為儀器觀測(cè)天氣現(xiàn)象大致分為六類：地面凝結(jié)降水霧雷電光強(qiáng)風(fēng)相關(guān)（風(fēng)沙、風(fēng)暴、吹雪）按照天氣現(xiàn)象成因分9類降水霧風(fēng)沙雷電煙塵風(fēng)暴吹雪地面凝（凍）結(jié)光56天氣現(xiàn)象雨滴狀的液態(tài)降水，下降時(shí)清楚可見，強(qiáng)度變化較緩慢，落在水面上會(huì)激起波紋和水花，落在干地上可留下濕斑。陣雨開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大的液態(tài)降水，有時(shí)伴有雷暴。7毛毛雨稠密、細(xì)小而十分均勻的液態(tài)降水，下降情況不易分辨，看上去似乎隨空氣微弱的運(yùn)動(dòng)飄浮在空中，徐徐落下。迎面有潮濕感，落

2、在水面無(wú)波紋，落在干地上只是均勻地潤(rùn)濕地面而無(wú)濕斑。8雪固態(tài)降水，大多是白色不透明的六角分枝的星狀、六角形片狀結(jié)晶，常緩緩飄落，強(qiáng)度變化較緩慢。溫度較高時(shí)多成團(tuán)降落。陣雪開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大的降雪。雨夾雪半融化的雪(濕雪)，或雨和雪同時(shí)下降。陣性雨夾雪開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大的雨夾雪。9霰白色不透明的圓錐形或球形的顆粒固態(tài)降水，直徑約25毫米，下降時(shí)常呈陣性，著地常反跳，松脆易碎。米雪白色不透明的比較扁的或比較長(zhǎng)的小顆粒固態(tài)降水, 直徑常小于1毫米，著硬地不反跳。10冰粒透明的丸狀或不規(guī)則狀的固態(tài)降水，較硬，著硬地一般反跳。直徑小于5毫米。有時(shí)內(nèi)部還有末凍結(jié)的水，如被碰碎，則僅

3、剩下破碎的冰殼。11冰雹堅(jiān)硬的球狀、錐狀或形狀不規(guī)則的固態(tài)降水，雹核一般不透明，外面包有透明的冰層，或由透明的冰層與不透明的冰層相間組成。大小差異大，大的直徑可達(dá)數(shù)十毫米。常伴隨雷暴出現(xiàn)。12冰針飄浮于空中的很微小的片狀或針狀冰晶，在陽(yáng)光照耀下，閃爍可辨，有時(shí)可形成日柱或其日暈的現(xiàn)象。多出現(xiàn)在高緯度和高原地區(qū)的嚴(yán)冬季節(jié)。13霧大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，有霧時(shí)水平能見度小于1.0千米。高緯度地方出現(xiàn)冰晶霧也記為霧。輕霧微小水滴或已濕的吸濕性質(zhì)粒所構(gòu)成的灰白色的稀薄霧幕，出現(xiàn)時(shí)水平能見度為1.010.0千米以內(nèi)。14露水汽在地面及近地面物體上凝結(jié)而成的水珠.(霜融化成的水珠，不記露)。15

4、霜水汽在地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆的冰晶；或由露凍結(jié)而成的冰珠。易在晴朗風(fēng)小的夜間生成。16雨凇過冷卻液態(tài)降水碰到地面物體后直接凍結(jié)而成的堅(jiān)硬冰層，呈透明或毛玻璃狀，外表光滑或略有隆突。17霧淞空氣中水汽直接凝華，或過冷卻霧滴直接凍結(jié)在物體上的乳白色冰晶物，常呈毛茸茸的針狀或表面起伏不平的粒狀，多附在細(xì)長(zhǎng)的物體或物體的迎風(fēng)面上，有時(shí)結(jié)構(gòu)較松脆，受振易塌落18吹雪由于強(qiáng)風(fēng)將地面積雪卷起，使水平能見度小于10.0千米的現(xiàn)象。雪暴為大量的雪被強(qiáng)風(fēng)卷著隨風(fēng)運(yùn)行，并且不能判定當(dāng)時(shí)天空是否有降雪。水平能見度一般小于1.0千米。19龍卷一種小范圍的強(qiáng)烈旋風(fēng)，從外觀看，是從積雨云(或發(fā)展很盛的濃積云

5、)底盤旋下垂的一個(gè)漏斗狀云體。有時(shí)稍伸即隱或懸掛空中，有時(shí)觸及地面或水面，旋風(fēng)過境，對(duì)樹木、建筑物、船舶等均可能造成嚴(yán)重破壞。20積雪雪(包括霰、米雪、冰粒)覆蓋地面達(dá)到臺(tái)站四周能見面積一半以上時(shí)，稱為積雪。結(jié)冰指露天水面(包括蒸發(fā)器的水)凍結(jié)成冰。21沙塵暴由于強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使空氣很泥濁，水平能見度小于1.0千米。揚(yáng)沙由于風(fēng)大將地面塵沙吹起，使空氣相當(dāng)混濁，水平能見度在1.0千米至10.0千米以內(nèi)。22 浮塵塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0千米。浮塵多為遠(yuǎn)處塵沙經(jīng)上層氣流傳播而來(lái)，或?yàn)樯硥m暴、場(chǎng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒浮游空中而成。煙幕大量的煙存在空氣中，使水平能

6、見度小于10.0千米。城市、工礦區(qū)上空的煙幕呈黑色、灰色或褐包，濃時(shí)可以聞到煙味。23霾大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0千米的空氣普遍混濁現(xiàn)象。霾使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，而使黑暗物體微帶蘭色。24塵卷風(fēng)因地面局部強(qiáng)烈增熱，而在近地面氣層中產(chǎn)生的小旋風(fēng)，塵沙及其它細(xì)小物體隨風(fēng)卷起，形成塵柱。很小的塵卷風(fēng)，直徑在兩米以內(nèi)，高度在十米以下的不記錄。25雷暴為積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。表現(xiàn)為閃電兼有雷聲，有時(shí)亦可只聞雷聲而不見閃電。閃電為積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生放電時(shí)伴隨的電光。但不聞雷聲。26極光在高緯度地區(qū)(中緯度地區(qū)也可偶見)晴夜見到的一種

7、在大氣高層輝煌閃爍的彩色光弧或光幕。亮度一般象滿月夜間的云。光弧常呈向上射出活動(dòng)的光帶，光帶往往為白色梢?guī)ЬG色或翠綠色，下邊帶淡紅色；有時(shí)只有光帶而無(wú)光??；有時(shí)也呈振動(dòng)很快的光帶或光幕。27大風(fēng)瞬間風(fēng)速達(dá)到或超過17.0米秒(或目測(cè)估計(jì)風(fēng)力達(dá)到或超過8級(jí))的風(fēng)。颮突然發(fā)作的強(qiáng)風(fēng)，持續(xù)時(shí)間短促。出現(xiàn)時(shí)瞬間風(fēng)速突增，風(fēng)向突變，氣象要素隨之亦有劇烈變化，常伴隨雷雨出現(xiàn)。瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)8m/s以上維持1小時(shí)，然后突然減小，維持時(shí)間平均風(fēng)速達(dá)11m/s。2829303132天氣現(xiàn)象的自動(dòng)識(shí)別降水類型的自動(dòng)識(shí)別多采用光學(xué)、聲波、雷達(dá)電磁波等探測(cè)技術(shù)。降水粒子的大小、形狀、降落速度和濃度導(dǎo)致了光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率

8、等變化，基于此判別降水類型。3334生產(chǎn)廠家國(guó)別型號(hào)1、Vaisala芬蘭FD12P；PWD12；PWD222、Thies德國(guó)激光降水探測(cè)器3、BIRAL英國(guó)HSS/VPF-710 7304、OSI美國(guó)WIVIS；OWI5、OTT德國(guó)PARSIVEL光強(qiáng)衰減多要素判別法35由前向散射儀的原理，接收端接收的光強(qiáng)與測(cè)量區(qū)域的粒子數(shù)量和尺度有關(guān)，光強(qiáng)和降水量建立關(guān)系前向散射儀+雨水檢測(cè)器+溫度T 8 C deg 不會(huì)降雪T 0 C deg 不會(huì)下雨降水粒子光強(qiáng)閃爍法當(dāng)光束在雨中傳播時(shí)，不僅因吸收和散射現(xiàn)象而損耗，還因介質(zhì)的不規(guī)則性，使光束發(fā)生畸變。在任一瞬間，各個(gè)雨滴在接收平面上形成各自衍射圖案。隨

9、著雨滴的下落運(yùn)動(dòng)，接收平面上的圖案也移動(dòng)，此時(shí)探測(cè)器上光強(qiáng)起伏變化，產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍。光強(qiáng)閃爍與降水強(qiáng)度和粒子半徑有關(guān)。36降水粒子下落速度法降水一般服從Marshal-Palmer分布，而靜止空氣中的雨滴落速服從Gunn-Kinzer模型。其中參數(shù)=4.1*I (-0.21) (mm-1) ; 常數(shù) N0=8000個(gè)/m3 式中；N（D）是直徑D-D+dD內(nèi)的雨滴數(shù)密度；直徑D的單位是mm；I為雨強(qiáng)，單位毫米/小時(shí)。37降水粒子大小/末速度特征38無(wú)水成物粒子吹雪降雪毛毛雨39凍雨傳感器GOODRICH公司出品的冰水感傳感器0872E3是一種專門用于測(cè)量降雨與冰雹天氣的降水量的傳感器。設(shè)計(jì)這個(gè)傳

10、感器是為了測(cè)量冰暴的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，并在溫度接近零度時(shí)區(qū)分降雨和凍雨類型。結(jié)冰厚度最低可測(cè)量到0.13mm。冰感傳感器可以提供實(shí)時(shí)的、完整的冰情數(shù)據(jù)用于地表觀察。該產(chǎn)品擁有多種供電方式和通訊協(xié)議，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活配置。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)/人工氣象站、廣播電視塔、電力塔、石油平臺(tái)、防結(jié)冰預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。400871LH10872E341降水：從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)(經(jīng)融化后)的水。降水量：某一時(shí)段內(nèi)的未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失的降水，在水平面上積累的深度。以毫米（mm）為單位，取1位小數(shù)。降水強(qiáng)度 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間或某一時(shí)段內(nèi)的降水量，通常測(cè)定5分鐘、10分鐘和1小時(shí)內(nèi)的最大降水量。42觀測(cè)項(xiàng)

11、目人工觀測(cè)12小時(shí)（每日北京時(shí)08、20時(shí)定時(shí)觀測(cè)）和日降水量。自動(dòng)觀測(cè)每分鐘、小時(shí)、日降水量。437.1 降水量的測(cè)量雨量筒：構(gòu)造：金屬外層護(hù)套上部為一接水器，直徑 20cm，上緣采用一個(gè)圓環(huán)硬銅箍，節(jié)水口下為一漏斗，雨水收集后由漏斗注入到取樣玻璃瓶?jī)?nèi)。 放置：安裝高度70cm使用：每天人工讀取四次時(shí)段內(nèi)的降水總量，用口徑遠(yuǎn)小于雨量筒接水面積的特制量杯讀水，精確至0.05mm加上加熱裝置可測(cè)降雪量444546用來(lái)連續(xù)記錄液體降水的自記儀器，它由承水器(通常口徑為20cm)、浮子室、自記鐘和虹吸管等組成。有降水時(shí)，降水從承水器經(jīng)漏斗進(jìn)水管引入浮子室。浮子室是一個(gè)圓形容器，內(nèi)裝浮子，浮子上固定有

12、直桿與自記筆連接。浮子室外連虹吸管。降水使浮子上升，帶動(dòng)自記筆在鐘筒自記紙上劃出記錄曲線。當(dāng)自記筆尖升到自記紙刻度的上端(一般為10mm)浮子室內(nèi)的水恰好上升到虹吸管頂端。虹吸管開始迅速排水，使自記筆尖回到刻度“0”線，又重新開始記錄。自記曲線的坡度可以表示降水強(qiáng)度。由于虹吸過程中落入雨量計(jì)的降水也隨之一起排出，因此要求虹吸排水時(shí)間盡量快，以減少測(cè)量誤差。4748單翻斗雨量傳感器該傳感器也是用來(lái)自動(dòng)測(cè)量降水量的儀器，主要由承水器(口徑為159.6mm)、過濾漏斗、翻斗、干簧管和底座等組成。降水通過承水器，再通過一個(gè)過濾斗流入翻斗里，當(dāng)翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻轉(zhuǎn)，倒空斗里的水，翻斗的另一個(gè)

13、斗又開始接水，翻斗的每次翻轉(zhuǎn)動(dòng)作通過干簧管轉(zhuǎn)成脈沖信號(hào)（1脈沖為0.1mm）傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。儀器測(cè)量范圍0-4mm/min。 4950雙翻斗雨量傳感器裝在室外，主要由承水器(常用口徑為20cm)、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成。采集器或記錄器在室內(nèi)，二者用導(dǎo)線連接，用來(lái)遙測(cè)并連續(xù)采集液體降水量。雙翻斗雨量傳感器與記錄器連接作為連續(xù)測(cè)量降水量的儀器稱為雙翻斗雨量計(jì)。51工作原理：測(cè)量雨滴經(jīng)過一束光線時(shí)，由于雨滴的衍射效應(yīng)引起光的閃爍，閃爍光被接收后進(jìn)行譜分析，其譜分布與單位時(shí)間通過光路的雨強(qiáng)有關(guān)。光學(xué)雨量計(jì)527.2 激光云高儀原理：發(fā)射低功率的激光束遇到云層將往下反射或者散

14、射回波，檢測(cè)發(fā)射激光與回波信號(hào)的時(shí)間差 t ,即可得到檢測(cè)云層的高度 h = ct/2 (c為光速)Vaisala Ceilometer(model CL31)537.3 閃電定位系統(tǒng)方位測(cè)定法：這種儀器利用南北向和東西向的兩個(gè)正交環(huán)形天線把觀測(cè)場(chǎng)地觀測(cè)到的天電分成兩個(gè)方向上的分量，再由增益和相移都匹配的一對(duì)放大器把分量信號(hào)放大到適合處理的振幅。時(shí)間到達(dá)法：測(cè)定閃擊的電磁波從落地點(diǎn)傳播到探頭所需的時(shí)間。以上兩種方法都需要三個(gè)以上的測(cè)站才能準(zhǔn)確定位。54ADTD閃電定位網(wǎng)主要用來(lái)探測(cè)云地閃，并且能區(qū)分正負(fù)極性。ADTD閃電定位網(wǎng)由ADTD閃電定位儀、中心數(shù)據(jù)處理站、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及圖形顯示終端

15、組成。性能指標(biāo)探測(cè)效率： 80%-90%探測(cè)范圍：0600km、平均300km 行定位處理，給出每個(gè)閃電回?fù)舻臏?zhǔn)確位置 測(cè)向精度：理論隨機(jī)誤差是0.5度回?fù)舴直媛剩涸频亻W為3ms時(shí)間精度：相對(duì)世界時(shí)130ns環(huán)境溫度：-40度到+55度工作溫度：-40度到+80度相對(duì)濕度：0-100%降雨：7.6cm/hr 在風(fēng)速為65km/h無(wú)故障時(shí)間: 30000小時(shí)以上 5556電場(chǎng)儀：測(cè)量大氣電場(chǎng)57天氣現(xiàn)象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量各種類型的降水，包括雨、雨夾雪、冰雹、雪、混合降水和大霧的精確量值和形態(tài)及速度。通過對(duì)空氣中粒子的種類、大小、速度指標(biāo)的測(cè)量，分析給當(dāng)前天氣現(xiàn)象實(shí)況。尤其適合交通領(lǐng)域的天氣現(xiàn)象的實(shí)

16、況監(jiān)測(cè)和預(yù)警。58The Vaisala Present Weather DetectorPWD22.59The surface of the capacitive precipitation sensor feels the amount of water that falls on it. When frozen precipitation collects on the surface it is heated in a carefully controlled manner. The resulting water is measured to find the water equivalent of the frozen precipitation.Vaisala Weather Sensor FD12P607.4 其它介紹三種與天氣現(xiàn)象儀測(cè)的小型元件。617.4.1 下墊面狀態(tài)探頭這種探頭首先使用于高速公路的自動(dòng)站系統(tǒng)中，英文稱 Pavement Surface Sensor。它實(shí)際上是一個(gè)組件，包括：一支地面溫度表一支淺層土壤溫度表一片電導(dǎo)板一片電化學(xué)極化板該元件只能定性地輸出地表的幾種狀況，包括干、濕潤(rùn)、濕、化學(xué)性濕潤(rùn)、霜、雪和結(jié)冰。62Vaisala DRS511/DRS511B Road & Runway Sensor63美國(guó)