大气探测原理与仪器技术

目录 第1章 简介 1 1.1 大气探测仪器发展简介 1 1.2 探测与气候记录 2 1.3 降雨量 3 1.4 空气温度的标准化测量 4 1.5 高空探测 5 1.5.1 载人探空气球 5 1.5.2 高空自动探测仪 7 1.6 范围与结构 8 第2章 观测原理和仪器 9 2.1 仪器和观测系统 9 2.1.1 仪器响应特性 10 2.1.2 观测质量 12 2.2 仪器响应时间 13 2.2.1 阶跃响应 13 2.2.2 振荡响应 15 2.3 得出标准误差 16 2.3.1 样本均值 17 2.3.2 标准误差 18 2.3.3 引证结果 18 2.4 不确定性的组合计算 19 2.4.1 和与差 19 2.4.2 乘积与商 20 2.4.3 函数不确定性 20 2.5 校准实验 21 第3章 信号处理 23 3.1 电压测量 24 3.2 信号调节 25 3.2.1 运算放大器 25 3.2.2 运算放大器基本原理 26 3.2.3 信号放大 27 3.2.4 缓冲放大器 28 3.2.5 反相放大器 29 3.2.6 线路驱动 30 3.2.7 电力供给 31 3.3 电压信号 33 3.3.1 静电计 33 3.3.2 微伏放大器 35 3.4 电流测量 36 3.4.1 电流转换为电压 36 3.4.2 光电放大器 37 3.4.3 对数测量 38 3.4.4 校准电流 39 3.5 电阻测量 40 3.5.1 热敏电阻测量 41 3.5.2 电阻电桥法 42 3.6 振荡信号 44 3.6.1 振荡器 44 3.6.2 锁相环 46 3.6.3 频率电压转换 47 3.7 物理实现 47 第4章 数据采集系统和原始数据处理 50 4.1 数据采集 50 4.1.1 计数数据 52 4.1.2 频率数据 52 4.1.3 区间数据 53 4.1.4 电压数据 53 4.1.5 采样 55 4.1.6 时间同步 58 4.2 自定义数据记录系统 58 4.2.1 数据采集卡 58 4.2.2 单片机系统 59 4.2.3 自动气象站 61 4.3 数据文件的管理 61 4.3.1 数据记录器编程 61 4.3.2 数据传输 62 4.3.3 数据文件注意事项 62 4.4 数据初步检查 63 4.4.1 现场校准 64 4.4.2 时间序列 64 4.4.3 不规则和间歇时间序列 66 4.4.4 数据的进一步分析 66 第5章 温度 67 5.1 摄氏温标 67 5.2 液体玻璃温度计 68 5.2.1 固定区间温标 68 5.2.2 玻璃液体温度计 68 5.3 电子温度传感器 70 5.3.1 热电偶 70 5.3.2 半导体 71 5.3.3 热敏电阻 72 5.3.4 金属电阻测温 73 5.4 电阻测温的注意事项 76 5.4.1 热敏电阻测温 76 5.4.2 铂电阻测量 77 5.5 温度计暴露 78 5.5.1 空气温度传感器的辐射误差 79 5.5.2 温度计辐射屏蔽 80 5.5.3 百叶箱温度辐射误差 81 5.5.4 百叶箱温度滞后时间 84 5.5.5 百叶箱状况 85 5.5.6 百叶箱的现代发展 86 5.6 地表和地表以下温度测量 87 5.6.1 地表温度 87 5.6.2 土壤温度 88 5.6.3 地面热通量密度 88 第6章 湿度 90 6.1 水汽 90 6.2 湿度的物理测量 92 6.2.1 绝对湿度 92 6.2.2 比湿 93 6.2.3 相对湿度 93 6.2.4 露点温度和湿球温度 94 6.3 湿度计及其工作原理 95 6.3.1 机械式湿度计 95 6.3.2 化学式湿度计 97 6.3.3 电子式湿度计 97 6.3.4 光谱湿度计 98 6.3.5 无线电折射率 99 6.3.6 露点仪 99 6.3.7 干湿球 100 6.4 日常实用的干湿球湿度计 101 6.4.1 温度不确定性的影响 103 6.4.2 通风效果 103 6.4.3 湿球冻结 105 6.5 用盐溶液进行湿度计校准 106 6.6 湿度测量方法比较 106 第7章 气压 108 7.1 引言 108 7.2 气压计 108 7.2.1 液体气压计原理 109 7.2.2 水银液体气压计 110 7.2.3 沸点气压计 112 7.2.4 无液空盒气压计 112 7.2.5 精密空盒气压计 113 7.2.6 柔性薄膜传感器 113 7.2.7 振筒式气压计 114 7.3 气压计校正 114 7.3.1 海平面气压校正 115 7.3.2 风速校正 115 第8章 风速和风向 116 8.1 简介 116 8.2 风速计类型 116 8.2.1 压板风速计 116 8.2.2 压管式风速计 117 8.2.3 风杯风速计 117 8.2.4 螺旋桨式风速计 118 8.2.5 热传感式风速计 119 8.2.6 声学风速计 121 8.3 风向 123 8.3.1 风向标 123 8.3.2 水平风分量 125 8.3.3 风速计多分量研究 126 8.4 风速计安装 127 8.5 系留风筝测风速 128 第9章 辐射 130 9.1 引言 130 9.2 太阳几何学 132 9.2.1 轨道变化 132 9.2.2 日变化 133 9.2.3 太阳时校正 134 9.2.4 日长计算 135 9.2.5 辐照度计算 136 9.3 短波辐射仪器 137 9.3.1 热电堆总辐射计 137 9.3.2 总辐射计原理 138 9.3.3 硅晶体辐射计 139 9.4 直接辐射计 140 9.5 散射辐射观测 142 9.5.1 遮蔽法 142 9.5.2 遮光环法 143 9.5.3 短波反射辐射 145 9.5.4 辐射观测的波动现象 146 9.6 太阳辐射仪器校准 148 9.6.1 空腔辐射计 148 9.6.2 次级基准直接辐射计 148 9.7 长波仪器 149 9.7.1 全辐射计原理 149 9.7.2 全辐射计校正 150 9.7.3 地表辐射观测 151 9.7.4 商用全辐射计 151 9.7.5 辐射测温 154 9.8 日照时数 154 9.8.1 坎贝尔-斯托克斯日照记录仪 155 9.8.2 电子传感器 156 第10章 云、降雨与大气电场 157 10.1 简介 157 10.2 视程 157 10.2.1 能见度仪 158 10.2.2 大气透射仪 158 10.2.3 现代天气传感器 159 10.3 云底观测 159 10.4 雨量计 161 10.4.1 虹吸式雨量计 161 10.4.2 翻斗式雨量计 162 10.4.3 雨滴谱仪 163 10.5 大气电场 164 10.5.1 电势梯度观测 164 10.5.2 电势梯度的变化 165 10.5.3 闪电监测 166 第11章 高空探测仪器 168 11.1 无线电探空仪 168 11.2 无线电探空技术 170 11.2.1 气压传感器 171 11.2.2 温度和湿度传感器 172 11.2.3 利用方位信息观测风 174 11.2.4 数据遥测 174 11.2.5 无线电发射器 175 11.3 无线电探空仪探测的不确定性 175 11.3.1 响应时间 175 11.3.2 辐射误差 176 11.3.3 湿球 178 11.3.4 定位误差 178 11.3.5 遥测误差 179 11.4 专业无线电探空仪 180 11.4.1 云起电 180 11.4.2 臭氧 180 11.4.3 放射性物质和宇宙射线 181 11.4.4 辐射 181 11.4.5 湍流 182 11.4.6 过冷却水 182 11.4.7 大气气溶胶 182 11.5 飞机探测 183 11.5.1 空气温度 183 11.5.2 风速 183 11.5.3 气压 183 11.5.4 海拔 183 11.6 小型无人机 184 第12章 环境数据再分析方法 185 12.1 物理模型 185 12.1.1 地表能量平衡 185 12.1.2 湍流量和涡动相关 186 12.1.3 土壤温度模型 187 12.1.4 垂直风廓线 189 12.2 太阳辐射模型 191 12.2.1 兰利太阳辐射模型 191 12.2.2 地表太阳辐射模型：霍兰德模型 192 12.3 统计模型 194 12.3.1 直方图 194 12.3.2 统计检验 194 12.3.3 阵风 196 12.4 统计平均 197 12.4.1 太阳辐射变化 197 12.4.2 气压潮 198 12.4.3 卡内基曲线 199 12.5 谱分析方法 200 12.5.1 功率谱 200 12.5.2 微气象功率谱 203 12.6 结论 204 参考文献 205 附录A 介绍关于气象仪器的短论的写作 212 附录B 风速计坐标旋转 216