地面气象观测方法PPT课件

.,1,地面气象观测方法,郑丽英,.,2,前言：预报员最关心的地面气象观测中问题,1、地面气象要素是怎么观测得来的？有哪些要求和标准？2、气象要素的观测有哪些仪器设备？这些仪器设备观测的数据可靠吗？3、现在实行自动站了，这些观测资料的处理有了哪些变化？4、常规的地面气象观测会存在哪些方面的误差？产生的原因是什么？5、区域站已经建了几年了，究竟区域站的一些情况是怎样的？其分布如何？,.,3,主要内容,一、地面气象观测的组织工作二、观测场的场地要求和仪器布局三、常规地面气象要素的观测四、自动气象观测系统五、地面气象观测中可能存在的误差分析六、加密区域自动站简介,.,4,一、地面气象观测的组织工作,（一）地面气象观测的作用地面气象观测是对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统地、连续地观察和测定，为天气预报、气象情报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要的依据。（二）地面气象观测资料最基本的必须具备的三性：代表性、准确性、比较性,.,5,一、地面气象观测的组织工作,（三）观测站的分类、观测方式和任务1、根据观测的项目和作用分为：基准站、基本站、一般站、无人自动站、加密自动站。2、按现行地面气象观测分为：人工观测和自动观测，人工观测又分为人工目测和人工器测。3、观测任务：基准站：人工和自动并行，24小时观测，8次天气报；基本站：自动站单轨，24小时连续观测，8次天气报；一般站：自动站单轨，24小时连续观测，3次天气报。,.,6,二、观测场地的要求和仪器布局,（一）要求环境条件要求：反映本地较大范围的气象要素特点；四周空旷；城市上风方向；满足气象法、环境保护条例以及规范性文件。场地要求：准确的三度；面积2525；浅草下垫面；铺设小路和围栏；防雷满足行业标准；,.,7,二、观测场地的要求和仪器布局,（二）仪器布局布局总体要求：北高南低，东西成行，南北成列，互不影响。仪器要求：业务主管部门许可，准确度满足规定的要求，可靠性高，仪器结构简单、牢靠耐用，操作和维护方便。仪器安装要求：所有的观测仪器和设备安装严格按照地面气象观测规范进行安装，误差在允许的范围内。,.,8,观测场仪器布局图,.,9,.,10,.,11,.,12,三、常规气象要素的观测,地面气象观测常规气象要素：（一）目测项目：云、能见度、天气现象、地面状态（二）器测项目：气压、温度、湿度、降水、风向风速、雪深和雪压、蒸发、日照、冻土、地温、电线积冰、草（雪）温,.,13,三、常规气象要素的观测,（一）目测项目（1）1、云云状的分类，按云的外形特征、结构特点和云底高度，将云分为三族，十属，二十九类，由观测员在观测场根据天空状况判定云状、估计云量、测定云高和选定云码。云状的判定：主要根据天空中云的外形特征、结构、色泽、排列、高度以及伴见的天气现象，参照“云图”，经过认真细致的分析对比判定是哪种云。云量估计：云遮蔽天空视野的成数来记录云高估计：估计云底距测站的垂直距离，还可以通过激光测距仪、云幕灯、施放探空气球实测云高,.,14,三、常规气象要素的观测,（一）目测项目（2）2、能见度能见度用气象光学视程表示，观测的是有效水平能见度。能见度观测必须选择目标物和目标灯。能见度的观测必须选择在视野开阔，能看到所有目标物的固定地点作为能见度的观测点。能见度观测仪：透射能见度仪、散射能见度仪,.,15,三、常规气象要素的观测,（一）目测项目（3）3、天气现象包括降水现象、地面凝结现象、视程障碍现象、雷电现象和其他现象等，这些现象都是在一定的天气条件下产生的。降水现象：包括固态和液态降水，一共有11种地面凝结现象：露、霜、雨凇、雾凇视程障碍现象：轻雾、雾等一共9种，雾和沙尘暴根据能见度的不同分三个等级。,.,16,三、常规气象要素的观测,（一）目测项目（4）雾、沙尘暴能见度0.5km小于1.0km浓雾、强沙尘暴能见度0.05km小于0.5km强浓雾、特强沙尘暴能见度小于0.05km其他现象：大风、龙卷、尘卷、飑、结冰等共7种天气现象观测：是24小时连续观测，随时观测和记录出现在本站视区内的全部天气现象。守班期间出现重要天气现象，随时编发重天天气报告。,.,17,三、常规气象要素的观测,（一）目测项目（5）地面状态：是未经翻耕保持自然的地表状况。在观测场附近（或观测场内）选择一块约2m5m面积的自然地面作为观测地面状态的特选场地，用于观测干、湿、积水和地面冻结这四种地面状态。,.,18,三、常规气象要素的观测,（二）器测项目（1）1.气压人工观测采用水银气压表，观测读数经过仪器差、温度差、重力差三步订正后计算本站气压、海平面气压。自动观测气压主要采用膜盒式电容气压传感器和振筒式气压传感器，直接测定本站气压，计算海平面气压。,.,19,水银气压表,振筒式气压传感器,.,20,海平面气压订正空盒气压计,.,21,三、常规气象要素的观测,（二）器测项目（2）2.温度和湿度地面观测中测定的是离地面1.50米高度处的气温和湿度。测量气温和湿度的仪器主要有干球温度表、湿球温度表、最高温度表、最低温度表、毛发湿度表、通风干湿表、温度计和湿度计、铂电阻温度传感器和湿敏电容湿度传感器。,.,22,测量温度和湿度的仪器安装在百叶箱或者防辐射罩内，其作用是：通风、防辐射、防风雨,.,23,干湿球温度表：通过在同一环境条件下的干球、湿球两支温度示值差异，计算出湿度要素：水汽压、露点温度、相对湿度。属于间接测量湿度的方法。毛发湿度表：主要用于高原、高寒地区，利用不同湿度条件下，毛发的伸缩量变化测量湿度，直接测量相对湿度。,.,24,自动站采用铂电阻作为测温元件，根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的。铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁板上，外面有金属保护管。铂电阻在0时的电阻值R0为100，以0作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为选用铂金属材料的优点：(1)温度一次项系数较大；(2)电阻与温度关系的二次项系数远小于一次项系数，即；(3)电阻率大，易于绕制高阻值的元件；(4)性能稳定。,.,25,湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜作介质，由两个小电容器串联组成的一种小型电容器。传感器置于大气中，当大气中水汽透过上电极进入介电层，介电层吸收水汽后，介电系数发生变化，导致电容器电容量发生变化。电容量的变化正比于相对湿度。电容量变化0-1V，相对湿度变化范围0-100%。,.,26,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（2）3.降水降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。常用测量降水的仪器有雨量器、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和SL1（SL5）雨量传感器等。在自动站未运行之前主要用前三种降水观测仪器。,.,27,雨量筒翻斗式遥测雨量计雨量筒观测的降水主要用于旬月报、气候预报，气候资料的分析。翻斗和虹吸雨量计观测的降水主要用于雨强、十五个时段降水等资料分析。在自动站未运行之前主要用以上三种降水观测仪器。,.,28,自动站雨量传感器降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号（1脉冲为0.1mm）传输到采集系统。,.,29,新型降水观测仪器,.,30,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（3）3.风向和风速空气运动产生的气流，称为风。风向是指风的来向，人工观测，风向用十六方位法；自动观测，风向以度()为单位。风速是指单位时间内空气移动的水平距离。风速以米/秒（m/s）为单位，取1位小数。自动观测时，测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。测量风的仪器主要有EL型电接风向风速计、EN型系列测风数据处理仪、海岛自动测风站、轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器等。,.,31,人工观测风仪,型风仪风杯转动带动风速发电涡轮发电记录风速，尾翼转动，触点在方位铜块滑动记录风向。,.,32,自动观测风仪,传送和指示风向标所在方位的方法很多：有电触点盘，环形电位器，自整角机和光电码盘几种型式，其中最常用的是格雷码码盘。,.,33,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（4）4.雪深和雪压雪深是从积雪表面到地面的垂直深度。雪深观测条件：出现降雪并达到达到积雪标准；雪压观测条件：规定的日期或者达到规定的积雪深度。中国气象局于2009年冬季起启动了降雪加密观测，加密观测数据采用数据文件形式上传。,.,34,雪深雪压观测仪器,.,35,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（5）5.蒸发蒸发量是水面蒸发量，在一定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度。测量蒸发量的仪器有E-601B型蒸发器和小型蒸发器。人工：每日20时进行观测；自动：每小时观测一般站：小型蒸发基本站：E-601B型蒸发器基准站：E-601B型超声波蒸发传感器,.,36,E-601型蒸发器由蒸发桶、水圈、溢流桶和测针等组成。口径3000cm2。蒸发量=前一日水面高度+降水量(以雨量器观测值为准)-测量时水面高度。自动蒸发传感器根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对E-601B型蒸发器内水面高度连续变化进行检测，转换成电信号输出，自动计算出每小时和一日(2020时)的蒸发量。,.,37,每天20时进行观测，测量前一天20时注入的20mm清水(即今日原量)经24小时蒸发剩余的水量，记入观测簿余量栏。计算方法：蒸发量=原量+降水量-余量,.,38,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（6）6.日照日照时数：在一给定时间，太阳直接辐照度达到或超过120瓦米-2（Wm-2）的那段时间总和。观测日照的仪器：暗筒式日照计、聚焦式日照计、太阳直射辐射表。,.,39,安装在观测场南边。在暗筒内安装一张涂刷了感光和显影药水的日照自记纸，当太阳光线从小孔进入暗筒，在日照纸上感光显影，就可以计算出当日的太阳照射的实际时间。,利用太阳经玻璃球聚焦后烧灼日照纸(卡片)留下的焦痕，来记录日照时数的。我国高纬度地区使用这种仪器。,.,40,直接辐射表观测日照时数：世界气象组织把太阳直接辐照度S120Wm-2定为日照阈值(算为有日照)。直射表每日自动跟踪太阳输出的信号，自动测量系统把S120Wm-2的时间累加起来，作为每小时的日照时数与每天日照时数，通过采集器采集传输到计算机。,.,41,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（7）7.冻土冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0或以下而呈冻结的状态。承担冻土观测的气象站，应根据埋入土中的冻土器内水结冰的部位和长度，来测定冻结层次及其上限和下限深度。,.,42,冻土器应安装在观测场内有自然覆盖物的地段。当地面温度降到0或以下，土壤开始冻结时，在每日08时观测一次冻土，直至次年土壤完全解冻为止。,.,43,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（8）8.地温下垫面温度和不同深度的土壤温度统称地温。下垫面温度：裸露土壤表面的地面温度、草面（或雪面）温度及最高、最低温度。不同深度的土壤温度：浅层地温（5、10、15、20cm深度的地中温度）、深层地温（40、80、160、320cm深度的地中温度）。测量地温使用玻璃液体地温表和铂电阻地温传感器。,.,44,人工观测地温表,.,45,自动地温传感器,地温传感器也是用铂金属作为测温元件，原理同气温传感器，目前用在台站主要是国内生产，气温传感器是芬兰生产，性能和精度比国产的要高。,.,46,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（9）9.电线积冰电线积冰：雨凇、雾凇凝附在导线上或湿雪冻结在导线上的现象。根据气测函2010253号规定：2011年1月1日起，电线积冰观测导线由直径为4mm的导线更换为直径为26.8mm的电缆。观测项目：观测电线积冰的最大直径、厚度和一次过程的最大重量。,.,47,三、常规气象要素的观测,(二）器测项目（10）10.草（雪）温草（雪）温观测：观测距地6厘米处草面温度。在冬季，当积雪掩没草层时，进行雪面温度观测。该项目观测是自动站单轨运行后增加的一项观测。草（雪）温传感器安装在距地6cm高度处，并与地面大致平行。,.,48,四、自动气象观测系统,主要内容;（一）自动气象观测系统的体系结构（二）自动气象观测系统的工作原理（三）自动气象观测系统的主要功能（四）自动气象观测系统的硬件设备（五）数据采样和算法,.,49,四、自动气象观测系统,（一）自动气象观测系统的体系结构自动气象站由硬件和系统软件两部分组成，硬件包括传感器、采集器、通信接口、系统电源、计算机等，系统软件有采集监控软件、地面测报业务软件和通讯组网软件。,.,50,.,51,四、自动气象观测系统,（二）自动气象观测系统的工作原理工作原理：随着气象要素值的变化，自动气象站各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值，并按一定的格式存储在采集器中。实时将气象要素值显示在计算机屏幕上，并按规定的格式存储在本地计算机上。在定时观测时刻，还将气象要素值存入规定格式的数据文件中，实时进行传输。根据业务需要实现各种气象报告的编发，形成各种气象记录报表和气象数据文件。,.,52,.,53,四、自动气象观测系统,（三）自动气象观测系统的主要功能1.自动采集压、温、湿、风、雨量等气象要素。2.按业务需求通过计算机输入人工观测数据。3.按照规范要求自动计算海平面气压、水汽压、露点温度以及所需的各种统计量。4.编发各类气象报告。5.形成观测数据文件。6.编制各类气象报表。7.实现通讯组网和运行状态的远程监控。8.根据服务需要进行时空密度加密。,.,54,四、自动气象观测系统,（四）自动气象观测系统的硬件设备自动气象站主要由传感器、采集器、系统电源、通信接口及外围设备等组成。采集器：自动气象站的核心，其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输。系统电源：能保证采集器至少7天正常工作，数据存储器至少能存储3天的分钟数据和7天正点观测数据。通信接口：联接采集器与计算机、计算机与中心站、采集器与中心站等的通信联接设备。,.,55,四、自动气象观测系统,（五）数据采样和算法自动站的数据采样在采集器中完成。气温、湿度、气压、地温的采样速率为每分钟6次，去掉一个最大值和一个最小值，余下的4次采样值求算术平均。1分钟平均值为瞬时值。风向、风速的采样速率为每秒钟1次，求3秒钟、2分钟、10分钟的滑动平均值。降水量、蒸发量和日照时数的采样速率为每分钟1次，计算累计值。,.,56,五、地面观测中可能存在的误差分析,（一）外界环境造成的误差该误差主要是由于地面观测的外界环境影响造成的误差，不具备有代表性。比如：附近出现电磁干扰会影响气压传感器的观测；观测场环境遭到破坏会影响温度、风、降水的观测，根据不同的障碍物会造成偏大挥着偏小；下垫面的裸露、草层过高、硬化较多等也会影响地温、气温等要素的观测。,.,57,五、地面观测中可能存在的误差分析,（二）目测项目误差分析1、观测人员习惯性误差。2、一般站做不到24小时观测，守班期间也做不到24小时连续观测。3、云、能、天的判断和记录的准确性和业务人员的业务人员的技术水平有关。4、自动化业务的发展和现行考核办法导致业务人员对目测项目的观测出现简单化，特别是云的观测。,.,58,五、地面观测中可能存在的误差分析,（二）器测项目误差分析（1）1、仪器生产工艺和要求。如水银温度表和铂电阻温度表、国产铂电阻温度表和进口铂电阻温度表由于生产工艺和厂家不同会导致测量温度的结果存在差异，影响观测结果的准确性。2、仪器误差。比如：零点（基点）漂移、环境温度呈线性变化引起的滞差、响应时间、分辨率等影响观测结果的准确性。,.,59,五、地面观测中可能存在的误差分析,（二）器测项目误差分析（2）3、仪器设备的安装导致的误差。比如：地温表安装悬空或者全部裸露、风仪安装正南方向超过5或者高度太低、雨量传感器不水平会造成观测结果程系统性的偏差。4、测量方法引起的误差。如：人工器测的温度表和温度传感器测量法不一样，人工气温是用水银作为测温元件，自动传感器采用金属铂随温度变化而电阻值发生变化来测量。,.,60,五、地面观测中可能存在的误差分析,（三）业务软件造成的误差自动气象站系统由于参数设置和计算方法的错误导致系统性的差错。比如：气压传感器高度设置错误会导致海平面气压的计算错误，仪器设备的器差参数设置错误，发报参数中设置漏或者多余等。（四）仪器设备维护或者故障引起的误差。比如检定标校雨量传感器产生野值；检查风仪出现大风数据等。,.,61,六、加密区域自动站简介,根据中小尺度气象灾害监测、地方气象服务和专业气象服务需求，为当地经济社会发展、增强气象监测手段和提高气象服务能力而建设的除国家级地面气象观测站外的地面自动气象观测站。区域站以气象要素的自动观测为手段，承担地面气象要素的时空加密观测任务，提供区域性高时空分辨率的中小尺度灾害性天气、局部环境和区域气候等观测数据，是国家级气象观测站的重要补充。,.,62,六、加密区域自动