首页 百科知识 第六章大气的探测

第六章大气的探测

时间:2022-01-22 百科知识 版权反馈
【摘要】:因而通过对大气的探测,再经过研究,人们知道了某些天气现象的成因。对大气本身的探测,有利于认识未来气候的变化形势,从而有助于我们采取有力措施,改善我们的生存环境。常规观测是每个气象站在每天规定时间,按照一定程序进行对规定内容的观测。1.地面气象站:地面气象站有气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素,如云量、能见度、雨量、风向、风速等。
大气探测_气象科学与观测

第六章 大气探测

晴天,风和日丽,碧空如洗;雷雨天,电闪雷鸣,狂风怒吼;阴天,浓云密布,天色阴沉。当你在为这些捉摸不定、扑朔迷离的自然现象而唏嘘感叹时,你可知道,时时刻刻,每分每秒,从地上到半空,从陆地到海洋,从平原到高山,从大湖到荒漠,处处都有一双双警惕的“眼睛”,在密切地关注着大气的变化。其实啊,那些和风细雨的迷人风光,漫天雪飞的壮观场面,还有那雷风电雨的大煞风景,都不过是大气所玩弄的一点点小小把戏而已。

为何要探测大气

先要澄清一个事实,就是说,我们这儿谈的大气,主要是指地球最底层的大气。具体地说,就是地面以上的约十多公里距离的大气。在赤道地区要厚一些,约有17—18公里;到南北两极要薄一些,约7—9公里;我国大约为10—12公里。这个底层叫对流层。对流层,就是指空气对流运动强烈。大气中的各种物理状态和现象,如风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、雷、电等,都发生在这一层。

那么大气是什么呢?大气是一种无色、无味的混合气体,它在我们周围到处存在。可以说,它就是空气。过去打过一个谜语,叫“看不见、摸不着、离不了”,指的就是它。说大气是混合物,一点也没有错。地球上大气按重量来计算,其中氮占75.5%,氧占23.1%,氩占1.3%,二氧化碳和其他气体占0.01%。不用说,这是指大气的化学组成。从这个组成我们可以了解到,空气中氧约占四分之一,正是因为它,才使我们人类在这个小小的寰球上得以生存,一直繁衍到今天。大气对于我们的生命是多么重要啊!是的,大气不仅对于地球现存的50多亿生灵有着至关重要的作用,在我们生命的演化史上,大气还立下过汗马功劳呢。你看,地球上原始生命起初只在太阳辐射达不到的深水中出现,这些生物体后来发展为吸收金属氧化物来维持生命的低等生物。氧介酶出现后,生物转入到浅水中活动,地球原始大气中的二氧化碳溶入水中,生物借此与太阳光进行光合作用,于是出现了绿色植物,氧气开始增多。当含氧量增到约今天的1%时,高空大气的臭氧层出现,它吸收太阳紫外辐射,保护了地球原始生命,于是浮游生物,多细胞生物大量产生。当大气含氧量达到今天的三倍时,恐龙这一爬行动物出现。有人认为,由于恐龙产生的二氧化碳太多,植物来不及放出足够的氧气,最后导致恐龙等爬行动物灭绝。又过了一段时间,适应新气候的哺乳动物出现。约数百万年前,人类产生。看来,没有地球的大气,就不会有人这一高级动物的产生,更不用说今天。看看那荒芜的火星,赤裸的月球,寂静的金星,我们人类是多么幸运啊。

但是,我们今天要探测大气,还不仅仅是由于大气过去和现在给过我们人类某些恩惠,我们还得同形形色色的大气现象打交道呢!进一步说,我们生活在形形色色的大气现象之中,我们能不了解它们吗?你知道,云,有的像重重叠叠的山峰;有的像成片成片的瓦块,我们通过探测知道,它们其实是空气在上升运动时,在有凝结核的条件下形成的小水滴、小冰晶。再如风,有时轻风拂面,水波荡漾;有时北风凛冽,寒气刺骨;有时阴风怒号,浊浪排空,我们通过探测知道,其实它是空气的水平运动。我们也知道,雨、雪就是变大后从空中掉下来的水滴、冰晶;雷电其实是积雨云中正、负电荷中心之间,或者云中电荷中心与大地之间的放电现象,等等。因而通过对大气的探测,再经过研究,人们知道了某些天气现象的成因。

总而言之,通过对大气的探测,我们了解了我们生活的大气环境,弄清了各种天气现象的规律,进而预报各种天气,提高了应付自然灾害的能力。

对大气本身的探测,有利于认识未来气候的变化形势,从而有助于我们采取有力措施,改善我们的生存环境。

观测形态走势

前面说大气探测是如何如何重要,那么到底要探测什么呢?大气现象复杂多变,大气组成多种多样,到底探测什么为好,是头发胡子一把抓吗?不是,这儿有两种观测。

一是常规观测。常规观测主要包括温度、湿度、气压、风力、风向等观测项目。可别看只有这几项基本因素,它们却分别反映了大气的热力状态和运动状态。

气温的高低表明了气体的冷热程度。测量气温的仪器叫温度表。和测量人体体温的体温表一样,它是利用热胀冷缩的原理制成的,如酒精最低温度表和水银最高温度表;也有根据导体、半导体电阻随温度变化原理制成的电阻温度表;或者根据温差不同、电流不同原理制成的温差电偶温度表。另有一些测温元件,如铂电阻、热敏电阻等。

气压是地球大气圈的大气对地球表面和周围大气产生的压强,测量气压的仪器常用水银气压表。

湿度是指大气中所含水汽多少的量,测量湿度的仪器有干湿球湿度表和毛发湿度表。干湿球湿度表实际上由两支温度表组成,其中一支绑有纱布,很显然,是用水分蒸发导致温差变化的原理来反映湿度的。

二是特殊观测。常规观测是每个气象站在每天规定时间,按照一定程序进行对规定内容的观测。特殊观测不同于常规观测,这主要反映在观测内容和观测位置上。一方面,特殊观测要观察目前变化比较大、并可能对未来气候产生很大影响的一些内容,如二氧化碳、甲烷、臭氧、酸雨气溶胶粒子,这可以称为大气化学观测;另一方面,特殊观测主要把观测范围集中在地面以上一公里内,这叫边界层观测。大家可以猜到,这主要是因为边界层与我们生活生产活动太密切。

特殊观测的历史并不长,我国只有二十多年的经验。由于特殊观测对所涉及的知识、仪器精度、观测条件要求很高,所以难度很大。我国对大气的化学观测有一定的成果,如酸雨曾经在部分省市进行专题观测与研究,一个酸雨观测网已经建成。据悉,我国与美国、澳大利亚等国还展开了一些特殊观测的合作,成果显著。

特殊观测是适应新形势需要而产生的观测,它在未来将变得越来越重要,一些新型的观测项目会增加。因此特殊观测会得到加强,但这并不意味着常规观测就不重要。事实上,我们的天气预报的主要根据仍然来源于常规观测。可以说,将来这两种观测会互为弥补,各分秋色。

疏而不漏的地面观测网

地面观测网由各地地面气象站、自动气象站、气象观测塔等组成。

1.地面气象站:

地面气象站有气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素,如云量、能见度、雨量、风向、风速等。一般地说,这只能得到估算的数据参数,经验很重要。此外,他们还用各种仪器设备来测量大气的温度、湿度、气压、风力等。在这里,温度常用摄氏度(℃)表示,湿度常用相对湿度、水汽压或露点湿度来表示。气压计算单位是百帕。风向用方位来表示,风速要在10米高的风杆上测量,其单位是米/秒。地面气象站观测项目很多,雨量、蒸发量、日照量、地温、积雪、太阳辐射等都应包括在里面。要强调的是,地面气象站的观测方法很统一,它们都要参照联合国气象组织和国家气象局制定的《观测规范》。观测的仪器性能、规格和计量单位也要符合国际标准。不用多的解释,大家已经明白,这无非是想保证观测结果的准确性和代表性,以便于比较。

2.自动气象站:

自动气象站就是没有人工操作、完全由仪器自己完成测定地面各气象要素的全自动气象站。它们常常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由于地球表面面积广大,人力物力有限,建设地面气象站的数目不可能很多,自动气象站弥补了地面气象站的不足。

自动气象站发展到现在已有三代。第一代研制于本世纪50年代末,当时它只能测量温度、湿度、气压、风力、风向、降水等少数几个要素。20世纪60年代中期,由于半导体元件和脉冲数字电路的普及,第二代自动气象站产生。它的感应元件能观测云高、降水、辐射总量、雷暴等。但是这种气象站不能自动处理观测资料。20世纪70年代后,自动气象站已发展到第三代,电子计算机和卫星通信技术的兴起,使自动气象站自动化程度大为提高。

目前,全世界投入运行的自动气象站有几千台。有一些国家还建立了自动气象站网系统,称之为自动气象遥测系统。这种系统由中心站和野外站组成,中心站控制着野外站,野外站的主要任务是观测,它由铁塔、传感器、电子线路等组成。我国在“七五”期间就研制出了自动气象站,它们分别安装在内蒙古、青海等地,定期通过静止卫星向地面接收站发送各种气象信息,效果良好。

但是,自动气象站并非完美无缺。它需要定期检修,它的观测项目有限,而且其准确性和可靠性赶不上目测,所以,它只能是一种地面气象站的辅助物。未来的气象站或许是两种气象站的有机结合,就像计算机不能完全代替人一样,将来的气象站只会模糊两者的界限。

3.气象观测塔:

气象观测塔是一种特殊的气象观测装置。前面说过,特殊观测不同于常规观测,而气象观测器恰好是为特殊观测而设的。

气象观测塔常常是用来观测大气边界层的有效工具。其实,用于边界层探测的东西很多,如系留气球、低空探测仪、特殊飞机、声雷达、激光雷达、红外和微波探测器等。但它们的观测效果有很大的局限性,主要是间断不连续,而且因为不是直接探测,结果需要核对,所以人们对之并不十分满意,而气象观测塔却有这方面的优势。

用气象观测塔对大气边界层的观测,作为特种观测来看,目的很明确,其了解的是对地表几十米至上千米这一范围大气的温湿度,以及高度分布随时间的变化状况。这种观测能为数值天气预报提供不同高度的准确数据。另外,它对高层建筑设计也给出了一些参考资料,因为不同高度的建筑对风力的考虑不容忽视,能否节省建设资金,又提高质量,是建筑设计的重要问题。

气象观测塔,有专一性质的,如我国1979年在北京北郊建立的高约325米的专用气象塔。也有多用途的,如一些电视塔、广播塔、导航信号发射台,气象观测只是其“业余”任务的一部分。不过,这些塔身都是用钢筋混凝土筑成的,升温快,降温也快,为了避免观测仪器受塔体的影响,一般仪器感应部分都离塔体较远,形成水平伸臂。所以,这些塔从近处看去,像全身长满了长长的刺似的。

数不清的空中观测员

这儿的空中观测员可不是地面气象站的观测人员,它们是在空中进行各种气象探测的工具。从空中对各种大气现象进行探测,改变了过去气象观测的单一形式,呈现出一种立体的效果。

1.风筝:

风筝能够飞上天,当然可以用于大气探测。据说,大约在1749年时,携有温度表的风筝就到达了云层深处进行过温度测量。大家熟悉的科学家富兰克林也于1725年把风筝升到了雷雨云中,从而证明了闪电与摩擦生电是一个道理。所以说,风筝在大气探测史上还有过功勋呢。风筝最大的好处在于它设备简单、造价低廉、上升容易,但是它的上升高度有限,充其量不过三千多米。再者风筝容易断线,在地面建筑物和丛林多的地方还不能施放。这样一来,到19世纪之后,风筝就只作为玩具形式而存在了。

2.探空气球:

早期的气球充满了热空气,后来为了安全,由乳胶制成的气球出现,灌入适量的氢气,借助空气的浮力就可以上升。现代的载人气球高度已达三十多公里,是在本世纪60年代创下的纪录,对于探测大气的风筝高度来说,是个不小的突破。气球用于大气探测大约是在1893年,当时法国使用的是橡胶做成的气球,上面携有气象仪器升到了16公里的高空。早些时期,气球上面的气象仪器需要气球破裂,然后摔下来后才能获得各种气象数据;而现代常常使用无线电探空仪器,无需回收。

气球探测可以分成以下几种:

一是系留气球,又称风筝气球。它用绳索维系在地面上,其形状有的像船,有的像球。气球上面都带有测量温度、湿度、风向、风速的仪器。这些仪器要么用无线电发送测得的数据信号、要么直接采用有线传输的方式。系留气球的高度可以由绳索控制,不过一般只有几百米,它主要用于低空大气的探测。

二是探空气球。这种气球下面悬挂着探空仪。探空仪带有温度、湿度、气压三个传感器、转换器和发射机。气球升空后,会随时把测得的气压、温度、湿度等数据转换成无线电信号,再发送到地面,地面再经过信号转换得出探测结果。探空气球有的很低,只能测定2000米以下范围的大气物理状态;有的很高,可达到3万米的高空。我国的探空气球可达离地面2.5万米以上的位置。

目前全球约有一千多个高空气象观测站,每天定时施放探空气球,由此获得常规的高空气象资料。这些资料可以加工成气象台预报人员使用的高空天气图。

三是平衡气球。它也叫无外力气球或定高气球。此气球施放后,球体可以保持在某一高度上,随着空气水平飘移。如果使用经纬仪和测风雷达,就可以判断其所在的位置;再根据其时间的变化,就可以求出同一高度层的大气各个气象数据。

平衡气球有的定点于平流层上,顺着西风带,可以围绕地球飘行。平衡气球的探测仪器和无线电发报机常常靠太阳能电池来供电,其信号则通过卫星直接转发到地面接收站。

四是“母球”系统。它包括一个大型气球和在飘飞途中逐次下投的探空仪。探空仪在下落时一边探测大气一边发报,母球接收到它的数据后,再经过卫星中继站传给地面站。

3.气象火箭

火箭有上千年的历史,但现代火箭投入运用的时间却不长,至于气象火箭的使用年限更短。目前使用气象火箭进行大气探测的国家有二十多个。一些国家,如美、苏、英、法、日等设置了许多气象火箭探测点,建成了全球气象火箭网,定期发射火箭,互相传递信息。我国的探空火箭已能发射到离地面120—140公里的高度,在海南省还建有探空火箭发射场。

火箭飞行依靠的是它本身携带的固、液体燃料,它的速度快,可以达到上百公里的高度,因而它填补了气球和卫星所在高度之间空白区的大气探测。但是火箭飞行的时间短,仪器因空气摩擦产生的温度也高,而且火箭本身需要制导系统,这些都给火箭的大气探测带来了不便。为了取得更大的收获,一些光学经纬仪、高精度气象雷达、计算机等常常与气象火箭配合,以弥补气象火箭的先天性不足。

运用火箭探测大气的方法有以下几个:一方面,火箭在上升途中运用其所带的仪器直接测量,这种方法常见于早期,现已淘汰;另一方面,火箭在上升时,可以按时将其携有的仪器分开,仪器再依靠降落伞缓慢下降,自动测量;还有一个就是火箭在上升或下降时,陆续释放出不同的仪器。这些仪器有的是探空仪,它们将所测的温度、湿度、气压和风向的数据,通过无线电发射机准确地发回地面;有的是各种跟踪物,如纳云、金属丝、无声榴弹、带反射靶的气球带,用以测量不同高度的风速、风向等。还有的你怎么也想不到,它们竟然是取样瓶,在取得空气样品后,能返回到地面。

气象火箭的类型有大有小。小的只测几种常规要素,大的能探上十种要素。气象火箭美国有洛基、阿卡斯型号;日本有MT—135型号;英国有大鸥火箭;俄罗斯有MP—100和MMP—06型号等。

4.多面手的飞机:

飞机的诞生到现在还不到100年,但由于飞机有其卓越的性能,这使它在高空大气探测上显示出得天独厚的优势。飞机在垂直高度和水平范围的机动灵活性都比较好,因此它比气球、火箭的本领要大得多。飞机在气象上得到运用的有螺旋桨飞机和喷气式飞机;也有少量中低空飞行的各种飞机,如直升机。

飞机有一个最大的优点,就是能够载上各种遥感仪器。这等于是说在空中设置了一个气象平台,有利于提高天气预报水平。另外,经过特殊改装后的飞机可以在台风眼中飞行,在核爆炸后的蘑菇云中飞行,甚至可以在积雨云的附近探测云中的水量及气流分布的情况。当然,飞机还可以用来人工降雨,这里已是题外话了。

气象飞机是为了填补空中气象情报的不足,或者是为了执行某种特殊任务而用的,它需要安装有特殊的仪器设备。一般的讲,气象飞机除了装有测量大气温度、湿度、气压、风速、风向的仪器和数据处理机外,部分的还有红外线、微波遥感设备,用以测量海水温度、云粒子分布、臭氧等。

5.运筹帷幄的雷达:

电磁波的传播速度是每秒30万公里,根据发射脉冲和接收回波的时间间隔,经过核算,就可以得出云雨和雷达之间的距离。另外,根据雷达天线的仰角与方位角,也可以确定降水的性质和降水强度。

气象雷达测定内容有测云、测雨、测风、测雹等等。测云和测雨雷达使用的波长较短。如有用8.6毫米或1.25厘米波长的测云雷达,测量不降水的云;用波长3.5或10厘米的测雨雷达,可探测可能降水的云。10厘米波长的雷达宜用于探测大粒子降水(如冰雹)或大范围强降水(如暴雨、台风雨)。

雷达技术发展迅速,目前与之相关的一些较完善的探测系统相继问世。

巡天遥看的卫星

气象卫星利用它的探测器,接收被测目标发射或反射的电磁辐射,就可以测出大气的性质与状况。气象卫星有两个杰出作品,叫可见光云图和红外云图。可见光云图,简言之,就是用照相方式获得的云图,它用辐射仪器直接接收大气反射的太阳光成象。可见光云图很直接,只与反射率有关,如白色部分可能是反射率高的积雪和厚云;黑色的可能是反射率低的陆地或海洋。红外云图也不难理解,因为任何物体都具有温度,温度不同,发射的红外辐射就不一样,根据这种原理就可以得到一张反射不同物体的红外特别图像。当然,我们看到的电视卫星云图是经过计算机加工处理的,并非原图。

气象卫星可以探测大气的温度、湿度以及不同气体的含量。如波长为6.3微米左右的水汽对红外辐射吸收能力很强,如果在卫星探测器上装有波长为6.3微米的滤光片,就可以发现大气中的水汽含量。气象卫星的探测能力正在逐渐增强,它已由最初的电视摄像方式发展为扫描辐射仪和分光计(可见光、红外和遥感的结合),可以获取昼夜高低分辨率云图和大气要素以及环境参数的定量资料。卫星资料的传输已发展为速率更高、抗干扰力更强的数字制方式;在资料处理方面,人机对话系统已经建立。

日益密集的天气监测网

随着科学技术的发展,科学家们已经不满足于单纯地依靠气象站、飞机、火箭、雷达、卫星的大气探测,而是把它们统一地规划,系统地结合起来,从而形成了一张奇特的天气监视网。

从1962年初开始,世界气象组织就开始着手制定世界天气监视网计划,即WWW计划(World Weather Watch)。第五届气象组织大会批准了WWW的第一期计划。WWW计划是世界上对地球大气监测规模最大的计划。

与此相应,世界气象组织还制定了全球大气研究计划。其中第一次大气试验从1977年到1984年引人注目。可以说,这次全球大气试验是第一次全球性的系统观测大气的尝试。当时,气象专家们为第一次全球大气试验设计了一个综合观测系统,它包括基本观测系统和特殊观测系统。基本观测系统以世界天气监视网的地面观测系统和气象卫星观测系统为主。特殊观测系统是反映在特殊观测时期所特有的特殊观测手段。

在第一次全球大气试验期间,世界气象组织150个成员国大约有9200个地面观测站每天进行定时观测;约有850个探空站每天进行1—2次释放探空气球活动。在海洋观测方面,约使用了50多艘专业船、7400艘商业船、17架专用气象观测飞机、80多架航空公司的飞机、300多个定高气球。我国的实践号、向阳红9号探测船参加了这次活动。在气象卫星观测系统方面,有五颗静止气象卫星和五颗极地轨道气象卫星参与了行动。这个规模庞大、组织复杂、经历时间长的国际性大气探测活动为世界监视网的建立打下了良好的基础。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈