《仪器和观测方法指南》第1章总论

1第1章总论1.1气象观测1.1.1概述进行气象（及有关环境的和地球物理的）观测是为了各种的理由。气象观测可应用于天气分析和预报的实时准备、气候调研、与局地天气有关的业务（例如当地机场的飞机操作、陆地和海上的建设工程）、水文和农业气象学以及气候学的研究。《气象仪器和观测方法指南》的目的是为了在气象测量和观测中作得更好而提出建议以支持上述各种活动。此类建议有许多其它的出处，使用者可参考本指南的附录。其中列出了有关仪器和观测方法理论与实践的广泛参考书目。附录也包括有关国家的惯例、国家的和国际的标准器以及通用的文献。它还包括世界气象组织（WMO）仪器和观测方法委员会（CIMO）有关的技术会议，仪器使用和仪器的国际比对等所发表的报告目录。以及由WMO发行的有关气象观测特殊应用方面的其它手册和指南〔尤其是有关全球观测系统（WMO1981a和1989），航空气象学（WMO，1990）水文学（WMO1994），农业气象学（WMO，1981b）和气候学（WMO，1983）的〕。根据CIMO的推荐，WMO的几个区域协会已经建立了区域仪器中心（RIC），以保持标准器并提供建议。在附录1.A中给出了它们的授权范围和地区的名称。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2，即置信水平为95%（见1.6）。1.1.2代表性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。21.6节讨论仪器系统所要求的和可达到的准确度。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。1.1.3气象站历史沿革资料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。1.2气象观测系统对观测资料的要求可以用现场测量，或用遥感（包括空基（bear）遥感）系统来获得。根据不同感应系统的能力来测量所需要的要素。WMO（1981a）针对全球、区域的和国家的不同尺度以及根据应用概述了对观测资料的要求。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。在本指南随后的有关章节中将涉及及地基系统，同时也提及空间系统。1.3气象站的一般要求按照气象站和观测网的类型，对各种要素的要求已在WMO（1981a）中详述。本节中，主要考虑典型的气候站或地面天气站网的观测要求。下面是在气象站上进行地面观测所要观测的要素，（其中的章次参考本指南第1编）：现在天气（第14章）过去天气（第14章）风向和风速（第5章）云量（第15章）云状（第15章）云底高度（第15章）能见度（第9章）气温（第2章）相对湿度（第4章）3气压（第3章）降水（第6章）积雪（第6章）日照和或太阳辐射（第7、8章）土壤温度（第2章）蒸发（第10章）除云状以外，以上全部要素都可用现有的仪器进行测量。然而，就现在的技术水平来说，对现在天气、过去天气、云量和云高、积雪，尚不能像观测人员那样使用仪器对上述现象进行全程观测。某些气象站进行高空测量（第1编第12章和第13章），土壤湿度（第1编第11章）、臭氧（第1编第16章氧和大气成份测量（第1编第17章）。其中有些项目使用了本指南第2编所述的特种仪器系统。观测方法和适用的仪器使用包含在本指南随后的一些章中。1.3.1自动气象站天气、气候或航空用途所要求的大多数气象要素能用自动仪器测量（第2编第1章）。由于自动系统测量能力的增强，完全的自动气象站与以观测人员为主体（配备或不配备自动仪器）的气象站的比率在稳步增长。在本指南以下的几节中，有关站点的位置和仪器的安装变换、检查与维护，均等同地应用于自动气象站和有观测员的气象站。1.3.2观测员由于多种理由，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。观测员必须由适当的气象部门进行培训和/或授予证书，以示他们能胜任观测工作并达到要求的标准。他们必须能理解自己所使用的具体观测系统采用的仪器和操作技术的指导规程。对观测员的仪器培训要求，本指南将在第3编第4章中给出。1.3.3位置与暴露状况1.3.3.1位置选择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4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。1.3.3.2气象站的坐标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5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”。并被视作为保持气压纪录连续性所指定的高度（WMO，1993）。若气象站建在机场，必须对其高度作出规定（见第2编第2章以及（WMO，1990）。高度测量的定义和平均海拔高度的定义在WMO（1992）中给出。1.3.4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。1.3.5检查和维护1.3.5.1测站检查所有陆地天气站和主要的气候站至少每两年检查一次。农业气象站和特种站必须相当短的时段内进行检查，以确保维持高标准观测和仪器的正常运转。此类检查的主要目的在于明确：（a）仪器的位置与安装状况是否已经测知和是否合乎要求；（b）如同所需要的那样，仪器是否属于被批准的型号，是否属于良好的等级，以及是否根据需要定期用标准器作了检定；（c）观测方法以及由观测值计算导出量的程序是否统一；（d）观测员是否胜任其职责。仪器标准化方面更进一步的资料详见1.5节。1.3.5.2维护观测场地和仪器应该定期维护。这样在两次测站检查期间，观测质量不会明显降低。日常的（预防性的）维护计划包括：观测场地的定期治理（例如割草和清洁仪器的外表），按照生产厂的推荐对自动仪器的进行校验。按计划在站上或在中心站点进行常规质量控制检验，必须在最早可能的阶段，检测出设备的故障。根据故障的性质和站的类型，按照认同的优先顺序和时间分段，对设备进行更换或修理。特别重要的是对资料用于气候目的的测站要妥善保存有关仪器故障和采取的补救行动的值班记录。台站检查和管理方面的更多资料，详见WMO（1989）。1.4对仪器的总要求61.4.1设想的特性气象仪器的最重要要求是：（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；考虑前两个要求，一种仪器应该在长时间内保持已知的准确度是很重要的。这比开始有高的准确度，但在工作条件下，却不能长期保持更好。通常仪器的初始检定与设想输出之间会出现一定的偏差。当正常工作时，需要对观测资料进行修正。重要的是：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。结构简单、结实、操作与维护方便也是重要的。因为，大多数气象仪器要年