自己总结的《仪器观测方法第六版》要点难点分解.docx
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自己总结的《仪器观测方法第六版》要点难点分解
第1章总论
1.WMO：
世界气象组织（WorldMeteorologicalOrganization）
CIMO：
仪器和观测方法委员会（Committeeinstrumentsandmethodsofobservation）
RIC：
区域仪器中心
ISO：
国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandards）
RMTC：
区域气象培训中心
RRC：
区域辐射中心
2.在本指南中，除另有说明外，当采用统计方法表示时，不确定度是
，即置信水平为95%。
3.观测资料所需要的密度或分辨率，与分析和应用相适应的各种现象的时间和空间尺度两者均有关。
WMO（1981a）对气象现象的水平尺度分类如下：
（a）小尺度（小于100km），例如雷暴、局地风、龙卷；
（b）中尺度（100-1000km），例如锋面，云团；
（c）大尺度（1000-5000km）例如低压，反气旋；
（d）行星尺度（大于5000mk），例如高空对流层长波。
水平尺度同现象的时间尺度密切相关，因此，短期天气预报要求在一个有限区域内由较密集的站网进行较多时次的观测，以便检测出一些小尺度现象及其随后的发展。
当预报时效增长时，要求的观测空间范围也要随之扩大。
气象观测根据其用途应使之具有代表性。
例如，天气观测站典型的必须代表其周围达到100km的范围，以便确定中尺度和较大尺度的现象。
对于小尺度或局地的应用来说，面积可能为10km大小或更小。
气象站的暴露状况是决定其代表性的关键因素（见1.3.3节）。
气象站的代表性误差要远大于单纯的仪器系统设定的代表性误差。
在丘陵或滨海地区的气象站，对于较大尺度或中尺度来说，似乎不具代表性。
然而，即使在不具代表性的气象站，其观测时间上的同一性，仍能使应用者有效地使用这些资料。
使用良好的仪器系统进行正确操作可达到所规定的准确度。
但在实践中，并非总能维持这种情况。
良好的观测实践需要熟练的技能培训装备和支持。
这些条件并非总能在足够程度上具备。
同样，在几米到100km尺度范围内，均具有良好的开阔状态和代表性也难于实现。
4.气象观测必须按照气象站的暴露和设备与操作的类型和条件而定。
使用者可能需要知道观测的环境。
在气候研究中，必须详细地考查气象站的历史沿革。
这一点现在变得特别重要。
与必须关注气象资料有关的其它资料包括在1.3节中所述的气象站的建立与维持的全部材料，以及所发生的有关变化，包括检定与维护的历史（有参考价值的），以及气象站开阔状况的演变和人员变动的情况。
对某些对仪器安装特别敏感的要素来说，环境资料特别重要，如降水，风和温度。
与气象资料有关的历史沿革资料的一个特别重要的方式是涉及气象资料及与之相关的历史沿革资料的真实性和可用性。
5.设计满足这些要求的全球观测系统，它是由地基子系统和空间子系统组成。
地基子系统按照具体的应用包括各种类型的气象站（例如地面天气站、高空站、气候站等）。
空间子系统按照具有探测任务的空间飞行器，和相应的用于指令、控制和资料接收的地面部分共同组成。
6.由于多种理由，要求配备气象观测员：
（a）藉助于适当的仪器，按要求的准确度，进行天气和/或气候观测：
（b）保持仪器和观测场地处于良好状态；
（c）编码和发送观测记录（在无自动编码和通信系统的情况下）；
（d）维护现场自记设备，包括当需要时更换自记纸；
（e）当无自动系统或自动系统不能用时，整理或校核每周的和/或每月的气候资料的记录；
（f）当自动设备不能对全部要求的要素进行观测，或自动系统不能运行时，提供补充观测或替代观测。
7.气象站应设计成能按照气象站的类型进行有代表性的测量（或观测）。
因此，天气站网中的站应进行能满足天气尺度要求的观测。
而航空气象观测站应对特殊的局地（机场）特征进行观测。
一些兼有几种目的的站，如航空的、天气的气候的站，对观测点及其相应的各种传感器的精确位置有最为严格的要求。
例如，下列考虑的原则可应用于区域的或国家的站网作为典型的天气或气候站选址和对仪器安装状况的要求，（有关适用的具体仪器和测量方法的资料在随后的几章中详述）：
（a）室外仪器必须安装在一块约10m×7m的水平地面内，用浅草覆盖或具有局地代表性的地表，用稀疏的篱笆或木栅围绕，以阻止未经批准的人员进入。
在围栏内，留出一块2m×2m的裸地，用作地面状态观测和深度浅于30cm的土壤温度观测；
（b）测点不应设在凹地，附近应无陡峭的倾斜地表，假如这些条件不能遵从，则该观测值仅能表征纯粹的局地意义上的独特性。
（c）测点应远离树木、建筑物、墙或其它障碍物。
任何此类障碍（包括栅栏）离雨量器承水口上边沿的距离，应不小于障碍物高度的两倍，最好四倍于此高度；
（d）日照计、雨量器、风速表必须安装在暴露状况满足各面要求的位置上，并如同其它仪器一样需要位于同一场地。
（e）必须指出，就测定风速和风向来说，围栏场地可能并非最佳测点；对风来说，另外的对风更开敞的测点，可能更合乎需要。
（f）非常开阔的测点对大多数仪器来说是符合要求的，而对雨量器来说就不合适。
因为此类测点，除微风以外会减少截获的降水，一定程度的屏障是需要的；
（g）假如仪器围栏妨碍对周围场地获得充分开阔的视野，为了观测能见度必须选择另一个测点；
（h）为了观测云和能见度，场地必须尽量开敞，并要求对天空及周围地区有最开阔的视野；
（i）在沿海站，要求有开阔的海面视野，但又不应太接近悬崖边沿。
因为悬崖引发的风的旋涡，将影响降水量和风的测量；
（j）云和能见度的夜间观测，最好在不受外来灯光影响的测点进行。
8.测站的位置必须准确地获知，并记录。
测站的坐标是：
（a）纬度，准确到分；
（b）经度，准确到分；
（c）测站位于平均海平面以上的高度。
即测站的海拔高度，精确到米。
这些坐标，可参考选定测点的标绘图确定，可能不同于测站据以命名的相应城镇、村庄或机场的坐标。
对某些目的来说，可能要求其坐标有较高的精密度。
气象站海拔高度定义为安装雨量器的地面距平均海平面的高度。
或者假如无雨量器计，则定义为温度表百叶箱下方地面的平均海拔高度。
假如既无雨量计器，又无百叶箱，则定义为该站附近地带的平均海拔高度。
若该站报告气压，则海拔高度与该站气压有关，必须分别规定。
此时测站气压报告涉及的高度就是基准高度；这样的气压值称为“本站气压”。
9.仪器变更和同一性
观测场地的特征通常随时间变化。
例如在邻近地带树木成长、建筑物的建立。
选择的场地应使这些影响尽可能减少到最小程度。
特别重要的是使仪器变更的影响和/或具体仪器测点的变更的影响，尽可能减至最小。
虽然对新仪器的静态特性可有比较好的了解。
但当把它们用于测点气候条件下进行业务观测时，新仪器会引入该点气候值明显的变化。
为了防范出现这种不测，在老的测量系统退役前，必须对新仪器进行相当长时间（至少1年）的对比观测。
当测点变更时，则要进行同样的对比观测。
当这种程序不可能在所有测点都实施时，有必要选择具代表性的测点进行对比观测，尽量减少测量资料因测量方法改变或测点被迫变更所造成的变化。
10.气象仪器最重要的要求是：
（a）准确度（对于某一特定变量，按照规定的要求）；
（b）可靠性；
（c）操作与维护方便；
（d）设计简单（符合要求）；
（e）耐久性。
通常仪器的初始校准与设想输出之间会出现一定的偏差。
修正值应与仪器共同保存在观测站上，并明确指导观测员具体使用。
11.“标准”这个词和其它相似的术语，描述各种仪器、方法和刻度，用以建立计量准确度。
国家基准（NationalStandard）：
经国家承认使用的标准器，在国内，用它作为有关量的其它标准定值的根据。
工作标准（WorkingStandard）：
日常用以校准或检验实物量具、测量仪器或标准物质的标准器。
注1．工作标准器通常由参考标准器校准；
2．为确保测量正确通常使用的工作标准称为“考核标准”。
溯源性（Traceability）：
测量结果或标准值的一种特性，据此可以通过连续的比较链，将测量结果与规定的标准器（通常是国家基准或国际基准）联系起来，它们都具有固定的不确定度。
校准（Calibration）：
在规定条件下，为建立测量仪器或测量系统或实物量具的指南值与相应的已知物理量值的关系的全部工作。
12.通常，区域基准由区域协会指定，国家基准由各成员国指定。
除非特别说明，作为区域的和国家的基准指定的仪器应该藉助于移动式标准器至少每5年比对一次。
类似地在气象部门业务上使用的仪器应该定期与国家基准直接或间接地比对。
在气象部门内部的仪器比对，只要有可能应在仪器发往气象站去的那时进行；随后如同1.3.5节所建议的那样，进行每次例行检查。
检查员所用的便携式标准仪器在每次检查前和检查后，应该与气象部门的标准仪器进行检验。
比对应在不同设计（或工作原理）的业务用仪器之间进行，以确保测量在时间和空间上的同一性。
13.气象观测使用下列单位：
（a）气压用百帕（hPa）；
（b）温度用摄氏度（℃）；
（c）地面和高空风速用米/秒（m·s-1）或节（Kt）；
（d）风向用度（°），由北按顺时钟旋转以0-36标度，其中36为北风，09为东风；
（e）相对湿度用百分数（%）；
（f）降水用毫米（mm）；
（g）蒸发用毫米（mm）；
（h）能见度用米（m）和千米（km）；
（I）辐照度用瓦/米2（W·m-2），辐照量用焦耳/米2（J·m-2）；
（j）日照时数用小时（h）；
（k）云高用米（m）；
（l）云量用八分之一；（我国用1/10——译注）
（m）高空观测中采用的位势，用标准位势米（
）；
气象上应用下列常数：
（a）标准状态下冰点的绝对温度
；
（b）水三相点的绝对温度
；
（c）标准重力
；
（d）0℃时的水银密度
；
14.在气象学中，确定一个真值是困难的。
对设计得很好的现场仪器比对，可以确定仪器的特性，以使对从上述（a）至（e）各阶段产生的不确定度给出好的估计。
15.测量（Measurement）：
以确定被测对象量值为目的的全部操作。
测量结果（Resultofameasurement）；由测量所得到的被测量的值。
真值[TrueValue（ofaquantity）]一个与给定量的定义值相一致的值。
注：
1、这是一个由理想的测量所获得的值。
2、真值实质上是无法决定的。
测量准确度（Accuracyofmeasurement）：
测量结果与被测量的真值之间的一致程度。
注：
1、“准确度”是一个定性概念；
2、“精密度”不应用作“准确度”。
重复性[Repeatability（ofresultofmeasurement）]：
在同样的测量条件下，对相同的被测量进行上述测量的结果之间相一致的程度。
注：
1、此类条件称为重复性条件；
2、可重复性条件包括：
（a）相同的测量程序；
（b）同一个观测者；
（c）在同样的条件下（包括天气）使用相同的测量仪器；
（d）同一地点；
（e）在短时间内重复测量。
复现性[Reproducibility（ofresultofmeasurement）]；在不同条件下，对相同的被测量进行测量的结果之间相一致的程度。
不确定度[Uncertainty（ofmeasurement）]：
与测量结果有关的一种变量，用它表征为可合理地归因于被测量的测量值的离散。
误差[Error（ofmeasurement）]：
测量的结果减去被测量的真值。
随机误差（Randomerror）：
测量结果减去其平均值，该平均值是在可重复性条件下，对同一被测量进行多次测量得出的平均值。
系统误差（Systematicerror）：
在可重复条件下，对同一被测量进行多次测量求得的平均值减去被测量的真值。
注：
1、系统误差等于误差减去随机误差；
2、像真值那样，系统误差及其起因不能完全知道。
修正值（Correction）：
在未修正的测量结果上加上的代数值，以作为对系统误差的补偿。
灵敏度（Sensitivity）：
测量仪器的响应变化除以相应的激励变化。
分辨率（Resolution）：
指示器件对被指示量的紧密相邻值作有意义地辨别的能力的定量表示。
滞差（Hysteresis）：
测量仪器对确定的激励作用的响应特性，表现为与先前的激励结果有关。
稳定度（仪器的稳定性）[Stability（ofaninstrument）]：
仪器维持计量特性随时间不变的能力。
飘移（Drift）：
测量仪器的计量特性随时间的缓慢变化。
响应时间（Responsetime）：
激励受到规定的突变时间与响应到达并保持在其规定的最后稳定值时刻的时间间隔。
滞后误差：
由于观测仪器的有限响应时间而使一组测量可能具有误差。
16.精密度，与标准偏差
有关。
如果标准偏差小，那么业务观测可以在狭窄统计限区内再现。
假如标准偏差大，虽然观测也可以再现，但仅能在较宽的统计限区内再现可以认为，这样的测量是不精确的，或是不确定的。
17.当观测数n大时，样本平均值的分布属于高斯型（即正态分布——校注），甚至观测误差本身不是高斯分布时也是如此。
当观测数n大时，样本平均值的分布属于高斯型（即正态分布—校注）。
甚至观测误差本身不是高斯分布时也是如此。
在这种情况下，或者由于其它理由，已知当样本值的分布是高斯型时，平均值的真值可望落入下式所得出的限区内：
上限：
下限：
18.研究者应该考虑到，误差分布是否相似于高斯型。
某些变量本身，如日照、能见度、湿度和云幕高度的分布，并不是高斯型。
因此，应按照它们各自特有的分布所适应的规律进行处理
实际上，观测值包含了随机误差和系统误差。
19.任何测量结果可认为由两部分组成；信号与噪声。
信号构成测定量。
而噪声是不相干的部分。
观测技能的进一步提炼可改善噪声的测量，但对信号不能给出更好的结果。
第2章温度测量
1.温度是决定两个物体之间净热流方向的条件。
在这样一个系统中，一个物体自始至终失去热量给另一个物体，则认为失去热量的物体处于较高的温度。
以开尔文（K）为单位的热力学温度（T）是基本温度。
开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16。
由公式（2.1）定义的摄氏温度（t）用于大多数气象目的。
（2.1）
温差一摄氏度（℃）等于一开尔文（K）。
在热力学温标中，测量值用与绝对零度（0K）的差值表示。
在0K温度下，任何物质的分子不再具有动能。
ITS的温度应当称为“摄氏度”（degreesCelsius）
2.气象学需要测量的温度主要有：
（a）近地面气温；
（b）地表温度；
（c）不同深度的土壤温度；
（d）海面和湖面的温度；
（e）高空气温。
3.所有的温度测量仪器都应当有符合准确度要求或性能规格的证书，或者是有满足准确度要求的修正值的校准证书。
初始的测试和校准应该由国家级的测试机构或经认可的检定实验室来进行。
温度测量仪器随后还应定期进行检查，用于校准的精密设备取决于被校准的仪器或传感器。
4.在常规气象观测中，使用时间常数非常小的温度表没有好处。
因为在几秒钟之内，气温会连续波动1至2度。
因此，用这种温度表要得到一个有代表性的读数就要求多次读数取平均。
时间常数较大的温度表则有助于平滑掉快速波动。
然而时间常数太大，可能在温度发生长周期变化时导致误差。
时间常数已定义为温度表显示出一个气温阶跃变化的63.2%所需要的时间。
建议在风速为5m/s时，温度表的时间常数值应当在30和60秒之间。
时间常数大致与风速的平方根成反比。
5.物质的任何物理性质如果是温度函数，都可作为温度表的依据。
6.来自太阳、云、地面以及其他周围物体的辐射，通过空气而不会使气温产生明显变化。
而自由暴露的温度表则可能吸收相当多的辐射，导致温度表的温度不同于真正的气温。
其差值决定于辐射强度和吸收辐射与散失热量的比值。
对于某些温度表元件，例如裸线电阻温度表使用的精细金属丝，差值可能非常小，甚至可以忽略不计，但对比较常用的温度表来说，在极端不利的条件下其差值可以达到25℃。
因此，为了保证温度表处于真正的空气温度，必需采用百叶箱或防辐射罩以防护温度表使之免受辐射，还可用它来架设温度表和遮挡降水，还可以使其周围的空气自由流通并防止温度表意外损坏。
然而，在百叶箱上有凇附碰冻冰层的情况下，要保持空气的自由流通是相当困难的。
为减少这种条件引起的观测误差的措施将是各式各样的，其中可能包括使用特别设计的百叶箱或温度测量仪器。
在对不同地点和不同时间的温度表读数进行比较时，为了取得具有代表性的结果，百叶箱的甚至温度表本身的暴露状况的标准化是必不可少的。
对于一般气象工作，观测到的温度应当能代表气象站周围一个尽可能大的面积上高度为地面以上1.25m到2m的自由空气的温度。
规定地面以上高度是因为大气的最低层可能存在大的垂直温度梯度。
因此进行测量的最好场地是在平坦地面以上，自由暴露在太阳和风中，不受树木、建筑物和其他障碍物的遮挡也不与之靠近。
应避免把场地设在陡坡和凹地以及易受特殊条件影响的地方。
在城镇中，地方性特色预料要比农村地区明显得多。
建筑物顶上的温度观测是否有意义和有用处值得怀疑，因为垂直温度梯度多变且建筑物本身对温度分布有影响。
7.温度标准器
实验室标准器
国家标准实验室拥有和保持基准温度表。
国家气象部门的或其他的经认可的校准实验室可拥有一个溯源国家基准的高级别铂电阻温度表作为工作标准。
这个温度表的准确度可以在一个水三相点槽中定期检验。
水的三相点是精确定义的，而且可以在三相点槽中复现，其不确定度为1×10-4K。
外场标准器
WMO参考干湿表（WMO，1992）是用以确定常规地面仪器测量的气温与真实气温之间关系的参考仪器。
该仪器设计成非固定式仪器，不用装在百叶箱或防辐射罩内；它是适合用于评估和比对仪器系统的最准确的仪器，它不属于在日常气象业务中连续使用的仪器。
它能提供不确定度为±0.04K（95%的置信水平）的温度测量。
8.玻璃应当是经认可适用于温度表的一种“标准”玻璃或“硅酸硼”玻璃。
9.温度表在进行刻度之前，应当进行适当的退火处理以减少玻璃老化引起的缓慢变化。
10.气象温度表的结构有四种主要形式。
它们是：
（a）标尺刻在温度表表柱上的套管型；
（b）标尺刻在固定于温度表柱上乳白色玻璃板上的套管型；
（c）标尺刻在表柱上并固定于一个金属、瓷或木质的有标度数值的背板上，无套管型；
（d）标尺刻在表柱上的无套管型。
（a）和（b）型优于（c）和（d）型之处是，它们的标度刻线不会磨损。
而（c）和（d）型的刻线，就需要不时的重新涂黑；另一方面，这种温度表比（a）和（b）型容易制作。
（a）和（d）型的优越性是不容易有视差
11.对于玻璃水银温度表，特别是最高温度表，水银柱上面近于完全真空是很重要的。
所有温度表都应在全浸时定标，但土壤温度表除外。
12普通温度表安置在百叶箱内以避免辐射误差。
用支架使其保持直立，球部在最下湍，球部形状为圆柱体状或洋葱头状。
一对普通温度表可用作干湿表。
13最普通的最低温度表是在酒精中浸有一个长约2cm的深色玻璃游标的酒精温度表。
由于在酒精温度表的内腔管中残留着一些空气，因此其上端应有一安全囊，此囊的容积应能保证使仪器经受住50℃的温度而不损坏。
与最高温度表相似，最低温度表应当安置在近乎水平的状态。
多种液体可用于最低温度表，诸如乙醇、戊烷和甲苯。
重要的是液体应尽可能地纯，因为存在某些杂质在光照下暴露一段时间后，就会增加液体的聚合作用，这种聚合，会引起校准值的变化。
例如，乙醇就应当完全不含丙酮。
14为了测量深度大于20cm的温度，建议使用装在木质，玻璃或塑料套管中的玻璃水银温度表，其球部埋入蜡内或含金属的涂料中。
然后，该温度表连同套管一起悬挂或塞进一埋入地下至要求深度的薄壁金属外管或塑料外管中。
在寒冷气候区，外管顶部应当伸出在地面以上并高于预期积雪厚度。
使用垂直钢管的方法来测量土壤特别是干燥的土壤的温度日变化是不合适的，而用这种测量方法来计算土壤热力性质会带来重大的误差。
15土壤温度测量的标准深度是地面以下5、10、20、50和100cm，也可以包括其他的深度。
16所有玻璃液体温度表共同的主要误差来源是：
（a）弹性误差
（b）外露表柱引起的误差
（c）视差和读数的大误差
（d）内外压力引起的球部容积的变化
（e）毛细作有
（f）分度和校准的误差
（g）在所考虑的量程内液体和玻璃的膨胀不同
后三种误差可以通过生产工艺使其减至最小，而且可以对观测值进行修正。
前三种误差是需要考虑的。
误差（d）对于气象用温度表来说不会发生。
17与酒精温度表有关的误差
（a）酒精在玻璃上附着。
与水银不同，有机液体通常会湿润玻璃，这样，当温度急剧下降时，有一部分液体可能还附着在表柱内壁上，引起温度表读数偏低。
如果温度表是垂直悬挂的，液体会逐渐流下去。
（b）液柱断开。
由于蒸发和凝结作用，在表柱上部常常形成液滴。
液滴会与主要液柱重新连接，但在此过程的初始，尚未连接之前就会引起误差。
在运输中也会发生断柱。
为了减小这种误差，在制造时要在最低的温度下封口，以使表柱内腔含有的空气量最大。
（c）液体的缓慢变化。
有机液体随着使用年限和光照的影响常常会发生聚合，从而引起液体体积逐渐减小。
杂质的存在会使这种效应加速；特别是，当酒精中含有丙酮时已显示出这是非常有害的。
因此，温度表使用的液体必须十分仔细地制备。
如果用颜料给液体加色使其更醒目，也会使这种效应增强。
18所有玻璃液体温度表都要经历零点的渐变。
基于此原因，需要对它们进行定期检查，通常是两年一次。
检查前应在室温下至少垂直放置24小时。
19必须尽量读取浸没程度相差不大的两支温度表；这样，球部应尽可能深浸水中。
大多数气象温度表为全浸检定，当水温与气温的差值不超过5K，外露表柱修正可以忽略不计。
每对温度表的比对应该至少做三次。
土壤温度表的测试方法也一样，但是必须在水中至少放置30分钟；
20通常，如果在温度表量程内各选择点（如0℃，10℃，20℃）的误差都在±0.05K以内，就无需作修正，这样无论是在自然通风百叶箱中的普通温度表，或者是最高、最低、土壤或最低草温温度表都可以直接使用。
如果在这些选择点的误差大于0.05K，则应在读数处给观测员提供一张修正值表，并明确说明如何进行修正。
应该附有证书的温度表还有：
（a）通风干湿表用的温度表；
（b）检查员使用的移动式标准器的温度表；
（c）用于特殊目的并需要施加修正值的温度表。
作干湿表用时，应选择相同的温度表。
21双金属片温度计双金属元件应适当防锈，虽然在某些气候条件下有一涂漆层可能就够了。
但最好的方法是镀以厚的铜、镍或铬，在5ms-1的空气速度下，可得到的典型的时间常数大约是25秒。
巴塘管温度计巴塘管比双金属片的灵敏度小，通常需要多重杠杆机构以便给出足够放大的标度值。
在空气速度为5ms-1时，典型的时间常数大约是60秒。
在温度计的机件中，摩擦是主要的误差来源。
22机械式温度计的时间常数比较小，约相当于普通水银温度表的一半，所以当用干球和温度计在固定的时间进行读数的日常比对，即使仪器工作状况良好，也不会产生完全一致的结果。
机械式温度计出厂时通常不带修正证书。
23电测温度表在气象工作中用于测量温度的电测仪器正在普及。
它的主要优点在于，能够提供适用于温度数据遥测显示、记录、存储或传送的信号输出。
最常用的传感器，是电阻元件、热敏电阻和热电偶。
24一个好的金属电阻温度表，应满足下列要求：
（a）在温度测量范围内，它的物理性质和化学性质保持不变；
（b）在测量范围内，其电阻随温度的增加而稳定增加且无任何不连续；
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