本書介紹了用于大氣探測(cè)的高質(zhì)量?jī)x器的基本科學(xué)原理。討論了在實(shí)際大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用的各類傳感器，特別是用于地表的探測(cè)系統(tǒng)中的傳感器。還介紹了使用氣球探空提供豐富的大氣數(shù)據(jù)。為了詳細(xì)闡述所使用的探測(cè)技術(shù)，包括典型和特殊情況下許多大氣探測(cè)實(shí)際的例子，討論電子信號(hào)處理，數(shù)據(jù)采集和精確測(cè)量所需的數(shù)據(jù)處理原理�？蓪⒋髿馓綔y(cè)的悠久歷史放在現(xiàn)代氣候科學(xué)的要求的背景下，通過建立物理科學(xué)儀器記錄并期待新的探測(cè)器和記錄技術(shù)。
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目錄
第1章 簡(jiǎn)介 1
1.1 大氣探測(cè)儀器發(fā)展簡(jiǎn)介 1
1.2 探測(cè)與氣候記錄 2
1.3 降雨量 3
1.4 空氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量 4
1.5 高空探測(cè) 5
1.5.1 載人探空氣球 5
1.5.2 高空自動(dòng)探測(cè)儀 7
1.6 范圍與結(jié)構(gòu) 8
第2章 觀測(cè)原理和儀器 9
2.1 儀器和觀測(cè)系統(tǒng) 9
2.1.1 儀器響應(yīng)特性 10
2.1.2 觀測(cè)質(zhì)量 12
2.2 儀器響應(yīng)時(shí)間 13
2.2.1 階躍響應(yīng) 13
2.2.2 振蕩響應(yīng) 15
2.3 得出標(biāo)準(zhǔn)誤差 16
2.3.1 樣本均值 17
2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)誤差 18
2.3.3 引證結(jié)果 18
2.4 不確定性的組合計(jì)算 19
2.4.1 和與差 19
2.4.2 乘積與商 20
2.4.3 函數(shù)不確定性 20
2.5 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn) 21
第3章 信號(hào)處理 23
3.1 電壓測(cè)量 24
3.2 信號(hào)調(diào)節(jié) 25
3.2.1 運(yùn)算放大器 25
3.2.2 運(yùn)算放大器基本原理 26
3.2.3 信號(hào)放大 27
3.2.4 緩沖放大器 28
3.2.5 反相放大器 29
3.2.6 線路驅(qū)動(dòng) 30
3.2.7 電力供給 31
3.3 電壓信號(hào) 33
3.3.1 靜電計(jì) 33
3.3.2 微伏放大器 35
3.4 電流測(cè)量 36
3.4.1 電流轉(zhuǎn)換為電壓 36
3.4.2 光電放大器 37
3.4.3 對(duì)數(shù)測(cè)量 38
3.4.4 校準(zhǔn)電流 39
3.5 電阻測(cè)量 40
3.5.1 熱敏電阻測(cè)量 41
3.5.2 電阻電橋法 42
3.6 振蕩信號(hào) 44
3.6.1 振蕩器 44
3.6.2 鎖相環(huán) 46
3.6.3 頻率電壓轉(zhuǎn)換 47
3.7 物理實(shí)現(xiàn) 47
第4章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和原始數(shù)據(jù)處理 50
4.1 數(shù)據(jù)采集 50
4.1.1 計(jì)數(shù)數(shù)據(jù) 52
4.1.2 頻率數(shù)據(jù) 52
4.1.3 區(qū)間數(shù)據(jù) 53
4.1.4 電壓數(shù)據(jù) 53
4.1.5 采樣 55
4.1.6 時(shí)間同步 58
4.2 自定義數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) 58
4.2.1 數(shù)據(jù)采集卡 58
4.2.2 單片機(jī)系統(tǒng) 59
4.2.3 自動(dòng)氣象站 61
4.3 數(shù)據(jù)文件的管理 61
4.3.1 數(shù)據(jù)記錄器編程 61
4.3.2 數(shù)據(jù)傳輸 62
4.3.3 數(shù)據(jù)文件注意事項(xiàng) 62
4.4 數(shù)據(jù)初步檢查 63
4.4.1 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn) 64
4.4.2 時(shí)間序列 64
4.4.3 不規(guī)則和間歇時(shí)間序列 66
4.4.4 數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析 66
第5章 溫度 67
5.1 攝氏溫標(biāo) 67
5.2 液體玻璃溫度計(jì) 68
5.2.1 固定區(qū)間溫標(biāo) 68
5.2.2 玻璃液體溫度計(jì) 68
5.3 電子溫度傳感器 70
5.3.1 熱電偶 70
5.3.2 半導(dǎo)體 71
5.3.3 熱敏電阻 72
5.3.4 金屬電阻測(cè)溫 73
5.4 電阻測(cè)溫的注意事項(xiàng) 76
5.4.1 熱敏電阻測(cè)溫 76
5.4.2 鉑電阻測(cè)量 77
5.5 溫度計(jì)暴露 78
5.5.1 空氣溫度傳感器的輻射誤差 79
5.5.2 溫度計(jì)輻射屏蔽 80
5.5.3 百葉箱溫度輻射誤差 81
5.5.4 百葉箱溫度滯后時(shí)間 84
5.5.5 百葉箱狀況 85
5.5.6 百葉箱的現(xiàn)代發(fā)展 86
5.6 地表和地表以下溫度測(cè)量 87
5.6.1 地表溫度 87
5.6.2 土壤溫度 88
5.6.3 地面熱通量密度 88
第6章 濕度 90
6.1 水汽 90
6.2 濕度的物理測(cè)量 92
6.2.1 絕對(duì)濕度 92
6.2.2 比濕 93
6.2.3 相對(duì)濕度 93
6.2.4 露點(diǎn)溫度和濕球溫度 94
6.3 濕度計(jì)及其工作原理 95
6.3.1 機(jī)械式濕度計(jì) 95
6.3.2 化學(xué)式濕度計(jì) 97
6.3.3 電子式濕度計(jì) 97
6.3.4 光譜濕度計(jì) 98
6.3.5 無線電折射率 99
6.3.6 露點(diǎn)儀 99
6.3.7 干濕球 100
6.4 日常實(shí)用的干濕球濕度計(jì) 101
6.4.1 溫度不確定性的影響 103
6.4.2 通風(fēng)效果 103
6.4.3 濕球凍結(jié) 105
6.5 用鹽溶液進(jìn)行濕度計(jì)校準(zhǔn) 106
6.6 濕度測(cè)量方法比較 106
第7章 氣壓 108
7.1 引言 108
7.2 氣壓計(jì) 108
7.2.1 液體氣壓計(jì)原理 109
7.2.2 水銀液體氣壓計(jì) 110
7.2.3 沸點(diǎn)氣壓計(jì) 112
7.2.4 無液空盒氣壓計(jì) 112
7.2.5 精密空盒氣壓計(jì) 113
7.2.6 柔性薄膜傳感器 113
7.2.7 振筒式氣壓計(jì) 114
7.3 氣壓計(jì)校正 114
7.3.1 海平面氣壓校正 115
7.3.2 風(fēng)速校正 115
第8章 風(fēng)速和風(fēng)向 116
8.1 簡(jiǎn)介 116
8.2 風(fēng)速計(jì)類型 116
8.2.1 壓板風(fēng)速計(jì) 116
8.2.2 壓管式風(fēng)速計(jì) 117
8.2.3 風(fēng)杯風(fēng)速計(jì) 117
8.2.4 螺旋槳式風(fēng)速計(jì) 118
8.2.5 熱傳感式風(fēng)速計(jì) 119
8.2.6 聲學(xué)風(fēng)速計(jì) 121
8.3 風(fēng)向 123
8.3.1 風(fēng)向標(biāo) 123
8.3.2 水平風(fēng)分量 125
8.3.3 風(fēng)速計(jì)多分量研究 126
8.4 風(fēng)速計(jì)安裝 127
8.5 系留風(fēng)箏測(cè)風(fēng)速 128
第9章 輻射 130
9.1 引言 130
9.2 太陽幾何學(xué) 132
9.2.1 軌道變化 132
9.2.2 日變化 133
9.2.3 太陽時(shí)校正 134
9.2.4 日長(zhǎng)計(jì)算 135
9.2.5 輻照度計(jì)算 136
9.3 短波輻射儀器 137
9.3.1 熱電堆總輻射計(jì) 137
9.3.2 總輻射計(jì)原理 138
9.3.3 硅晶體輻射計(jì) 139
9.4 直接輻射計(jì) 140
9.5 散射輻射觀測(cè) 142
9.5.1 遮蔽法 142
9.5.2 遮光環(huán)法 143
9.5.3 短波反射輻射 145
9.5.4 輻射觀測(cè)的波動(dòng)現(xiàn)象 146
9.6 太陽輻射儀器校準(zhǔn) 148
9.6.1 空腔輻射計(jì) 148
9.6.2 次級(jí)基準(zhǔn)直接輻射計(jì) 148
9.7 長(zhǎng)波儀器 149
9.7.1 全輻射計(jì)原理 149
9.7.2 全輻射計(jì)校正 150
9.7.3 地表輻射觀測(cè) 151
9.7.4 商用全輻射計(jì) 151
9.7.5 輻射測(cè)溫 154
9.8 日照時(shí)數(shù) 154
9.8.1 坎貝爾-斯托克斯日照記錄儀 155
9.8.2 電子傳感器 156
第10章 云、降雨與大氣電場(chǎng) 157
10.1 簡(jiǎn)介 157
10.2 視程 157
10.2.1 能見度儀 158
10.2.2 大氣透射儀 158
10.2.3 現(xiàn)代天氣傳感器 159
10.3 云底觀測(cè) 159
10.4 雨量計(jì) 161
10.4.1 虹吸式雨量計(jì) 161
10.4.2 翻斗式雨量計(jì) 162
10.4.3 雨滴譜儀 163
10.5 大氣電場(chǎng) 164
10.5.1 電勢(shì)梯度觀測(cè) 164
10.5.2 電勢(shì)梯度的變化 165
10.5.3 閃電監(jiān)測(cè) 166
第11章 高空探測(cè)儀器 168
11.1 無線電探空儀 168
11.2 無線電探空技術(shù) 170
11.2.1 氣壓傳感器 171
11.2.2 溫度和濕度傳感器 172
11.2.3 利用方位信息觀測(cè)風(fēng) 174
11.2.4 數(shù)據(jù)遙測(cè) 174
11.2.5 無線電發(fā)射器 175
11.3 無線電探空儀探測(cè)的不確定性 175
11.3.1 響應(yīng)時(shí)間 175
11.3.2 輻射誤差 176
11.3.3 濕球 178
11.3.4 定位誤差 178
11.3.5 遙測(cè)誤差 179
11.4 專業(yè)無線電探空儀 180
11.4.1 云起電 180
11.4.2 臭氧 180
11.4.3 放射性物質(zhì)和宇宙射線 181
11.4.4 輻射 181
11.4.5 湍流 182
11.4.6 過冷卻水 182
11.4.7 大氣氣溶膠 182
11.5 飛機(jī)探測(cè) 183
11.5.1 空氣溫度 183
11.5.2 風(fēng)速 183
11.5.3 氣壓 183
11.5.4 海拔 183
11.6 小型無人機(jī) 184
第12章 環(huán)境數(shù)據(jù)再分析方法 185
12.1 物理模型 185
12.1.1 地表能量平衡 185
12.1.2 湍流量和渦動(dòng)相關(guān) 186
12.1.3 土壤溫度模型 187
12.1.4 垂直風(fēng)廓線 189
12.2 太陽輻射模型 191
12.2.1 蘭利太陽輻射模型 191
12.2.2 地表太陽輻射模型：霍蘭德模型 192
12.3 統(tǒng)計(jì)模型 194
12.3.1 直方圖 194
12.3.2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn) 194
12.3.3 陣風(fēng) 196
12.4 統(tǒng)計(jì)平均 197
12.4.1 太陽輻射變化 197
12.4.2 氣壓潮 198
12.4.3 卡內(nèi)基曲線 199
12.5 譜分析方法 200
12.5.1 功率譜 200
12.5.2 微氣象功率譜 203
12.6 結(jié)論 204
參考文獻(xiàn) 205
附錄A 介紹關(guān)于氣象儀器的短論的寫作 212
附錄B 風(fēng)速計(jì)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 216
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