《气象仪器和观测方法指南》第六版第21章 海洋观测.docx

1、气象仪器和观测方法指南第六版第21章 海洋观测第21章 海洋观测21.1概述最广定义的海洋观测涵盖所有在海气界面间，海面以下及海面以上的大气（高空观测）的和与之有关的环境的观测，从海洋站进行的观测详细的、正规的要求参见WMO（1981b）。对要求及程序的建议见WMO（1982）。本章，我们考虑的是在海气界面上的观测，也包括在其他章叙述过的通常也在陆面上进行的观测。我们也考虑对某些海洋物理学及物理海洋学的次表层的重要测量，在海洋上高层大气的测量方法基本上与陆地上空的一样。本章不考虑。波浪的测量及观测在本指南的其他章没有叙述。目测方法在21.2.12节中讨论，自动方法在21.3节中叙述，虽然这些方

2、法也用在其他类型的平台上。观测可以在固定的或移动的平台上进行，用地面或空间为基地的技术进行现场或遥感。现场方法基本上是在能代表周围海域的单点进行观测，与天气学要求一样。遥感技术能获得大面积或大容量的代表性，特别适用于海冰观测。现场测量这些测量或观测是从各种平台上作出的。它们包括自愿观测船队（VOF、在自愿观测计划中叫VOP、海洋气象站（OWS）、有人及无人灯塔、锚定浮标、漂流浮标、塔、油气平台及岛屿自动气象站等。通常平台的类型决定测量要素及报告的范围，因而VOF的船舶主要是用人工观测的方法进行天气学所需要的所有项目的观测（在WMO SHIP电码中规定的项目）。而最简单的漂流浮标可能只报告船位和

3、海面温度。遥感测量海洋测量资料能从地基或空基的遥感系统获得。现在，地基遥感系统可用来观测或测量降水（天气雷达）、近地面风（多普勒雷达）、表面洋流、表面风、及海况（短程的微波雷达、高频的远程雷达，例如超水平遥感）。这些技术在第9章叙述。此外对于遥测技术，及在第7章叙述的闪电定位，也应用于海洋环境。从空间的遥感可用来测量许多海洋表面变量，由于技术进步，从空间平台的遥感可能将提供全球海洋上大量的海况、风及海面温度资料。无论如何，应当注意到，现场测量对增补及校准这些资料仍是必不可少的。空间遥感系统在第8章叙述。21.2船上的观测本节包括详细的进行船上观测及测量的指导及建议。WMO（1991b）是另一方

4、面的指导和建议的来源。分析研究从船上来的观测资料由WMO（1991a）及Wikerson and Earle(1990)给出。21.2.1观测要素承担气象观测任务的船舶，应能观测或测量下列要素并装置应有的仪器：（a）船位；（b）风速和风向；（c）大气压、气压倾向特征及其变量；（d）天气：现在天气和过去天气；（e）云量、云状和云高；（f）能见度；（g）气温；（h）湿度（露点）；（i）降水；（j）海面温度；（k）海上风浪和涌浪：波高、波浪周期和波向；（l）海冰及/或需要时的船上结冰；（m）船的航向和航速；至于这些要素的观测次序，一般来说，因为仪器观测需要使用灯光，所以凡由仪器观测的要素，应排在非仪

5、器观测要素之后进行观测，以利于眼睛适应黑暗环境。除气压外，其它要素的观测都应在基本天气观测的标准观测时间前10分钟内进行，而气压观测值则应恰好在标准观测时间读取。21.2.2需要的仪器适宜船舶使用的仪器如下：（a）精密空盒气压表或船用水银气压表；（b）干湿球温度表；（c）气压计，最好是微压计；（d）海水温度表以及用以获取海水样品的适当容器，或带有遥测指示器的持续浸在海水中的传感器（或接触船壳的传感器）；（e）适宜于船上使用的雨量器。关于风力的观测，尽量用架设在具有代表性部位的风速表代替目视估计。除了在本章下面若干节中谈到的一些修改外，在船上使用的仪器应符合本指南有关章中所提出的要求或建议。提供

6、给船上使用的气象仪器，应先由有关气象部门测试或检查。21.2.3观测时间在船上的地面观测照下列时间进行：（a）天气观测应在主标准时间：0000，0600，1200和1800世界协调时（UTC）进行。如需要外加观测应在中间标准时间0300，0900，1500和2100（UTC）进行一次或数次。（b）当主要标准时间在船上有实际困难不可能进行天气观测时，可以在尽可能接近主标准时间的具体时间进行观测。在特殊情况下观测甚至可以早于主要标准时间一小时，例如这种情况可能发生在为保证海岸无线电台的值班员能在下班前收到传送的电报。在这些情况下观测和实际的时间均应指明。（c）当风暴迫近或盛行时应在主标准时间之外加

7、密观测。（d）当遇到突发性危险天气时，应不管观测的标准时间，立刻进行观测并发报。21.2.4船上自动观测船上用的自动或部分自动观测传输系统已研制出来。采用两种基本操作方式：（a）用人工观测然后输入处理装置（标准的是个人电脑），按需要编码和自动格式化或人工初始化输入；（b）用第一章所述的标准自动气象站方法进行观测。船的位置、航向及航速，从航行系统中取得或者单独从卫星导航系统（GPS）计算出来。这种观测数据可根据通讯设备情况或者完全自动的，或者人工初始化进行传输。卫星通讯系统现在已广泛使用来传播船舶的观测信息。有三种方法可采用：（a）通过气象地球同步卫星（GOES，METEOSAT，GMS）的国际

8、资料收集系统（IDCS），此系统主要由气象机构建立，在预定的时间程序中1小时1次，按全自动传输方式传送资料仅此一个传送通道，其误差率可能比较明显；（b）商用卫星系统，例如INMARSAT，这些系统很可靠并提供二通道通讯，但常需人工起动；（c）Argos系统，这系统主要为定位和资料传送设计的，同时限制在国家海洋大气局（NOAA）极轨卫星的数量及轨道特征内Argos能被用作船舶气象资料的通讯及处理（WMO，1989a）。21.2.5风风向风速的观测可以或者目测或者用风仪或风的自记仪器。安装在船上的仪器应观测10分钟的平均读数。当观测是从走航的船舶上取得时，必需分辨出相对的风和真正的风。对所有气象目

9、的必须报告真正的风，一个简单的向量图或一个表可以用来把观测到的相对的风和船舶的航向航速计算成真风。在实用上这种向量转换常是风报告误差的来源，专用的计算尺及手用计算机，也是好用的。程序可储存在小计算机内，由风速表观测到的风速应该修正到有效高度（WMO，1989b）。21.2.5.1目测目视估计通常以海面的外观为判断依据。风速参考蒲福风力等级表中每一级风力的特征（见表）得出；风向则通过观察海浪的波峰取向，（即风生波的波峰取向而不是涌浪取向。）或被风刮起的浪花的条纹方向来确定。蒲福风级表中各风级的特征指的是开阔海洋的情况，在实用上目测风向质量很好。波浪高度本身并不总是一个可靠的依据，因为它不仅决定于

10、风速，还取决于风的吹程和风的持续时间，取决于浅海的深度和海中出现的涌浪。因此可用蒲福风式风级与海况的关系来估计，但这种关系还要受到几种别的因素的影响。在估计风速时一般必须考虑到的因素是：在风增强与海浪上升之间的滞后，暴雨使风对海面的影响减弱或变缓和；以及强表层流（例如潮流）对海面外观的影响。由于潮流以及陆地构成的屏障影响，海面状况的判据在浅海或在近岸区会变得不大可靠。在这些地点或在海面情况看不见时，船上相对风的蒲福风力可以根据风对声音的影响、对旗帜之类船上目标物和船上烟囱排放的烟等的影响来估计。在后一种情况下，也可估计相对风向，例如通过观察烟囱排烟情况来估计。有了这些估计值，即可据以算出真风的

11、速度和方向。蒲福风力等级表风级术语名称相当风速可用于观测的征象m/skn船上观测（开阔海区）0静风(Calm)00.21海面如镜1软风(Light air)0.31.513海面形成鱼鳞状涟漪，但尚无飞沫状峰顶2轻风(Light breeze)1.63.346小波虽短，但已显著；波峰顶呈玻璃状，但未见破碎3微风(Gentle breeze)3.45.4710出现大的小波，波峰顶开始破碎，有玻璃状飞沫；间或出现白浪4和风(Moderate breeze)5.57.91116小的波浪变成较大的波浪，频繁地出现白浪5清劲风(Fresh breeze)8.010.71721出现更显著的长峰中浪，形成许多

12、白浪（偶尔出现激溅浪花）6强风(Strong breeze)10.813.82227开始形成大浪，白色的波峰飞沫到处可见（可能出现激溅浪花）7疾风(Near gale)13.917.12833风浪涌起，风开始把碎波的白色飞沫吹成沿风向伸展的条纹8大风(Gale)17.220.73440出现长峰大浪，波峰边缘破碎成浪花，飞沫被吹成沿风向伸展的明显条纹9烈风(Strong gale)20.824.44147形成大浪，沿风向形成浓密飞沫条纹，波浪波峰开始卷倒，激溅浪花影响能见度10狂风(Storm)24.528.44855出现长卷峰非常大浪，其所引起的大片飞沫沿风向形成浓白条纹；整个海面呈白色；海面

13、波涛汹涌，咆哮轰呜；能见度受到影响11暴风(Violent storm)28.532.65663出现异常大浪（小的和中等尺度的船舶间或隐没于波浪背后），海面已被沿着风向的长片白色飞沫完全覆盖，波峰顶边缘全都被吹成泡沫，能见度受到影响12飓风(Hurricane)32.764空气中充满飞沫和激溅浪花，推进着的激溅浪花使海面变成白色，能见度受到严重影响21.2.5.2用仪器测量若把测风仪安装在船舶上，要使用风速和风向都能测量的仪器，并要求仪器能把横摇的影响减到最低限度（对风杯风速表和阻尼风向标作适应性设计，能使船的纵摇和横摇只有轻微的影响）。对于船载测风仪器来说，要得到良好的安装位置在多数情况下是

14、困难的。必须使船舶的上部结构、天线杆和桅杆产生的局部影响尽可能地减小，为此应把仪器尽量架设到船的前部，并且要尽可能架设得高一些，如果把仪器安装在桁条上，最好把风速探头和风向探头分立，以使桁条上的重量分布更均匀，而且这样有可能把仪器安装在舷外更远处。不管是安装在桁条上还是安装在固定于前桅的托架上，每一探头的安装位置与桅杆之间的距离至少应是桅杆直径的10倍。如果这一点做不到，一个好的办法是在前桅两侧各装一台仪器，并总是使用暴露状况更好的那台仪器。要是能办得到的话，一般认为前桅顶部是安装测风表的最佳位置。各种类型的轻便风速表间或也用于海上观测。其主要缺点是，这类观测仪器的暴露状况很难具有代表性，实用

15、上它们测出的结果相当分散。只有了解在不同情况下船上气流的特性的观测员，也许能为进行这样的观测选择到最佳的观测位置并获得令人满意的结果。如果风力的目视估计很困难或者不可能，例如，夜间对1、2级风的观测，使用轻便测风仪器进行观测的这种办法可能是有助益的。21.2.6大气压、气压倾向特征及其变量21.2.6.1观测方法气压可用精密空盒气压表或水银气压表测量。在使用水银气压表测量时，应当考虑气压表的“振荡”影响，即水银柱高度的迅速而有规律的变化。对此，读数时应考虑在读取测值时可取两组或三组读数的平均，每组包括水银柱在玻璃管中振荡时达到的最高点和最低点。过去3小时的气压倾向特征和气压变量可由气压计，最好

16、是带有1hPa刻度的微压计得出。作为一个替代办法，气压变量也可由水银气压表在3小时时段的开始和结束时依次得到的读数求出。气压和气压倾向应按hPa和hPa的小数一位报告。21.2.6.2仪器水银气压表实用中已表明在海上合适的安装和操作水银气压表很困难，从而目前很少在船舶上安装水银气压表。船上使用的水银气压表主要是定槽式水银气压表。船用气压表除了具有良好的气象站用气压表的那些要求外，为减少水银柱的振荡，还应当使其受到适当的阻尼。这可以对玻璃管下部和大部分管长的内径加以限制，利用毛细管作用来减振。船用气压表的时间常数可采用下述办法方便地进行估计：使气压表倾斜，直至能达到超过实际气压50hPa以上的读

17、数；然后把气压表恢复到垂直位置，注意上面的气压差值降到超过实际气压18hPa时所需的时间，这段气压回降时间应在4至9分钟之间。空盒气压表和气压计所有空盒气压表应符合第一编第3章提出的一般要求，并应附有给出修正值的检定证书。如果有正值的话，此正值必须用到该仪器的每次读数上去。空盒气压表应能读至0.1hPa，不确定度范围应当不低于0.5hPa，校准误差应能保持在此容差之内至少一年。为避免因阵风或船舶过快移动引起气压急剧变化而造成自记曲线的过大偏差，仪器应增加一个内装阻尼装置，例如能容纳空盒的油浴或与杠杆机构相连的减振器。以阻止因阵风及船上的运动引起的气压快速变化形成宽的笔迹。21.2.6.3安装和

18、管理水银气压表要使得船用气压表的安置情况满足第一编第3章中所提出的那些要求，常常是很困难的。气压表应挂在常平架上，其位置应尽可能接近船的浮体重心，要使仪器可自由地摆动、不易受到过往船员或乘客干扰的地方，而且那里的温度要尽可能地均匀。如果为保护仪器而在不观测时把气压表置于仪器箱内，则请务必注意，在再次进行观测之前，仪器至少应置于自由位置半小时。气压计空盒气压表和气压计应装在减震材料上，其位置应选在最少受冲击、振动和船体的运动影响的地方。一般说来，仪器的位置应尽可能靠近船的浮体重心，才能取得最佳观测结果。安装气压计时，记录笔支臂的取向应与龙骨线正交，以避免记录笔有摆离记录纸之虞。21.2.6.4修

19、正应按规定预先作好准备，以进行下列修正：水银气压表（a）指示误差；（b）仪器的温度；（c）纬度（重力）；（d）换算到海平面。这些修正值可以把附属温度表的温度和纬度结合在一张表内。修正时也可以使用戈尔德（Gold）修正计算尺。这是一种专用的计算尺，附在气压表上并与附属温度表合为一体，一次操作，它就能给出气压表的总修正值，同时也一并完成对海平面的换算。空盒气压表（a）标度误差；（b）换算到海平面；（c）温度（如有相应的修正表的话）。空盒气压表应充分地进行温度补偿，否则就应为它提供一张温度修正表；并配备测量温度的仪器。此外，还应备有海平面气压换算表。21.2.6.5误差源在第一编第3章已讨论过误差，

20、但在船上在气压表的安装地点。风对气压的影响也可能引起显著的误差。把气压表置于密闭箱内，连接至一静压头，这种误差就可减小。水银气压表的另一误差源是当它在自由悬挂时出现的规律性摆动。这种误差的大小取决于悬挂点的位置、气压表的摆动周期以及对于实际垂线的摆动幅度（此幅度比起相对于船的固定垂直轴的摆动幅度要小得多）。装在常平架上的气压表当它作规律性摆动维持相当长的时间（达15分钟或更长）而摆动幅度达到10时，可以现出高达4hPa的过高的读数。不过，若摆动幅度为2时，误差仅约0.2hPa。基于气压表的时间常数，气压表因在船的横摇和纵摇中升降时出现气压变化而引起的涨落是不重要的。对一个无阻尼的水银气压表水银

21、柱弯液面的振荡，在很大程度上起因于船舶的运动使气压表受到的加速度在不断改变。因而在船上，业经一次修正过的无阻尼气压表读数的误差，可能会有从0.2hPa直至某些情况下的几hPa的变化。21.2.6.6用标准仪器校准水银气压表应经常在岸上用标准仪器进行校准（至少每3个月进行1次），并且应在适当的卡片或专门航行日志上永久保存所有这类校准的记录。空盒气压表和气压计应尽可能经常地在岸上用水银气压表或沸点测高表和一些标准仪器进行校准，至少3个月1次。所有这类检验的永久性记录，如果可能的话，应附在仪器上，并且在检验记录中还应包括诸如校准日期、进行校准的处所的气温和气压之类资料。空盒气压表和气压计要尽可能常常

22、校准，这一点特别重要。因为仪器的零点可能漂移，特别当仪器还很新的时候。21.2.7云和天气云和天气的目视观测，应按照陆地站的同样规定进行（见第一编第14章和第15章）。也要参考本章描述降水形态的附录。考虑到海上观测员大多数是志愿观测员，所以还应当提供关于如何进行这些观测的详细说明和观测须知之类资料。云底高度的观测在没有仪器设备可供利用时，就得靠估计。为了提高观测员对云底高度进行估计的能力，应当鼓励他们抓住每次可以按已知高度检查自己的估计能力的机会。例如，当看到一块云的云底遮断一段多山海岸时就可以做这样的检查（尽管在这样的情况下，云底在山上比起在海上或许要低一些）。通常，用探照灯观测云高的方法在

23、船上的利用价值很有限，这是因为船上可用的观测基线很短。那种观测时不需要使用基线的仪器更适合在船上使用，例如，用激光云幕仪测云高（见第一编第15章）。仪器必须安装得使在领航桥楼上值班的高级船员能够操作仪器和读数。21.2.8能见度在海上能见度的观测由于缺乏适当的目标物，不可能具有像陆地站那样的观测准确度。鉴于此在海洋站的天气报告里，通常只需使用粗的电码表。当能见度非常低的时候，在一艘大船上有可能利用船上的目标物来对能见度作出估计。不过应当考虑到，由于空气会受到船体本身的影响，这类估计很可能有差错。从更大的观测范围着眼，当沿岸航行时，陆地的出现对能见度观测将很有帮助。这时，如能在陆地上找到一些固定

24、点，那么，这些刚隐没或刚显现的陆标的距离，就可从海图上量出。与此相似，在开阔海区如果看到了其它船只，而它们的距离又属已知（例如通过雷达测定），那么能见度也就可以由此得知。在缺少其它目标物的情况下，当从不同的高度观察到地平线的出线，这也可以作为估计能见度的一个依据。在使用这样的方法估计能见度时，虽然异常折射会给估计结果带进误差，但在某些情况下，这是唯一可用的办法。在夜间，航标灯的出现可对能见度的估计提供一个很有用的标志。当能见度在各个方向不一致时，应对能见度最低的方向进行估计或测量，并把这个情况在航海日志中作适当记录（由于船上排放的烟而使能见度降低的情况除外）。关于能见度仪器的一些资料已在第一编

25、第9章给出。只有所有基线或光路短到足以在船上实际使用的那些类型的仪器，才适合于海上观测之用。然而遗憾的是，船上排出的废气以及船的加热作用影响，其观测资料可能会缺少代表性。21.2.9空气温度和湿度气温和湿度的观测应采用通风良好的干湿表，其他测量湿度的仪器一般不适用，测量仪器必须很好地暴露在来自海上的新鲜气流中，它们要是未曾与船接触或未在船上流过的气流。干湿表还应外加防护罩，以对辐射、降水和浪花充分防护。把手摇干湿表或通风干湿表暴露在船上桥楼的向风侧，一般认为这是一个令人满意的办法。如果使用的是人工操作的干湿表，那么，必须尽快在通风停止后读取温度表的示值。若是使用百叶箱，就得用两只，在船的两侧各

26、牢固地安装一只，以便在观测时可以在迎风侧进行。用这种方法，温度表可以完全暴露在未受人工热源和水汽源影响的气流里。也可使用一只轻便百叶箱，船的哪一侧向风就把它挂到那一侧，以获得同样的良好暴露。系在百叶箱内湿球温度表上的细棉布和吸水绳应至少每周更换一次，在风暴天气应更换得更频繁。关于通风干湿表的一般管理，应按照第一编第4章提出的建议进行。供湿球温度表用的水应是蒸馏水。如果蒸馏水不能及时获得，那么，由凝汽器制取的水通常比普通淡水更合用。通风干湿表在实用上比百叶箱能得出较好的结果，因为在船舶上百叶箱不易安装得好。21.2.10降水关于海上测量降水的问题，已在WMO（1962，1981a）中论及。作为对

27、船上观测员的一种帮助，附录中给出海上降水的描述，作现在天气报告用。21.2.10.1测量和仪器完整的降水测量包括降水量测定和降水持续时间测定两个方面。降水量应当用适合船上使用的雨量器测量，最好每6小时取一次读数。10mm降水量的读数分辨率应为0.2mm；更大的降水量应能读至总量的2%，要求的准确度与分辨率相同，降水持续时间应以5分钟为单位记录。由于船的上部结构的气动力效应、横摇和纵摇影响、浪花飞溅到船上以及船的位置在不断改变，要在船上可靠地测量降水是很困难的。供船上使用的降水测量仪器的制作和安置，应使上述前三项影响能够尽可能避免或减低到最低程度。从固定站（灯船、海洋站船、大型浮标、观测塔等）得

28、到的降水测量资料是特别有价值的。因为在这些资料中没有船的移动影响，从而可以不加处理地用于气候学分析。不过，观测平台的运动问题和海盐污染影响仍是要考虑的。常平架雨量器供船上测量降水用的最普通的仪器是常平架雨量器。但是，把雨量器安装在常平架上的这种安装方式并非很有效，特别是在恶劣天气条件下，因为它不能使仪器在所有时间都能保持水平。至于高效常平架装置，则非常复杂且费用昂贵，只能在特殊船舶上使用。因此一般说来，当在船上使用雨量器时，采用带有遥测装置的固定安装的雨量器，似乎是一较好的折衷办法。锥形船用雨量器锥形船用雨量器通常被固定在桅杆高处，用塑料管把雨量器接到的雨水导至放在远处甲板上或舵手室里的集水器

29、里。只要注意采取一些保护措施，这样的装置用来测量降水是很有用的。此雨量器的接水口应位于与船舶甲板平行的平面上。自记雨量计现在供海上观测用的自记雨量计有两种。一种是把接水器装在室外，而记录器则装在室内。雨水由一导管从接水器导至位于记录器近旁的贮水器，贮水器内有一浮子，由与浮子相连的记录笔把贮水器内的水位变化，记录到自记转筒上的记录纸上。当全部贮水量达到相当于20mm的雨量时，贮水器内的雨水由虹吸管自动排尽。另一种是电接式，其雨量器和记录器用电学方法连接。这种仪器的接水器接到的雨水暂先贮存在一个贮水器里，当贮水量达到相当于0.5mm的雨量时，液面升高触及探针使电路接通。然后，电动机使进水阀关闭，同

30、时打开排水阀。等贮水器里的水被全部排除后，各阀门回复到原来的状态，同时向记录器发出一个脉冲。这类仪器在使用时的局限性在于，当船舶或浮标的运动所引起的水面摆动而不是水位平稳地升高使电路接通时，就造成测量误差。这一缺点，可以用蠕动泵来克服。蠕动泵每次排出固定的水量（而不是贮水器内所有存水），电路即接通。这样，电路对贮水器内水面的摆动就不那么敏感。这里不再有阀门的维护保养问题。降水的雷达观测要求使用窄波束雷达并与附加的特殊装置同校准用的雨量器配置一起调制雷达工作状态，从而作出修正。船舶上装备的用于其它目的的雷达不具备这种功能，把它们用于定量测定降水并非其正常的业务。安装安装仪器时，应把前面所述的三项

31、影响减小到最低程度作为要求。对于船载雨量器来说，把其架设位置尽可能选到靠近船的头部的位置，并且尽可能架设得高一些似乎是有效的。不过只要能做到使管理容易，采用其它安装方式也可以。21.2.10.2海上降水强度自记雨量计自然可以用来测量降水强度已通过试验得以建立能见度和大体连续的云区所降下的小到中等强度的降水之间的关系。不过在其它条件下，例如阵雨天气，至今尚未弄清彼此之间的可靠关系，甚至在前一种条件下，观测员也应当意识到，根据对海上能见度的估计，是很难以足够的精密度对降水强度作出满意的估计的。21.2.11海面温度这里要观测的温度，是代表海洋表面之上的混合层内而又接近海洋表层的温度。观测海面温度要十分仔细。因为在气象观测中，通过这项观测要获得其与海面气温之间的差别，其观测结果可为海洋性气团低层的温度、湿度层结和其它特征给出一种度量。由于这些原因，海水温度表测出的温度，应能读至0.1。由于船舶的大小、航速有着很大的差别，而在仪器费用和操作维修简便性方面又要考虑，所以至今还没有可能采用一种标准的仪器来观测海面温度。海面温度可用以下方法观测：（a）用一种特别设计的海水吊桶取出表层海水的水样进行温度测量；（b）读取船上冷却装置所吸海水的水温；（c