习题参考答案

《大气探测学》习题参考答案

第1章 绪论

1． 大气探测学研究的对象、范围和特点是什么？

大气探测是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理。研究范围是近地层大气、高空大气以及一些特殊区域的大气（如大气边界层，城市热岛环流，峡谷风场，海陆风场等）。大气探测的特点：随着科学技术的发展，大气探测的要素量和空间范围越来越大。分为近地面层大气探测、高空大气层探测和专业性大气探测。近几十年来，作为主动遥感的各种气象雷达探测和作为被动遥感的气象卫星探测，以及地面微波辐射探测等获得较多信息的大气探测方法，正在逐步进入常规大气探测领域。这些现代大气探测技术应用于大气科学的研究领域，极大的丰富了大气探测的内容。

2． 大气探测的发展主要有那几个时期？

①创始时期。这是在16世纪末发明第一批大气探测仪器以前的漫长时期，这期间发明了相风鸟、雨量器和风压板等，不能对大气现象进行连续记录。

②地面气象观测开始发展时期。16世纪末，随着气象仪器的发明，开始了气象要素定量测量阶段。

③高空大气探测的开始发展时期。这时期陆续有人采用系留气球、飞机及火箭携带仪器升空，进行高空大气探测。

④高空大气探测迅速发展时期。这时期，前苏联、德国、法国、芬兰等国家都开始研制无线电探空仪，以及其他高空探测技术，为高空大气探测事业开辟了新的途径。 ⑤大气探测的遥感时期。1945年美国首次将雷达应用于气象观测，后来发射了气象火箭和探空火箭，把探测高度延伸到了500千米。

⑥大气探测的卫星遥感时期。这个时期，大气探测不仅从根本上扩大了探测范围，也提高了对大气探测的连续性。

3． 简述大气探测原理有那几种方法？

①直接探测。将探测元件直接放入大气介质中，测量大气要素。应用元件的物理、化学性质受大气作用而产生反应作用的原理。

②遥感探测。根据电磁波在大气中传播过程中信号的变化，反演出大气中气象要素的变化，分为主动遥感和被动遥感。

③施放示踪物质。向大气施放具有光学或金属性质的示踪物质，利用光学方法或雷达观测其随气流传播和演变规律，由此计算大气的流动状况。

④模拟实验。有风洞模拟和水槽模拟。风洞模拟大气层边界层风、温及区域流场状况。水槽模拟大气层环流、洋流、建筑物周围环境流场特征。可调控温度场，模拟大气边界层的温度层结。

4． 大气探测仪器的性能包括那几个？

①精确度。即测量值与实际值的接近程度。又包括仪器的精密度和准确度。精密度考察的是连续测量值彼此相互间的接近程度。准确度考察的是测量值与实际值的接近程度。探测仪器的精确度取决于感应元件的灵敏度和惯性。

②灵敏度。即单位待测量的变化所引起的指示仪表输出的变化。 ③惯性（滞后性）。即仪器的动态响应速度。具有两重性，大小由观测任务所决定。 ④分辨率。即最小环境改变量在测量仪器上的显示单位。

⑤量程。即仪器对要素测量的最大范围。取决于所测要素的变化范围。

5． 如何保证大气探测资料的代表性和可比性？

代表性分为空间代表性和时间代表性。要保证大气探测资料的空间代表性，原则上要确定台站地形具有典型性。站址的选择、观测站的建立要防止局地地形地物造成大气要素不规则变化。一般说来，平原地区的台站资料代表性较好，山区、城市台站资料代表性较差。要保证时间代表性，则要保证大气要素观测的同时性。

要保证大气探测资料的可比性，则要求观测时间、观测方法、仪器类型、观测规范、站台地理纬度、地形地貌条件等的一致性。

第2章 云的观测

1． 叙述积状云、层状云、波状云的基本特征。

积状云：积状云包括积云，积雨云和卷云，积状云一般个体比较明显，云块之间多不相

连；

层状云：层状云包括卷层云，高层云，雨层云和层云，它们的共同特征是云体均匀成

层；

波状云：波状云包括卷积云，高积云和层积云，它们的共同特征是云块常成群，成行，

呈波状排列。

2． 叙述卷积云与高积云、高积云与层积云各有何异同？

①卷积云与高积云

共同点：云块比较小，一般成群，成行，呈波状排列；

不同点：卷积云呈白色细鳞片状，像微风吹拂水面而成的小波纹；而高积云在厚薄，

形状上有很大差异，薄的云呈白色，能见日月轮廓，厚的云呈暗灰色，日月轮廓分辨不清，常呈扁圆状，瓦块状，鱼鳞片或水波状的密集云条。

②高积云与层积云

共同点：云块在厚薄，形状上都有很大差异，云块一般成群，呈层，呈波状排列； 不同点：高积云云块较小，轮廓分明常呈扁圆状，瓦块状，鱼鳞片或水波状的密集

云条，层积云云块一般较大，有的成条，有的成片，有的成团；高积云薄的云块呈白色，能见日月轮廓，厚的云块呈暗灰色，日月轮廓分辨不清，层积云常呈灰白色或灰色，结构比较松散，薄的云块可辨太阳的位置。

3． 叙述卷层云与高层云、高层云与雨层云、雨层云与层云有何异同？

①卷层云与高层云

相同点：云体均匀成层； 不同点：卷层云呈透明或乳白色，透过云层日月轮廓清楚，地物有影，常有晕的现象；

高层云呈灰白色或灰色，运抵常有条文结构，常布满全天；

②高层云与雨层云

相同点：云体均匀成层，常布满全天；

不同点：高层云呈灰白色或灰色，云底常有条纹结构；雨层云低而漫无定形，能完

全遮蔽日月，呈暗灰色，云底常有碎雨云；

③雨层云与层云

相同点：云体均匀成层；

不同点：云层云低而漫无定形，能完全遮蔽日月，呈暗灰色，云底常伴有碎雨云，

层云呈灰色，很象雾；雨层云云层厚度常达到4000-5000米，层云云底很低但不接触地面。

4． 叙述荚状、堡状、絮状云的形成机理，各代表什么气层状况？

荚状云：在山区由于谷地聚集充沛的水汽，受地形抬升作用，常常在山脊上空形成荚状云，另外由于过山气流，或上升、下沉气流汇合而形成的驻波也会产生荚状云， 多预示晴天； 堡状云：包括堡状层积云和堡状高积云，，堡状层积云是由于较强的上升气流突破稳定层

之后，局部垂直发展所形成；堡状高积云是由于中云的局部对流强烈而在局部垂直发展而形成的；

如果天空出现堡状层积云而且大气中对流持续增强，水汽条件也具备，则往往

预示有积雨云发展，甚至有雷阵雨发生；堡状高积云一般预示有雷雨天气；

絮状云：絮状云有絮状高积云，是由强烈的湍流作用将使空气抬升而形成，预示将有雷阵

雨天气来临。

5． 叙述碎积云、碎层云、碎雨云的外形与成因有何不同？

从外形上看：

碎积云通常个体很小，轮廓不完整，形状多变，多为白色碎块；

碎层云的云体为不规则的碎片，形状多变，移动较快，呈灰色或灰白色； 碎雨云的云体低而破碎，形状多变，移动较快，呈灰色或暗灰色； 从成因上看：

碎积云往往是破碎了的或初生的积云，当大气中对流增强时，碎积云可以发展成淡积云，

若有强风和湍流时，淡积云的云体会变的破碎，形成碎积云；

碎层云往往是由消散中的层云或雾抬升而形成；

碎雨云常出现在许层云，积雨云或厚的高层云下，是由于降水物蒸发，空气湿度增大，

在湍流作用在下水气凝结而成。

6． 简述对流云从淡积云Cu hum发展到鬃积雨云Cb cap的物理过程。

淡积云cu hum云体不大，轮廓清晰，底部较平，顶部呈圆弧形突起，垂直发展不旺盛，云底较扁平；

当大气对流运动增强时，淡积云向浓积云发展此时轮廓仍然清晰，云底仍然较平，但云体个体高大而且底部比较阴暗，云的垂直发展旺盛，垂直高度一般大于水平宽度，顶部的圆弧形开始重叠突起，变得象花椰菜的样子； 当对流继续增强，云继续垂直发展，云顶就开始冻结，云顶花椰菜形的轮廓渐渐模糊，即形成了秃积雨云，此时云的丝絮状就够还不太明显，云体的其余部分仍有浓积云的 特性；

到积雨云发展的成熟阶段会形成鬃积雨云，它的云顶呈白色，丝絮状结构明显，常呈马鬃状和铁砧状，底部阴暗，气流混乱。

以上就是从淡积云Cu hum——浓积云Cu cong ——秃积雨云Cb calv——鬃积雨云Cb cab 的过程。

7．对下面的记录进行分析，并描述天空状况，包括云状、云量、云的特征及可能伴随出现的天气现象等。

10h 12h 14h 16h 时间 8h

云码 CL1, CM8, CL2, CM6, CL2, CM6, CL9, CMx, CL7, CM9,

CH1 CH2 CHx CHx CHx 云量

答：在8h时，

天空中的总云量为4/10，低云量占2/10。低云为淡积云或碎积云，或两者同时存在。4/2 6/4 8/6 10/10 10/10- 低云的云状为：云的个体不大，轮廓清晰，底部较平，顶部呈圆弧形的突起，云块较扁平分散孤立在天空，或者是个体很小，轮廓不完整，形状多变的白色碎积云。中云为积云状高积云（絮状的或堡状的）或堡状层积云。云状为云块的边缘破碎，象破碎的棉絮团，云块大小以及在空中的高低都很不一致，或者是云块细长，底部水平，顶部凸起有垂直发展的趋势，看上去象城堡或长条形锯齿。高云为毛卷云，云状为云体很薄，呈白色，毛丝般的纤维状结构清晰，云丝分散。从中云的情况来看，空中的气层不稳定，有较强的上升气流，云层可能会继续发展。

在10h时，总云量为6/10，低云量占4/10。低云已经发展为浓积云伴有淡积云和层积云。云状为：浓积云的个体高大，轮廓清晰，底部较平，比较阴暗，垂直发展较旺盛，顶部呈圆弧形重叠。中云为由积云扩展而成的积云性高积云。云块大小不一致，呈灰白色，外形略有积云特征。高云已由毛卷云发展成为密卷云。云体较厚，云丝密集，聚合成片，边缘毛丝般纤维结构仍较明显。浓积云在早晨的发展，预示着大气层结不稳定，也许会有积雨云产生。

在12h时，总云量继续增多，占到8/10，低云量也在增多，占到6/10。低云为浓积云的继续发展，中云为积云性高积云的继续发展。高云不能观测清楚。从云的发展来看，大气层结仍处于不稳定状态，天气可能还要进一步地转坏。

在14h时，低云已经遮满天空，即总云量和低云量都为10/10。低云已经发展成为鬃积雨云，带有砧状，并且可伴有积云、层积云、层云或恶劣天气下的碎云。鬃积雨云的云顶有明显的白色毛丝般的纤维结构，并扩展成为马鬃状或铁砧状，底部阴暗混乱。在云底可能有形状破碎、多变，移动较块，呈灰色或暗灰色的碎雨云。由于低云的遮挡，这时看不清属于CM和CH的云。鬃积云的出现表明对流云已经发展到极盛阶段，并发展成为成熟的积雨云，这会产生较强的阵性降水，可能伴有大风、雷电等现象。 在16h时，总云量仍为10/10，低云布满天空，但有空隙。低云为恶劣天气下的碎雨云，通常在高层云或雨层云之下。它的云体低而破碎，形状多变，移动较快，呈灰色或暗灰色。透过低云的云缝隙，可辨别中云为混乱天空的高积云，云底的高度不同，中空不稳定。高云不可辨别。由中云和低云预测大气层结仍处于不稳定状态，可能会由雷雨天气。

第3章 能见度的观测

1． 影响能见度的因子有哪些？

影响能见度的因子有大气透明度、目标物和背景的亮度对比和观测者的视力指标——对比视感域ε。 大气透明度是影响能见度的主要因子。大气中的气溶胶粒子通过反射、吸收、散射等机制削弱光通过大气的能量。导致目标物固有亮度减弱。所以，大气中杂质愈多，愈浑浊，能见度就愈差。

在大气中目标物能见与否，取决于本身亮度，又与它同背景的亮度差异有关。比如，亮度暗的目标物在亮的背景衬托下，清晰可见；或者亮的目标物在暗的背景下，同样清晰可见。表示这种差异的指标是亮度的对比值K。

在白天当，当K=0时，难以准确辨别目标物。当K逐渐增大，即亮度差异逐渐增大，当K值增大到某一值时，才能准确地辨别目标物。这个亮度对比值叫做对比视感域，用ε表示。

2． 气象能见度的定义是什么？

影响目标物能见度的因子很多，而气象工作中，需要能见度只反映大气透明状况，这就必须选定和统一实行某种观测方法，以固定其它因子，使测定的最大水平能见距离只表达大气透明程度的单一因子影响。这样测出的能见度是气象能见度。气象能见度分白天气象能见度和夜间气象能见度。

3． 白天能见度与夜间能见度的观测有何不同？

白天能见度：

目标物背景对比度衰减规律： ' 一般白天目标物为扩展反射光源，目标物背景的固有亮度对比值，取 K?B0?B00'观测者、目标物背景的视亮度对比为: B0' BL?BLKL? 'BL B L 为经L距离后,目标物的固有亮度; B ' 为经L距离后,背景的固有亮度。

L 由（3.12）式可写成： BL?B0e??L?BH(1?e??L)

''??L BL?B0e?BH(1?e??L)'则： B0?B01K? L'B??LB0 1?0(e?1)'B令： 10F(L)? B??L1?0(e?1) 'B0 称作传输函数，则有：KL?K0F(L)白天气象能见度及其观测法： 若选择水平天空作为背景，那么，背景的固有亮度 B ' 应等于水平天空的视亮度 BH0即 B ' ? B 则有 F (L)?e??L0H K ?Ke??LL0称为科希米德（Koschmieder)定律，它表达了目标物与水平天空背景亮度对比度衰减规律。 当这种衰减达到 K L ? ? 时，相应的能见度距离为L

1K L?ln0 ??若选择深色物体作为目标物，即B 0 ? 0 ，相应 K0?1再取 ? ? 0.02 ，则定出的最大能见度距离为： L ?1 ln 1 ?3.912

max ?0.02?按上述规定的条件进行观测，测定的L max 只与大气消光 系数 ? 成单一函数关系。它只反映大气透明度的单一 影响，故视程 L max 为气象能见距离，或气象视距。 夜间能见度：

夜间由于光照条件的限制，已不能使用一般的目标物，而只能用发光物体作为目标物。灯光目标物是点源，不象扩展光源那样考虑亮度对比问题，对其观测要用点源在眼睛上产生的照度来衡量。而夜间决定目标能见与否的眼睛的指标是眼睛的灵敏度，即所能感受的最小照度，又叫照度视觉阈值，以 表示。拜克维尔给出了 与背景亮度 的统计表达式：

E0E0Bb lgE??6.95?0.887lgB0b E 0 的值与灯光色彩有关，黄光的照度视觉阈值 0最小，故用红色灯光易E 0最大，红光的 E于辨认。

影响灯光能见度的因子有：灯光强度、大气透明度和眼睛的灵敏度。设灯光强度为 I ，与观测者为距离L，则在观测者眼睛上产生的照度可由阿拉德（Allard）定律定义： I??LE?e 2L当观测者离灯光距离为S时，灯光产生的照度达到阈值E 0，这时目标灯恰好能见，称S为灯光能见距离，即 E ? e ? ? L I / S 2 0 S?(lnI?lnE?2lnS)/?0

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