第1章 绪论

图2 地基观测系统的分布图：气象站（红色）观测船舶（蓝色）
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全球高空探测网分布示意图
截止2001年10月上半月
图3 截止2001年10月上半月全球高空探测网分布示意图
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Байду номын сангаас面观测
• 观测项目
天气观测
基本观测：02时，08时，14时，20时 辅助观测：05时，11时，17时，23时 补充观测
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1.1 概述（2）
大气探测处于一个什么样的位置？
大气科学是研究大气圈的各种物理性质、物理现象 和大气运动及其变化规律的一门学科。
大气探测是大气科学的重要分支之一，它研究的是 测量大气的原理、方法和设备，是探测大气奥秘的 重要手段。在大气科学的发展过程中，大气探测起 到了十分重要的作用。是大气科学发展的排头兵。 “巧妇难为无米之炊”
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1.3 探测仪器
• 充分了解仪器的性能，才能发挥它应有的 功效。（吸尘器、大笤帚） • 决定仪器性能的首要因素是感应原理，由 感应原理决定了仪器的主要性能指标：
–灵敏度 –精确度 –惯性（时间常数） –坚固性（稳定性）
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• 灵敏度：指单位待测量的变化所引起的指 示仪表输出的变化，仪器的灵敏度与它的 感应原理有关。
《地面气象观测规范》中国气象局，气象出版社 2003
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讲授内容
• • • • • 第二章：温度的测量 第三章：湿度的测量 第四章：气压的测量 第六章：辐射能的测量 第七章：云、能、天的观测
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讲授内容
• • • • • 第五章：气流的测量 第九章：高空风的测量 第十章：高空温、压、湿的探测 第十一章：气象雷达 第十二章：气象卫星探测
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1.1 概述（3）
• 本课程的重点是什么？
测量元件、仪表和设备的基本原理 仪器的安装，使用所要遵循的原则 气象数据的误差分析 气象数据的使用
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1.1 发展历程（1）：萌芽阶段
甲骨文记载（目测）、相风铜乌（汉初）、
雨量器（明永乐）
就萌芽时期大气探测的情况而言，我国是走
在世界前列的。
Satellite 电视和红外辐射
观测卫星, 泰罗斯气象侦
察卫星[美]n Canaveral, FL
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First TIROS-1 Image
April 1, 1960
Canada
Nova Scotia
Within hours President Eisenhower was viewing the first images
36312 reports
每天施放探空数：
58 ECMWF
大气探测的三性要求
• 代表性 • 准确性 • 比较性
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主动遥感与被动遥感
• 主动遥感（发射能量）：设备具有声、光、 电磁波发射源，在其测量空间中大气特性 对其传播信号产生相应的吸收、散射、反 射形成带有大气特征的回波信号。如：测 云雨雷达 • 被动遥感（不发射）：直接探测来自大气 的声、光、电磁波信号。如：气象卫星
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注意要点
• 对同一种气象要素的测量，随其探测原理 的差异，仪器性能将会有很大的差异。 • 不同的直接或遥感手段，会组装成形式完 全不同的仪器。
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• 遥感探测的误差来源：
– 探测系统，即仪器的灵敏度和稳定性，以及系 统各部分的标定误差 – 反演误差
• 目前遥感仪器的探测精度低于直接探测
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• 不同探测方法需共同遵守的原则：资料的 代表性 • 观测地点的代表性：选择观测地点 • 数据取样平均的代表性：取多次或多点的 平均
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提高探测精度难题
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1936
18
1993
19
20
1.1 发展历程（4）:遥感探测阶段
1941－1942年，测雨云雷达开始应用； 1960年4月1日，美国发射了第一颗气象卫星TIROS-1 (Television and Infra-Red observational Satellite); 1960s初，相继出现了声雷达，激光雷达，微波辐射计等； 1990s以来，地面观测自动气象台站网开始广泛建立，卫星、 雷达等遥感观测系统成为大气探测常规观测项目的一部分。 GPS探测系统得到发展。 其他方面：如探空仪的改型换代、数字化信号传输、能见度 观测仪、闪电定位仪等等。
（19—20世纪初）
气象台网的建立
拉马契克在欧洲建立了第一个气象台站网 实现了时间和地域的同步连续观测

大气探测进入三维空间
1920s，出现了无线电探空仪，发展了高空风探测技术 1940s开始，探测高度从平流层底部，对流层顶部扩展 到了100公里的高度
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15
1930
16
1934
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第一章 绪论
• • • • 大气探测学研究的内容和特点 大气探测的发展历史 气象观测工作的组织 大气探测的三性要求
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1.1 概述（1）
大气探测的定义是什么？
指对地球表面一定范围内的表征大气状况的气象要
素、天气现象及其变化过程，进行系统、连续的观
察和测定，为天气预报、气象信息、气候分析、科 学研究和气象服务提供重要的依据。
– 观测平台：安放仪器的设施，如：观测场 – 观测仪器 – 资料处理单元：将仪器输出的信号实时采集、 处理、传送和存储
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1.4 探测方法
• 根据探测任务的性质选用合适类型的仪器， 并制定相应的探测方法。 • 直接探测式仪器，直接接触，相互干扰， 感应元件周围大气条件可发生畸变，出现 系统误差。 解决方法：统一仪器的规格指标、安装方 法和操作步骤，可使系统误差值相对稳定。
• 精确度：是指测量值与实际值（真值）接 近的程度，可以通过仪器误差的数值进行 衡量。
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• WMO对仪器测量准确度的定义：
–仪器误差分为系统性误差和偶然性误差 –偶然性误差：表现为随机形式，可能是由读数 估计的偏差、操作上的细微差别、机械摩擦的 变化以及仪器噪声等因素引起。 –系统性误差：是仪器某些特殊性能在测量时所 引起的反应。系统误差有一定的规律性，可以 适当修正。
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参加区域气象资料交换
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高空气象探空站
（120个）
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基本气象监测网
气象部门现有气象观测站 2653个
其中
地面气象观测站 2431 个 – 高空气象探空站 120 个 – 大气辐射观测站 98 个 – 大气本底观测站 4个 人工观测与自动观测同时开展
–
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地基观测系统的分布图
气象站（红色）观测船舶（蓝色）
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气象业务组织
• 基准气候站：一般300-400公里设一站， 每天观测24次。 • 基本气象站：一般不大于150公里设一 站，每天观测8次。 • 一般气象站：一般50公里左右设一站， 每天观测3次或4次。 • 高空气象站：一般300公里设一站， 每天探测2次或3-4次。
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参加全球气象资料交换
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1955
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世界第一张照片
世界第一张照片
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气球遥感图片
气球遥感图片
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鸽子遥感图片
鸽子遥感图片
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第一架飞机
第一架飞机
1903年，莱特兄弟的飞机
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气象卫星时代开始于 TIROS 1 的发射，发射 时间： April 1, 1960 TIROS ：Television and
Infrared Observation
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•
•
惯性：指仪器的响应速率，它与电子仪器 常用的时间常数的意义相同。 坚固性：
1. 2. 3. 4. 平均无故障运行时间 对环境温、湿度的要求 电压波动允许范围 外装饰锈蚀的时间长短
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• 稳定性：主要指被测量与输出信号（读数） 之间的检定关系的年变化率。
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• 一个完整的大气探测仪器或系统包括三部 分：
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1.1 概述（3）
大气探测的主要研究内容是那些？
云、能、天（各种天气现象） 温、压、湿、风（地面、高空） 辐射（太阳、地球、大气）。
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大气探测的主要研究内容是那些？
• 地面气象观测：对近地面层的大气状况进行观察 和测定。包括云、能、天；温、压、湿、风；降 水、蒸发、辐射能、日照时数、冻土深度、积雪 和电线积冰。 • 高空气象观测：利用气球、无线 电探空仪、气象 探测飞机、气象 火箭、气象雷达和卫星等对自由 大气的 温、压、湿、风等要素进行探测。 • 专业性气象探测：根据不同的专 业要求需要进 行，如大气污染监测、农业气象观测
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1.2 探测原理
• 直接探测：将感应元件置放于测量位置上， 直接测量大气要素的变化。 • 直接探测原理：根据元件的物理、化学性 质受大气某种作用而产生反应的特点。 • 例子：温度表，水银液体的热胀冷缩性质。
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• 遥感探测：探测元件不置放于测量物体上， 测量大气要素的变化 • 遥感探测原理：是根据大气中声、光、电 等信号传播过程中性质的变化，反演出大 气要素的时空变化 • 例子：鸽子照相，胶片对光的感应 卫星， 辐射传输的变化
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1.1 发展历程（2）: 初始阶段
(16-19)

标志性仪器－－水银气压表（托里拆利于1643年 发明；精度：0.1hPa；相对误差：1/10000）

其他仪器－－液体玻璃温度计，雨量器，毛发湿
度表，风杯风速计，黑白球日射表
云状分类－－拉马契克于1802提出（目测项目）
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1.1 发展历程（3）:发展阶段
1. 提高温度观测中防辐射设备的反射率和通 风 2. 增加湿度元件在低温、低湿条件下的灵敏 度 3. 降低高空风测量的测风仰角下限
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第一章 习题
1. 2. 3. 4. 直接探测、直接探测原理？ 遥感探测、遥感探测原理？ 主动遥感、被动遥感？ 几个概念：灵敏度，精确度，惯性， 稳定性
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气象观测工作的组织
《大气探测学》
大气物理系
王成刚 （wcgnju@hotmail.com）
南京信息工程大学 1 www.nuist.edu.cn
课程要求
课程的性质和任务: 使学生掌握地面和高空各种气象要素的观测仪器和观测 方法；熟悉我国正在进行的大气监测自动化系统工程的 探测部分；并使学生了解国内外最新（90年代以后）探 测技术. 课程安排： 32学时 考核方式： 期中考试50％、期末考试50％ 参考书目：《大气探测学教程》顾松山编著，气象出版社，1988
气候观测
部分台站，时间统一到天气观测的时制上去
特殊项目观测
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•观测场地：25*25平方米
能代表本地较大范围气象要素的特点 四周空阔平坦 四周10m内不能种植高杆作物
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高空气象观测
• 直接探测
–飞机探测 –气球探测
• 遥感探测
–主动遥感 –被动遥感
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1997年3月全球探空覆盖情况