《大气综合观测》复习资料

Part I _地基微波辐射计在大气探测中的应用1、紫外线：uv -A(0.315-0.4), uv -B(0.28-0.315), uv -C(0.150-0.28) um 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm 到1m 波段。

2、地基微波辐射计：微波辐射计是一种为了测量物质的微波辐射而设计的高灵敏度宽频带信号接收机。

微波辐射计通常因搭载平台的不同而分为星载微波辐射计、空基（机载）微波辐射计和地基微波辐射计等。

Part II_微波辐射计基本原理1、辐亮度B (Radiance )：单位辐射源表面积、单位时间、向单位立体角所辐射的能量，单位为 Wm-2sr-1 .在Ωr 内的发射功率为 辐射强度 天线接收功率 为天线的方向性函数2、 时的频率范围，称为带宽，也叫半功率带宽。

天线接收到的功率为：自然界中天线的接收功率为3、天线温度Te 在电子线路中，温度为T 的电阻, 产生输入到系统的热噪声功率为 。

r t tBA P Ω=t rt t BA P I =Ω=()()tr d A B F P Ω=⎰⎰ϕθϕθπ,,4r ()max 21Φ=Φf ()()()df d A F B f P r f f f f ΩΦ=⎰⎰⎰∆+ϕθϕθπ,,004r n P kT f =∆n P kT f=∆(),F θφ天线输出其后端接收机的功率 ，相当于一个温度为Te 的电阻所产生的热噪声功率。

天线温度不是天线自身的物理温度，而是代表外来能量。

4、辐射计系统：天线＋传输线＋接收机天线：物理温度，有损耗即“有吸收就有热辐射”，功率透射系数。

传输线：物理温度通常也是Tp ，信号损耗因子 ≥1。

理想传输线L=1接收机：现实接收机＝无噪声接收机＋等效热噪声源 为系统噪声功率，相当于在传输线的输入端口（就是天线的输出端口）输入的总功率。

5、天线方向性函数天线温度T A 成为从天线所指方向射入天线的亮温度T Bβ。

这就是我们所要的信息，代表（θ0，ϕ0）方向上被测目标物的辐射状态（如物理温度，辐射物质含量等）。

6、微波辐射计被动地测量目标物在某个频率附近发射的热辐射功率 。

工作频率：辐射计本振频率 ，中频为 ，因此进入天 线可以被测量的微波频率可以是 或系统的增益: Gs 称之为辐射计系统的增益e P kT fβ=∆outin P P L =fkT P sys sys ∆=⎩⎨⎧ΩΩ=内不在内在很小的主瓣立体角当M M F θθϕθ0,1),(ΩΩ=⎰Ωd T T M BM A ),(1ϕθβ),(00ϕθβB T =0f 10f f f I -=I f f f +=01I f f f -=01syss out T G V =系统的灵敏度: B 为辐射计系统的带宽，τ为积分时间。

7、全功率辐射计与Dicke 辐射计（1）全功率：天线连续接收外来热辐射(不是脉冲式的)。

缺点：系统增益G S 若不稳定，则破坏了Tout 与Tsys 的确定关系。

（2）Dicke 辐射计：脉冲式的接收外来辐射，解决接收机内部噪声Tr 和增益不稳定性的影响。

与增益是否稳定无关。

Part III_辐射传输理论 1、辐射亮温度权重函数：在辐射传输路径上某点附近介质的透过率变化率记为 定义 和 的高度变化率分别为下行和上行辐亮温的权重函数：W ↓总是在z=0时取得最大值，随高度的增加逐渐减小到0。

W ↑在某一高度取得最大值。

对于波长λ，权重函数廓线的最大值所在的高度称为峰值高度（Z λ），权重函数廓线的最大值的一半所在的高度称为半峰全宽度（△Z λ）.2、地基遥感的权重函数● 频率为f 的某一通道接收到的能量来自于权重函数不为0的大气薄层内，权重函数最大值所处的高度为薄层的代表高度。

● 能量大小：由大气薄层内温度，即大气中分子的温度和分子的含量决定，分子的种类与频率有关。

● 通过权重函数的应用可以进行温度和湿度遥感。

● 选取一系列的不同频率来测量不同高度上的大气温度和湿度。

τB T T syssys =∆zZ z r W v ∂Γ∂=),()('z Z z v ∂Γ∂),(),0(z Γ),(∞Γz )(sec )(),0(),0()(z z k z dzz d z W a θΓ=Γ-=↓)(sec )(),(),()(z z k z dz z d z W a θ∞Γ=∞Γ=↑Part IV_廓线反演理论大气温湿廓线的1DV AR反演1DV AR是一种基于最优估计法的非线性反演技术，数值预报模式能够为最优估计法提供更好的初始猜测值。

优点●1DV AR的方法可以对微波辐射计的探测和数值预报模式的输出进行有效的耦合●数值预报模式可以提供给1DV AR更优的初始猜测值缺点●运算时间比较长●迭代收敛问题地基微波辐射计在气象上的应用价值：●地基微波辐射计可以在无人值守的情况下全天候、不间断的提供连续的大气温度、湿度和云中液态水含量资料。

●对云液态水和大气廓线测量，为人工影响天气选择最佳作业时机提供依据，也可以作为天气预报有效的参考资料。

●地基微波辐射计提供的大气温度、湿度和云中液态水含量资料可以作为数值预报模式的输入以改进数值预报模式对灾害性天气的预报精度。

对天气预报的改进：●由于缺少实时的数据尤其在灾害性天气频发的低对流层，使得目前短期预报(<12 hr) 能力还相当薄弱。

●地基微波辐射计可以实时获得准确的大气温度和湿度数据。

●地基微波辐射计可以实时获得与降水、大气能见度和雾等天气现象密切相关大气的水汽和液态水含量。

●实时的、准确的大气温湿廓线和云中液态水含量是改进短期天气预报的关键因素。

Char1 大气边界层&湍流1、大气边界层是指离地面1~2公里范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与下垫面直接发生相互作用的层次。

大气边界层定义：由于各种尺度（空间和时间）湍流涡旋的动力和热力过程，将下垫面的强迫作用（动量、热量和水汽、二氧化碳等物质）影响扩散所及高度的大气层。

存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素具有明显的日变化特征的低层大气层。

2、大气边界层研究方法理论研究（纯理论、经验、半经验）野外实验观测（直接获取资料，基础）实验室物理模拟（可控制、可重复等）数值模拟（促进、指导、支持和补充）3、大气边界层的基本特征（1）湍流是边界层大气的主要运动形态。

热力因素（热力湍流），动力因素（机械湍流）。

气流和风的三种主要形态：平均风——对水平方向的输送贡献较大；湍流——对垂直方向的输送贡献较大；波动（2）气象要素存在明显日变化。

白天边界层称为对流边界层（不稳定边界层），其厚度可达几百米甚至几千米。

夜间边界层称为稳定边界层或夜间边界层，厚度较低只有一两百米。

4、大气边界层垂直结构根据湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力对不同层次空气运动作用的大小，把大气边界层分为三层：粘性副层：紧靠地面，分子粘性力>>湍流切应力。

典型厚度小于1cm，忽略。

近地面层（surface layer）：从粘性副层向上到50-100m，厚度约为边界层厚度10%。

这层内大气运动呈明显湍流性质，且湍流通量随高度变化很小，也成为常通量层。

埃克曼层（上部摩擦层）：从近地面层向上到1-1.5km。

湍流摩擦力、气压梯度力、科氏力量级相当。

5、大气边界层的分类：不稳定、稳定和中性6、湍流的主要特征（1）不规则性和随机性（2）扩散性（3）大Reynolds数性质（4）涡旋性（5）耗散性（6）连续性（7）流动性7、湍流的产生热力作用：地面的太阳加热使暖空气热泡上升，形成湍涡。

动力作用：地面对气流的摩擦拖曳力产生风切变，常常演变为湍流。

8、泰勒假设在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。

（湍强不太大风速不太小均匀湍流平稳湍流）9、湍流控制方程组气体状态方程+连续性方程+运动方程+热力学能量方程+水汽守恒方程Char2大气边界层观测1、大气边界层探测分类直接探测：边界层探测中的常用观测平台包括观测塔、系留气球、等容气球、无线电探空仪、观测飞机等。

间接探测：边界层探测的间接探测方法代表性的有微波雷达、声雷达、激光雷达和无线电声学探测系统等。

2、观察原则地面气象观测记录必须具有代表性、准确性、比较性3、地面观测场环境要求（百度气象观测场）地面气象观测场是取得地面气象资料的主要场所，地点应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。

观测场四周必须空旷平坦，避免建在陡坡、洼地或邻近有铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方。

避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。

地面气象观测场四周障碍物的影子应不会投射到日照和辐射观测仪器的受光面上，附近没有反射阳光强的物体。

观测场一般为25m×25m的平整场地，场地应保持均匀草坪，确因条件限制，也可取16m（东西向）×20m（南北向）。

观测场四周一般设置1.2m高的稀疏围栏，内设0.3-0.5m宽的小路，围栏不宜采用反光太强的材料。

观测场围栏的门一般开在北面。

场内仪器线缆应埋设于地下。

4、塔体效应用于安装感应元件的铁塔、伸臂和支架可以影响气流，因此在测量梯度和通量时会引起误差。

铁塔由于结构数小和空隙大，可以考虑将元件安装于略大于塔体处的迎风方向。

对大多数边界层观测，元件安装不小于铁塔最大截面的1.5倍。

如只需一层观测时，则可考虑安装于铁塔顶部。

Char3 湍流通量观测1、通量：是指单位时间通过单位面积的流体对某物理量的输送。

流体运动可分解为平均运动和脉动运动两部分2、为什么关注通量观测（1）在气候预测、天气预报等全球尺度和中尺度模式以及污染扩散模式、城市街渠模式和大涡模拟等微尺度数值模式中，下垫面的湍流通量参数化是十分关键的敏感问题，直接决定模式的模拟能力。

（2）全球变化研究是当今国际科技研究的热点问题。

为了获得地气之间CO2、水和能量交换的第一手资料，全球相继建立了大量的湍流观测站并组成了观测网络——全球通量观测网（Fluxnet）和全球城市通量观测网（Urban-Fluxnet）3、湍流通量获取的基本方法涡动相关法、波文比法、空气动力学方法4、涡动相关法测量地气通量的基本原理●地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；●涡动相关法测量地气通量是从物质和能量守恒方程出发，经过一系列的简化而得到的5、涡动相关通量观测系统常用仪器超声风速仪、H2O、CO2 开路分析仪、辐射传感器、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤热通量板、土壤水分传感器、冠层温度传感器6、超声风速仪的工作原理超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。

声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。