大气边界层探测简介
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仪）。这三种类型的仪器中最为简单也是最为常 用的是Lyman-α湿度仪 。
Lyman-α湿度仪原理示意图
§3 大气边界层廓线测量
用于大气边界层廓线直接测量的仪器主
要为低空探空仪和系留探空仪。 系留探空仪是大气边界层探测的主要
工具之一，它可测量地面至1000m高度的大 气温度、湿度、风速、风向、气压等气象 要素。
u u ln( z ) k z0
§2 近地层气象塔测量 ——平均量测量仪器的安装高度
中性条件下近地 层风速随高度可 用对数廓线近似 表示
u u ln( z ) k z0
式中的u为z高度上的风速，u*为摩擦速度，z0为粗糙度 高度，κ为卡门（Karman）常数，一般取0.35-0.40之间的
湿度传感器结构示意图
§2 近地层气象塔测量 ——风速脉动量的测量
风速脉动量测量仪器主要有热线风速仪和超声 风速温度仪，从频率响应特性来讲，热线风速仪是比较
理想的风速脉动量的测量仪器，该类风速传感器的体积非 常小，可做到微米量级，因此具有非常好的频率响应特性， 可以说没有任何一种其它类型的传感器能与热线风速仪的
某个数值。所以在近地层梯度测量中仪器的架设高度一般按 对数律设置。在几十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、 8.0、16.0、32.0m等高度，有时为了与气象站测风高度一致， 在10m高度上也安装有风速、风向传感器。
§2 近地层气象塔测量 ——平均温度廓线的测量
温度廓线的测量要求精度为0.01℃，分辨率为
要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s。
§2 近地层气象塔测量 ——平均湿度廓线的测量
湿度可能是测量最为因难的要素之一，湿度测量的 方法很多，所以用于气象塔廓线测量的湿度传感器也比较 多，主要有干湿球法、露点湿度计和高分子吸湿材料制 作的湿度传感器。其中干湿球测湿法是野外实验中经常采
用的一种方法，该类仪器的价格不贵，测量原理简单，在0 －25℃的温度范围，相对湿度为20－80%的范围内有相当高 的精度，但是该仪器在0℃以下，湿球会冻结，测量误差随 之急剧增加，因此冬季不宜采用干湿球法进行湿度的测量。
风向(悬浮磁罗盘)
10 度 (10)
温度、湿度
温度、湿度传感器是由两个相同的 线性热敏电阻组成，在湿球上包裹了一 层纱布，用于测量大气的干球温度和湿 球温度，为了提高湿度测量的精度，在 电路设计中只测量干球温度及干、湿球 温度差。测量范围为-50-+50℃，精度 为±0.5℃。
气压
气压传感器是采用电容式空盒压力传感器，测量从 地面至1000m高度的相对气压，测量范围为 0-100hpa， 精度为±1hpa。右上图是该电容式空盒大气压传感器的 示意图，它由焊在陶瓷圆盘两边的两片NiSpan-C 膜组 成，陶瓷盘两侧为镀有金属的圆形区域，空盒内抽成真 空，这样陶瓷盘两侧就形成了两个电容器，电容器的电 容量随外界大气压力的变化而改变。陶瓷盘两侧的电容 在电学上是并联的，而在机械结构上是相对的，这种特 殊的机械结构使其对外界的绝对压力非常敏感，而对冲 击、震动和摆向不敏感。
0.005℃。设计良好的铂电阻、热敏电阻、热电隅和晶体温 度仪，一般都能满足以上精度及分辨率的要求。铂电阻及 晶体温度传感器以其稳定性好经常被选用，其中晶体温度 传感器的精度最高，稳定性也最好。大多数情况下将其封 装在金属或玻璃壳内，这样就增加了传感器的时间常数。 但使用时间常数较大的传感器，对于廓线的测量来讲这并 不是件坏事。晶体温度传感器的输出量为频率，测量一段 时间的频率计数求得平均温度，有利于提高测量精度。
课
程
教
学
参 专业基础课 考
书
电子版 （第四版）
第十四章 大气边界层探测技术 简介
§1 大气边界层的特点及湍流量的 表征方法
大气边界层是指从地面至500m到1.5km高度的
最低层大气，它直接受地球表面的影响，并与地表 进行热量、动量和水汽及其它物质成份的交换，湍 流运动是该层大气的最基本特征。
由于湍流是大气边界层的最基本的特性，所以 大气边界层测量可分为平均量测量和脉动量测量两 种，测量传感器也可分为慢响应传感器和快响应传 感器两种。慢响应传感器用于测量平均量，而ຫໍສະໝຸດ 响应传感器用于测量脉动量。
§2 近地层气象塔测量
气象塔是大气边界层测量的重要手段，根据
测量的目的不同，塔的高度及塔上安装的仪器也 有所不同。近地层、农田小气候等研究中使用的 气象塔一般为几米或几十米高，为了大气边界层 的研究和边界层模式验证，需要更高的气象塔， 一般为100-300m，甚至更高。架设一个数百米高 的气象塔是相当昂贵的，所以在有些情况下，可 以将电视发射塔、电力输送线的高塔兼作气象塔 使用。
风速
风速测量使用轻便三杯式风速传感器，测量范 围为0.5-20m/s，精度为±0.25m/s。使用杯式风速 传感器有一定的好处，这主要是由于气球在空中漂 浮的过程中会受到气流的影响，有一定的摆动，使 传感器很难保持水平，而三杯式风速传感器在15° 的倾斜范围内对倾斜不太敏感。早期的风速传感器 的输出信号为电压信号，经A/D转换后形成数字量， 由于A/D转换的时间很短，所以风速的测量带有一定 的随机性，相邻两次测量所得的风速差别较大；经 改进的新型风速传感器，以脉冲量输出。风速的测 量为一段时间的平均，一致性较好。
石英晶体温度元件及测量原理框图
§2 近地层气象塔测量 ——平均风速廓线的测量
风速廓线的测量一般使用风杯式风速传感
器及螺旋浆式风速传感器，其中风杯式风速传感 器使用最为广泛。风杯式风速传感器有很多优点， 一是风杯式风速传感器能够感应水平方向360°各 个方向的风，且对垂直方向的风速不太敏感，二 是结构简单、牢固，可长时间工作。精确地测量 近地层的风速廓线，要求风速传感器的启动风速
高频分辨率相比拟。但是该仪器也有两个致命的缺点， 一是受到大气污染后其标定值易偏离，二是极易损 坏。所以该类仪器不宜于长时间的野外观测。
热线风速仪
超声风速温度仪
双向风标和三轴风速表
§2 近地层气象塔测量 ——湿度脉动量的测量
湿度脉动量测量主要有三种不同的方法， 它们是水汽对紫外辐射的吸收（Lyman-α湿度 仪），水汽对红外辐射的吸收（红外湿度计） 和微波折射与湿度的依赖关系（微波折射
系留气艇
系 留 探 空 仪
系留气球探测系统
系统组成：飞艇式气球，悬挂式探空仪，地面信息接
收处理系统，电动绞车和缆绳
性能：温度(珠状热敏电阻) 0.1 度 （0.2）
湿度(干湿球方法)
1 % (2%)
气压(陶瓷片基金属膜盒) 0.03 hpa (0.5)
风速(三杯风速计)
0.1 m/s (0.5)
Lyman-α湿度仪原理示意图
§3 大气边界层廓线测量
用于大气边界层廓线直接测量的仪器主
要为低空探空仪和系留探空仪。 系留探空仪是大气边界层探测的主要
工具之一，它可测量地面至1000m高度的大 气温度、湿度、风速、风向、气压等气象 要素。
u u ln( z ) k z0
§2 近地层气象塔测量 ——平均量测量仪器的安装高度
中性条件下近地 层风速随高度可 用对数廓线近似 表示
u u ln( z ) k z0
式中的u为z高度上的风速，u*为摩擦速度，z0为粗糙度 高度，κ为卡门（Karman）常数，一般取0.35-0.40之间的
湿度传感器结构示意图
§2 近地层气象塔测量 ——风速脉动量的测量
风速脉动量测量仪器主要有热线风速仪和超声 风速温度仪，从频率响应特性来讲，热线风速仪是比较
理想的风速脉动量的测量仪器，该类风速传感器的体积非 常小，可做到微米量级，因此具有非常好的频率响应特性， 可以说没有任何一种其它类型的传感器能与热线风速仪的
某个数值。所以在近地层梯度测量中仪器的架设高度一般按 对数律设置。在几十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、 8.0、16.0、32.0m等高度，有时为了与气象站测风高度一致， 在10m高度上也安装有风速、风向传感器。
§2 近地层气象塔测量 ——平均温度廓线的测量
温度廓线的测量要求精度为0.01℃，分辨率为
要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s。
§2 近地层气象塔测量 ——平均湿度廓线的测量
湿度可能是测量最为因难的要素之一，湿度测量的 方法很多，所以用于气象塔廓线测量的湿度传感器也比较 多，主要有干湿球法、露点湿度计和高分子吸湿材料制 作的湿度传感器。其中干湿球测湿法是野外实验中经常采
用的一种方法，该类仪器的价格不贵，测量原理简单，在0 －25℃的温度范围，相对湿度为20－80%的范围内有相当高 的精度，但是该仪器在0℃以下，湿球会冻结，测量误差随 之急剧增加，因此冬季不宜采用干湿球法进行湿度的测量。
风向(悬浮磁罗盘)
10 度 (10)
温度、湿度
温度、湿度传感器是由两个相同的 线性热敏电阻组成，在湿球上包裹了一 层纱布，用于测量大气的干球温度和湿 球温度，为了提高湿度测量的精度，在 电路设计中只测量干球温度及干、湿球 温度差。测量范围为-50-+50℃，精度 为±0.5℃。
气压
气压传感器是采用电容式空盒压力传感器，测量从 地面至1000m高度的相对气压，测量范围为 0-100hpa， 精度为±1hpa。右上图是该电容式空盒大气压传感器的 示意图，它由焊在陶瓷圆盘两边的两片NiSpan-C 膜组 成，陶瓷盘两侧为镀有金属的圆形区域，空盒内抽成真 空，这样陶瓷盘两侧就形成了两个电容器，电容器的电 容量随外界大气压力的变化而改变。陶瓷盘两侧的电容 在电学上是并联的，而在机械结构上是相对的，这种特 殊的机械结构使其对外界的绝对压力非常敏感，而对冲 击、震动和摆向不敏感。
0.005℃。设计良好的铂电阻、热敏电阻、热电隅和晶体温 度仪，一般都能满足以上精度及分辨率的要求。铂电阻及 晶体温度传感器以其稳定性好经常被选用，其中晶体温度 传感器的精度最高，稳定性也最好。大多数情况下将其封 装在金属或玻璃壳内，这样就增加了传感器的时间常数。 但使用时间常数较大的传感器，对于廓线的测量来讲这并 不是件坏事。晶体温度传感器的输出量为频率，测量一段 时间的频率计数求得平均温度，有利于提高测量精度。
课
程
教
学
参 专业基础课 考
书
电子版 （第四版）
第十四章 大气边界层探测技术 简介
§1 大气边界层的特点及湍流量的 表征方法
大气边界层是指从地面至500m到1.5km高度的
最低层大气，它直接受地球表面的影响，并与地表 进行热量、动量和水汽及其它物质成份的交换，湍 流运动是该层大气的最基本特征。
由于湍流是大气边界层的最基本的特性，所以 大气边界层测量可分为平均量测量和脉动量测量两 种，测量传感器也可分为慢响应传感器和快响应传 感器两种。慢响应传感器用于测量平均量，而ຫໍສະໝຸດ 响应传感器用于测量脉动量。
§2 近地层气象塔测量
气象塔是大气边界层测量的重要手段，根据
测量的目的不同，塔的高度及塔上安装的仪器也 有所不同。近地层、农田小气候等研究中使用的 气象塔一般为几米或几十米高，为了大气边界层 的研究和边界层模式验证，需要更高的气象塔， 一般为100-300m，甚至更高。架设一个数百米高 的气象塔是相当昂贵的，所以在有些情况下，可 以将电视发射塔、电力输送线的高塔兼作气象塔 使用。
风速
风速测量使用轻便三杯式风速传感器，测量范 围为0.5-20m/s，精度为±0.25m/s。使用杯式风速 传感器有一定的好处，这主要是由于气球在空中漂 浮的过程中会受到气流的影响，有一定的摆动，使 传感器很难保持水平，而三杯式风速传感器在15° 的倾斜范围内对倾斜不太敏感。早期的风速传感器 的输出信号为电压信号，经A/D转换后形成数字量， 由于A/D转换的时间很短，所以风速的测量带有一定 的随机性，相邻两次测量所得的风速差别较大；经 改进的新型风速传感器，以脉冲量输出。风速的测 量为一段时间的平均，一致性较好。
石英晶体温度元件及测量原理框图
§2 近地层气象塔测量 ——平均风速廓线的测量
风速廓线的测量一般使用风杯式风速传感
器及螺旋浆式风速传感器，其中风杯式风速传感 器使用最为广泛。风杯式风速传感器有很多优点， 一是风杯式风速传感器能够感应水平方向360°各 个方向的风，且对垂直方向的风速不太敏感，二 是结构简单、牢固，可长时间工作。精确地测量 近地层的风速廓线，要求风速传感器的启动风速
高频分辨率相比拟。但是该仪器也有两个致命的缺点， 一是受到大气污染后其标定值易偏离，二是极易损 坏。所以该类仪器不宜于长时间的野外观测。
热线风速仪
超声风速温度仪
双向风标和三轴风速表
§2 近地层气象塔测量 ——湿度脉动量的测量
湿度脉动量测量主要有三种不同的方法， 它们是水汽对紫外辐射的吸收（Lyman-α湿度 仪），水汽对红外辐射的吸收（红外湿度计） 和微波折射与湿度的依赖关系（微波折射
系留气艇
系 留 探 空 仪
系留气球探测系统
系统组成：飞艇式气球，悬挂式探空仪，地面信息接
收处理系统，电动绞车和缆绳
性能：温度(珠状热敏电阻) 0.1 度 （0.2）
湿度(干湿球方法)
1 % (2%)
气压(陶瓷片基金属膜盒) 0.03 hpa (0.5)
风速(三杯风速计)
0.1 m/s (0.5)