大气探测学-习题及答案-章节习题答案

《大气探测学》习题参考答案

第1章 绪论 ..............................................................................................................................................................1 第2章 云的观测 ......................................................................................................................................................2 第3章 能见度的观测 ..............................................................................................................................................5 第4章 天气现象的观测 ..........................................................................................................................................8 第5章 温度的观测 ................................................................................................................................................10 第6章 湿度的观测 ................................................................................................................................................17 第7章 大气压力的观测 ........................................................................................................................................21 第8章 风的观测 ....................................................................................................................................................27 第9章 高空风的观测 ............................................................................................................................................32 第10章 辐射能的观测 ..........................................................................................................................................36 第11章 降水和蒸发的观测 ..................................................................................................................................38 第12章 自动气象观测系统 ..................................................................................................................................39

第1章 绪论

1． 大气探测学研究的对象、范围和特点是什么？

大气探测是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理。研究范围是近地层大气、高空大气以及一些特殊区域的大气（如大气边界层，城市热岛环流，峡谷风场，海陆风场等）。大气探测的特点：随着科学技术的发展，大气探测的要素量和空间范围越来越大。分为近地面层大气探测、高空大气层探测和专业性大气探测。近几十年来，作为主动遥感的各种气象雷达探测和作为被动遥感的气象卫星探测，以及地面微波辐射探测等获得较多信息的大气探测方法，正在逐步进入常规大气探测领域。这些现代大气探测技术应用于大气科学的研究领域，极大的丰富了大气探测的内容。

2． 大气探测的发展主要有那几个时期？

①创始时期。这是在16世纪末发明第一批大气探测仪器以前的漫长时期，这期间发明了相风鸟、雨量器和风压板等，不能对大气现象进行连续记录。

②地面气象观测开始发展时期。16世纪末，随着气象仪器的发明，开始了气象要素定量测量阶段。 ③高空大气探测的开始发展时期。这时期陆续有人采用系留气球、飞机及火箭携带仪器升空，进行高空大气探测。

④高空大气探测迅速发展时期。这时期，前苏联、德国、法国、芬兰等国家都开始研制无线电探空仪，以及其他高空探测技术，为高空大气探测事业开辟了新的途径。

⑤大气探测的遥感时期。1945年美国首次将雷达应用于气象观测，后来发射了气象火箭和探空火箭，

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把探测高度延伸到了500千米。

⑥大气探测的卫星遥感时期。这个时期，大气探测不仅从根本上扩大了探测范围，也提高了对大气探测的连续性。

3． 简述大气探测原理有那几种方法？

①直接探测。将探测元件直接放入大气介质中，测量大气要素。应用元件的物理、化学性质受大气作用而产生反应作用的原理。

②遥感探测。根据电磁波在大气中传播过程中信号的变化，反演出大气中气象要素的变化，分为主动遥感和被动遥感。

③施放示踪物质。向大气施放具有光学或金属性质的示踪物质，利用光学方法或雷达观测其随气流传播和演变规律，由此计算大气的流动状况。

④模拟实验。有风洞模拟和水槽模拟。风洞模拟大气层边界层风、温及区域流场状况。水槽模拟大气层环流、洋流、建筑物周围环境流场特征。可调控温度场，模拟大气边界层的温度层结。 4． 大气探测仪器的性能包括那几个？

①精确度。即测量值与实际值的接近程度。又包括仪器的精密度和准确度。精密度考察的是连续测量值彼此相互间的接近程度。准确度考察的是测量值与实际值的接近程度。探测仪器的精确度取决于感应元件的灵敏度和惯性。

②灵敏度。即单位待测量的变化所引起的指示仪表输出的变化。

③惯性（滞后性）。即仪器的动态响应速度。具有两重性，大小由观测任务所决定。 ④分辨率。即最小环境改变量在测量仪器上的显示单位。

⑤量程。即仪器对要素测量的最大范围。取决于所测要素的变化范围。 5． 如何保证大气探测资料的代表性和可比性？

代表性分为空间代表性和时间代表性。要保证大气探测资料的空间代表性，原则上要确定台站地形具有典型性。站址的选择、观测站的建立要防止局地地形地物造成大气要素不规则变化。一般说来，平原地区的台站资料代表性较好，山区、城市台站资料代表性较差。要保证时间代表性，则要保证大气要素观测的同时性。

要保证大气探测资料的可比性，则要求观测时间、观测方法、仪器类型、观测规范、站台地理纬度、地形地貌条件等的一致性。

第2章 云的观测

1． 叙述积状云、层状云、波状云的基本特征。

积状云：积状云包括积云，积雨云和卷云，积状云一般个体比较明显，云块之间多不相连； 层状云：层状云包括卷层云，高层云，雨层云和层云，它们的共同特征是云体均匀成层；

波状云：波状云包括卷积云，高积云和层积云，它们的共同特征是云块常成群，成行，呈波状排列。

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2． 叙述卷积云与高积云、高积云与层积云各有何异同？

①卷积云与高积云

共同点：云块比较小，一般成群，成行，呈波状排列；

不同点：卷积云呈白色细鳞片状，像微风吹拂水面而成的小波纹；而高积云在厚薄，形状上有很大差异，薄的云呈白色，能见日月轮廓，厚的云呈暗灰色，日月轮廓分辨不清，常呈扁圆状，瓦块状，鱼鳞片或水波状的密集云条。

②高积云与层积云

共同点：云块在厚薄，形状上都有很大差异，云块一般成群，呈层，呈波状排列；

不同点：高积云云块较小，轮廓分明常呈扁圆状，瓦块状，鱼鳞片或水波状的密集云条，层积云云块一般较大，有的成条，有的成片，有的成团；高积云薄的云块呈白色，能见日月轮廓，厚的云块呈暗灰色，日月轮廓分辨不清，层积云常呈灰白色或灰色，结构比较松散，薄的云块可辨太阳的位置。 3． 叙述卷层云与高层云、高层云与雨层云、雨层云与层云有何异同？

①卷层云与高层云

相同点：云体均匀成层；

不同点：卷层云呈透明或乳白色，透过云层日月轮廓清楚，地物有影，常有晕的现象； 高层云呈灰白色或灰色，运抵常有条文结构，常布满全天； ②高层云与雨层云

相同点：云体均匀成层，常布满全天；

不同点：高层云呈灰白色或灰色，云底常有条纹结构；雨层云低而漫无定形，能完全遮蔽日月，呈暗灰色，云底常有碎雨云；

③雨层云与层云

相同点：云体均匀成层；

不同点：云层云低而漫无定形，能完全遮蔽日月，呈暗灰色，云底常伴有碎雨云，层云呈灰色，很象雾；雨层云云层厚度常达到4000-5000米，层云云底很低但不接触地面。 4． 叙述荚状、堡状、絮状云的形成机理，各代表什么气层状况？

荚状云：在山区由于谷地聚集充沛的水汽，受地形抬升作用，常常在山脊上空形成荚状云，另外由于过山气流，或上升、下沉气流汇合而形成的驻波也会产生荚状云，多预示晴天；

堡状云：包括堡状层积云和堡状高积云，，堡状层积云是由于较强的上升气流突破稳定层之后，局部垂直发展所形成；堡状高积云是由于中云的局部对流强烈而在局部垂直发展而形成的；如果天空出现堡状层积云而且大气中对流持续增强，水汽条件也具备，则往往预示有积雨云发展，甚至有雷阵雨发生；堡状高积云一般预示有雷雨天气；

絮状云：絮状云有絮状高积云，是由强烈的湍流作用将使空气抬升而形成，预示将有雷阵雨天气来临。 5． 叙述碎积云、碎层云、碎雨云的外形与成因有何不同？

从外形上看：

碎积云通常个体很小，轮廓不完整，形状多变，多为白色碎块；碎层云的云体为不规则的碎片，形状

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多变，移动较快，呈灰色或灰白色；碎雨云的云体低而破碎，形状多变，移动较快，呈灰色或暗灰色；

从成因上看：

碎积云往往是破碎了的或初生的积云，当大气中对流增强时，碎积云可以发展成淡积云，若有强风和湍流时，淡积云的云体会变的破碎，形成碎积云；碎层云往往是由消散中的层云或雾抬升而形成；碎雨云常出现在许层云，积雨云或厚的高层云下，是由于降水物蒸发，空气湿度增大，在湍流作用在下水气凝结而成。

6． 简述对流云从淡积云Cu hum发展到鬃积雨云Cb cap的物理过程。

淡积云cu hum云体不大，轮廓清晰，底部较平，顶部呈圆弧形突起，垂直发展不旺盛，云底较扁平； 当大气对流运动增强时，淡积云向浓积云发展此时轮廓仍然清晰，云底仍然较平，但云体个体高大而且底部比较阴暗，云的垂直发展旺盛，垂直高度一般大于水平宽度，顶部的圆弧形开始重叠突起，变得象花椰菜的样子；

当对流继续增强，云继续垂直发展，云顶就开始冻结，云顶花椰菜形的轮廓渐渐模糊，即形成了秃积雨云，此时云的丝絮状就够还不太明显，云体的其余部分仍有浓积云的 特性；

到积雨云发展的成熟阶段会形成鬃积雨云，它的云顶呈白色，丝絮状结构明显，常呈马鬃状和铁砧状，底部阴暗，气流混乱。

以上就是从淡积云Cu hum——浓积云Cu cong ——秃积雨云Cb calv——鬃积雨云Cb cab 的过程。 7．对下面的记录进行分析，并描述天空状况，包括云状、云量、云的特征及可能伴随出现的天气现象等。

答：在8h时，天空中的总云量为4/10，低云量占2/10。低云为淡积云或碎积云，或两者同时存在。低云的云状为：云的个体不大，轮廓清晰，底部较平，顶部呈圆弧形的突起，云块较扁平分散孤立在天空，或者是个体很小，轮廓不完整，形状多变的白色碎积云。中云为积云状高积云（絮状的或堡状的）或堡状层积云。云状为云块的边缘破碎，象破碎的棉絮团，云块大小以及在空中的高低都很不一致，或者是云块细长，底部水平，顶部凸起有垂直发展的趋势，看上去象城堡或长条形锯齿。高云为毛卷云，云状为云体很薄，呈白色，毛丝般的纤维状结构清晰，云丝分散。从中云的情况来看，空中的气层不稳定，有较强的上升气流，云层可能会继续发展。

在10h时，总云量为6/10，低云量占4/10。低云已经发展为浓积云伴有淡积云和层积云。云状为：浓积云的个体高大，轮廓清晰，底部较平，比较阴暗，垂直发展较旺盛，顶部呈圆弧形重叠。中云为由积云扩展而成的积云性高积云。云块大小不一致，呈灰白色，外形略有积云特征。高云已由毛卷云发展成为密卷云。云体较厚，云丝密集，聚合成片，边缘毛丝般纤维结构仍较明显。浓积云在早晨的发展，预示着大气层结不稳定，也许会有积雨云产生。

在12h时，总云量继续增多，占到8/10，低云量也在增多，占到6/10。低云为浓积云的继续发展，中

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云为积云性高积云的继续发展。高云不能观测清楚。从云的发展来看，大气层结仍处于不稳定状态，天气可能还要进一步地转坏。

在14h时，低云已经遮满天空，即总云量和低云量都为10/10。低云已经发展成为鬃积雨云，带有砧状，并且可伴有积云、层积云、层云或恶劣天气下的碎云。鬃积雨云的云顶有明显的白色毛丝般的纤维结构，并扩展成为马鬃状或铁砧状，底部阴暗混乱。在云底可能有形状破碎、多变，移动较块，呈灰色或暗灰色的碎雨云。由于低云的遮挡，这时看不清属于CM和CH的云。鬃积云的出现表明对流云已经发展到极盛阶段，并发展成为成熟的积雨云，这会产生较强的阵性降水，可能伴有大风、雷电等现象。

在16h时，总云量仍为10/10，低云布满天空，但有空隙。低云为恶劣天气下的碎雨云，通常在高层云或雨层云之下。它的云体低而破碎，形状多变，移动较快，呈灰色或暗灰色。透过低云的云缝隙，可辨别中云为混乱天空的高积云，云底的高度不同，中空不稳定。高云不可辨别。由中云和低云预测大气层结仍处于不稳定状态，可能会由雷雨天气。

第3章 能见度的观测

1． 影响能见度的因子有哪些？

影响能见度的因子有大气透明度、目标物和背景的亮度对比和观测者的视力指标——对比视感域ε。 大气透明度是影响能见度的主要因子。大气中的气溶胶粒子通过反射、吸收、散射等机制削弱光通过大气的能量。导致目标物固有亮度减弱。所以，大气中杂质愈多，愈浑浊，能见度就愈差。

在大气中目标物能见与否，取决于本身亮度，又与它同背景的亮度差异有关。比如，亮度暗的目标物在亮的背景衬托下，清晰可见；或者亮的目标物在暗的背景下，同样清晰可见。表示这种差异的指标是亮度的对比值K。

在白天当，当K=0时，难以准确辨别目标物。当K逐渐增大，即亮度差异逐渐增大，当K值增大到某一值时，才能准确地辨别目标物。这个亮度对比值叫做对比视感域，用ε表示。 2． 气象能见度的定义是什么？

影响目标物能见度的因子很多，而气象工作中，需要能见度只反映大气透明状况，这就必须选定和统一实行某种观测方法，以固定其它因子，使测定的最大水平能见距离只表达大气透明程度的单一因子影响。这样测出的能见度是气象能见度。气象能见度分白天气象能见度和夜间气象能见度。 3． 白天能见度与夜间能见度的观测有何不同？

白天能见度：

目标物背景对比度衰减规律：

'B0?B0K? 一般白天目标物为扩展反射光源，目标物背景的固有亮度对比值，取 0'B0观测者、目标物背景的视亮度对比为:

'BL?BLKL?'BL

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为经L距离后,目标物的固有亮度; B L'为经L距离后,背景的固有亮度。 B L 由（3.12）式可写成：

''??LBL?B0e?BH(1?e??L)

BL?B0e??L?BH(1?e??L)

则：

'B0?B01KL?'B??LB01?0(e?1)'B0

F(L)?1?令：

1B0??L(e?1)'B0

称作传输函数，则有：

KL?K0F(L)

白天气象能见度及其观测法：

若选择水平天空作为背景，那么，背景的固有亮度 B'应等于水平天空的视亮度 BH0'B0?BH即 则有 F(L)?e??L KL?K0e??L

称为科希米德（Koschmieder)定律，它表达了目标物与水平天空背景亮度对比度衰减规律。当这种衰减达到

KL??时，相应的能见度距离为L

1L??lnK0?

B0?0，相应K0?1再取??0.02，则定出的最大能见度距离为：

若选择深色物体作为目标物，即

Lmax?1?ln13.912?0.02?

按上述规定的条件进行观测，测定的的单一影响，故视程

夜间能见度：

Lmax只与大气消光系数?成单一函数关系。它只反映大气透明度

Lmax为气象能见距离，或气象视距。

夜间由于光照条件的限制，已不能使用一般的目标物，而只能用发光物体作为目标物。灯光目标物是点源，不象扩展光源那样考虑亮度对比问题，对其观测要用点源在眼睛上产生的照度来衡量。而夜间决定目标能见与否的眼睛的指标是眼睛的灵敏度，即所能感受的最小照度，又叫照度视觉阈值，以克维尔给出了

E0表示。拜

E0与背景亮度Bb的统计表达式：

lgE0??6.95?0.887lgBb

E0的值与灯光色彩有关，黄光的照度视觉阈值 E0最大，红光的E0最小，故用红色灯光易于辨认。

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影响灯光能见度的因子有：灯光强度、大气透明度和眼睛的灵敏度。设灯光强度为I，与观测者为距离L，则在观测者眼睛上产生的照度可由阿拉德（Allard）定律定义：

E?I??Le2L

当观测者离灯光距离为S时，灯光产生的照度达到阈值离，即

E0，这时目标灯恰好能见，称S为灯光能见距

E0?e??LI/S2 S?(lnI?lnE0?2lnS)/?

??(lnI?lnE0?2lnS)/S

将（3.18)式代入(3.16)式，得：

Lmax?3.912SIln?2lnSE0

按（3.19)式，可将灯光能见距离换算成气象能见距离，实际工作中，常按(3.18)式绘制好灯光能见距离与气象能见度换算列线图，由图便可根据灯光强度I和距离S查算最大能见距离Lmax。 4． 能见度的器测法主要有哪几种，说明它们的优缺点和工作原理。

能见度的器测法主要有： 1.遥测光度计

原理：由目标物、天空背景的视亮度比较→给出大气消光系数→推算气象能见度。 2.测大气透射率表

气象能见度Lmax或气象光学距离P均可写成大气透射率（T）的函数，即

P?Lln0.053L3.912L??Lmax??lnTlnTlnT

如果选择两点间的距离为B的长度作为测量基线，将上式中L取为B，测出两点间的透射率，即可算出气象能见度。

测量透射率的仪器由光发射器，反射器和接受器构成。光发射器和接收器合成一体安置在基线一端，反射器安置在基线另一端。

发射器发射的光被分成两束，一束透过大气层经反射器反射回来被接受器接收；另一束光则不射入大气层，作为参考光，直接进入接收器，回波信号与参考光信号同轴地照在光电接收器件上，由比较法确定其透射率。

光程差越大，能见度越小。 3、大气散射仪

应用透射仪需要基线，不适合高山、沿海、船舶台站使用。大气散射仪的主要原理是光脉冲发射机发射光脉冲信号，被空气散射后，由接收机接收。光敏元件把光脉冲转换成电脉冲，由纪录器和显示器给出能见度值。电脉冲信号越强，能见度越小。

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5．请写出水平均一大气的目标物亮度方程（3.5)，并说明方程各项的意义。

B0L?B0e??L

目标物固有视亮度为

B0；通过距离L的空气层后减为B0L, ?为大气层消光系数，单位为cm?1。目

标物亮度随距离以指数衰减。

6．请写出人眼所见目标物的总视亮度方程(3.12)，并说明方程各项的意义。

'BL?B0L?BL?B0e??L?BH(1?e??L)

'BBBBL为距离L内所有空气的气幕光视亮度。H为水平天空的视亮度，0L、0的意义同上题，

7．请写出目标物一水平天空背景亮度对比度衰减规律方程(3.14)，并说明各项意义。

KL?K0e??L

目标物背景的固有亮度对比值

'B0?B0K0?'B0

'BL?BLKL?'BL观测者、目标物背景的视亮度对比为:

第4章 天气现象的观测

1．连续性、间歇性和阵性降水，应按那些特征进行判断？

a)连续性：雨或雪不间断地下，而且比较均匀，强度变化不大，一般下的时间长，范围广，降水量也比较大。

b)间歇性：雨或雪时下时停，或强度有明显变化，但变得比较缓慢。下的时间时短时长。 c)阵性：骤降骤停或强度变化突然，下降速度快，强度大，但往往时间不长，范围也不大。 2．如何区别吹雪和雪暴？

吹雪是本地或附近有大量积雪时，强风将积雪吹起所致。能见度<10km。

雪暴是本地或附近有大量积雪，强风将地面积雪成团卷起，不能分辨是否在降雪，能见度<1km。区别就在雪暴不能分辨是否在降雪，且能见度有差别。

3．阐述浮尘与霾；霾与轻雾；浮尘、扬沙和沙尘暴间的区别。

形成浮尘的沙尘是由远处传播而来，而霾不是。一般浮尘的能见度更小，并且垂直能见度也不大。霾常出现在干燥时期，浮尘不一定。

霾由大量极细微沙尘均匀漂浮在空气中，使空气混浊，能见距离<10km。常出现在气团稳定较干燥时期。

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浮尘出现在冷空气过境前后无风或风小时，由远处沙尘经高空气流传播而来。或由过后尚未下沉的沙尘浮游在空中所致。能见距离小于1km，垂直能见度也很差。

或 天气

霾和轻雾的组成不同，霾是大量沙尘漂浮在空气中，而轻雾是由水滴组成。并且霾常出现在气团稳定较干燥时期，而轻雾不一定。

轻雾由细小水滴组成的稀薄雾幕。水平能见距离<10km。呈灰白色。早晚较多出现。

浮尘是由远处沙尘经高空气流传播而来，或由扬沙、沙尘暴天气过后尚未下沉的沙尘浮游在空中所致。而扬沙、沙尘暴则是由本地或附近的沙尘被吹起所致。浮沉出现在风较小时，但扬沙和沙尘暴出现时风力较大，沙尘暴还常伴有强对流或雷雨过境。一般说来，浮尘和沙尘暴天气的能见度比扬沙更小。

扬沙由于本地或附近的沙尘被吹起，使能见度显著下降，能见距离一般为1-10km。天空混浊，风力较大。在北方春夏，冷空气过镜或空气不稳定时出现。

沙尘暴成因与扬沙相似，但能见度<1km。风力很大。常伴有强对流或雷雨过境。 4．阐述虹、晕和华的区别。

虹、晕、华的反、折射的物体不同，出现的位置不同。

虹是由日光或月光经水滴反射、折射而成的天气现象，出现在日月相反方向的低云或雾层中。 日晕是由日光经冰晶折、反射而成的光学现象，出现在日周围卷层云Cs或卷云Ci中。 月晕是由月光经冰晶折、反射而成的光学现象，出现在月周围卷层云Cs或卷云Ci中。

日华是由日光经云滴、冰晶衍射而成的光学现象，常出现在环绕日光的高积云Ac（卷积云Cc，层积云Sc）上。

月华是月光经云滴、冰晶衍射而成的光学现象，常出现在环绕月光的高积云Ac上。 5．记录下列天气现象：

（1）某日下午积雨云发展，16：14狂风突起，风力达8级，风向、气压、气温等急剧变化，地面沙尘吹起，能见度3.0km，16：16降至0.8km，16：18风力减至8级以下，16：20降雨数滴，16：22能见度1.2km。16：25西北方向有雷声，16：35（北）、16：40（北）、16：46（东北）、16：56（东）、17：12（东南）、17：27（东南）有雷声，但不见闪电。

（2）6月8日13：25西北闻雷声，13：32开始有阵雨，雷声频繁，13：52移至天顶，夹降冰雹，13：55-13：59间纯为冰雹，以后又是阵雨冰雹夹降，14：06冰雹止，14：07雷声移至东方，阵雨维持到15：22，19：28有降阵雨，19：55西方闻雷声，20：05移至西北方，于20：21在北方消失，阵雨于23：11转为间歇性降水，3：40终止。

（1）

16:14—16:18

9

16:14 —— 16:16—— 16:20—— 16:22——

16：25——16：35——16：40——16：46——16：56；17：12——17：27

（2） 13：25——13：32 —— 13:32 ——13:52———13:59—14:06 14:06-15：22;19:28_23:11;——20:05;20:21;--- ●23:11—3:40

6．译出下列电码：31656，50905，11152，10026，20122，39862，40088，

52052，54000，60061

31656：本站气压为1165.6hPa。 50906：总云量为6，东风，风速9米/秒 11152：本站气温为-15.2摄氏度。 10026：本站气温为2.5摄氏度。 20122：本站露点为12.2摄氏度。 39862：本站气压为986.2hPa。 40088：海平面气压为1008.8hPa。

52052：过去三小时内本站气压变化为5.2hPa。 54000：过去三小时内本站气压无变化。 60061：过去六小时内本站降水量为6毫米。

第5章 温度的观测

1．什么叫温标？常用温标有哪几种？如何换标？

温标是为了定量地表示温度,而选定的一个衡量温度的标尺。

常用温标有：开尔文温标（绝对温标）(K)；摄氏温标 (℃)；华氏温标(F)。 换标公式为：

K——C换算：K?C?273.15；C?K?273.15 C——F换算：C?59?F?32?；F?95C?32 10

13:55---13:59

14：07;19:55—

K——F换算：K?2．试述玻璃温度表测温原理。

59?F?32??273.15；F??K?273.15??32 95液体玻璃温度表的感应部分是一个充满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛细管。由于玻璃球内的液体的热膨胀系数远大于玻璃，当温度升高时，液体柱升高，反之下降。液柱的高度即指示温度的数值。

设0 ℃时表内液体的体积为V0，此时球部和这段毛细管的容积也为V0，当温度升高 ?t 时，毛细管中液体柱的长度变化为?L，则体积的改变量为：

V0??????t?S??L

式中 ? 为液体的热膨胀系数; ? 玻璃球的热膨胀系数;S为毛细管的截面积。将上式改写成

?LV0?????? ?tS等式左边称作温度表的灵敏度。表示温度改变1℃引起的液体高度变化，灵敏度高的仪器，刻度精密。 3．最高最低温度标测温原理。

最高温度表：

毛细管较细，液体为水银。在玻璃球部焊有一根玻璃针，其顶端伸至毛细管的末端，使球部与毛细管之间的通道形成一个极小的狭缝。升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数，水银被挤进毛细管内；但在降温时，毛细管内的水银不能通过狭缝退回到球部，水银柱在此中断。因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。 最低温度表：

毛细管较粗，内装透明的酒精，游标悬浮在毛细管中，观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝过，游标不动；温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动，因此，游标指示的温度只降不升，远离球部的一端将指示出一定时段的最低温度。 4．双金属片测温原理。

双金属片测温测温原理如下图所示：

ds?L2B(?)?A(?2??1)dt；式中L是双金属片的弧线总长度； h1和h2为两种金属片的

2(h1?h2)厚度；?1和?2为两种金属片的热膨胀系数；A为系数，取决于两种金属杨氏模量的比值弧线角?的函数。

5．平衡和不平衡电桥测温原理。

11

B???E1； 为E2?（i）平衡电桥：

平衡电桥的测温电路原理如下图所示：

当环境温度变化时，Rt的阻值改变，可借助对r3 的调整(r3 为可调电阻），使电桥达到平衡，并做出r3与t的刻度关系，或Rt与t的关系式，就可由r3的刻度盘读数或计算式来确定Rt所处的环境温度。

r?为外接导线电阻。对同种引出导线有：r1'?r2'?r3'?r'

''''因?t温度变化引起外接导线电阻的变化为：?r1??r2??r3??r

因?t温度变化引起热敏电阻阻值的变化为：?Rt ；要求：?Rt??r'

r3?r'Rt?r'在电桥平衡时： ?r2r1 移项得：

r3Rt?r?r??????? r2r1?r1r2?r3RtR0(1??t) ??r2r1r1假设r1?r2，则

故有：t?r1r1r31(?1)?Ar3?B；其中：A?1；B??

??r2R0?r2R0此式说明了温度t与r3的关系，对r3电阻可作等分的温度刻度，直接读取温度值。 （ii）不平衡电桥

不平衡电桥的测温电路原理如下图所示：

在不平衡电桥中,电桥不平衡时,检流计上有电流流过,对角线上有输出电压。可根据检流计的读数或电压确定测温元件Rt所处的环境温度。

不平衡电桥对角线的输出电压e可用下式表示：

RtRt0??rr1re?V(?)?V(?1)

r3?Rtr1?r2r3?Rt0??rr1?r2当电桥平衡时：电桥对角线上无电压差：?r?0,Rt?Rt0,e?0

而Rt?Rt0??r，Rt0为当电桥平衡时的阻值；?r为温度变化引起阻值的变化。 此时有

Rt0r1?；代入e的公式，得： r1?r2r3?Rt0 12

?rRt0Rt0(?1) e?V?rRt0?r31?Rt0?r31?将上式右边括号中的项展成幂级数，则：

?rRt0?r?r?1?r?r?r2?1?(1?)(1?)?1?(1?)[1??]?1 将上式?rRt0Rt0?r3Rt0Rt0?r3(Rt0?r3)21?Rt0?r31?中忽略二次项，并设：?r?Rt0(??t???t2)；r3??Rt0

??t???t2?2?t2代入上式，上式右边则变为：(1???t???t)(1??)?1

1??(1??)22由???，忽略含?的二次项，得：

e?V111122{(1?)??t?(1?)??t2?[?]??t} 21??1??1??(1??)1??2即得到了计算e的公式，但为了使输出电压e和温度变化?t成线性关系，应使（5.16）式中含?t项的系数总和为零，因此，

(1?111)??[?]?2?0 21??(1??)1??22?????????0 化简得：

?2??则得：??0,或??，这是由公式本身要求线性性的带来的约束条件。

?6．推导线性化输出平衡电桥电阻r1,r2,r3的计算式。

如图所示：

设：测温范围在T0和T1之间,则令：

R(T0)?R0T0?T1)?Rm2R(T1)?R1 R(由电桥平衡的条件可得：

13

T=T1, T=Tm, r1R=0 ?1?r2r3?r?r1=Rm ?2?r?r?r2?r3?22rRT=T1, 1=1 ?3?r2?r?r3由(1)-(3)得：

r1r3?r1r??R0r2?4?r1r3?R1r2?R1r??5?r1r3?r1r?r??Rmr2?Rm?6?22

将(5)代入(4),移项整理得:

R1r2?R1r??r1r??R0r2?r2?R0?R1??r??R1?r1??r2?R1?r1r??7?R0?R1

将(7)代入(4)式可得：

r1r3?R0r2?r1r?r3?R0r2r1?r??R0r2?R0?R1?r1???r?r????R?R1??0?r1?R1?r1?????1?r??R0?R1???R?R?r???R?R?r??r1?R0?R1????0?11??1?r???011?r?r1?R0?R1????r1?R0?R1???R0R1?R0r1?r1R0?r1R1??R1?R0?r1??????r???r?r1?R0?R1????r1?R0?R1??R?rR?011r??8?R0?R1r1将(5)式代入(6)式得：

14

R1r2?R1r??r1合并同类项:r?r??Rmr2?Rm221??1r2?R1?Rm??r??Rm?R1?r1??9?2??2将?7?式代入?9?式并两边消除r?r??R1?r1??R1?Rm?R0?R1分解合并同类项R12?R1r1?RmR1?Rmr111?Rm?R1?r1R0?R122

1??1?r??Rm?R1?r1?2??2?R1?Rm1?RmR12?RmR1r1?????R1?R?R22R0?R11?0?

通分、合并同类项、移项得：

r1?Rm?R0?R1??2R0R1R0?R1?2Rm?9?将?9?式代入?7?式得:r2?R1?R1?Rm??R0?Rm?R1?R0?R0?2Rm??R1?2Rm?R1??10?将?9?式代入?8?式得:r3?R0?R0?R1??Rm?R1?R0?R1?R1?R0?2Rm?R?R?2Rm?R1?R0?Rm?R0?R1??2R0R12021?10?

即得到r1,r2,r3的表达式。

7．说明温度热滞系数的物理意义及特性。

物理意义：

元件在d? 的时间内与周围介质交换的热量为：dQ??hs(T??)d?

其中：T:元件温度；θ：环境温度；S：有效散热面积；h：热交换系数元件得到（或失去）热量dQ后，增（或降）温dT，则有：

dQ?CMdT 其中C为比热；M为元件的质量。

dThs??(T??)d?CM合并上面两式，移项得：

15

??(令：

hs?1)CM为热滞系数，则：

dT1??(T??)d??

?的单位为秒。

热滞系数特性：元件的热容量越大，散热面积越小，则λ越大。热交换系数h的大小取决于环境介质性质和通风量。

8．如何测定温度表的热滞系数?

测温元件温度和介质温度的差值降至初始差值的36.8%时的时间为?。也就是说 t??的改变量

?1??1??e?即63.2%时所需要的时间为?。 达到了起始差值的?这个时间常数在实验中可以用这样的方法来测定：

把温度表加热（或冷却）到高于（或低于）介质温度若干度后，把它放入介质中，然后用秒表测定温度变化到36.8%的时间，这个时间就是该温度表的热滞系数值。

9．一支热滞系数为100S的温度表，温度30℃时，观测环境20℃的空气温度，精度要求为0.1 ℃，需要多少时间才能观测？

解: T-?为感应元件温度与环境温度之差,

???ln则:

T0??30?20?100ln0.1=460.52s?8min T??即约需要8分钟通风后即可读取数据.

10．百叶箱气温日变化振幅A0 =10℃，要求日振幅误差小于0.1℃，计算热滞系数。

解：由

A/A0?1?4??/p222?1得：

10.00?0.14?2?2?1/2?(1?)210.0086400即热滞系数大约为33分钟。

???1960s?33min

11．气温测量中防止辐射误差方法有主要哪几种？

防止辐射误差的方法主要有:

1.屏蔽技术:使太阳辐射，地面反射辐射不能直接照射到测温元件上。（百叶箱，各种类型的防辐射罩）; 2.增加元件的反射率(热敏电阻涂成白色); 3.人工通风,加快元件散热(阿斯曼通风干湿表);

16

4.采用体积小,并具有较大的散热系数的测温元件。

第6章 湿度的观测

1．简述干湿球温度表的测湿原理。

由于蒸发，湿球表面不断有耗散蒸发潜热，使湿球温度下降；由于湿球与四周空气有温差，则在稳定平衡时，湿球温度表蒸发支出的热量应等于与四周热空气交换得到的热量： 其中，h：热扩散系数;T为干球温度;TW为湿球温度.

单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量：

Q?h(T?Tw)；

M?k[rs(Tw)?r]，其中，k：水汽扩散系数

式中g 为空气的混合比;gs(Tw)为湿球温度TW时的饱和混合比;k为水汽扩散系数. 湿球蒸发消耗的热量为：

Qm?kL(Tw)[rs(Tw)?r] ep

w令Q=Qm,并设：r?0.622rs(Tw)?0.622es(Tw)psw?kL(T)[r(T)?r]?h(T?T)

w?0.622kL[es(Tw)?e]?h(T?Tw)p

e?es(Tw)?ph(T?Tw)0.622kL(Tw)

故 ?es(Tw)?Ap(T?Tw)A?其中

1h0.622L?Tw??称为干湿表系数。

2．干湿球温度表A值与哪些因素有关？

A?从A值的定义

1h0.622L?Tw??可知，热扩散系数h和水汽扩散系数k是通风速度的函数，所以，

A值必然与风速有关。

A?5.931?10?4?1.35?10?4/v?4.80?10?5/v d=10mm ?4.3?10?5/v?5.15?10?5/v d=4mm

17

A?6.403?10

?4 由上述公式得：

A值随风速变化大，风速增加，A迅速减小；但是V>3m/s时，A基本不变；不同类型的温度表A值有差异，但是在风速高的时候，差异很小；元件的特征尺度d越小，A随风速的变化越小。 3．为什么采用人工通风的干湿球温度表能提高测量精度？

因为干湿表系数受风速影响大，如果用人工通风的干湿球温度表，可以保持枫树的稳定从而使A值保持稳定，以减小实验误差。 4．简述露点仪的测量原理。

若使空气通过一个光洁的金属镜面时等压降温，直到镜面上出现露（或霜），读取这瞬间的镜面温度，就是露点（或霜点）温度。

如图所示：

先降温，镜面出现露点时，记为：Td?1 再升温，最后一个露珠消失时，记为：Td?1

Td??Td?11??? 这是一次完整记录，一般5次取平均：T??Tdi,Td??Tdi；Td?

552?d即得到露点温度。

5．影响露点仪测量精度的因素有哪些？

露点仪测湿精度：

dVd(e/esw(Tw)) ?Ve/esw(Tw) 影响露点仪测湿精度的因子有：

尔文效应：设弯曲水面饱和水汽压为esw,r；纯水平面饱和水汽压为esw，有

kTln

esw.r2???esw?

式中K为波尔兹曼常数； 为水表面张力系数； 为水分子容积； 为露滴的曲率半径。又由于在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压与平面饱和水汽压的关系为：

e?eswe sw.r

cr/r?7?4其中c?1.2?10cm,r?5?10cm r；

故:esw.r?esw

即露滴的饱和水汽压高于平面饱和水汽压。因此，镜面的结露温度低于真实露点温度，误差约为-0.1℃。

18

（2）拉乌尔特（Rault)效应：由于空气和镜面有杂质，特别是有一定量的可溶性物质时，使饱和水汽压低于同温度下的洁净空气和镜面的饱和水汽压。降低的数值与溶液的克分子浓度有关。这种效应将使露点值偏高。公式如下：

esw.n?eswN?eswN?n

e其中sw.n :为空气中和镜面有杂质时的饱和水汽压；

n:杂质的克分子数； N：总克分子数 （3）部分压力效应：

仪器的空气循环系统可使测试空间内外存在一定的气压差。根据道尔顿分压定律，进入测试空间空气样本的水汽压，将按压差以同样的比例降低。 6．测量湿度的方法有哪几种？简述原理。

（1）干湿球温度表 原理为：

e?es(Tw)?ph(T?Tw)0.622kL(Tw)

?es(Tw)?Ap(T?Tw)A?其中 A为干湿表系数，（2）毛发湿度表

1h0.622L?Tw??

原理为：湿度从0~100%时，毛发伸长2.5%，伸长量与湿度变化成正比

lgUh?1.086L?0.918，其中，

L??L?L0

（3）吸湿称重法

原理为:：利用吸湿剂P2O5吸收一定容积空气中的水汽，只要精确测定空气的容积和吸湿剂的重量变化，即可直接计算出1立方米空气中所含的水量，即：

?w?

m2?m1V2?V1（克/立方米）

19

e?水汽压：

PTTm2?m1其中:V1?V010216.6V2?V1，PT01

P2T0P0T2

V2?V0同上有：

其中：V：为容器的容积（初始容积）； P0、T0为初始容器内的气压和温度； P1、T1为抽气后容器内的气压和温度； P2、T2为进气后容器内的气压和温度； m2、m1为吸湿后和吸湿前干燥管的质量。 （4）光谱吸收法

根据空气中水对红外辐射的吸收原理确定空气湿度的方法。主要以两束波长不同的光线，一束波长λ=1.37μm，对水汽有很强的吸收；另一束波长λ=1.24μm（参考光），对水汽不吸收。将两束光线交替通过被测气层，并比较这两束光线的能量，确定大气（含水量）湿度。

（5）氯化锂测湿：测量其饱和溶液水汽压与环境水汽压平衡时的露点 （6）碳膜湿敏元件

根据高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触率减小，元件的电阻增大；反之当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触率增加，元件的电阻减小。通过测量元件的电阻值的变化，即可确定大气中的湿度。

（7）露点仪原理：

若使空气通过一个光洁的金属镜面时等压降温，直到镜面上出现露（或霜），读取这瞬间的镜面温度，就是露点（或霜点）温度，在利用露点计算出当时的大气温度。

露点温度的测量： 一般5次取平均

?T先降温，镜面出现露点时，记为：d1 ?Td再升温，最后一个露珠消失时，记为：1

这是一次完整记录

Td??Td?11???T??Tdi,Td??TdiTd?552 ；

?d 20

第7章 大气压力的观测

1.简述动槽式、定槽式水银气压表的观测原理。

水银气压表的读数原理为：

如图所示，利用一根抽成真空的玻璃管插入水银槽内，由于大气压力的作用，玻璃管内的水银柱将维持一定的高度。当管内水银柱对水银槽面产生的压力与作用于水银槽面的大气压力相平衡时，水银柱将维持一定高度。如果在水银柱旁边树立一标尺，标尺的零点对准水银面，就可直接读取水银柱的高度（Hhg），即可求得大气压力（Ph）

式中

为了便于比较,国际上统一规定,

Ph??hg(t)g(?,h)Hhg[t,g(?,t)]

?hg(t)为温度 t?C时水银密度，g(?,t)为测站纬度为?、海拔高度为h处的重力加速度。

?hg

以温度0?C为标准,g以纬度为45?的海平面为标准.如果不在标

准条件下,则读得的水银柱高度必须订整到标准条件下。

Ph??hg?0?C?g?45?,0?Hhg?0?C,g?45?,0???? 即：

因此

?hg?t?g??,h?Hhg?0?C,g45?,0?Hhg?t,g??,h??????????hg?0?C?g?45?,0??hg??t

g??,h?为温度订正因子，

其中

?hg?0?C?g?45?C,0?为重力（纬度高度）订正因子；

?hg?0?C??1.35951?104kg.m?3;g?45?,0??9.80665m.s?2动槽是水银气压表的读数原理为：

它的主要特点是标尺上有一个固定的零点。每次读数时，须将水银槽的表面调到这个零点处，然后读出水银柱顶的刻度。在读数时，先读温度表，再调水银面与象牙针相切，再调游标尺与水银柱顶相切，最后读数。读数结束后，将象牙针与水银面断开。

定槽式水银气压表的读数原理为：

它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。当气压变化时，水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量，必将引起水银槽内的水银减少或增加，使槽内的水银面向下或向上变动。即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。如图所示：

21

当气压升高1mmHg，表内水银柱上升xmm，而槽内水银面同时下降ymm，则有 x?y?1

因为水银槽内水银体积的减少，必将等于管内水银体积的增加，即（体积相等）：

'x?a?y(A?a)

y?1?x

式中a为水银柱玻璃管的内横截面积；A为水银槽的内横截面积； a’为插进水银槽中的玻璃管尾端的外横截面积。

x?因而有

A?a?A?a??a

A?a??a?aax??1?A?a??aA?a??a

A?a?从上式可看到，定槽式水银气压表的刻度1mm长度将短于1mm，实际等于气压表水银面基点的变动，这种刻度的标尺又称补偿标尺。 2.水银气压表误差主要有哪些？说明原理。

①仪器误差

A?a??a ，以补偿

由于制造条件的技术及材料的物理特性等因素，导致水银气压表具有一定的仪器误差。气压表主要的仪器误差有：

1、仪器基点和标尺刻度不准确； 2、真空度不良；

3、毛细管液面张力误差：这是由于液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的压力。这个压力的大小随液体的种类和液体表面的曲率而变化。在槽式气压表中，这个误差是由于内管的压力比槽部大而产生的一个使水银柱偏低的误差。

由拉普拉斯公式，弯曲液面产生的附加压力（压力差）为：

Ps?2?4?cos???Rd

式中Ps为毛细管内与槽内弯曲液面的压力差；s为表面的张力系数；R为液面的曲率半经；q 为液面与管壁接触角。

压力Ps使得水银气压的读数偏低。偏低值主要随着管的直径d ，液面与管壁接触角?而变。 d 越大，影响越小；?越小，曲率越大，影响越大。

22

设Ps作用下，使水银柱降低了?h，则：

?h?g??4?cos?d

?

?h??4?cos??gd 式中?为水银的密度；g为重力加速度。

②温度误差：铜尺的长度随温度变化的伸缩带来的误差。

③气压表读数的重力误差

H0(0,g?,h)还需订正到标准状态下即

Hh(0,g45,0)

其中

Hh(0,g45,0)g?,h?H0(0,g?,h)g45,0

由于纬度和高度不同，会造成g值的差异。因而重力订正分纬度重力订正和高度重力订正。 3.如何对水银气压表读数进行器差、温度、重力订正。

①器差订正：将读数加上仪器上的区差订正值即可。 ②温度订正：

动槽式气压表的读数温度订正：

假设水银气压表在0℃的环境温度下，水银槽上的标尺为铜尺；如果在水银槽上另立一支没有温=、度系数的标准尺，

在t℃，铜尺刻度Ht与水银柱顶相齐，而标准尺测得的水银柱高度为Lt,

如果气压不变，只将环境温度降至0℃ 标准条件，此时，标准尺测得的水银柱高度为L0，原刻度Ht 的长度为L1；此时，铜尺H0刻度与水银柱顶相齐，H0=L0。

已知μ为水银的热膨胀率系数，λ为铜的热膨胀系数，则对标准尺有：

Lt?L0(1??t)

Lt?L1(1??t)

温度为时t，铜尺刻度为Ht，标准尺刻度Lt，则可改写为：

Lt?Ht(1??t)

Lt?H0(1??t)

保持气压不变，温度降至0℃，铜尺的刻度为H0，标准尺为L0，则合并上面两式得：

Ht(1??t)?H0(1??t)

H0?Ht1??t1??t,Ht?H01??t1??t

?

?Ht?Ht?H0??Ht???t1??t

23

?5?1 其中：??1.840?10?C；??1.818?10?C

?4?1 ?定槽式气压表读数的温度订正：

?Ht??Ht0.0001634t1?0.0001818t

对于定槽式气压表,必须将水银槽的热膨胀效应考虑在内,而写成下述形式：

?Ht??Ht0.0001634tV?1.33(??3?)t1?0.0001818tA

?5?1??1.0?10?C其中A为水银槽的截面积;V为气压表内的水银体积; 为铁的热膨胀系数.该订正值

应从读数中减去.

③气压表读数的重力订正

H0(0,g?,h)还需订正到标准状态下即

Hh(0,g45,0)

其中

Hh(0,g45,0)g?,h?H0(0,g?,h)g45,0

重力订正分纬度重力订正和高度重力订正： 1、纬度重力订正

在海平面上，由重力加速度与纬度的关系因而有

g?,0?g45,0(1?0.00264cos2?)

Hh(0,g45,0)?(1?0.00264cos2?)H0(0,g?,0)则纬度订正：因此

?H??Hh(0,g45,0)?H0(0,g?,0)??0.00264cos2?H0(0,g?,0)即订正值为负值；

当??45?时,?H??0,当??45?时,?H??0,即订正值为正值。

2、高度订正

在同一纬度上，重力加速度随高度的变化关系为：

g45,hg45,0R2h??1?2?1?0.000000314h2R(R?h)

h R(R=6370000m,地球半径），h以m为单位。

g45,h 对高山站：

g45,0?1?5h?1?0.000000196h4R

Hh(0,g45,0)?(1?0.000000196h)H0(0,g45,h)则高度订正：

?H??Hh(0,g45,0)?H0(0,g?,0)??0.000000196hH0(0,g45,h)

24

由上式可知：当测站海拔高度h>0, DH<0, 订正值为负值；反之，为正值。 4.简述空盒气压计、空盒气压表的测压原理。

空盒气压表的感应元件是一组具有弹性的、抽成真空的（或残留少量空气）空盒组成的。

将空盒底部固定，顶部可自由移动，用以操作指示读数的机械系统。包括：感应部分、传动放大部分、显示部分。外界气压的变化引起空盒形变从而使读数变化。

空盒气压计是利用空盒感应元件制成的连续记录气压的仪器。其结构包括：感应部分；传动放大部分；自记部分。它与空盒气压表的区别在于它有自己部分，而空盒气压表需要靠人去读数。 5.简述空盒气压计的弹性后效、弹性温度效应原理及其解决方法。

弹性后效特点：

1、当气压变化停止后，空盒形变还继续一段时间； 2、升降压曲线不重合（滞差环）。

空盒弹性温度效应是指空盒的杨氏模量具有负温系数。温度升高时，弹性力减弱。如果大气压力维持不变，在升温时空盒的厚度将变薄

解决办法： 1、双金属片补偿法

空盒的温度效应位移 ，刚好由双金属片的位移 S相抵消。即： ds???

ds????k?P0

空盒弹性温度系数β；上升1C，弹性变化βP0；引起空盒自由端位移kβP0; 有单点补充和双点补充两种。 2、残余气体补偿法

空盒内留有一定压力 的气体，在气压为P时，空盒所受压力为P- ，空盒的弹性应力为F，压力平衡时，F=P- 。

升温1°C时，弹性力减弱了 F= (P-π)；盒内残余气体的压力升高了 ；当 = （P- ）或

p ??1???

时，空盒的温度效应就可得到补偿。P点是完全补偿点。 是空盒的弹性温度系数（1/ C ）； 为 残余气体的热膨胀系数（1/ C）。 6.简述沸点气压计测压原理。

将一个装有纯净液体的容器与待测空气相通，将溶液加热到沸点，溶液表面的饱和蒸汽压将达到大气

25

4.激光风速仪的测量原理及其存在的问题。 1) 原理

激光风速仪（Laser Doppler Anemometer LDA; Laser Doppler Velocimeter LDV) 是建立在激光技术和多普勒频移原理基础上，通过频率测量来测定风速的（F?V）。

激光通过大气层时，大气层中的气溶胶粒子对入射光有散射效应，而运行的气溶胶粒子将使散射光的频率产生多普勒频移效应。在接收器内比较发射光的参考光和散射光的频差，就可确定运载气溶胶粒子（Aerosol particle)的气流速度。 激光风速仪由以下五部分组成：

1、 激光器； 2、 入射光学单元；

3、 收集光学单元：收集运动流体中粒子的散射光，得到多普勒频移频率fD； 4、 多普勒信号处理单元：频率跟踪器，计数式处理器，光子相关器； 5、 数据处理系统：模拟量、数字量转换成风速。 差动式频移LDV系统示意图 多普勒频移频率

2usin fD??2 ? u??2sin??2fD

2) 激光测速仪存在的问题：

激光风速仪测得的风速并不是真正的大气流动速度，而是悬浮于气流中的散射粒子的运动速度。因为粒子与流体的密度有显著差异，粒子不可能完全跟随流体运动，其速度总会有差异，这就造成了激光测量的误差。

若up为粒子速度，uf为流体流速，则由于粒子不完全跟随流体运动而造成的相对误差为 ??

uf?up100up100 ??(1??)?,??uf100100uf31

这就是激光测速技术中的离子跟随问题： ?=1,?=0，完全跟随；

??1,??0，粒子超前于流体运动； ??1,??0，粒子滞后流体运动。

第9章 高空风的观测

1.简述经纬仪气球测风原理。

气球以速度w上升，测得方位角α(相对正北)、仰角δ。在t时刻气球上升的高度为：H=wt气球在水平方向上的投影距离为：L=Hctgδ。水平风速为：v=L/t假如连续测量，测得多组数据。第i个点处测得αi、δi，则可得

vi=

(Lisin(ai+1-ai))+((Li+1-Li)cos(ai+1-ai))ti+1-ti22 ?(Li(ai+1-ai))+(w(ti+1-ti)ctgd-ti+1-ti2Hsec2d(di+1-di))2

双经纬仪测风是在已知基线长度的两端，架设两架经纬仪同步观测，分别读出气球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。 2.单经纬仪测风的优缺点有哪些？ 优点：测量简单，节省人力；

缺点：有上升下沉气流时，会使气球上升速度偏大或偏小，并且气球本身上升速度在不同高度有变化。 3.双经纬仪平面投影法在什么情况下不能使用？ 水平投影法计算球高的公式为：

bsin?tan?bsin?tan??sin?sin(???)

bsin?tan?bsin?tan?H???sin?sin(???)H??

32

由此推出

?H?2???tan?1????tan?1?????????????H?sin2??H?H??tan?1????tan?1?????????????2??sin2?

在实际工作中，要求球高计算值的最大相对误差不能超过实际球高的5%。因此，在观测中出现以下三种情况之一就不能使用水平面投影法： ①.

?(或?)?358或?(或?)?2；

②. ????4或????176； ③.

?(或?)?88或?(或?)?2。

4.双经纬仪垂直面投影法在三种情况下的球高计算公式。

A点对P的仰角为?、P′的仰角为?′；B点对P的仰角为?、P′的仰角为?′。B点对A的仰角以?表示。AB长已知，记为C。

'''在?APA?AP'sin?' P中，H??P'PA''?B??BPsin? 在?BPBP中，H??PP''1) P到基线的垂线交基线于A、B之间

如图，在AP′B中，应用正弦定理得

33

AP'CBP'??'?'''sin(???)sin[180?(???)]sin(???)

所以有

Csin(????)sin????sin(???)Csin(????)??BP'sin?'?H??P?PBsin????sin(???)

H??P'PA'?AP'sin?'?2) P到基线的垂线交基线于A的外侧

如图，在AP′B中，应用正弦定理得

AP'CBP' ??sin(?'??)sin(?'??')sin(180???'??)所以有

Csin(????)sin??sin(?????)

?Csin(???)??BP'sin?'?H??P?PBsin??sin(?????)H??P'PA'?AP'sin?'?3) P到基线的垂线交基线于B的外侧 图与2)类似，在AP′B中，应用正弦定理得

AP'CBP' ??sin[180??(?'??)]sin(?'??')sin(?'??)所以有

34

Csin(????)sin??sin(?????)

?Csin(???)??BP'sin?'?H??P?PBsin??sin(?????)H??P'PA'?AP'sin?'?5.探空气球的上升公式为：

CD?r2?1/212Aw?[1?exp(?z)],

rCD??mCD?r2?1/2z)]?0.96 若[1?exp(?m时，等速上升，求此时高度，如果预定200m/min，求此高度的升速(m=40g , r=30cm , P=1.25kg/m3 , CD=0.4 , A=188g )

CD?r2?1/2z)]?0.96 解：①由于[1?exp(?mCD?r2?z)=0.078 得exp(?mCD?r2?z=-2.55 ?m z=

2.55*40g2.55m= =0.724m

CD?r2?0.4?*(0.3m)2*1.25kg/m3CD?r2?1/212A②w?[1?exp(?z)]=200*0.96m/s=192m/s

rCD??m6.有一球的附加物重13g，灌w=100m/min的气球，P=780mmHg，T=-10C，查出A，如果平衡器20g，需要多少砝码

解：P=780mmHg，T=-10 C, w=100m/min,

查表得：w0=102m/min 又由于B=13g 查表得：A=14g

由于平衡器重20g，因此 砝码重为14+13-20=7g 答：需要7 g重的砝码。

7.B=40g，w=200m/s，P=770mmHg，T=10C，查出A，平衡器150g，需要多少砝码，步骤？

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解：①w=200m/s，P=770mmHg，T=10C

查表得：A=202m/min 又由于B=40g 查表得：A=190g 平衡器150g

故砝码重为40g+190g-150g=80g ②步骤

（1）观测气压P,温度T；

（2）由P、T、w查标准密度升速值w0； （3）查出净举力A；

（4）A+B（球皮及附加物重）=平衡器重+砝码

（5）灌球到气球在空中平衡为止，即得到一规定升速的气球。

第10章 辐射能的观测

1． 气象辐射能的测量项目有那些？ 短波辐射：

（1）太阳短波辐射通量

太阳直接辐射S：垂直于太阳入射光的辐射通量。 （2）水平面太阳直接辐射

S'?Ssinh?Scosz h=太阳高度角 z=天顶矩 （3）散射辐射D：

太阳辐射经过大气或云的散射，以短波形式到达地面的辐射通量。

（4）总辐射 Q

太阳直接辐射S′和天空散射辐射D到达水平面的总量，即： Q=S′+D

白天太阳被云遮蔽时， Q=D，夜间Q=0 （5）短波反射辐射 Rk

总辐射到达地面后被下垫面（地表）向上反射的那部分短波辐射分量Rk ；下垫面的反射率表示

为： Ak=Rk/Q

地球长波辐射通量

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（1） 大气长波辐射通量L↓，也称大气逆辐射；

L???a?Ta4 (10.4)

?a为大气的比辐射率；?斯蒂芬-波尔兹曼常数； 为大气温度。

（2）地表长波辐射通量L↑

L???s?Ts4 ?s为地表的比辐射率；?斯蒂芬-波尔兹曼常数；T为地表的温度。

s（3）全辐射

短波辐射和长波辐射之和，称为全辐射。

净辐射（辐射平衡）

向下的短波辐射、长波辐射之和与向上的短波辐射、长波辐射之和的差值，即

Rn?(Q??L?)?(Q??L?)?S'?D?L??Rk??L?

夜间，短波辐射为0，则：2．简述热电型辐射表的原理。

Rn?L??L?

当感应面接收到辐射热能，并达到热平衡后，辐照度为：

R??1???ER?H?T1?T2??L?T1?Ta??f?v? （1）

式中：ER为入射辐射； 为感应面的吸收率；

WmK H为传导到冷端的传导系数（ ）； WmK L为传导到空气的传导系数（ ）；

f(v)是对流损失的热量； T1为感热面的温度（热端）； T2为冷端温度； Ta为空气的温度。

如果采取感应面加玻璃罩封闭措施，使得罩内风速v=0，则，F(v)=0。并假设T2=Ta,同时H，L， 对一个仪器是固定不变的，（1)可改写为：

?2?1?2?1R?H?L??T1?T2??A?T1?T2? ? （2）

其中A?

H?L此时辐照度R的大小，取决于冷热端的温差（T2-T1）。冷热端温差使n对热电偶产生的电动势为：

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V?nE0?T1?T2? （3）

???V?nE0??R?KRH?L??将（2)代入（3 )式得： （4）

（4）式表明辐照度越强，辐射表热电堆的温差就越大，输出的电动势也就越大，它们的关系基本上是线性的。因此，测量辐射输出电动势的大小，就可测定辐照度的强弱。

第11章 降水和蒸发的观测

1．我国气象台站降水观测包括哪三个要素？它们的单位是什么？

降水量：降落在地面上未经蒸发、渗透或流失的液态或固态降水的积水量。以积水的深度表示，单位为mm，取一位小数。

降水时数：降水持续的时间，以h,min为单位。 降水强度：单位时间内的降水量，以mm/h为单位。 2．降水观测的仪器主要有哪三种？简述测量原理？

降水观测的仪器主要有雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计。 雨量器原理：

包括：

（1）雨量筒：用于承接降水量； （2）雨量杯：用于测量降水量；

若承接口的半径为R，量杯的半径为r，则降水量1mm时，在量杯中应为hmm，即：

R2 h?2

r我国现用的雨量器R=10cm,r=2cm。由此可知，桶内积水深度为1mm时，量杯内水深为25mm，因此，可将量杯上每2.5mm刻制一条线，代表降水量为0.1mm。

虹吸式雨量计的测量原理

包括：承接口、漏斗、自记系统（自计钟、自记纸、自记笔）、浮子、浮子室、虹吸管、盛水器等。当有液体降水时，降水从承接口经漏斗进入浮子室。浮子室是一个圆桶容器，内装浮子，外接虹吸管，降水使浮子上升，带动自记笔在钟筒自记纸上画出记录曲线。当自记笔尖升到自记纸刻度的10mm时，浮子室内的水恰好上升到虹吸管顶端，虹吸管开始迅速排水，使自记笔尖回到刻度“0”线，重新开始记录。因此，自记曲线的坡度可以表示降水强度。

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翻斗式雨量计的测量原理

翻斗式雨量计由感应器、记录器、电源组成;

感应器安装在室外，由承接器、上翻斗、计量翻斗、 计数翻斗、干簧管组成; 记录器安装在室内由:计数器、记录系统、电路控制系统组成;

感应器的工作过程是,承接器中收集的降水通过漏斗进入上翻斗,当降水积到一定量时,由于水的重力作用,使翻斗翻转,使降水进入汇集漏斗。由汇集漏斗进入计量翻斗，当计量翻斗中的降水量为0.1mm时，计量翻斗将降水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻转1次。

计数翻斗翻转时，与它相联的磁钢对干簧管扫描一次。干簧管因磁化而瞬时闭合一次，这样，降水量每达到0.1mm，就送出一个开关信号，通过记录器在记录纸上记下0.1mm的降水量。即：

降水→承接器→上翻斗→汇集漏斗→计量翻斗→计数翻斗翻转一次→送出一个信号→记录一个0.1mm的降水量。

3、蒸发量观测的仪器有哪些？简述E601蒸发器和Lysimeter 蒸散量测定仪的测量原理？

蒸发量观测的仪器有小型蒸发器；E601蒸发器；Lysimeter 蒸散量测量仪（蒸渗仪）。 E601蒸发器的测量原理：

主要由：蒸发桶、水圈、溢流筒、测针组成；

蒸发桶器口面积为3000cm2。在桶壁上开有溢流孔，用胶管与溢流孔相连，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。桶涂成白色，以减少太阳辐射。水圈是装置在蒸发桶外围的套，用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。测针用于测量蒸发器内的水面高度。

观测时，调整测针与水面相切，从游标尺上读出水面高度，读数可精确到0.1mm，则： 蒸发量=前一日水面高度+降水量-测量时水面高度 其中降水量以雨量器的观测值为准。 Lysimeter 蒸散量测定仪的测量原理：

土壤表面与植被系统的蒸散量的测量是较复杂的。包括土壤表面的蒸发、植被的蒸腾等，它们与土壤含水量、水的径流、渗漏及大气的温度、湿度和风速有关。

蒸散量=当日土柱重量-前日土柱重量-降水量-浇灌量 若降水量=0；浇灌量=0，则：

蒸散量=当日土柱重量-前日土柱重量

第12章 自动气象观测系统

1．为什么要研制自动气象站？

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研制自动气象站是经济发展，社会发展，行业发展的要求。对于旅游业，重大活动等都有很大的帮助。另外这对于气象行业是一次革命，使整个行业网络化，自动化。 2． 动气象站主要有哪几种？

主要有无人自动气象站，有线遥测自动气象站，长期自动气候观测站。 3． 自动气象站主要测量要素有哪些？

主要测量要素有：气温、地温、湿度、气压、风向、风速、雨量、辐射 4． 自动气象站数据时如何传递的?

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自动气象站由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站，一般由传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、电源等部分组成。变换器将传感器感应的气象参数转换成电信号（比如电压、电流、频率等）；数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再转换成对应的气象要素值。经过处理的气象要素数据按规定的格式编排，经资料发送装置用有线或无线方式传给用户，或存贮在介质上，由用户定期回收。电源是为气象站正常工作提供动力的，在野外通常使用太阳能电池。整个系统由一部微机自动管理。

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