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大气系统中测量问题

大气系统中测量问题

测量对于任何一门科学研究来说, 无疑是一种十分重要的科学手段。 为了全面而深入的研究客观世界,就必须对所研究的对象进行测量,了解并掌握研究对象的性质和规律、 揭示客观世界的本质, 进而利用客观世界更好的为人类服务。   人们为了研究生活在其中的大气系统,  就必须对大气系统进行测量。在对大气系统进行深入而全面的测量,用到了很多物理学方法, 可以说如果没有物理学方法, 大气测量也就无从谈起。下面从大气测量的地面气象观测方面来了解一下物理学方法在其中的重要作用。

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辐射的测量辐射指太阳、地球和大气辐射的总称。通常称太阳辐射为短波辐射,地球和大气辐射为长波辐射。观测的物理量主要是辐射能流率,或称辐射通量密度或辐射强度,标准单位瓦/平方米。气象上常测定以下几种辐射量:
1.太阳直接辐射,指来自日盘0.5°立体角内与该立体角轴垂直的面的太阳辐射。
2.天空辐射(或称太阳散射辐射),指地平面上收到的来自天穹2π立体角向下的大气等的散射和反射太阳辐射。
3.太阳总辐射,指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和。
4.反射太阳辐射,指地面反射的太阳总辐射。
5.地球辐射,指由地球(包括大气)放射的辐射。
6.净辐射,指向下和向上(太阳和地球)辐射之差。
各种测量仪器及其设计原理、用途和特点见表一所示。

表一 、 测量辐射的仪器

仪器
用途
设计原理
特点
绝对日射表
测量太阳直接辐射的标准仪器,常用来确定其它类型仪器的仪器常数
利用感光材料使光信号转换为热信号进行测量:圆筒正对太阳,一块锰铜片受日光照射而增热,不受照射的锰铜片通过电流加热,调节加热电流直到两块锰铜片温度相等,加热电流平方与辐射强度成正比
精确
直接日射表
测定太阳直接辐射的常规仪器
利用感光材料使光信号先转换为热信号然后转换为电信号进行测量:进光筒对感应面的视张角为10°,感应面是一块涂黑的锰铜片,它的背面紧贴热电堆正极,负极接在遮光筒内壁,热电堆的电动势正比于太阳辐射(关于热电堆的介绍见后)
可以用于遥测、自动测量等
天空辐射表
测定地平面上的太阳直接辐射、天空散射辐射和地面反射辐射仪器
利用感光材料使光信号先转换为热信号然后转换为电信号进行测量:感应部分由黑片和白片组成田字形方格阵,辐射强度正比于黑白片下热电堆的电动势。感应面上有一个半球形防风保护玻璃罩,仪器上方可伸出一块对感应平面视角为10°的遮光板。支架遮光板遮去阳光,仪器只能测到天空散射辐射;除去遮光板则能测到水平面上太阳辐射和散射的总和;反转仪器使感应面向下,则能测到反射辐射。
可以用于遥测、自动测量等,但需要对测量结果进行校正
净辐射表
测量地表面吸收和支出辐射之差
仪器有上下两片感应面,由绝热材料将其隔开,并分别罩上聚乙烯防风薄膜。向上和向下感应面分别感应地面对辐射的收入和支出,热电堆测量它们的温差,净辐射强度正比于温差电动势

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气温的测量气温是衡量空气冷热程度的物理量,表示空气分子运动的平均动能的大小。我们通常用摄氏温标(t)来表示,也有用华氏温标(F)表示的,理论研究工作中常用绝对温度(T)表示,其换算关系为:
         


地面气温一般指距地面1.25—2.0米处的大气温度。测量时,为了防止太阳辐射对观测值的影响,测温仪器必须放在百叶箱或防辐射罩内,并且还要满足测量元件有良好的通风条件。
测量气温常用的几种仪器及其设计原理、用途和特点见表二所示。


表二、测量气温的仪器

仪器
用途
设计原理
特点
玻璃温度计
最高温度表
专门用来测定一定时间间隔的最高温度
用水银作测温液,在球部底处置一根玻璃针,直伸到毛细管口,使毛细管口变细。使得上升的水银柱在细管口处断裂,于是细管口以上这段水银柱的顶端,就保持在过去一段时间内温度表曾感受到的最高温度示数上,因而可测得最高温度
测量精度不高
最低温度表
专门用来测定一定时间间隔的最低温度
用酒精作测温液,在毛细管内放一枚游标,使酒精液面的表面张力比游标对管壁的摩擦力要大,从而使游标只能降低,不能升高。所以,游标离球部较远一端的示度,就是一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。
测量精度不高
干湿球温度表
测定任意时刻的气温变化
即为普通温度计,测温液体为水银
测量精度高,使用方便,常用作野外测量气温
金属温度计
用来自动记录气温连续的变化
应元件是双金属片,由膨胀系数相差较大的两片金属焊接成,将其一端固定,另一端随温度变化而发生位移,位移量与气温接近线性关系。自记系统由自记钟,自记笔组成,自记笔与放大杠杆相连并受感应元件操纵。
可以自动测量记录
金属电阻温度表
适用于遥测
利用金属丝的电阻正比于温度变化的原理制成,常用的金属丝有铂丝、铜丝、铁丝等三种,阻值在几十到一百欧之间。
稳定性好,可以遥测
热敏电阻温度表
广泛应用于高空遥测
利用金属丝的电阻正比于温度变化的原理制成,感应元件由几种金属氧化物混合烧结成的导体电阻,电阻值通常几十千欧,其电阻温度系数大。
灵敏度高,但稳定性稍差,可以遥测
温差电偶温度表
用于遥测,在日射仪器和小气候观测中被广泛应用
利用温差电现象制成,将两个物理和化学性质不同金属导体,连接成一个闭合回路,称为热电偶。测量时,将热电偶一个接点置于恒温条件(如冰水溶液中)称参考端,另一个接点放在待测物体上称工作端,两个接点的温度不同,就会产生温差电动势,电动势正比于两接点的温度差。
测温灵敏度低,常将几十对热电偶串接起来组成热电堆

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气压的测量气压是大气压强的简称,其数值等于单位面积上从地面直至大气顶的垂直气柱的重量。国际单位制中,压强的单位是帕斯卡,简称帕,气象部门采用百帕作为气压单位。历史上也曾用毫巴(即千分之一巴)和毫米水银柱作为气压单位,其换算关系如下:
     1百帕=1毫巴=3/4毫米水银柱
气象站气压表高度处测到的大气压强,称为本站气压,属于地方气候资料之一。由于各测站海拔高度不同,本站气压不便于比较,为了绘制地面天气图,需要将本站气压换算到相当于海平面高度上的气压值,我们称之为海平面气压。
目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有水银气压表和空盒气压表两种。
各种气压测量仪器及其设计原理、用途和特点见表三所示。

表三、测量气压的仪器

仪器
用途
设计原理
特点
动槽式水银气压表
常作为标准测压仪器
用一端封闭并抽成真空的玻璃管,倒插在水银槽中,当水银柱压强与大气压强相平衡时,用水银槽平面到水银柱顶的高度来测定大气压强(如右图所示)。
测量精度较高,性能稳定。
空盒气压表
可以对气压进行遥测
用金属或非金属材料制成扁圆形的空盒,或串接成空盒组,盒内常留有少量气体,在大气压力作用下,空盒变形,其中心位移量可表示气压的变化。但因为气压引起的位移非常微小,无法直接用肉眼观察,常规的空盒气压表(计)采用机械杠杆放大数十倍后通过指针(或自记笔尖)在刻度上的位置读取气压值,借助自记钟连续记录气压随时间的变化。也有将空盒的位移输出转换成电参量输出,例如空盒中心位移带动电容器的一个极片位移、或带动电感衔铁位移、或带动电阻器滑动触点位移,就可成为变电容方式、变电感方式和变电阻方式输出,以便实现对气压进行遥测。
重量轻,便于携带和安装,但测压精度低。
振动筒式压力传感器
对气压实行遥测
感应元件是用高导磁率、高弹性的金属制成薄壁圆筒。一端封闭,另一端固定在基座上。振动筒的外侧是用保护筒构成的真空腔;内侧与自由大气相通,并有两个线圈骨架,分别装上激振线圈和拾振线圈。观测时,接上电源后,激振线圈和振动筒相互作用下产生固有振动频率。此频率随气压的增大而升高,拾振线圈检测振动频率的变化,从而指示气压的变化。
测压精度高,便于遥测。

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湿度的测量湿度表示空气中水汽的含量或干湿程度,在气象观测中常用水汽压、相对湿度和露点温度三种物理量表示
1. 水汽压(e):是水汽在大气总压力中的分压力。它表示了空气中水汽的绝对含量的大小,以毫巴为单位。空气吸收水汽有一定限量,达到了限量就不再吸收,这个限量叫“饱和点”。空气中水汽达到饱和点时的水汽压,称为饱和水汽压(或称为最大水汽张力)。饱和水汽压是温度的函数,随温度升高而增大。
2. 相对湿度(rh):湿空气中实际水汽压e与同温度下饱和水汽压E的百分比,即
rh =(e/E)* 100%
相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。空气完全干燥时,相对湿度为零。相对湿度越小,表示当时空气越干燥。当相对湿度接近于100%时,表示空气很潮湿,越接近于饱和。
3. 露点(或霜点)温度:指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时的温度。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值,可为什么用它来表示湿度呢?这是因为,当空气中水汽已达到饱和时,气温与露点温度相同;当水汽未达到饱和时,气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。
各种测量湿度的仪器及其设计原理、用途和特点见表四所示。

表四、测定湿度的仪器。

仪器
用途
设计原理
特点
干湿球温度表
当前测湿的主要仪器,但不适用于低温(-10℃以下)使用。
用一对并列装置的、形状完全相同的温度表,一支测气温,称干球温度表,另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布,称湿球温度表。当空气未饱和时,湿球因表面蒸发需要消耗热量,从而使湿球温度下降。与此同时,湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时,湿球温度就不再继续下降,从而出现一个干湿球温度差。干湿球温度差值的大小,主要与当时的空气湿度有关。
测湿精度较高。
发湿度表(计)
通常在气温低于-10℃时使用
利用脱脂人发(或牛的肠衣)具有空气潮湿时伸长,干燥时缩短的特性,制成毛发湿度表或湿度自记仪器(如右图所示)
测湿精度较差
电阻式湿度片
主要用在无线电探空仪和遥测设备中
利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理
测湿精度较干湿表低。
薄膜湿敏电容
常用在探空仪和遥测中
是以高分子聚合物为介质的电容器,因吸收(或释放)水汽而改变电容值。
制作精巧,性能优良。
露点仪
能直接测出露点温度
使一个镜面处在样品湿空气中降温,直到镜面上隐现露滴(或冰晶)的瞬间,测出镜面平均温度,即为露(霜)点温度。
测湿精度高,但需光洁度很高的镜面,精度很高的温控系统,以及灵敏度很高的露滴(冰晶)的光学探测系统。
五、地面风的测量
风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动,上下流动为垂直运动,也叫对流;左右流动为水平运动,也就是风。风是一个矢量,用风向和风速表示。
地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向,一般用16个方位或360°表示。以360°表示时,由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移,常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。
1805年英国人F·蒲福根据风对地面(或海面)物体的影响,提出风力等级表,几经修改后得下表。目测风时,根据风力等级表中各级风的特征,即可估计出相应的风速。

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表五、蒲福风力等级表

风力等级

名称
相当于开阔平坦地面10高处风速
浪高
陆上物理征象
/
公里/
海里/
(米)

0

静风

0-0.2

<1

<1

-

静,烟直上。

1

软风

0.31.5

15

13

0.1

烟能表示风向,但风向标尚不能指示风向。

2

轻风

1.63.3

611

46

0.2

人面感觉有风,树叶有微响,风向标能随风转动。

3

微风

3.45.4

1219

710

0.6

树叶与树枝摇动不息,旌旗展开。

4

和风

5.57.9

2028

1116

1.0

灰尘和碎纸扬起,小树枝摇动。

5

清劲风

8.010.7

2938

1721

2.0

有叶的小树枝摇动,内陆水面有小波浪。

6

强风

10.813.8

3949

2227

3.0

大树枝摇动,电线呼呼有声,打伞困难。

7

疾风

13.917.1

5061

2833

4.0

全树摇动,逆风步行感到困难。

8

大风

17.220.7

6274

3440

5.5

树枝折断,逆风行进阻力甚大。

9

烈风

20.824.4

7588

4147

7.0

发生轻微的建筑破坏。

10

狂风

24.528.4

89102

4855

9.0

内陆少见,有些树木拔起,建筑物破坏较重。

11

暴风

28.532.6

103117

5663

11.5

极少遇到,伴随着广泛的破坏。

12

飓风

32.7

118

64

14.0

 

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一) 风向测量仪器风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件,由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下,尾翼产生旋转力矩使风向标转动,并不断调整指向杆指示风向。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上,以触点式最为简单,风向标带动触点,接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁,作出风向的指示或记录,但它的分辨只能做到一个方位(22.5°)。精确的方法有自整角机和光电码盘。
(二) 风速测量仪器
1.风杯风速表是应用最广泛的一种风速表,由三个(或四个)半球形或抛物形空杯,都顺一面均匀分布在一水平支架上,支架与转轴相连。在风力作用下,风杯绕转轴旋转,其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。

2.桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内,能逆风绕水平轴转动,其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨,装在形似飞机机身的流线形风向标前部,风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。
3.热力式风速表是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻,放置在气流中,其散热率与风速的平方根成线性关系。通常在使加热电流不变时,测出被加热物体的温度,就能推算出风速。热力式风速表感应速度快,时间常数只有百分之几秒,在小风速时灵敏度较高,宜应用于室内和野外的大气湍流实验,也是农业气象测量的重要工具。
六、云的观测
云是悬浮在大气中的大量小水滴和(或)冰晶微粒组成的可见聚合体。常规气象观测要测定云状、云量和云高。
(一)云状
主要指云的外形特征的不同形态。由于云的形成原因不同,引起外形特征的差异,分成积状云、层状云和波状云。积状云的形成主要是不稳定大气的对流运动,云中气流垂直速度很大,常有几米/秒甚至20米/秒以上,云体孤立、分散;层状云由大范围系统性缓慢上升运动形成,多发生在锋面、气旋或低槽的气流辐合区,云层范围宽广,均匀幕状,无明显起伏的连续云层,典型的层状云有雨层云、高层云和卷层云三种;波状云是由于空气的波状运动和湍流混合,例如逆温层和风的切变形成,云块排列成行,成群或波浪起伏状。属于波状云的有层积云,高积云和卷积云。








积状云
积状云









层状云
高积云和卷积云

(二)云量
云量多少,全凭目测云块占据天空的面积来估计。因为是目测,当然并不十分准确,但也没有更好的办法,全世界的气象站至今还是用这种目测方法估计云量。天气预报广播中的晴、少云、多云和阴,就是根据云量的多少划分的。通常将整个天空划分为10等份,碧空无云或被云遮蔽不到0.5份时,云量为“0”;云遮盖天空一半时,云量为“5”。云量多时,应估计露出的青天,再推算出云量。云量少时,则直接估计云所遮蔽的天空的份数,如云块占全部天空的1/10时,云量为“1”;云块占天空2/10时,云量为“3”,余类推。天空无云,或者虽有零星云层,但云量不到2成时称为晴;低云量在8成以上称为阴;中、低云的云量为1-3,高云的云量为4-5时,称为少云;中、低云的云量为4-7,高云的云量为6-10时,称为多云。一般说来,当天空被云掩蔽,颜色发白,地上东西显得明亮时,这种云较高。相反,云色呈灰或灰黑色,显得阴沉,这种云则较低。移动慢的云较高,移动快的云较低
(三)云高
指云底部距地面的垂直距离。通常用目力估计,也可用气球、云幕灯,激光测云仪测定。

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能见度的观测气象能见度指在白昼,以地平线附近的天空为背景,正常视力能看到和辨认出大小适度的,黑色目标物的最大距离。以公里为单位。它与大气消光系数σ构成单因子函数关系,即

由此可见,能见度是表征大气光学特性的常用物理量,与航空交通、军事行动等都有直接关系。气象上观测有效能见度,指观测站四周视野中二分之一以上的范围都能看到的最大水平距离。
能见度的观测方法,气象部门以目测为主,在白天,选择离观测点不同距离的目标物作为估计能见度的依据;夜间则选取测站周围一定亮度的固定灯光作为目标灯,用来估计灯光 能见度,然后依据灯光强度再换算成白昼条件下的能见度。用仪器测定能见度的原理分透射型和散射型两种,透射型仪器的光发射器和光电接收器安置在同一侧,在已知长度基线的端头设置光反射器,接收器接收经大气衰减后的反射光束,根据反射光强度可以算出能见度,这种仪器普遍用在机场测定跑道能见距离;散射型仪器是从发射光束的一个取样空间中,测量其散射光强度,它与能见度有关,适用于雾天或非固定观测平台中使用。

以上仅是从地面气象观测来介绍了物理学知识和方法在其中的作用,对于高空气象测量及气象卫星等方面在此不作讨论,感兴趣的读者可自行去研究学习。
综上所述,离开了物理学方法,人们对大气系统的了解也只能停留在感性认识的层次,只有借助于物理学方法,使人们对大气系统的认识从感性认识上升理性认识,从而使人们对大气的研究成为一门真正的科学,进而为人们的生产和生活服务。

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