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现代气象观测  

2017-03-17 08:43:02|  分类: 中原气象文化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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现代气象观测

秋雨

为了减轻天气和气候极端事件的危害,提高抵御气象灾害的能力,新中国成立后,河南气象观测得到了长足发展。1985年底,全省拥有一个基准气候站,十七个国家基本站,一百〇四个气候站,四个农业气象试验站,共有一百二十七个气象台站,组成了气象台站网,气象观测实现了规范化、制度化,气象观测资料具有较高的准确性、连续性和可比性。

经过三十多年的改革开放,河南省气象观测、探测上了新的台阶。目前,河南省共建有一百二十一个国家地面气象台站,其中基准气候站三个,基本气象站十七个,一般天气站一百〇一个。还建有太阳辐射站三个,酸雨观测点十八个,土壤湿度观测点一百六十三个,多普勒雷达站七个,三个高空气象探测点,布设单要素、26要素自动气象(雨量)站两千五百多个。除此之外,还可以实时接受国家极轨和静止气象卫星资料。气象观测分为地面气象测、高空气象探测,还有气象雷达和卫星探测等。

截止到2011年底,中国气象部门共建有四千多个各类地面气象台站,其中基准气候站一百四十三个,基本气象站五百三十个,一般天气站一千七百三十六个,太阳辐射站九十八个,酸雨观测点八十六个,沙尘暴监测点四十六个,土壤湿度观测点四百三十三个,农业气象观测点六百二十四个,大气本底站四个,闪电定位(地闪)九十八个,闪电定位(云间闪)三个,多普勒雷达站一百〇一个,共有一百二十个高空气象探观测点,已建成八十部L波段二次测风雷达系统,另外布设有上万个单要素、26要素自动气象(雨量)站等。中国从20世纪70年代初期开始研制气象卫星,目前已经形成极轨和静止两个气象业务卫星系列。

世界气象组织在监测、预报和建立畅通的气象信息渠道方面也做了许多有效的工作。通过实施世界天气监测网计划,组织了包括一万个地面观测点、一千个探空站、几百部天气雷达、七千多艘自愿观测船、每天三千架次的飞机、六颗极轨和四颗静止气象卫星、近二百五十个大气本底监观测点构成的观测网络,并组建了三个世界气象中心、二十五个区域气象中心和一百八十五个国家气象中心,组成了全球气象信息传输网络,有效地加强了天气、气候灾害的监测、预报和气象信息传输。世界气象组织还通过建立世界气候计划、科研发展计划、水文与水资源计划、气象应用计划、热带气旋计划、教育培训计划、技术合作计划、长期规划以及参与国际减灾十年计划等来组织、协调国际气象和水文业务合作,为各成员政府和公众及时提供天气、气候灾害预报和警报服务,为保护各国人民的生命和财产安全以及经济可持续发展做出了突出贡献。

  一、地面观测

地面气象观测主要是对近地层范围内的气象要素进行观察和测定,主要观测的项目有:气温(离地1.5米高处,百叶箱内的气温)、湿度、气压、风(包括风向风速)、云、天气现象、能见度、地温、降水、蒸发、日照、太阳辐射等。

地面气象观测在按照一定标准建设的观测场内进行,观测场的四周必须是空旷的,不得有大的、高的建筑物或障碍物,观测场内应遍植草皮,以免造成局地的小环流。观测场的环境受《中华人民共和国气象法》和国务院《气象设施和气象探测环境保护条例》的保护,破坏气象观测场及观测场环境属违法行为。观测场中主要的设备有:百叶箱(内设最高温度计、最低温度计、干湿球温度计、自记式温度计、自计式湿度计等)、雨量筒、太阳辐射(日照)仪、风向风速仪、地温表、蒸发皿等,水银气压表、气压计等。地面观测除了由仪器记录或测量到的外,还有无法用仪器取代的观测项目,需要依赖气象观测员目测并加以记录,譬如云量、云属、能见度,以及闪电、雷鸣、彩虹、雨幡等天气现象。

地面气象观测数据必须在限定的时间内与全球交换。由于过去气象数据的交换都是通过电报来实现的,所以数据必须精简,而且格式统一,需要编写5位数字一组的气象电码。气象电码按照规定先汇集到几个气象数据交换中心,然后由这些中心把汇集的数据利用有线或无线的媒体网络广播出去,每个国家或地区的气象台通过接收电码,也就拥有全球同一时间的气象数据了。气象数据量非常庞大,几乎都在同一时间传递,所以即使是在今天的科技条件下,气象电码也还是要非常精简明了。

由于天气系统大都涵盖相当大的范围,一个单点的气象数据并不能说明整个天气系统的状况。利用一个单点的气象数据推测天气系统,只能是瞎子摸象,是不能窥一斑而知全豹的。大气科学是最没有国界意识和门户之见的学科门类,需要通过全球密切合作,彼此交换数据,把天气系统的全貌一点一滴地拼凑起来。预报员综合各地的地面观测资料后,才能绘出地面天气图,以便对天气状况的变化进行分析和预报。

二、高空气象探测

高空气象探测一般是用探空气球携带气象探空仪器升空进行,所用的气球充有氢气,由于比空气轻而能升空,所用的气象探空仪器是由法国人布罗和伊德拉克于1927发明的,可以将测得的气象资料用无线电信号发回到地面接收站。高空气象探测可测得不同高度的大气温度、湿度、气压。利用地面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。一般探空气球可以探测到离地面二十到三十千米的高度,当气象探空气球升到对流层顶,它的体积已经膨胀得超过一个房间大小,而且气温已经远低于摄氏零度,要使气球不爆破,气球的材质必须非常强韧。

气象探空数据与地面观测数据的处理方式一样,要综合世界各地上千个探空观测点同一时间的观测资料,才能绘出高层天气图。天气预报通常要绘出850hPa700hPa 500hPa300hPa200hPa100hPa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。

三、气象雷达探测

气象雷达是利用云、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收,探测降水的空间分布和铅直结构,并能跟踪降水天气系统,探测云层、台风、暴雨及冰雹。国内目前普遍使用的是国产713雷达、714雷达和711雷达,可探测雷达站周围几百千米范围内的天气系统。

天气雷达多为脉冲雷达,它以一定的重复频率发射出持续时间很短的脉冲波,降水对雷达脉冲波的散射和吸收,与雨滴谱、雨强、降水粒子相态、冰晶粒子形状等密切相关,通过接收被降水粒子散射回来的回波脉冲,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。在降水回波功率和降水强度之间已建立有各种理论和经验的关系式,利用这些关系,可以根据回波功率测定雷达探测范围内的降水强度分布和总降水量。

1998年,河南省开始布设新一代多普勒天气雷达系统。普勒天气雷达的工作原理依据的是多普勒效应,多普勒效应是由奥地利物理学家J.Doppler1842年从运动着的发声源中发现的。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率之间存在的差异,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,从而得出所需的气象信息,对于研究降水的形成,分析中小尺度天气系统,警戒强对流天气等具有重要意义。新一代天气雷达在灾害性天气监测、预警方面,发挥着不可替代的作用。

多普勒天气雷达是一个探测、处理、分配并显示产品的独立应用系统,间歇性地向大气中发射脉冲电磁波,以近于直线的路径和接近光波的速度在大气传播,可以获取天气目标物距离、方位和反射率数据。电磁波在其传播的路径上,若遇到了气象目标物,会被气象目标物散射,其中后向散射返回雷达,根据雷达方程和气象算法,对获得的回波基本天气数据进行分析处理,显示屏幕上便会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的雷达图。

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2002719下午,雷达图上出现影响郑州市的雹云回波。1530分雷达观测到回波带位于安阳、鹤壁、山西的陵川、高平、沁水、阳城一带。17时开始逼近焦作、武陟、修武东南侧、获嘉等地,抬高雷达仰角,看到明显有三个发展旺盛的对流单体排列在以上地区,其中最前侧的一块距郑州二十千米,回波强度达55dbz,也就是强上升气流区,尺度约有五至八千米,左侧是弱回波区。第二块回波强度为54dbz,回波快速东南移动。1824分第一、二块回波移近郑州、荥阳和巩义,强度维持在55dbz以上。1830分前后,两块回波影响巩义、荥阳、郑州,使得这些区域均受到了冰雹袭击,特别是郑州市出现了近几十年不遇、直径达五十毫米的大冰雹,伴有雷雨大风,风力八级,郑州市区北部和东部遭到了严重冰雹灾害。

四、气象卫星探测

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地球卫星。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。

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已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。

气象卫星开创了从宇宙空间观测大气的新时代。198897,中国发射了第一颗“风云一号”太阳同步轨道气象卫星。之后经历了从极轨卫星到静止卫星,从试验卫星到业务卫星的发展过程,建立了以接收风云卫星为主、兼收国外环境卫星的卫星地面接收和应用系统。2012年底,中国的极轨气象卫星和静止气象卫星已经进入业务化。气象卫星探测为河南省气象减灾防灾、经济建设和改善人民生活水平等发挥了重要作用。

五、地面自动雨量站

自动雨量站系统运用先进的气象观测技术、嵌入式电子技术、移动通信技术和计算机互联网技术等,由雨量传感器、雨量采集器和GPRS通讯模块组成,具有技术先进、稳定可靠、测量精度高的优点。借助移动通信网络,利用移动的GPRS功能传输数据,不受地理环境的限制,每个雨量监测点已经建设到了各个乡镇,降雨量可立即传输给气象中心,气象中心可实时准确地掌握各地的降雨信息,随时以网页的形式给广大用户提供信息,比传统的降雨监测网络更准确、更及时、更直观。

目前,河南省已拥有两千五百多个自动雨量站,乡镇自动雨量站的建设增强了探测的时空密度和自动化程度,使雨量预报更加及时、精确,明显地增强了河南省对中小尺度天气系统的监测和预警能力,以便提供更加全面、准确的气象情报服务,对于增强气象服务能力、提高气象服务水平、在防灾减灾气象服务工作中发挥了极其重要的作用。

六、地面自动气象站

地面自动气象站是用于台站自动化业务测报,对地面气象数据进行实时采集、计算处理、数据存储和显示、报文报表编制和组网通信的自动天气观测系统。自动气象站由数据采集器软件和业务测报软件两大部分组成。数据采集器软件是在采集器内部运行的软件,与采集器硬件一起完成对气象要素的自动观测。业务测报软件则安装在微机中,与微机一起完成业务报文报表的编制等工作。河南省业务应用的自动气象站,能够采集气温、湿度、地温、气压、风向、风速、雨量等气象要素,传感器输出模拟量或数字量数据,完成数据的预处理、质量控制,计算瞬时值、平均值、极值及其出现的时间,并按照规定的格式存贮。

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