一、大气探测资料的"三性"要求
1.1 代表性
指气象测量值应能代表测站周围较大范围或一段时间的平均情况
- 空间代表性：就是一个点的测量值能代表多大范围大气状况的问题，要求站点的地形地貌具有代表性，气候环境特征有代表性，环境状况有代表性，尽量避免非自然环境的干扰和影响
- 时间代表性：就是一个点在给定时段内的测量值对该点不同时段或另一时段被测量值的代表性程度 ，一般只有在一定时段的平均值才能反映区域内若干点测量的区域平均值
1.2 准确性
指测量值和真值一致性的程度，一般由系统误差和随机误差的合成来表示
- 系统误差：是指在测量或实验中由于仪器、方法或环境等系统性因素引起的误差 ，其大小可通过多次测量的平均值减去真值得到，一般保持常量或按一定规律变化 ，系统误差可以通过对仪器进行检定给出修正值加以修正
- 随机误差：是由于偶然因素或不可预测的因素引起的误差，它们在多次测量中会随机分布，其大小可通过多次测量值 - 平均值 获得，随机误差的分布一般接近正态分布 ，可利用正态分布估计在一定区间内随机误差出现的概率
1.3 比较性
指所获取的大气探测资料必须具有良好的时间和空间上的比较性
即使用响应特性一致的观测仪器，采取一致的观测方法，统一的观测程序，统一的观测时间等
二、云
云是大气中水汽凝结（凝华）成的水滴、过冷水滴、冰晶或它们混合组成的漂浮在空中的可见聚合体
2.1 云的类别
我国地面气象观测规范中把云分为3族、10属、29类
2.2 云状的观测
- 云状的观测应选择在能看到全部天空及地平线的开阔地点或平台上进行
- 出现数类云时应从下至上逐层判定云状
- 现根据云的外貌，颜色，亮度，分布，移动以及云底高 等状况，分清有几层云
- 云块大小：常用云块大小区分层积云，高积云，卷积云
- 云的亮度：云层越薄透光程度越好，亮度越强；云越明亮高度越高；越昏暗高度越低
- 云的颜色：积云发灰，积雨云发黑，卷云洁白
- 云的地方性和季节性特点需要注意
2.3 云量的观测
- 我国用10分制表示，将视天空化为10等份
- 观测云量时需要观测总云量，低云量和每类云的分云量
云量的目测
- 补贴法：观测时以主要云区 为基础，将其余零散的云加以聚合，补贴在一起，得到较为集中的云区 ，以此估计其占天空的成数
- 等分法：张开双臂抬平为180度，记为5成，以此类推
仪器测量
- 可见光全波段法：直接用照相机对天空进行拍摄，根据可见光亮度分布判别云的存在
- 红外辐射测量法：为了解决夜间云量探测问题，通过测量一些红外波段对云量进行测量
2.4 测云常用仪器
2.4.1 数码相机
- 装有鱼眼镜头的数码相机，根据拍摄照片中云与蓝天的RGB值的差异来区分云与蓝天
- 或通过RGB空间分布对称性特征进行区分
- 或通过蓝色值与亮度值的比值来分析图像
误差来源：
- 当大气中有霾，扬沙等存在时，无云的天空受其影响，RGB值间的差距缩小（对比度减小） ，比值的减小就可能误判为云类的点，导致计算值偏大
- 太阳越接近天顶，图像上太阳周围的点亮度增大，各像素的RGB值间差值减小 ，导致计算偏大
- 天空中出现卷云类薄云，在判断上容易与蓝天的判断标准相抵触
2.4.2 全天空成像仪
- 向下观测的感光元件接收半球形旋转镜面上反射的天空图像，从而进行测量
- 其中横梁可以阻挡强烈的太阳直射光线
2.4.3 红外云分析仪
- 一般选择8-14微米的大气窗区作为测量波段，这个波段大气基本为透明的，主要辐射源为云，当有云出现时测量值会比大气的红外辐射大，从而区分出云
2.5 云底高度的测量
- 气球测高：释放充满氢气的气球释放上升，用秒表测出气球从释放到入云的时间（气球轮廓开始模糊），之后计算云底高
- 云幕灯：在一处先用云幕灯垂直照射，在几百米外处的观测点观察云底光斑的仰角 ，以此估算云底高度
- 激光云幂仪：从地面发射一束激光，测量激光从发射至云的回波到达接收机的时间，后根据仰角，利用三角值计算
- 目测：利用一些标志性高目标物进行估算
- 利用经验公式估计：比如根据地面的温度露点差的经验公式估算
- 根据经验估算
三、能见度
通常指目标物的能见距离，即观测目标物时能从背景上分辨出目标物轮廓和形体的最大距离 ，观测者与目标物处于同一高度时，最大能见距离称作水平能见度
3.1 能见度影响因子
- 目标物与背景的亮度对比 以及目标物与背景的色彩差异
C 0 = B 0 ′ − B 0 B 0 ′ C_0 = \frac {B_{0}^{'}-B_0}{B_{0}^{'}} C0=B0′B0′−B0
C 0 为固有亮度对比， B 0 称为目标物的固有亮度， B 0 ′ 为背景的固有亮度 C_0为固有亮度对比，B_0称为目标物的固有亮度，B_{0}^{'}为背景的固有亮度 C0为固有亮度对比，B0称为目标物的固有亮度，B0′为背景的固有亮度 - 对比视感阈： C 0 C_0 C0需要增大到一定值才能辨别出目标物，这个最小亮度对比值就叫人眼的对比视感阈 ϵ \epsilon ϵ，该值取决于视场内照明亮度，视张角，不同眼睛情况------场光亮度越低 ，目标物视张角越小， ϵ \epsilon ϵ越大；人眼白天对550nm达到最大，夜间暗光条件下则对507nm波长感光效率最大
- 大气透明程度：大气中气体分子及悬浮微粒对光的散射引起的衰减作用使目标物固有亮度减弱 ，同时由于散射使空气层本身拥有了亮度，使目标物亮度增强 ；这两种现象分别称为物光衰减和气暮光增强
- 目标物的视亮度 = 目标物固有亮度经空气层衰减后的亮度 + 目标物至观测者之间空气层产生的气暮光亮度之和
B L = B 0 L + B L ′ = B 0 e − σ L + B H ( 1 − e − σ L ) B_L=B_{0L}+B^{'}{L} = B_0 e^{-\sigma L}+B_H(1-e^{-\sigma L}) BL=B0L+BL′=B0e−σL+BH(1−e−σL)
B L 就是经过长度为 L 的空气层后目标物的视亮度， B 0 L 为目标物经过 L 距离衰减后的视亮度， B L ′ 是距离 L 内所有空气的气暮光视亮度 B_L就是经过长度为L的空气层后目标物的视亮度，B{0L}为目标物经过L距离衰减后的视亮度，B^{'}_{L}是距离L内所有空气的气暮光视亮度 BL就是经过长度为L的空气层后目标物的视亮度，B0L为目标物经过L距离衰减后的视亮度，BL′是距离L内所有空气的气暮光视亮度
可见当L趋近于无穷时， B L 趋近于 B H （天空视亮度） B_L趋近于B_H（天空视亮度） BL趋近于BH（天空视亮度）
3.2 科希米德定律
C L = B H − B 0 B H × e − σ L = C 0 e − σ L C_L=\frac{B_H-B_0}{B_H} \times e^{-\sigma L}=C_0 e^{-\sigma L} CL=BHBH−B0×e−σL=C0e−σL
C L 是目标物和背景的视亮度对比， B H 是天空背景的视亮度， B 0 是目标物的视亮度，类似比尔定律，指数衰减， σ 是消光系数 ( m − 1 ) C_L是目标物和背景的视亮度对比，B_H是天空背景的视亮度，B_0是目标物的视亮度，类似比尔定律，指数衰减，\sigma 是消光系数(m^{-1}) CL是目标物和背景的视亮度对比，BH是天空背景的视亮度，B0是目标物的视亮度，类似比尔定律，指数衰减，σ是消光系数(m−1)
3.3 气象能见度的目测
由科希米德定律，目标物视亮度对比 C L C_L CL随距离衰减，衰减至人眼对比视感阈 ϵ \epsilon ϵ时，相应的距离L就称为该目标物的最大能见距离
C L = B H − B 0 B H × e − σ L = C 0 e − σ L 反解出 L 得到 C_L=\frac{B_H-B_0}{B_H} \times e^{-\sigma L}=C_0 e^{-\sigma L}反解出L得到 CL=BHBH−B0×e−σL=C0e−σL反解出L得到
L = 1 σ l n C 0 ϵ L=\frac{1}{\sigma}ln\frac{C_0}{\epsilon} L=σ1lnϵC0若目标物为黑体，则 B 0 = 0 ( 黑体固有亮度为 0 ） , C 0 = 1 B_0=0(黑体固有亮度为0）,C_0=1 B0=0(黑体固有亮度为0）,C0=1，然后取人眼的对比感视阈 ϵ = 0.02 \epsilon=0.02 ϵ=0.02,上式变为
L M = − l n 0.02 σ , 这样的到的能见度只能反映大气的透明程度， L M 称为气象能见度 L_M=-\frac{ln 0.02}{\sigma},这样的到的能见度只能反映大气的透明程度，L_M称为气象能见度 LM=−σln0.02,这样的到的能见度只能反映大气的透明程度，LM称为气象能见度
3.3.1 目标物的选择
- 目标物应选择黑色或接近黑色的物体
- 尽量选择靠近地平线的天空为背景，避免以大地为背景
- 目标物大小合适，视张角应在0.5-5度之间
3.3.2 白天气象能见度观测方法
实际工作中，在气象站周围各方向选择距离不同的若干黑色目标物作为能见度观测目标物，测出距离和方位，绘制出能见度目标物分布图
需要注意的是，由于测站周围各方向能见度可能不一致，因此有效能见度 就是观测点周围一半以上范围内能达到的最大能见距离
- 当目标物的颜色和较细小部分都能分辨清楚时，能见度通常为该目标物距离5倍以上，细小部分难以辨认一般不超过2.5倍距，当目标物的颜色
3.3.3 夜间能见度的观测
L M = 3.912 S l n I − l n E 0 − 2 l n S L_M=\frac{3.912 S}{lnI-lnE_0-2lnS} LM=lnI−lnE0−2lnS3.912S
S 为灯光能见距， I 为灯光强度， E 0 为照度阈值 S为灯光能见距，I为灯光强度，E_0为照度阈值 S为灯光能见距，I为灯光强度，E0为照度阈值
- 实际业务中，先在观测点周围安置若干点光源，测出方位没距离，发光强度
- 一般选择单独的白织灯，无聚光罩
- 观测时，先测出灯光能见距 ，之后根据天空亮度情况选择适当的照度阈值 ，之后根据上式计算出气象能见距
3.4 能见度仪器测量
3.4.1 气象光学距离（MOR）
白织灯发出的色温为2700K的平行光束在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度，与人的主观因素无关的物理量
M O R = − l n 0.05 σ MOR=-\frac{ln 0.05}{\sigma} MOR=−σln0.05
遵从气象光学距离定义的测量值要比遵从白天气象能见度定义的观测值大约小30% ，由此可以将仪器测量过与人工观测联系在一起 ，理论上测出消光系数就可以算出MOR
3.4.2 摄像能见度仪
L M = − 3.912 R ˙ t l n ( 1 − B t B g ) L_M=\frac{-3.912 \dot R_t}{ln(1-\frac{B_t}{B_g})} LM=ln(1−BgBt)−3.912R˙t
R t 为摄像机与目标物之间的距离， B t 为目标物视亮度， B g 为背景视亮度 R_t为摄像机与目标物之间的距离，B_t为目标物视亮度，B_g为背景视亮度 Rt为摄像机与目标物之间的距离，Bt为目标物视亮度，Bg为背景视亮度
主要通过感光元件获取目标物和背景的视亮度
3.4.3 透射能见度仪
通过测量水平空气柱的平均消光系数来测量，而平均消光系数是通过透过率反算出来的
由透过率 T = e − σ L 得 σ = − l n T L 由透过率T=e^{-\sigma L}得\sigma = -\frac{ln T}{L} 由透过率T=e−σL得σ=−LlnT
L 为基线长， T 为透过率 L为基线长，T为透过率 L为基线长，T为透过率
- 由发射器和接收器组成
- 常用卤灯作为光源，光源的光谱范围要比较宽，最好用可见光谱中的多色光 ，在光电装置上采取防光措施
3.4.4 散射系数能见度仪
在自然雾中，水汽和空气对光的吸收可以忽略不计 ，因此消光系数近似等于散射系数
- 后向散射能见度仪：发射器发射光线，接收器接收取样空气块的后向散射光 ，测算出散射系数
- 前向散射能见度仪：通过测量某一前向散射角度的散射光 来测量能见度
- 积分能见度仪：测量尽可能宽的角度中的散射来推算消光系数
- 散射仪相比透射仪对污染的敏感性相对较低，常被用作日常监测仪器
- 透射仪一般安装在对能见度测量要求较高的测站，如机场
3.4.5 能见度仪的安置
- 应安装在具有代表性的地方，一般安装在远离局地大气污染的地方
- 取样高度应与观测者眼睛在同一水平面上
- 应使太阳在一天内任何时刻都不出现在接收端光场内
3.5 能见度仪的误差来源
- 校准误差
- 系统电子设备的不稳定性
- 信号传输时受电磁场干扰
- 日出或日落的干扰（阳光充足时背景噪声对仪器性能影响较大）
- 光学系统的污染：比如雨，固体颗粒等覆盖在光学系统上
- 距地天气状况（强风，雪等影响）
- 灯泡老化，中心位置不准
四、天气现象的观测
通常将天气现象分为九类，分别是：降水现象，雾现象，风沙现象，雷电现象，烟尘现象，风暴现象，吹雪现象，地面凝结和光现象
4.1 降水现象
雨
云中落下的水滴构成的降水，直径一般为0.5-6mm
-
雨主要分为间歇性、连续性、阵性、过冷却性 四类
-
按大小分为小、中、大三类，雨滴清晰可辨，雨声缓和，水洼形成很慢，为小雨；雨落如线，雨滴不易分辨，并有沙沙雨声，为中雨；雨落如倾盆，雨滴落到地上溅起数十厘米高，水洼形成极快，称为大雨
-
降水强度的划分
毛毛雨
指很小的水滴构成的相当均匀的降水，雨滴直径通常小于0.5mm，降落时呈漂浮状，不会激起波纹和水花
- 根据能见度划分强度大小，能见度大于1km为小毛毛雨，500-1000m为中毛毛雨，小于500为大毛毛雨
雪
云中落下的分离或聚集的冰晶构成的降水
雨夹雪
指雨和湿雪同时降落的降水（或毛毛雨和米雪同时）
米雪
指云中落下的白色、不透明的非常小的粒状冰构成的降水，直径常小于1mm
霰
云中落下的白色不透明圆锥或球形的颗粒状固态降水，直径通常为2-5mm
冰雹
云中落下的坚硬的球状，圆锥状或不规则状的固态降水
冰粒
透明的丸状或不规则状的固态降水
冰针
从空中降落的由水汽凝华而成的微小冰晶体
4.2 雾
近地面大气中悬浮大量细小水滴或冰晶的现象，其厚度超过2m，水平能见度小于1km
4.3 风沙现象
大量沙土被风吹起扬于空中，能见度显著减小的现象
扬沙
较大风速或较强扰动气流将大量尘土、沙粒从地面吹起飞扬于空中的现象，有效水平能见度大于1km
沙尘暴
相比扬沙更强烈， 水平能见度小于1km
4.4 烟尘现象
指大量细小的烟粒、沙粒等悬浮于空中的现象
烟
指大量由燃烧而生成的小微粒悬浮在空中的现象
霾
大量的肉眼看不见的极小的尘埃、烟粒、盐粒均匀地浮游在空中地现象
浮尘
大量的尘土细粒均匀地浮游在空中的现象
4.5 雷电现象
雷暴
由闪电和雷声所表现的突然放电现象
闪电
云间云中产生放电时伴随的电光，但不闻雷声
4.6 风暴现象
大风
瞬时最大风速超过17.2m/s的风
飑
瞬时风速突然增加8m/s以上且至少维持1min，后突然减小
龙卷
出现在积雨云下部的漏斗状云及伴随的小范围强旋风
尘卷风
从地面向上扩展的小范围旋风
4.7 吹雪现象
指强风将地面积雪吹起飞扬于空中的现象
- 低吹雪：高度不超2m的吹雪现象
- 高吹雪：高度超过2m的吹雪现象
4.8 地面凝结现象
指水汽凝结在地面或物体上的现象
露
水汽凝结在地面物体上的水珠
霜
指水汽凝华在地面物体上的白色冰晶层
雾凇
指水汽凝华或雾滴冻结在地面物体上呈针状或柱状的冰晶，多附着在较细的支状物体上
雨凇
指过冷却雨或过冷却毛毛雨滴碰到地面物体后直接冻结而成的坚硬冰层
4.9 降水类型自动识别
4.9.1 光强衰减多要素判断法
采用前向散射仪和雨水检测器同时测量某一时刻的降水信号 ，之后根据两者之间的比例关系确定降水类型
4.9.2 降水粒子光强闪烁法
- 光束在雨中传播时，还会因介质的不规则性使光束波前发生畸变，在任意瞬间，各个雨滴在接受平面上形成各自的衍射图样
- 随着雨滴的下落运动，接收平面上的衍射图样也移动，使探测器上的光强发生忽大忽小的起伏变化，即光强闪烁
- 光强闪烁与降水强度和降水粒子半径有关 ，不同降水会产生不同的闪烁信号，从而可以分辨降水类型
4.9.3 降水粒子下落速度法
- 降水粒子在采样区下降过程中导致检测射线亮度的变化，与其粒子半径有关
- 降水粒子通过采样区的时间与降水速度有关
- 因此综合以上两点，通过测量降水粒子产生的光脉冲幅度和通过时间来确定粒子尺度和速度
4.9.4 冻雨或雨凇识别
- 利用冻雨下落到地面与地物接触后立即冻结的特性
- 当冻雨落在检测仪器上时导致导电性或一些物理量的变化来监测冻雨