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气象测报的发展  

2017-03-17 08:17:54|  分类: 中原气象文化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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气象测报的发展

秋雨

气象观测分地面观测和高空探测。地面气象观测场是获取地面气象资料的主要场所,地点应设在能较好地反映本区域较大范围的气象要素特点的地方,避免局部地形的影响。观测场四周必须空旷平坦,不能建在陡坡、洼地,还要考虑到就要崛起的城市,以及将要建设的铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方,尽量拉开距离,地面气象观测场四周障碍物的影子不能投射到日照和辐射观测仪器的受光面上,要求附近没有反射阳光强的物体。观测场应选择在城市或工矿区最多风向的上风方,还要避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。地面气象观测场的环境必须进行保护,周围观测环境发生变化时要进行详细记录,还需要测定四周各障碍物的方位角和高度角,绘制地平圈障碍物遮蔽图。

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观测场一般为25米正方的平整场地,确因条件限制,也可取东西向16米、南北向20米,高山、海岛、无人的观测场可不受此限。需要安装辐射仪器的观测场,可将南部向南扩展10米。还要测定观测场所在的经纬度和海拔高度,数据刻在观测场内固定标志上。观测场四周一般设置约1.2米高的稀疏围栏,围栏不宜采用反光太强的材料,观测场围栏的门一般开在北面,场地应平整,保持有均匀草层,草高不能超过20厘米。对草层的养护,不能对观测记录造成影响,场内不准种植作物。为保持观测场地自然状态,可以在场内铺设0.3米至0.5米宽的小路,观测人员只准在小路上行走。有积雪时,除小路上的积雪可以清除外,应保护场地积雪的自然状态。根据场内仪器布设位置和线缆铺设需要,在小路下修建电缆沟,电缆沟应做到防水,还要防鼠,便于维护。观测场内还要有防雷设施,可以借助风向杆综合考虑。

观测值班室是安放室内观测仪器的场所和值班观测员的工作室,应建在观测场北边,拉开一定距离,保证观测员在值班室有较开阔的视野,能看见观测场的全貌,可随时监视观测场的情况和天气的变化。除了观测场用地,还要考虑城市发展,观测场环境会受到威胁,如果迁址还需要平行观测,造成人为的数据不连续,势必影响气象数据的精准度。

观测场内布设仪器时,要注意互不影响,便于观测操作。一是高的仪器设施安置在北边,低的仪器设施安置在南边;二是各仪器设施东西排列成行,南北布设成列,相互间东西间隔不小于4,南北间隔不小于3,仪器距观测场边缘护栏不小于3;三是仪器安置在紧靠东西向小路南面,观测员应从北面接近仪器;四是辐射观测仪器一般安装在观测场南面,观测仪器感应面不能受任何障碍物影响;五是辐射观测仪器、日照,以及风观测仪器也可安装在天空条件符合要求的平台上。

观测场的气象仪器和设施有百叶箱、温度计、湿度计、气压计、风向风速仪、日照计、太阳辐射仪、雨量器、蒸发皿等,可以观测最高气温、最低气温、气温、地温、空气湿度、土壤湿度、雨量、雪量、蒸发量、冻土深度、日照时数、太阳辐射、风向、风速、气压、积冰、积雪、云量、云状、能见度、各种天气现象等。

观测资料与气象要素真值存在不确定的误差。一是仪器误差,再精密的仪器都会有误差,测出的数值不会精确地等于真值;二是人为误差,仪器是由人来操作和观测的,观测人员不是一个人,每个人都会存在不一样的人为误差,即使同一个人,所测得的数据也不会精确地等于真值;三是环境造成的误差,气象观测环境的变化,也能会造成观测误差,或者频繁变更气象观测场地,这些都会引起观测数据的改变和失真,且误差也不再连续,所得到的观测数据也就更不准确。初始的气象观测资料错之毫厘,得出的天气预报和气候预测结果会差之千里,这就是所说的蝴蝶效应。所以,气象仪器的精度,观测人员的业务技能,观测环境的保护等,对于做出准确的天气预报、气候预测、专业服务等,显得十分重要,需要精益求精。

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 除了地面气象观测,还有高空气象探测。公元1927年,法国人布罗和伊德拉克发明了无线电探空仪,这种电子仪器被悬挂在氢气球下升入空中,一路上将测得的气象资料用无线电信号发回到地面接收站,开始了高空气象观测,使大气探测由地面扩展到三维空间。

高空气象探测一般是用探空气球携带探空仪器升空进行,可测得不同高度的大气温度、湿度、气压,并以无线电信号发送回地面。利用地面的雷达系统跟踪探空仪的位移还可测得不同高度的风向、风速。当气象探空气球升到对流层顶,氢气球的体积已经超过一个房间大小,而且气温已经远低于摄氏零度,气球的材质必须非常强韧,一般探空气球可以探测到离地面20千米到30多千米的高度。

气象探空数据与地面观测数据的处理方式一样,要综合全球各地上千个探空观测点同一时间的观测资料,才能绘出高层大气的天气图。天气预报通常要绘出850百帕、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕、100百帕等压面的天气图,并还要视需要再绘出更多的天气分析图供气象预报使用。

气象观测还有天气雷达,天气雷达是利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收,为探测降水的空间分布和铅直结构,并以此为警戒跟踪降水系统的雷达。常用的波长大多在1厘米至10厘米范围,因10厘米波长的衰减小,用于探测台风、暴雨及冰雹较好,可探测几百千米范围内的天气系统。降水对雷达发射波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关,分析和判定降水回波,可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。

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公元1842年,奥地利物理学家发现了多普勒效应,当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时,可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异,从而得出所需的信息。多普勒天气雷达的工作原理以多普勒效应为基础,可以测定散射体相对于雷达的速度,在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。根据雷达方程和气象算法,多普勒天气雷达采用软件处理来控制雷达工作特性,对获得的基本天气数据进行分析处理,在用户端显示出气象目标的空间位置、强度等特征,从而生成并导出天气预报员可视的基本气象产品图。

除了气象雷达,还有气象卫星,气象卫星就是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星。气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站,是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。卫星所载各种气象遥感器,接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射,并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原,绘制成各种云层、地表和海面图片,再经进一步处理和计算,得出各种气象资料。

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气象卫星按轨道的不同分为太阳轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步,称太阳同步轨道气象卫星;后者是与地球保持同步运行,相对地球是不动的,称作静止轨道气象卫星,又称地球同步轨道气象卫星。气象卫星观测范围广,观测次数多,观测时效快,观测数据质量高,不受自然条件和地域条件限制,它所提供的气象信息被广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。

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此外还有风廓线仪,是探测晴空大气中风随高度变化的一种雷达设备。还有闪电定位仪,主要用来探测云地闪,并且能区分正负极性。闪电可以分为包含云与云、云与空气、云内放电的云闪、云地闪、诱发闪电、球闪等多种,其中对地面设施危害最大的是云地闪电。云地闪电又可以细分为正电荷对地放电的正闪和负电荷对地放电的负闪。还有无人机,主要用于垂直或水平探测大气温压湿和风、远距离或多点探测大气温压湿和风、监测天气系统、大气化学探测或采样、云、雨滴探测、人工影响天气云的催化播撒、遥感等。

此外还有移动气象站。云的观测已由人工发展出自动化测云仪器,激光云高仪能够测量云高、云量,目前云的自动化观测,已经能够给云准确分型,利用大气的红外窗口特性,结合红外辐射传输模式,分析水汽、能见度、气溶胶、光学厚度等因子对大气向下红外辐射与云底高度的关系,反演云底高度,实现了云高、云量及云状的探测。能见度和各种天气现象在地球上也已经实现了自动化观测,建起了地面自动气象站,对地面气象数据进行实时采集、计算处理、数据存贮和显示、报文报表编制和组网通信的自动天气观测系统,用于气象台站自动化业务测报。

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