第十四章-大气边界层探测简介..ppt

大气探测学,课程教学参考书,电子版（第四版）,专业基础课,第十四章大气边界层探测技术简介,1大气边界层的特点及湍流量的表征方法,大气边界层是指从地面至500m到1.5km高度的最低层大气，它直接受地球表面的影响，并与地表进行热量、动量和水汽及其它物质成份的交换，湍流运动是该层大气的最基本特征。由于湍流是大气边界层的最基本的特性，所以大气边界层测量可分为平均量测量和脉动量测量两种，测量传感器也可分为慢响应传感器和快响应传感器两种。慢响应传感器用于测量平均量，而快响应传感器用于测量脉动量。,2近地层气象塔测量,气象塔是大气边界层测量的重要手段，根据测量的目的不同，塔的高度及塔上安装的仪器也有所不同。近地层、农田小气候等研究中使用的气象塔一般为几米或几十米高，为了大气边界层的研究和边界层模式验证，需要更高的气象塔，一般为100-300m，甚至更高。架设一个数百米高的气象塔是相当昂贵的，所以在有些情况下，可以将电视发射塔、电力输送线的高塔兼作气象塔使用。,气象塔,2近地层气象塔测量平均量测量仪器的安装高度,中性条件下近地层风速随高度可用对数廓线近似表示,式中的u为z高度上的风速，u*为摩擦速度，z0为粗糙度高度，为卡门（Karman）常数，一般取0.35-0.40之间的某个数值。所以在近地层梯度测量中仪器的架设高度一般按对数律设置。在几十米以下一般取0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0m等高度，有时为了与气象站测风高度一致，在10m高度上也安装有风速、风向传感器。,2近地层气象塔测量平均温度廓线的测量,温度廓线的测量要求精度为0.01，分辨率为0.005。设计良好的铂电阻、热敏电阻、热电隅和晶体温度仪，一般都能满足以上精度及分辨率的要求。铂电阻及晶体温度传感器以其稳定性好经常被选用，其中晶体温度传感器的精度最高，稳定性也最好。大多数情况下将其封装在金属或玻璃壳内，这样就增加了传感器的时间常数。但使用时间常数较大的传感器，对于廓线的测量来讲这并不是件坏事。晶体温度传感器的输出量为频率，测量一段时间的频率计数求得平均温度，有利于提高测量精度。,石英晶体温度元件及测量原理框图,2近地层气象塔测量平均风速廓线的测量,风速廓线的测量一般使用风杯式风速传感器及螺旋浆式风速传感器，其中风杯式风速传感器使用最为广泛。风杯式风速传感器有很多优点，一是风杯式风速传感器能够感应水平方向360各个方向的风，且对垂直方向的风速不太敏感，二是结构简单、牢固，可长时间工作。精确地测量近地层的风速廓线，要求风速传感器的启动风速要小于0.5m/s，精度要高于0.1m/s。,2近地层气象塔测量平均湿度廓线的测量,湿度可能是测量最为因难的要素之一，湿度测量的方法很多，所以用于气象塔廓线测量的湿度传感器也比较多，主要有干湿球法、露点湿度计和高分子吸湿材料制作的湿度传感器。其中干湿球测湿法是野外实验中经常采用的一种方法，该类仪器的价格不贵，测量原理简单，在025的温度范围，相对湿度为2080%的范围内有相当高的精度，但是该仪器在0以下，湿球会冻结，测量误差随之急剧增加，因此冬季不宜采用干湿球法进行湿度的测量。,湿度传感器结构示意图,2近地层气象塔测量风速脉动量的测量,风速脉动量测量仪器主要有热线风速仪和超声风速温度仪，从频率响应特性来讲，热线风速仪是比较理想的风速脉动量的测量仪器，该类风速传感器的体积非常小，可做到微米量级，因此具有非常好的频率响应特性，可以说没有任何一种其它类型的传感器能与热线风速仪的高频分辨率相比拟。但是该仪器也有两个致命的缺点，一是受到大气污染后其标定值易偏离，二是极易损坏。所以该类仪器不宜于长时间的野外观测。,热线风速仪,超声风速温度仪,双向风标和三轴风速表,2近地层气象塔测量湿度脉动量的测量,湿度脉动量测量主要有三种不同的方法，它们是水汽对紫外辐射的吸收（Lyman-湿度仪），水汽对红外辐射的吸收（红外湿度计）和微波折射与湿度的依赖关系（微波折射仪）。这三种类型的仪器中最为简单也是最为常用的是Lyman-湿度仪。,Lyman-湿度仪原理示意图,3大气边界层廓线测量,用于大气边界层廓线直接测量的仪器主要为低空探空仪和系留探空仪。系留探空仪是大气边界层探测的主要工具之一，它可测量地面至1000m高度的大气温度、湿度、风速、风向、气压等气象要素。,系留气艇,系留探空仪,系留气球探测系统,系统组成：飞艇式气球，悬挂式探空仪，地面信息接收处理系统，电动绞车和缆绳性能：温度(珠状热敏电阻)0.1度（0.2）湿度(干湿球方法)1%(2%)气压(陶瓷片基金属膜盒)0.03hpa(0.5)风速(三杯风速计)0.1m/s(0.5)风向(悬浮磁罗盘)10度(10),温度、湿度,温度、湿度传感器是由两个相同的线性热敏电阻组成，在湿球上包裹了一层纱布，用于测量大气的干球温度和湿球温度，为了提高湿度测量的精度，在电路设计中只测量干球温度及干、湿球温度差。测量范围为-50-+50，精度为0.5。,气压,气压传感器是采用电容式空盒压力传感器，测量从地面至1000m高度的相对气压，测量范围为0-100hpa，精度为1hpa。右上图是该电容式空盒大气压传感器的示意图，它由焊在陶瓷圆盘两边的两片NiSpan-C膜组成，陶瓷盘两侧为镀有金属的圆形区域，空盒内抽成真空，这样陶瓷盘两侧就形成了两个电容器，电容器的电容量随外界大气压力的变化而改变。陶瓷盘两侧的电容在电学上是并联的，而在机械结构上是相对的，这种特殊的机械结构使其对外界的绝对压力非常敏感，而对冲击、震动和摆向不敏感。,风速,风速测量使用轻便三杯式风速传感器，测量范围为0.5-20m/s，精度为0.25m/s。使用杯式风速传感器有一定的好处，这主要是由于气球在空中漂浮的过程中会受到气流的影响，有一定的摆动，使传感器很难保持水平，而三杯式风速传感器在15的倾斜范围内对倾斜不太敏感。早期的风速传感器的输出信号为电压信号，经A/D转换后形成数字量，由于A/D转换的时间很短，所以风速的测量带有一定的随机性，相邻两次测量所得的风速差别较大；经改进的新型风速传感器，以脉冲量输出。风速的测量为一段时间的平均，一致性较好。,风向,由于在空中测量风向没有固定的参考物，风向传感器只好利用地磁作为参考，风向传感器是由一漂浮在油中的指南针、一个环形电阻和控制继电器组成，其结构如右上图所示。由于在油中漂浮的指南针所受的转动力矩很小，在油中一直保持指南，控制继电器定时闭合用来确定接触点与固定点之间的电阻(电压)，从而确定气艇在空中的方向，风向传感器的测量范围为0-360,精度为5，在环形电阻的接头处有一小的不连续区，大约为5。,上图是系留探空仪信号发送器的工作原理图，各种传感器信号调理成大小适宜的电压信号，经一多路开