現(xiàn)代大氣探測學-第十一講-大氣邊界層探測簡介課件

南京信息工程大學夏俊榮xiajunr03@126.com現(xiàn)代大氣探測學2012年3月22日

致謝

本課程多媒體教材是在蘭州大學張文煜教授以及南京信息工程大學大氣物理學院王成剛博士、姜海梅博士的同類教材基礎之上修改完成，此外還得到了其他諸位老師的幫助，在此謹表示衷心感謝。

第十一講

大氣邊界層探測技術簡介大氣垂直分層~10km1~2

km對流層平流層邊界層整個大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣氣團實際上就是全球不同地區(qū)與下墊面平衡的邊界層霜、露和最高最低溫度預報，實際上都是邊界層預報霧發(fā)生在邊界層中污染物大部分被阻擋在邊界層中大氣邊界層的重要作用（一）什么是湍流？——湍流現(xiàn)象雜亂、隨機、無序達芬奇描繪的湍流火山爆發(fā)§1大氣邊界層的特點及湍流量的

表征方法大氣邊界層是指從地面至500m到1.5km高度的最低層大氣，它直接受地球表面的影響，并與地表進行熱量、動量和水汽及其它物質(zhì)成份的交換，湍流運動是該層大氣的最基本特征。

由于湍流是大氣邊界層的最基本的特性，所以大氣邊界層測量可分為平均量測量和脈動量測量兩種，測量傳感器也可分為慢響應傳感器和快響應傳感器兩種。慢響應傳感器用于測量平均量，而快響應傳感器用于測量脈動量。典型邊界層的結構及其日變化（Stull,1988）§2近地層氣象塔測量

氣象塔是大氣邊界層測量的重要手段，根據(jù)測量的目的不同，塔的高度及塔上安裝的儀器也有所不同。近地層、農(nóng)田小氣候等研究中使用的氣象塔一般為幾米或幾十米高，為了大氣邊界層的研究和邊界層模式驗證，需要更高的氣象塔，一般為100-300m，甚至更高。架設一個數(shù)百米高的氣象塔是相當昂貴的，所以在有些情況下，可以將電視發(fā)射塔、電力輸送線的高塔兼作氣象塔使用。中國科學院大氣物理所325米氣象塔（北京）15層§2近地層氣象塔測量

——平均量測量儀器的安裝高度

中性條件下近地層風速隨高度可用對數(shù)廓線近似表示

式中的u為z高度上的風速，u*為摩擦速度，z0為粗糙度高度，κ為卡門（Karman）常數(shù)，一般取0.35-0.40之間的某個數(shù)值。所以在近地層梯度測量中儀器的架設高度一般按對數(shù)律設置。在幾十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0m等高度，有時為了與氣象站測風高度一致，在10m高度上也安裝有風速、風向傳感器?！?近地層氣象塔測量

——平均溫度廓線的測量

溫度廓線的測量要求精度為0.01℃，分辨率為0.005℃。設計良好的鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶和晶體溫度儀，一般都能滿足以上精度及分辨率的要求。鉑電阻及晶體溫度傳感器以其穩(wěn)定性好經(jīng)常被選用，其中晶體溫度傳感器的精度最高，穩(wěn)定性也最好。大多數(shù)情況下將其封裝在金屬或玻璃殼內(nèi)，以增加傳感器的時間常數(shù)。使用時間常數(shù)較大的傳感器，對于廓線的測量來講這并不是件壞事。晶體溫度傳感器的輸出量為頻率，測量一段時間的頻率計數(shù)求得平均溫度，有利于提高測量精度。石英晶體溫度元件及測量原理框圖§2近地層氣象塔測量

——平均風速廓線的測量

風速廓線的測量一般使用風杯式風速傳感器及螺旋漿式風向傳感器，其中風杯式風速傳感器使用最為廣泛。風杯式風速傳感器有很多優(yōu)點，一是風杯式風速傳感器能夠感應水平方向360°各個方向的風，且對垂直方向的風速不太敏感，二是結構簡單、牢固，可長時間工作。精確地測量近地層的風速廓線，要求風速傳感器的啟動風速要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s?！?近地層氣象塔測量

——平均濕度廓線的測量濕度可能是測量最為因難的要素之一，濕度測量的方法很多，所以用于氣象塔廓線測量的濕度傳感器也比較多，主要有干濕球法、露點濕度計和高分子吸濕材料制作的濕度傳感器。其中干濕球測濕法是野外實驗中經(jīng)常采用的一種方法，該類儀器的價格不貴，測量原理簡單，在0－25℃的溫度范圍，相對濕度為20－80%的范圍內(nèi)有相當高的精度，但是該儀器在0℃以下，濕球會凍結，測量誤差隨之急劇增加，因此冬季不宜采用干濕球法進行濕度的測量。濕度傳感器結構示意圖§2近地層氣象塔測量

——溫度脈動量的測量

鉑電阻絲、熱電偶、熱敏電阻和超聲風速溫度儀都可測量溫度脈動量鉑電阻絲——體積小、高頻特性好鉑電阻絲必須裸露于自由空氣中（高頻響應，但易受風、雨、雪及沙塵的損壞）超聲風速溫度儀——受濕度等因素影響，在溫度脈動大的白天測量時，誤差較大§2近地層氣象塔測量

——風速脈動量的測量

風速脈動量測量儀器主要有熱線風速儀和超聲風速溫度儀，從頻率響應特性來講，熱線風速儀是比較理想的風速脈動量的測量儀器，該類風速傳感器的體積非常小，可做到微米量級，因此具有非常好的頻率響應特性，可以說沒有任何一種其它類型的傳感器能與熱線風速儀的高頻分辨率相比擬。但是該儀器也有兩個致命的缺點，一是受到大氣污染后其標定值易偏離，二是極易損壞。所以該類儀器不宜于長時間的野外觀測。(10大氣)熱線風速儀超聲風速溫度儀雙向風標和三軸風速表超聲風速溫度儀§2近地層氣象塔測量

——濕度脈動量的測量

濕度脈動量測量主要有三種不同的方法，它們是水汽對紫外輻射的吸收（Lyman-α濕度計），水汽對紅外輻射的吸收（紅外濕度計）和微波折射與濕度的依賴關系（微波折射儀）。這三種類型的儀器中最為簡單也是最為常用的是Lyman-α濕度計

Lyman-α濕度計原理示意圖§3大氣邊界層廓線測量

用于大氣邊界層廓線直接測量的儀器主要為低空探空儀和系留探空儀。系留探空儀是大氣邊界層探測的主要工具之一，它可測量地面至1000m高度的大氣溫度、濕度、風速、風向、氣壓等氣象要素系留氣艇系留氣球（飛艇）系留氣球探空儀系留探空儀系留探空儀工作原理示意圖§4其它手段多種雷達飛機中國南極科考聲雷達香港天文臺激光風切變雷達中央監(jiān)視局（気象庁/東京）全國のウィンドプロファイラを集中制御?監(jiān)視し、観測データの収集?品質(zhì)管理を行います。観測局邊界層風廓線儀雷達—日本