气象测量与仪器外文翻译资料

 2022-11-29 15:41:06

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气象测量与仪器

1.1器乐时代

早期的大气测量仪器很多都是在佛罗伦萨开发的，部分原因可能是受伽利略启发的实验物理科学传统和可用的必要工艺。这包括早期的温度计，例如在1500年代后期生产的测温仪，以确定温度的变化。随着仪器的重大进步，例如Evangelista Torricelli于1643年发明气压计，并意识到需要标准化温度计，对气氛的现代定量研究可以从17世纪中期开始考虑。

早期的测量网络随着测量技术的可用性和学习型科学社团的形成一起提供，这些网络一起提供了以公开形式记录和交换信息的手段。比较测量需要一个标准化系统，例如通过通用仪器实现的系统，在许多情况下还需要常见曝光。对于温度计，商定的温标是必要的，摄氏温标，华氏温标或Reaumuriv尺度都起源于十八世纪[2]。气象值以公布的读数表格形式出版，在很多情况下没有进一步处理，但是对于稍后的分析来说，这些数据已经足够完整。

1.2测量和气候记录

早期的天气记录可以在“天气日记”中找到，这些记录通常由受过良好教育和资源丰富的人员购买或构建诸如气压计和温度计等科学仪器。在某些情况下，这些日志包含大量的描述性和定量地球物理数据，如温度和降雨量的数据（图1.1）。

这种早期的数据来源很重要，因为它们为研究气候变化提供了参考信息，因此它们在数百年后仍然具有科学价值。尤其是从17世纪开始在英格兰南部进行的不同温度计测量，虽然这些测量虽然是由个人以不协调的方式最初制作的，现在却提供了重要的气候数据资源。温度读数在20世纪50年代进行了交叉检查和整理，并利用所使用的不同仪器的知识和对其暴露的了解[4]。这一重要的合成为一个方便地描述为“中央英格兰”的地区产生了一系列温度数据，这些数据相当于由布里斯托尔，曼彻斯特和伦敦划定的大约三角地区。

一天和一小时

压力

温度

湿度

风降雨

天气

概要图1.1天气日记中的示例页面（由药剂师和外科医生托马斯·休斯在格洛斯特郡斯特劳德于1771年至1813年间保存），其中记录了气压，温度，湿度，降雨量和天气的每日测量值。除了定量的天气信息，这个特别的日记还包括其他的地球物理信息，如地震的时间安排，甚至是北极光的发生，这是间接测量太阳活动的指标[3]。 （根据Met Office的许可，转载自参考文献3）

英格兰中部地区的测量结果形成了从1659年1月开始的世界上任何地方都可以获得的最长连续的每月仪器大气温度。（每日值也可用，从1772年开始;参见参考文献5）。图1.2显示了最小值，最大值和年平均值每月中央温度（CET）系列的温度。

1.3云和降雨

在十九世纪，分类，量化和分类已成为许多科学的一个重要方面，特别是生命科学和地质学，因此将类似方法扩展到气象学是很自然的。 cloudvi的分类是一个早期的方面，编制降雨数据也有助于进一步发展环境描述的量化基础。继1890年气象学会成立之后，气象学领域的重大发展一直持续到1850年，并于1854年在Fitzroy.vii海军上将领导下成立了早期气象局。英国协会促进科学与GJ召集了一个降雨委员会西蒙斯当秘书。

1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Temperature (°C)

0

5

10

15

Year

图1.2最初由Manley的历史温度计记录构建的“英格兰中部”月的温度，并继续使用英国气象局Hadley中心更新的现代测量结果[5]。粗中心线表示年平均气温，上下线分别表示夏季（6月 - 7月 - 8月）和冬季（12月 - 1月 - 2月）的平均值（早期温度计的退化分辨率也很明显） 。 （根据Met Office的许可，转载自参考文献5）

汇编英国的历史降雨量数据是一项艰巨的任务，但是，随着许多当地报纸上的广告导致数以千计的答复，西蒙斯[18]在1866年得出结论：“现在私人手中没有很多记录其中的副本还没有被获取和分类。“这项工作的遗产是Symons英国降雨系列年度系列。此外，英国和威尔士降水量（EWP）的一系列月度数据[7]从1766年开始存在（见图1.3）。

1.4空气温度测量的标准化

标准化的气温测量暴露始于十九世纪[8]，当时气象仪器越来越多。

1800 1850 1900 1950 2000

Year

图1.3英格兰和威尔士的年降雨量。 （经过Met Office的许可转载。）

（1841年）暴露在温度计中进行空气温度测量是通过使用Glaisher支架，ix是一个简单的遮阳板，它被手动旋转以防止直接的太阳辐射到达温度计[9]。 Glaisher展位的有效性取决于观看者在每次阅读后转动展位所需的勤奋程度。如果读数之间的间隔变得太长，直接的阳光仍可能到达温度计。托马斯史蒂文森于1863年解决了人工翻转遮光板但保持良好通风的实际困难，其形式为双百叶木箱，漆成白色光泽。这样可以保护温度计免受各个方向的太阳辐射，并确保长波辐射与屏幕内部的交换。双百叶窗的使用增加了通过筛网的风路长度，这使筛网材料的内部更接近于空气温度，而不是简单的狭缝或筛网。史蒂文森的屏幕原来是一个15英寸高的木箱，

长14.5英寸，宽7.5英寸。它有一个坚固的屋顶与整体呼吸机，和

温度计水平安装在地面上方4英尺处。

史蒂文森屏幕上有很多小变种。苏格兰物理学家约翰艾特肯研究了屏幕特性[10]，后来注意到[11]没有做任何事情来减轻史蒂文森屏幕热惯性的影响。斯蒂文森屏幕和格里舍台的评估在1868年至1926年间在各个地点进行[12]，包括在卡姆登广场持续40年的对比[13]。在夏季，格莱舍台式温度计的读数最高可达3.3℃。史蒂文森风格的屏风从原始设计中进行了许多改进，包括双层屋顶和隔着基座的木板以排除反射辐射[14,15]，但自1884年以来基本保持不变。建议使用由气象学会于1873年提出。（Stevenson屏幕的性质将在第5章讨论。）

1.5高空测量

第一次高空测量提供了有关大气结构的基本信息。 风筝用于早期探测，例如在1749年高温携带温度计，1745年本杰明富兰克林用于雷暴研究。着名的攀登开始于Montgolfier（1783）的热气球，但比空气轻 气球提供了合适的测量平台，以获得高度为几公里的大气温度分布，特别是由Gay-Lussac（1804）提供。 仪器化的气球后来被开发成为一种替代性的探索工具，并根据这些工具发现了大气结构的基本发现。 例如，在200多台仪器日夜攀登之后，1901年Leon Teisserenc de Bort报告了大约11公里处的温度不连续性，将大气分为多层，确定了对流层和平流层。

1.5.1手持气球攀登

在最初阶段，有人驾驶的登山艇不是没有风险地发现，确实给有关人员带来了致命的危险。在十九世纪初，只有少数科学上升[16]，但是大约在1850年英国发生了大量研究飞行，其中包括James Glaisherxi和Wolverhampton的Henry Coxwell的着名攀登。这次特殊的飞行可能达到了大约7公里，尽管这些航空员失去知觉并且无法读取他们的晴雨表。他们幸运地生存下来。有些气球上升的记录很好（见图1.4），这些飞行的记录不仅提供了关于地面以上大气条件的定量信息，而且还提供了有关航空人员面临的困难的见解：

第三次攀登当天（1862年8月18日）的天气很好，而且风很少。所有的仪器在离开地球之前都是固定的。达到超过4英里的高度，气球在空中停留大约两个小时。在最高点时，气球和地球之间没有云，伯明翰的街道清晰可见。下降是在离伯明翰7英里的Solihull进行的。地球上的空气温度为67.8°F，露点温度为54.6°F;他们分别在11,500英尺处稳定下降到39.5°F和22.2°F。然后使气球下降到约3000英尺的高度，当两者分别增加到56.0°F和47.5°F时。在抛出压舱物后，气球再次升起，气温稳定下降到24.0°F，而在23,000英尺的高度，露点降至-10.0°F。在这次上升期间，格里舍先生的手变得非常蓝，并且他在大脑和胃中经历了一种非常温和的感觉，类似于晕船的方式;但除了诸如由于寒冷和呼吸困难而导致的不便之外，没有其他不便之处。格莱舍先生在随后的攀登中再也没有发生过这种疾病。 （百科全书，1902）

表1.1欧洲早期一些重要的科学气球上升情况(修改自参考文献17)

Othe

Investigator Launch details

Height (m)

Met data Temperature Humidity

measured quantities or remarks

Robertson and

Lhoest

1803 (18 July) Hamburg 7000 Atmospheric

electricity

Gay-Lussac and Biot

1804 (24 August; 16 September), Paris

7015 radic; Geomagnetism

Barral and Bixio 1850 (29 June; 27 July) 7050

Tuma 1892, 1894 (22

September); 7 flights

1894 to 1898, Salzburg

Le Cadet 1893 (1 and 9 August), Meudon-Valhermay, Paris

3000 Atmospheric

electricity

2520 Atmospheric

electricity

Bouml; rnstein 1893, Berlin Atmospheric

electricity

Hess 1912 (7 August), Aussig 5350 Discovery of cosmic rays

表1.1总结了十九世纪一些早期的气球探索，表明这个测量平台在二十世纪初期的使用稳步增加。

1.5.2自报高空飞行仪表

风筝携带的乐器继续用于研究在十九世纪末和二十世纪初，如纳皮尔肖和W.H. Dines [18]。这些携带早期记录仪器或气象仪器，这些仪器在技术上具有很高的创新性。在特殊的配置和合适的地点，风筝系统可以达到7公里[19]。 Dines开发的气象仪通过在金属板上制作不可磨灭的标记，机械地记录数据，绘制温度和湿度对压力的图表。后来使用旋转鼓记录数据的设备在20世纪20年代在飞机上进行[20]，随着飞机平台变得更加可用，大约停止使用“科学航空”风筝（参见第8.5节）。 G.M.B开创了使用相关的机械记录设备进行飞机大气测量。 Dobson，xii，并于1916年在威尔特郡的Upavon军事飞行中首次实施[21]。

小型短波无线电发射机的发展使获得的信息能够通过无线电遥测技术瞬间发送给远方的观测者，从而得到无线电测量图。在20世纪20年代后期展示了这项技术由P. Idrac和R. Bureau领导[22,23]，他们展示了短波无线电发射机，而基于脉冲的方法可以发出测量的温度和压力值的信号，尽管第一台为气象服务提供数据的无线电探空仪已启动由Pavlovsk的P. Molchanov于1930年1月30日完成。无线电系统，数据传输和电池的改进使无线电探空仪的商业设计在1936年左右可用[24]（另见第11.1节）。

1.6范围和结构

本书旨在提供气象测量所应用和需要的仪器科学背景和介绍材料。然而，它不是任何意义上的观察实践或惯例的指南，在其他地方被认为是比较彻底的.xiii相反，它考虑了仪器和测量理论的各个方面（第2章），信号调理所需的电子器件（第3章）和数字数据采集和记录（第4章）。探索一系列常用仪器和传感器（第5-10章）。在第11章中，前面的材料用于描述无线电探空仪测量所需的传感器，信号处理和数据传输的组合，第12章给出了用于分析环境数据的一些处理技术的示例。这两个简短的附录提供了进一步的信息，并在附录A中给出了关于如何编写关于仪器新发展的论文的总结。

2

测量和仪器原理

测量仪器或技术是确定诸如温度，风速或压力等物理环境参数的大小的基本要求。这就要求传感技术能够响应被测量的量，量化响应的方法，并且在某些情况下，量化响应的记录技术。密切相关的是需要评估数量的测量程度，以评估相关的不确定性。

2.1仪器和测量系统

在这种情况下，仪器是一种物理设备或系统，用于测量或监测某些事物。它可能采取手持式无动力装置的形式，例如液体玻璃温度计，或者它可能物理上很重要，需要硬件和软件来获得和处理结果（例如无线电探空仪接收器和处理器）在这种情况下，它会更适合被视为一种测量系统。图2.1总结了可能存在于为响应特定参数而设计的仪器或测量系统中的元素。

传感器响应测量的特定参数。 （在某些情况下，还可能需要换能器进行能量交换，以将传感器的响应转换成可以更方便测量的响应。）使用放大器来增加传感器产生的变化幅度。放大器按照各种原理工作，例如机械，化学，光学或电子。除了增加信号，放大器通常也会增加其他随机变量（噪声）。仪表根据量值提供最终读数，可以是数字或模拟量。某种形式的记录设备可以连接到电表上，例如图表记录器，计算机化的记录系统，或者更简单地说，具有笔记本的观察者。

表2.1列出了通常用于描述测量系统主要方面的关键术语。

Parameter

Sen

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