仪器与观测方法指南复习点讲解.docx

1、仪器与观测方法指南复习点讲解仪器与观测方法指南复习点（本人亲自整理的笔记，请大家仅作参考，勿外传，以免误导）1. 在本指南中，除另有说明外，当采用统计方法表示时，不确定度是，即置信水平为95%。2. 观测资料所需要的密度或分辨率，与分析和应用相适应的各种现象的时间和空间尺度两者均有关。WMO（1981a）对气象现象的水平尺度分类如下：（a） 小尺度（小于100km），例如雷暴、局地风、龙卷；（b） 中尺度（100-1000km），例如锋面，云团；（c） 大尺度（1000-5000km）例如低压，反气旋；（d） 行星尺度（大于5000mk），例如高空对流层长波。3. 任何此类障碍（包括栅栏）离雨

2、量器承水口上边沿的距离，应不小于障碍物高度的两倍，最好四倍于此高度4. 非常开阔的测点对大多数仪器来说是符合要求的，而对雨量器来说就不合适。因为此类测点，除微风以外会减少截获的降水，一定程度的屏障是需要的；5. 气象站海拔高度定义为安装雨量器的地面距平均海平面的高度。或者假如无雨量器计，则定义为温度表百叶箱下方地面的平均海拔高度。假如既无雨量计器，又无百叶箱，则定义为该站附近地带的平均海拔高度。6. 校准（Calibration）：在规定条件下，为建立测量仪器或测量系统或实物量具的指南值与相应的已知物理量值的关系的全部工作。7. 通常，区域基准由区域协会指定，国家基准由各成员国指定。除非特别说

3、明，作为区域的和国家的基准指定的仪器应该藉助于移动式标准器至少每5年比对一次。8. 比对应在不同设计（或工作原理）的业务用仪器之间进行，以确保测量在时间和空间上的同一性。9. 气象上应用下列常数：（a） 标准状态下冰点的绝对温度；（b） 水三相点的绝对温度；（c） 标准重力；10. 修正值（Correction）：在未修正的测量结果上加上的代数值，以作为对系统误差的补偿。11. 灵敏度（Sensitivity）：测量仪器的响应变化除以相应的激励变化。12. 分辨率（Resolution）：指示器件对被指示量的紧密相邻值作有意义地辨别的能力的定量表示。13. 滞差（Hysteresis）：测量仪

4、器对确定的激励作用的响应特性，表现为与先前的激励结果有关。14. 稳定度（仪器的稳定性）Stability (of an instrument)：仪器维持计量特性随时间不变的能力。15. 飘移（Drift）：测量仪器的计量特性随时间的缓慢变化。16. 响应时间（Response time）：激励受到规定的突变时间与响应到达并保持在其规定的最后稳定值时刻的时间间隔。17. 任何测量结果可认为由两部分组成；信号与噪声。信号构成测定量。而噪声是不相干的部分18. 以开尔文（K）为单位的热力学温度（T）是基本温度。开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16。由公式（2.1）定义的摄氏温度（t）用

5、于大多数气象目的。 （2.1）温差一摄氏度（）等于一开尔文（K）。19. 通常，如果在温度表量程内各选择点（如0，10，20）的误差都在0.05K以内，就无需作修正，这样无论是在自然通风百叶箱中的普通温度表，或者是最高、最低、土壤或最低草温温度表都可以直接使用。如果在这些选择点的误差大于0.05K，则应在读数处给观测员提供一张修正值表，并明确说明如何进行修正。19. 对于水银气压表来说时间常数不重要。20. 越来越多的应用还需要风的变动性（即风的阵性）的资料。为此目的，需要用到三个量，即阵风的峰值、风速和风向的标准偏差。标准偏差（Standard deviation），即：式中的是与时间有关的

6、信号（即水平风速），而上面带横线的（即）是其时间平均值。标准偏差是用来表征某一特定信号的脉动大小。阵风峰值（Peak gust）：在规定的时间间隔内观测到的最大风速。在每小时的天气报告中，阵风峰值就作为前一整小时的风的极值。21. 在北极点1以内或在南极点1以内的站上的风向应按照电码手册（WMO，1995）的电码表（Code Table）0878作报告（其方位环必须对准，使其零位与格林威治的0子午线重合）。22. 对于大多数风杯传感器和螺旋桨传感器，加速时的响应比减速时的响应快，因此，这些旋转器的平均速度会过高的估计实际的平均风速。23. 通常，雨量器离障碍物的距离应大于障碍物与雨量器受水口高

7、度差的两倍以上。对液态降水，采用与地面齐平的雨量器可以有效地减少风的影响和场地对风的影响，或采用下列方法使气流在雨量器受水口上方水平流动。受水口的面积，其误差应不大于0.5%，集水器的设计应当防止水的溅入或溅出，对此可以通过足够深的垂直壁和倾斜角度足够大的漏斗（至少45）来达到。对大多数雨量器而言，风速是造成固体降水量少测的最主要的环境因素。沾湿误差是人工观测的雨量器的另一种累积系统误差。平均沾湿误差每次观测可达到0.2mm。24. 臭氧在大气中的混合比超过0.5ppm，这种气体对大气辐射能量平衡有重要的作用，是一种调节地球表面得到的净辐射的重要因素。大部分臭氧都在平流层。由于臭氧的存在导致平

8、流层逆温现象，并且使温度在平流层顶达到最高。25. 土壤湿度的测量可用土壤含水量与土壤湿度位势的测定来表示。土壤含水量反映了土壤中水的质量与体积，而土壤湿度位势则反映土壤水分能量状态。26. 大气变量如风、温度、气压和湿度都是四维函数（两个水平的，一个垂直的和一个时间）。27. 取样函数（Sampling function）或权重函数（Weight function）最简单的定义是各个样本的平均算法或过滤算法。28. 级数据，一般是与地理坐标有关的、由相当物理单位表示的仪器读数。它们需要转化成标准的气象变量（参见第一编第1章）。级数据大多来自于电信号(如电压)的处理，称为原始数据。例如，卫星辐

9、射率和水汽压。级数据称为气象参数。它们可直接来自于仪器（如许多简单仪器场合），或级数据导出。例如，传感器不能测量能见度（它是级数据），但是，传感器能测量消光系统，这是一个级数据。级数据是那些内部格式一致的数据集，一般为格点形式。它们不在本指南的讨论范围之内。国际数据交换采用级数据或级数据。世界气象组织（WMO）仪器WMO（1981a）对气象现象的水尺度分类如下：（a） 小尺度（小于100km），例如雷暴、局地风、龙卷；（b） 中尺度（1001000km），例如锋面，云团；（c） 大尺度（10005000km）例如低压，反气旋；（d） 行星尺度（大于5000km），例如高空对流层长波。气象观测根

10、据其用途应使之具有代表性。使用良好的仪器系统同进行正确操作可达到所规定的准确度。仪器变更和同一性当把他们用于测点气候条件下进行业务观测时，新仪器会引入该点气候值明显的变化。为了防范出现这种变化，在老的测量系统退役前，必须对新仪器进行相当长时间（至少1年）的对比观测。当测点变更时，则要进行同样的对比观测。气象仪器最重要的要求是：（a） 准确度（对于某一特定变量，按照规定的要求）；（b） 可靠性；（c） 操作与维护方便；（d） 设计简单（符合要求）；（e） 耐久性。通常仪器的初始校准与设想输出之间会出现一定的偏差。修正值应与仪器共同保存在观测站上，并明确指导观测员具体使用。国家基准：经国家承认使用

11、的标准器，在国内，用它作为有关量的其他标准定植的根据。工作标准：日常用以校准或检验实物量具、测量仪器或标准物质的标准器。校准：在规定条件下，为建立测量仪器或测量系统或实物量具的指定值与相应的已知物理量值的关系的全部工作。气象部门业务上使用的仪器应该定期与国家基准直接或间接地对比。在气象部门内部的仪器比对，只要有可能应在仪器发往气象站去的那时进行。水三相点的绝对温度T=273.16K。在气象学中，确立一个真值是困难的。对设计得好的现场仪器比对，可以确定仪器的特性，以使对上述（a）至（e）各阶段产生的不确定度给出好的估计。真值：一个与给定量的定义值相一致的值。真值实质上是无法决定的。重复性：在同样

12、的测量条件下，对同一被测的量进行多次测量的结果之间相一致的程度。可重复性条件包括：（a） 相同的测量程序；（b） 同一个观测者；（c） 在同样的条件下（包括天气）使用相同的测量仪器；（d） 同一地点；（e） 在短时间内重复测量。不确定度：与测量结果有关的一种变量，用它表征为可合理地归因于被测量的测量值的离散。误差：测量的结果减去被测量的真值。修正值：在未修正的测量结果上加上的代数值，以作为对系统误差的补偿。灵敏度：测量仪器的响应变化除以相应的激励变化。稳定度（仪器的稳定性）：仪器维持计量特性随时间不变的能力。漂移：测量仪器的计量特性随时间的缓慢变化。滞后误差：由于观测仪器的有限响应时间而使一组

13、测量可能具有误差。精密度 与标准偏差（符号第12页）有关。如果标准偏差小，那么业务观测可以在狭窄系统计限区内再现。假如标准偏差大，虽然观测也可以再现，但仅能在统计限区内再现，可以认为这样的测量是不精确的。当观测数n大时，样本平均值的分布属于高斯型（即正态分布校注），甚至观测误差本身不是高斯分布时也是如此。平均值的真值可望落入下式所得出的限区内： （公式第13页）估计真值补充说明日照、能见度、湿度和云幕高度的分布，并不是高斯型。温度是决定两个物体之间净热流方向的条件。以开尔文（K）为单位的热力学温度（T）是基本温度。开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16。 t=T-273.160K温度

14、下，任何物质的分子不再具有动能。摄氏度气象学需要测量的温度只要有：（a） 近地面气温；（b） 地表温度；（c） 不同深度的土壤温度；（d） 海面和湖面的温度；（e） 高空气温。所有的温度测量仪器都应当有符合准确要求或性能规格的证书，或者是有满足准确度要求的修正值的校准证书。国家气象部门拥有一个溯源国家基准的高级别铂电阻温度表作为工作标准。这个温度的表的准确度可以在一个水的三相点槽中定期检验。 其不确定度为（公式第23页）。普通（气象站）温度表这是在所有气象温度表中最准确的仪器，通常采用玻璃水银温度表。其刻度间隔为0.2摄氏度或0.5摄氏度，量程要比其他气象温度表大。普通温度表安置在百叶箱内避免

15、辐射误差。一对普通温度表可用作干湿表。为了测量深度大于20cm的温度，建议使用装在木质、玻璃或塑料套管中的玻璃水银温度表，其球部埋入蜡内或含金属的涂料中。使用垂直钢管的方法来测量土壤特别是干燥土壤的温度日变化是不合适的，用这种测量方法来计算土壤热力性质会带来重大的误差。温度表必须尽快读数，以避免由于观测员在场而使温度变化。一个直接暴露于天空之下并正好处于短草之上的温度表在整个夜间达到的最低温度就是最低草温。农业气象站要连续记录土壤温度和贴近该土壤的气层中各高度上的气温。极端温度表安放在适当的支架上，使其与水平面有一个大约2度的倾斜角，球部略低。酒精温度表中使用的液体的膨胀系数远比水银的大，而其

16、凝固点要比水银的低。最低温度表使用酒精，是因为酒精无色而且膨胀系数大，这样可以采用内径较大的表柱。酒精在玻璃上附着。温度急剧下降时，有一部分液体可能还附着在表柱内壁上，引起温度表读数偏低。温度表的实验室校准必须由国家测试机构或经认可的校准实验来实施。测量应该充分，以确保所用的修正值能代表温度表在正常条件下的性能，而任何中间点的内插值引起的误差，不会超出非系统性误差。所有玻璃液体温度表都要经历零点的渐变。检查前应在室温下至少垂直放置24小时。冰点的检查 温度表应该插好使其水银或酒精柱露出冰块的部分为最少。液柱断开 为使断开的液柱接合，1，可手持温度表，球部向下，并且轻而急速地用手指或其他某种有弹

17、性、不太硬的东西轻击。2，使球部在冰与盐的冷冻混合物中冷却。双金属元件应适当防锈。为提高读数的分辨率，温度计通常装有一到两种量程不同的记录纸，在不同的季节使用。电测温度表能够提供适用于温度数据遥测显示、记录、存储或传送的信号输出。纯金属电阻的增加正比于温度变化（公式第29页）纯铂金最能满足一个好的金属电阻温度表的要求，因此把它用在地区间传递国际温标ITS90所需要的一级标准温度表。气象用的实用温度表，通常都是由铂合金、镍或铜（偶尔用钨）制成。电测温度表如果用作草面（或其他表面）最低温度表，其所测的值与相同条件下安装的普通温度表所测的值是不一样的。将点测温度表放在一个玻璃套里可以减少这种差异。电

18、测温度表的实验室校准和外场检查的基本技术，与玻璃液体温度表是一样的。确切来源的判定和误差修正需要专门的设备和培训，只能由维护技术人员来做。百叶箱的大小和结构应当是既能保持其热容量尽可能低，又使得仪器与四壁之间有足够的空间。在整个百叶箱内自由流通的空气使得内层箱壁的温度适应环境空气的变化，内层箱壁对温度表温度的影响就减少了。水的固相、液相和气相间的平衡（水的三相点） 273.16K 0.01摄氏度（第35页）气压场分析是气象科学的基本需要。绝对有必要把气压场看成是大气状态的所有预报产品的基础。业务站网用的气压表经过标准气压表的校准之后，其器差可知并容许其性能不低于下列标准：在1000hPa点的最

19、大允许误差：0.3hPa仪器必须定期使用经批准的方法用（工作）标准气压表校准。一般认为，水银有好的长期稳定性和准确度，但现在人们正转向具有相同准确度和非常容易读数的电子气压表。对读数应进行所有已知影响量的修正；进行这些修正的观测必须了解每项修正的重要性，以确保所施加的修正是正确的，不会导致读数准确度变差。水银气压表进行观测，必须用手指在弯月面附近和靠近槽部两出轻叩几下，目的是使水银面保持稳定状态。气压表读数修正到标准状态（a） 器差修正；（b） 重力修正；（c） 温度修正。洒落的水银应立即清除掉。操作员应戴上PVC手套或防护手套、防护镜，如果洒落的量很大，还应戴上有水银蒸汽滤芯的防毒面具。电子

20、气压表保证定时校准数字气压表。电子气压表的准确度取决于校准准确度、气压表温度补偿的效果以及气压表校准值的漂移。校准值漂移是电子气压表的关键误差源之一。仪器在新的时候常常是漂移较大，随着时间的推移，漂移就减小。校准值也就会发生步进式的跃变。空盒气压表在读数时的放置状态必须与校准时的放置状态（水平放置）一致。在读数之前要先轻击仪器，读数要准确到0.1hPa。当需要用气压计测量气压绝对值时，其记录应与水银气压表或好的空盒气压表的修正后读数比对，至少每24小时比对一次，并用内插法求出所需要的数值。水银气压表的安装可采用某些能给水银柱弯月面提供白色微亮背景的照明器。气压计的安装重要的一点是，仪器放置时要

21、使仪器正面的高度合适，以便在正常操作情况下便于用眼睛读数。一级标准或二级标准气压表，能独立地测定气压值，准确度不低于0.05hPa；工作标准气压表，适用于日常的气压表比对，经与一级标准或二级标准气压表比对并已知其误差。为了使各国气象表修正工作在相同的基础上进行，所用装备的质量、比对的频率、要遵循的步骤、器差修正的容许变化量和补救措施的规定。一个可靠的移动式标准气压表在移运工程中必须使其器差修正值的变化量不超过0.1hPa。所有气象站都应当能够以合理的准确度把观测到的气压值修正到平均海平面。（公式第54页）相对湿度U：在相同的温度与气压下所观测到的水汽压与相对水面的饱和水汽压之比的百分数。相对湿

22、度U（单位为%）安装测湿传感器的一般要求与安装测温传感器的要求相似，必须有一个固定的百叶箱。（a） 必须能避开太阳直射、大气污染物、雨和风的影响；（b） 必须防止在传感器所处的结构中或取样装置中产生局部的微气候，应该注意到木质和合成材料都会随大气温度的变化而吸收或释放水汽。不同类型的测湿传感器具有各不同的敏感性，甚至每个传感器都会各自不同。测湿传感器的时间常数表示测湿传感器对于湿度阶跃变化的影响程度应该符合某一已知函数。湿球纱布套湿球通常都采用一块棉纱布或类似的纺织品紧紧的贴在感应元件的四周，使其保持着一层均匀的水套，水可以直接注入或者以毛细管方式从贮水器中引出。棉纱布或湿球布套上有任何污染均

23、应予以更换。低于冰点时干湿表很难操作，但是，在遇到这种情况时仍需使用干湿表。当稳球温度低于0摄氏度时棉纱布就不能以其毛细作用将水从贮水器引送到湿球纱布套上。当湿球被冰膜或过冷却水裹住时，可分别使用各自不同的查算表。干湿表方法的误差来源（a） 温度表的示值误差：在干湿表方法的测量中，非常重要的一点就是要知道温度表在其实际的测温范围内的示值误差，以便在应用湿度查算表之前可以将所有读数予以修正。（b） 温度表的滞后系数；（c） 与通风有关的误差；（d） 由于湿球上有过量的冰壳而引起的误差；（e） 由于湿球纱布套受污染或用了不纯净的水而引起的误差；（f） 因温度表表身对湿球球部的热传导而引起的误差。观

24、测步骤可总结如下：（a） 润湿湿球；（b） 给通风器上发条（或启动电机）；（c） 等23分钟或者等到湿球读数趋稳时；（d） 读干球温度表；（e） 读湿球温度表；（f） 检查干球温度表的读数。校准通风系统必须定期检查。温度表的校准也要定期检查。一个良好的湿度计应能在3分钟内指示出温度突然变化量的90%。最常用的毛发仪器是毛发湿度计。空气中的湿度变化是很快的，固此，在毛发湿度计上做时间记号是很重要的，做记号时只能使笔杆向降低湿度的方向拨动。这样做可以使毛发得以松弛。记录笔不能回到原来的位置上，那就证明已受到滞差的作用。毛发湿度计在干燥空气中放置很久，也会引起零位变化，但若将仪器在饱和的大气中放置足

25、够长的时间后，这种变化就会消除。稳定状态下可采用干湿表与之进行比对。准确的校准只有在采用环境实验箱并与标准仪器比对的条件下进行。电容湿度表这种湿度表传感器的主要部分是夹在两个电极之间的聚合物膜所构成的电容器。用于自动气象站。校准野外校准。饱和盐类液广泛应用于湿度测量中。安全使用。仪器应当送到经过人证的实验室进行校准，并给出仪器全量程的不确定度。这种校准必须直接与基准溯源，并在合适的时间间隔内进行再校准。饱和盐类溶液盛有各种合适的盐类饱和溶液的器皿可以用于检定相对湿度测量传感器。溶液表面的面积必须比传感器的面积大，溶液上方的空气应是封闭的，以便较快地达到平衡；被测试传感器的插入部分应当是气密的。

26、多数的盐类都有较明显的温度系数，所以，装溶液的器皿必须保持恒温并测量其温度。使用盐类饱和溶液必须小心谨慎。凡是接触溶液的人员都应知道盐类溶液的毒性和腐蚀性。虽然使用盐类饱和溶液可以为一些相对湿度传感器的调整提供简单方法，但是这种发放还不能作为是对传感器的溯源性检定。相对湿度（公式第84页）通常，地面风用风标和风杯（或螺旋桨）测风表来测量。对于风速传感器，可以达到的且又令人满意的特征是：量程：（数字第页）线性：（数字第页）响应长度：2m对于风向标分辨率：度（即：角编码器bit）坚持大约s的阵风相当于在强风条件下m的“风程”（即持续时间乘以风速的平均值），这就足够把普通大小的建筑结构加以席卷并使之

27、暴露在可能的破坏性阵风的完全载荷之中。只有在风洞中才有可能对风杯风速表、螺旋桨风速表和风向标进行全面有效的校准。风洞实验对特殊项目或新型仪器的型式实验都是很有用的。降水的单位是长度单位。对液态降水通常以毫米为单位。雨量器是测量降水最常用的仪器。降水的点测量结果是进行区域分析的基本数据源。选择测雨区内降水站的位置很重要。这是因为雨量器的场地位置和雨量器的数量决定了其测量结果对该地区真实降水量具有很大程度的代表性问题。校准还包括对量筒或量尺的容量值检查。对大多数雨量器的数据调整的一般模式采用以下形式：（公式第页）降水量自动记录比人工观测有更好的时间分辨率，而且也能减少蒸发和沾湿误差。翻斗式雨量计。

28、翻斗式雨量计使用于降雨率和降雨累计总量的测定，降雨率的测定可达200mm每小时甚至更高。翻斗式雨量计适合于数字化方法，对自动天气站特别方便。大雨时翻斗翻转的水损失，虽能减少但无法根除。通常设计的翻斗，其暴露的水面于其容积相比较大，导致水分蒸发的损失明显，特别是在炎热地区。在毛毛细雨或很小的情形下，记录的不连续性无法提供满意的数据，特别是降雨起止时间无法准确界定。雨水可能附着于斗壁和斗边上，导致斗内残存水，翻转动作就需要克服这额外重量。从漏斗流入承水斗的水流可能导致略高的读数。由于雨量计的水平状态未调整好，一起极易产生摩擦和使斗处于非正常平衡状态。冷冻降水形成的积冰称为雨凇，这种形态的冰最具破坏

29、性。降雪深度。在开阔地上的新雪深度用有刻度的直尺或标尺作直接测量。在出现大面积吹雪的地方，需要作很多次的测量以得到有代表性的深度。辐射测量用于以下目的：（a） 研究地球大气系统中的能量转换及其随时间和空间的变化；（b） 分析大气成分中诸如气溶胶、水汽、臭氧等的特性和分布；（c） 研究放射、出射和净辐射的分布和变化；（d） 满足生物学、医学、农业、建筑业和工业对辐射的需要；（e） 卫星辐射测量和算法的检验。按照辐射来源可把辐射量分为两类，即太阳辐射和地球辐射。因为太阳辐射和地球辐射的光谱分布重叠很少。所以在测量和计算中经常把他们分别处理。气象学把这两种辐射的总和称作全辐射。波长短于400nm的辐

30、射称作紫外辐射，而长于800nm的称作红外辐射。直接太阳辐射用直接辐射表来测量。通常有一瞄准装置，当接受表面正确地垂直于太阳直射光束时，瞄准装置中有一小光点正落在目标靶中心的标志上。连续不断的测量就应当使用自动跟踪太阳装置。国际直接辐射表比对所采取的方法使用下面的公式（公式第118页）太阳辐照度测量值的准确度很大程度上依赖于电流测量装置的性能。直接辐射表的校准。除绝对直接辐射表外，所有直接辐射表都需要通过与绝对直接辐射表的比对进行校准，校准时都用太阳作为辐射源。绝对直接辐射表也必须使用一个与世界标准组比对后定出的系数。用直接辐射表或太阳光度计进行连续记录时，需要防雨、雪等。例如，通常用石英制作

31、的光学窗置于仪器的前端。必须注意保证这样的光学窗的清洁。水平表面从2球面度立体角接受的太阳辐射，称为总辐射。用太阳作为辐射源，与标准直接辐射表比对，此时总辐射表应有一可移动的遮光盘。用太阳作为辐射源，在其他的自然的暴露状态下（例如，均匀的多云天空），与标准总辐射表比对。遮挡的与不遮挡的总辐射表输出之间的差，就是直接辐射表测量得直接太阳辐射的垂直分量S在水平面上的投影。（公式第123页）用标准总辐射表进行比对。都可用来计算(公式第123页)安装总辐射表的位置必须选择在其感应元件的平面以上无任何障碍物的地方。台座或平台必须足够坚固，以确保仪器不受剧烈振动并且不会改变仪器接受表面的水平状态，特别是在有大风的时候。使用有屏蔽的电缆。测量散射辐射时的总辐射表的安装。为了单独测量和记录天空辐射，必须借助于一遮光装置把太阳直接辐射从传感器上遮蔽。测量反射辐射的总辐射表的安装。在地面