第七章 天氣現(xiàn)象的觀測(cè)儀器 序v云和天氣現(xiàn)象這類目測(cè)內(nèi)容將改為儀器觀測(cè)v天氣現(xiàn)象大致分為六類：地面凝結(jié)降水霧雷電光1.強(qiáng)風(fēng)相關(guān) 7.1 降水量的測(cè)量v雨量筒：構(gòu)造放置使用 7.1 降水量的測(cè)量（續(xù)）v翻斗式雨量計(jì)：構(gòu)造原理缺點(diǎn) 7.1 降水量的測(cè)量（續(xù)）v光學(xué)雨量計(jì)：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)的結(jié)構(gòu)圖 7.1 降水量的測(cè)量（續(xù)）儀器的輸出接口：vRS 232vRS 485v模擬電壓儀器輸出信息號(hào)通過帶通濾波器。輸出信號(hào)的數(shù)值及其組合可以得到降水強(qiáng)度及其降水性質(zhì)的信息。 7.2 激光云高儀v原理：發(fā)射低功率的激光束遇到云層將往下反射或者散射回波，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)v工作原理框圖7.7v最大探測(cè)高度可達(dá)7.5km。 7.3 能見度v能見度反映了大氣透明的程度。v觀測(cè)能見度是通過辨別目標(biāo)物（距離為已知的）的能見與否，來進(jìn)行的?！澳芤姟本褪悄軐⒛繕?biāo)物的輪廓從天空背景上分辨出來；“不能見”就是目標(biāo)物完全與天空背景融合，連它的大概情況都看不出時(shí)，才算“不能見”v地面氣象觀測(cè)中，主要觀測(cè)水平能見度，以能見距離米數(shù)或相當(dāng)級(jí)數(shù)來記錄。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.1 影響能見度的因子和能見度的定義一、影響能見度的因子v大氣透明度v目標(biāo)物和背景的性質(zhì)亮度對(duì)比 Kv K=1 目標(biāo)最清晰v K=0 目標(biāo)不能見v觀測(cè)者的視覺性能眼睛的對(duì)比視覺 1. K 目標(biāo)物才能見 7.3 能見度（續(xù)）7.3.1 影響能見度的因子和能見度的定義二、能見度的定義v氣象能見度的定義：正常人的視力，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，所能看到的以天空為背景的絕對(duì)黑體目標(biāo)物（視角較大）的最大水平距離。v有效能見度的定義：四周視野中二分之一以上范圍里都能看到的最大距離。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測(cè)一、能見度目標(biāo)物的選擇v目標(biāo)物顏色越暗越好v目標(biāo)物應(yīng)投影到天空背景上v目標(biāo)物的視角不應(yīng)小于0.31.目標(biāo)物的高度角應(yīng)小于6 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測(cè)二、目標(biāo)物圖的編制v目標(biāo)物選定后，要測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)與目標(biāo)物的距離和目標(biāo)物所在的方位。對(duì)近距離的目標(biāo)物，可用卷尺、測(cè)繩等方法測(cè)定距離；遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物可用經(jīng)緯儀、平板儀、測(cè)距儀(測(cè)遠(yuǎn)機(jī)或激光測(cè)距儀)等測(cè)定，或從大比例尺的地圖上量取。目標(biāo)物的方位可用經(jīng)緯儀或指北針測(cè)定。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測(cè)v目標(biāo)物的距離、方位測(cè)定后，應(yīng)按表的格式進(jìn)行登記，并繪制能見度目標(biāo)物分布圖。繪圖方法：一般是先在紙上畫九個(gè)同心圓。圓心代表觀測(cè)點(diǎn)，自近而遠(yuǎn)地每圈分別代表0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0千米的距離。然后把所有目標(biāo)物按其所在方位、距離，分別標(biāo)在相應(yīng)的位置上。近距離的目標(biāo)物也可單獨(dú)繪制，以使圖象更為清晰。v當(dāng)選定的目標(biāo)物情況有改變，或被其它物體遮蔽而不能繼續(xù)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)另選目標(biāo)物代替，并將情況記入能見度日標(biāo)物(燈)登記表的備注欄。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.2 白天能見度觀測(cè)三、白天能見度的觀測(cè)v應(yīng)在固定地點(diǎn)觀測(cè)，根據(jù)“能見”的最遠(yuǎn)目標(biāo)物來決定觀測(cè)時(shí)的能見度的級(jí)數(shù)，計(jì)入觀測(cè)薄。v在拍發(fā)天氣報(bào)告的時(shí)間還應(yīng)加計(jì)能見度的米數(shù)。如果各方向能見度不一致，則應(yīng)以當(dāng)時(shí)的有效能見度為準(zhǔn)。 7.3 能見度（續(xù)）7.3.3 夜間能見度觀測(cè)v夜間由于光照條件限制，能見度觀測(cè)最好是用發(fā)光物體(如燈光)作為目標(biāo)物，根據(jù)燈光強(qiáng)度和距離，查出相應(yīng)的能見距離。在無條件利用目標(biāo)燈進(jìn)行觀測(cè)的情況下，則只能根據(jù)天黑前能見度的變化趨勢(shì)、當(dāng)時(shí)天氣現(xiàn)象和氣象要素的變化情況，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以估計(jì)。v夜間觀測(cè)能見度時(shí)，應(yīng)先在黑暗處停留至少五分鐘，待眼睛適應(yīng)環(huán)境后進(jìn)行觀測(cè)。 7.3 能見度儀v大多數(shù)的能見度測(cè)量?jī)x器，是根據(jù)下述兩個(gè)原理之一來設(shè)計(jì)的：(a)測(cè)量一個(gè)長(zhǎng)空氣柱的衰減系數(shù)或消光系數(shù)；(b)測(cè)量一個(gè)小空氣體積對(duì)光的散射。v這兩類儀器，包括用眼睛進(jìn)行測(cè)量的儀器和用光電裝置進(jìn)行測(cè)量的儀器。v視覺型測(cè)量的主要缺點(diǎn)是，如果觀測(cè)員未能用充分時(shí)間使他的眼睛習(xí)慣于黑暗環(huán)境，觀測(cè)就會(huì)有相當(dāng)大的誤差。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.1 透射式能見度儀v這類儀器，在聚光鏡焦點(diǎn)處放有光電裝置。當(dāng)距儀器遠(yuǎn)至幾百米處的小發(fā)光器發(fā)出光束時(shí)，由光電裝置測(cè)定其輻射出射度的減弱情況。v除了上述發(fā)光器外，只要對(duì)主要光電裝置采取妥善的防光措施，使之不受其它光線的照射，這類儀器就不僅用于夜間也可在白天使用。現(xiàn)在這類儀器已被廣泛采用，甚至在陽光充足的條件下也在使用這樣的儀器。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.1 透射式能見度儀v這類儀器在操作和使用方面的特點(diǎn)，使它特別適合于航空氣象觀測(cè)的需要。v但是這并不排除在基本天氣觀測(cè)或氣候觀測(cè)方面的使用，因?yàn)榇藴y(cè)量簡(jiǎn)而易行。v缺點(diǎn)是此儀器所測(cè)的大氣注長(zhǎng)度常小于氣象光學(xué)視稱，一般認(rèn)為這個(gè)距離太短。不過這可以通過擴(kuò)展觀測(cè)時(shí)段，在該時(shí)段內(nèi)進(jìn)行一系列觀測(cè)而部分地得到彌補(bǔ)。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v光在大氣中的衰減雖然是由大氣中塵埃、煙霧和氣體微粒的散射和吸收效應(yīng)兩者所引起的，但吸收效應(yīng)常常是可以忽略不計(jì)的，因而消光系數(shù)就可被認(rèn)為等于散射系數(shù)。據(jù)此，測(cè)量散射系數(shù)的儀器就可用來得到氣象光學(xué)視程。v最方便的測(cè)量方法是把一束光匯聚到一小塊氣體體積里，再用光度測(cè)定法確定光在足夠大的立體角里和在非關(guān)鍵方向上的散射比例。只要能完全遮蔽來自其它光源的干擾，這樣的儀器在白天和夜間就都可使用。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v由于不需要長(zhǎng)的光程，在沒有用以估計(jì)氣象光學(xué)視程的目標(biāo)物成光源可用時(shí)，這種儀器應(yīng)是有用的。v但它有缺點(diǎn)，即觀測(cè)時(shí)的空氣采樣體積非常小，可能不能完全代表外部的空氣。這一缺點(diǎn)在某種程度上是可以克服的，辦法是取相當(dāng)數(shù)量的讀數(shù)的平均值。如果要想使空氣的有效體積大大增加，則應(yīng)采用測(cè)量后向散射的儀器。 7.3 能見度儀（續(xù)）7.3.2 散射式能見度儀v后向散射儀，通常在其殼體的上面、下面或里面彼此并排并且?guī)缀跏瞧叫械匕惭b發(fā)光器和收光器。v這類儀器優(yōu)于前面所述儀器之處，就在于其對(duì)大氣的采樣體積要比前者大得多。 7.4 閃電定位系統(tǒng)1、引言v天電，可定義為大氣中閃電放電產(chǎn)少的電磁波。v閃電常常迅速釋放居大能量，因而有可能對(duì)幾千公里遠(yuǎn)的天電源定位。v人們已經(jīng)查明，一些其它現(xiàn)象如陣雪也能產(chǎn)生類似的效果，但它們只是局地性的。v 般來說，天電源的定位是探測(cè)雷暴的一個(gè)手段，能為天氣分析與預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的觀測(cè)資料。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）2、定義v天電：是大氣中閃電放電產(chǎn)生的電磁波。v陰極射線定向儀：是種無線電定向儀，其中有兩個(gè)相同的、指向相配合的天線系統(tǒng)用來按收信號(hào)，并在一個(gè)雙通道按收機(jī)中放大，然后加到陰極肘級(jí)管的電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上。v天電源地：是一群天電的源地(風(fēng)暴中心)。v當(dāng)?shù)亻W電計(jì)數(shù)器：記錄一個(gè)站周圍閃電總次數(shù)的儀器。v天電定位：是從天電觀測(cè)中推斷的電閃估計(jì)位置。 v源：是天電發(fā)生源地。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測(cè)的目的與應(yīng)用v借助于天電數(shù)據(jù)對(duì)雷暴活動(dòng)區(qū)的定位，為氣象工作者提供有價(jià)值的補(bǔ)允資料。v對(duì)于觀測(cè)站稀少的廣大海洋或其它地區(qū)，這種資料尤為可貴。v它也能提供氣團(tuán)的不穩(wěn)定性以及鋒面、颮線、熱帶風(fēng)暴和龍卷的位置和移動(dòng)的線索，并能幫助對(duì)過去天氣過程的研究。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測(cè)的目的與應(yīng)用v出于天電定位確定的雷暴是飛行的主要危險(xiǎn)，所以氣象航空服務(wù)也可以從天電資料中受益。這是因?yàn)槔妆┲杏袆×业目諝膺\(yùn)動(dòng)和閃電，有可能襲擊并損壞飛機(jī)。提供給機(jī)組和航空調(diào)度人員的天氣預(yù)報(bào)，會(huì)因?yàn)榘凶钚碌奶祀娰Y料而得到改善。v通過了解正在發(fā)生的雷暴活動(dòng)區(qū)，可以大大幫助選擇一條無雷暴航線。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測(cè)的目的與應(yīng)用v還有一些共它部門，也受閃電電擊的影響。v例如，閃電電擊是地面上方的輸電電纜之類的設(shè)施易受損壞的一個(gè)原因。v當(dāng)用炸藥開礦時(shí)電擊也是一個(gè)危險(xiǎn)，電擊還會(huì)引起森林火災(zāi)等。v天電觀測(cè)，可用來提供這些危險(xiǎn)的警報(bào)。通過自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以直接發(fā)布局地警報(bào)，而通過預(yù)報(bào)員的解釋則可以發(fā)布地區(qū)范圍的警報(bào)。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）3、天電觀測(cè)的目的與應(yīng)用v天電測(cè)量系統(tǒng)覆蓋的范圍，對(duì)于局地報(bào)警系統(tǒng)而言可達(dá)幾十公里，對(duì)于區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)則可達(dá)200到400km。v而對(duì)于一般的氣象目的而言，其范圍則可擴(kuò)展到1500km或更遠(yuǎn)。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）4、天電觀測(cè)儀器定向儀v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。v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。v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。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）5、美國的全國性閃電探測(cè)網(wǎng)v共99各探頭，2/3的探頭是一種將方位測(cè)定法和時(shí)間到達(dá)法結(jié)合的探頭，稱作Impact探頭。v整個(gè)儀器還配置有GPS信號(hào)接收機(jī)，作為精確的時(shí)標(biāo)信號(hào)。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）5、美國的全國性閃電探測(cè)網(wǎng)vImpact探頭的不足：它接收的是閃擊電磁波的LF波段信號(hào)，以地波傳播為主，因此地形的起伏，下墊面的干濕程度均會(huì)導(dǎo)致傳播時(shí)間的誤差，對(duì)儀器的接地要求很高。它沒有分辨云內(nèi)正極性閃電的能力。v彌補(bǔ)：另1/3探頭只有電場(chǎng)天線，只應(yīng)用時(shí)間到達(dá)定位技術(shù)的LAPTS探頭，它可以探測(cè)云地和云內(nèi)的閃擊。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）6、法國Dimensions公司的閃電定位v仍是利用方位定位法，但拋棄了十字正交形磁場(chǎng)天線。v天線組共有8根天線單元，布置在一個(gè)圓環(huán)上，嚴(yán)格均勻分布在360度之內(nèi)，保持各個(gè)天線單元相距在45度。v閃電電磁場(chǎng)處在不同方位時(shí)，各個(gè)天線接收的信號(hào)產(chǎn)生一定的相位差。如果設(shè)置兩組天線分別測(cè)量水平和垂直平面上的相位差，可以測(cè)定閃擊的方位角和仰角，比較簡(jiǎn)單地分辯出對(duì)地閃擊以及云內(nèi)閃擊。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）6、法國Dimensions公司的閃電定位v這種天線系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于十字正交磁場(chǎng)天線45倍。vDimensions公司同時(shí)把接收頻段設(shè)在無線電波成直線傳播的VHF波段，大約在110118MHz，避免了Impact系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)。 7.4 閃電定位系統(tǒng)（續(xù)）7、閃電定位技術(shù)要求的指標(biāo)v能分辨出云地閃擊和云間閃擊；對(duì)云、對(duì)地閃擊應(yīng)能分辨出首次以及隨后各次的閃擊。v對(duì)于大的閃擊，如峰值電流在16KA以上的閃擊探測(cè)效率為90%。v閃擊落地的定位精確度應(yīng)到達(dá)500m。 7.5 其它v介紹三種與天氣現(xiàn)象儀測(cè)的小型元件。 7.5.1 下墊面狀態(tài)探頭v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。v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v探頭示意圖7.25v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。 7.5.2 電線結(jié)冰探測(cè)器v該元件工作原理與振筒式氣壓表相識(shí)，物理學(xué)上稱作磁致伸縮原理。v一根鎳合金的薄壁管在線圈激振器的作用下，產(chǎn)生約40kHz的本振頻率。鎳管的上半截暴露在空氣中，下半截與激振線圈和拾振線圈安置在儀器盒內(nèi)。v當(dāng)出現(xiàn)電線結(jié)冰的天氣現(xiàn)象時(shí)，裸露在空氣中半截鎳管同樣發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致本振頻率發(fā)生變化，管壁上結(jié)冰達(dá)到0.5mm厚時(shí)，本振頻率大約可降低113Hz。 7.5.3 紅外輻射地表溫度表v用玻璃溫度表測(cè)低溫有諸多問題。v有效的地溫測(cè)量方法是測(cè)量它在該溫度下的紅外輻射通量，再換算成地表溫度值。v紅外輻射溫度表的探測(cè)波長(zhǎng)范圍可選在0.720m，一般的儀器多采用814m波段。