大氣探測原理與儀器技術（簡體書）

本書介紹了用於大氣探測的高質量儀器的基本科學原理。討論了在實際大氣環境監測中使用的各類傳感器，特別是用於地表的探測系統中的傳感器。還介紹了使用氣球探空提供豐富的大氣數據。為了詳細闡述所使用的探測技術，包括典型和特殊情況下許多大氣探測實際的例子，討論電子信號處理，數據采集和精確測量所需的數據處理原理。可將大氣探測的悠久歷史放在現代氣候科學的要求的背景下，通過建立物理科學儀器記錄並期待新的探測器和記錄技術。

目錄
第1章 簡介 1
1.1 大氣探測儀器發展簡介 1
1.2 探測與氣候記錄 2
1.3 降雨量 3
1.4 空氣溫度的標準化測量 4
1.5 高空探測 5
1.5.1 載人探空氣球 5
1.5.2 高空自動探測儀 7
1.6 範圍與結構 8
第2章 觀測原理和儀器 9
2.1 儀器和觀測系統 9
2.1.1 儀器響應特性 10
2.1.2 觀測質量 12
2.2 儀器響應時間 13
2.2.1 階躍響應 13
2.2.2 振盪響應 15
2.3 得出標準誤差 16
2.3.1 樣本均值 17
2.3.2 標準誤差 18
2.3.3 引證結果 18
2.4 不確定性的組合計算 19
2.4.1 和與差 19
2.4.2 乘積與商 20
2.4.3 函數不確定性 20
2.5 校準實驗 21
第3章 信號處理 23
3.1 電壓測量 24
3.2 信號調節 25
3.2.1 運算放大器 25
3.2.2 運算放大器基本原理 26
3.2.3 信號放大 27
3.2.4 緩衝放大器 28
3.2.5 反相放大器 29
3.2.6 線路驅動 30
3.2.7 電力供給 31
3.3 電壓信號 33
3.3.1 靜電計 33
3.3.2 微伏放大器 35
3.4 電流測量 36
3.4.1 電流轉換為電壓 36
3.4.2 光電放大器 37
3.4.3 對數測量 38
3.4.4 校準電流 39
3.5 電阻測量 40
3.5.1 熱敏電阻測量 41
3.5.2 電阻電橋法 42
3.6 振盪信號 44
3.6.1 振盪器 44
3.6.2 鎖相環 46
3.6.3 頻率電壓轉換 47
3.7 物理實現 47
第4章 數據采集系統和原始數據處理 50
4.1 數據采集 50
4.1.1 計數數據 52
4.1.2 頻率數據 52
4.1.3 區間數據 53
4.1.4 電壓數據 53
4.1.5 採樣 55
4.1.6 時間同步 58
4.2 自定義數據記錄系統 58
4.2.1 數據采集卡 58
4.2.2 單片機系統 59
4.2.3 自動氣象站 61
4.3 數據文件的管理 61
4.3.1 數據記錄器編程 61
4.3.2 數據傳輸 62
4.3.3 數據文件注意事項 62
4.4 數據初步檢查 63
4.4.1 現場校準 64
4.4.2 時間序列 64
4.4.3 不規則和間歇時間序列 66
4.4.4 數據的進一步分析 66
第5章 溫度 67
5.1 攝氏溫標 67
5.2 液體玻璃溫度計 68
5.2.1 固定區間溫標 68
5.2.2 玻璃液體溫度計 68
5.3 電子溫度傳感器 70
5.3.1 熱電偶 70
5.3.2 半導體 71
5.3.3 熱敏電阻 72
5.3.4 金屬電阻測溫 73
5.4 電阻測溫的注意事項 76
5.4.1 熱敏電阻測溫 76
5.4.2 鉑電阻測量 77
5.5 溫度計暴露 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 百葉箱溫度滯後時間 84
5.5.5 百葉箱狀況 85
5.5.6 百葉箱的現代發展 86
5.6 地表和地表以下溫度測量 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 濕度的物理測量 92
6.2.1 絕對濕度 92
6.2.2 比濕 93
6.2.3 相對濕度 93
6.2.4 露點溫度和濕球溫度 94
6.3 濕度計及其工作原理 95
6.3.1 機械式濕度計 95
6.3.2 化學式濕度計 97
6.3.3 電子式濕度計 97
6.3.4 光譜濕度計 98
6.3.5 無線電折射率 99
6.3.6 露點儀 99
6.3.7 幹濕球 100
6.4 日常實用的幹濕球濕度計 101
6.4.1 溫度不確定性的影響 103
6.4.2 通風效果 103
6.4.3 濕球凍結 105
6.5 用鹽溶液進行濕度計校準 106
6.6 濕度測量方法比較 106
第7章 氣壓 108
7.1 引言 108
7.2 氣壓計 108
7.2.1 液體氣壓計原理 109
7.2.2 水銀液體氣壓計 110
7.2.3 沸點氣壓計 112
7.2.4 無液空盒氣壓計 112
7.2.5 精密空盒氣壓計 113
7.2.6 柔性薄膜傳感器 113
7.2.7 振筒式氣壓計 114
7.3 氣壓計校正 114
7.3.1 海平面氣壓校正 115
7.3.2 風速校正 115
第8章 風速和風向 116
8.1 簡介 116
8.2 風速計類型 116
8.2.1 壓板風速計 116
8.2.2 壓管式風速計 117
8.2.3 風杯風速計 117
8.2.4 螺旋槳式風速計 118
8.2.5 熱傳感式風速計 119
8.2.6 聲學風速計 121
8.3 風向 123
8.3.1 風向標 123
8.3.2 水平風分量 125
8.3.3 風速計多分量研究 126
8.4 風速計安裝 127
8.5 系留風箏測風速 128
第9章 輻射 130
9.1 引言 130
9.2 太陽幾何學 132
9.2.1 軌道變化 132
9.2.2 日變化 133
9.2.3 太陽時校正 134
9.2.4 日長計算 135
9.2.5 輻照度計算 136
9.3 短波輻射儀器 137
9.3.1 熱電堆總輻射計 137
9.3.2 總輻射計原理 138
9.3.3 矽晶體輻射計 139
9.4 直接輻射計 140
9.5 散射輻射觀測 142
9.5.1 遮蔽法 142
9.5.2 遮光環法 143
9.5.3 短波反射輻射 145
9.5.4 輻射觀測的波動現象 146
9.6 太陽輻射儀器校準 148
9.6.1 空腔輻射計 148
9.6.2 次級基準直接輻射計 148
9.7 長波儀器 149
9.7.1 全輻射計原理 149
9.7.2 全輻射計校正 150
9.7.3 地表輻射觀測 151
9.7.4 商用全輻射計 151
9.7.5 輻射測溫 154
9.8 日照時數 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 雲、降雨與大氣電場 157
10.1 簡介 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 現代天氣傳感器 159
10.3 雲底觀測 159
10.4 雨量計 161
10.4.1 虹吸式雨量計 161
10.4.2 翻斗式雨量計 162
10.4.3 雨滴譜儀 163
10.5 大氣電場 164
10.5.1 電勢梯度觀測 164
10.5.2 電勢梯度的變化 165
10.5.3 閃電監測 166
第11章 高空探測儀器 168
11.1 無線電探空儀 168
11.2 無線電探空技術 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 利用方位信息觀測風 174
11.2.4 數據遙測 174
11.2.5 無線電發射器 175
11.3 無線電探空儀探測的不確定性 175
11.3.1 響應時間 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 遙測誤差 179
11.4 專業無線電探空儀 180
11.4.1 雲起電 180
11.4.2 臭氧 180
11.4.3 放射性物質和宇宙射線 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 飛機探測 183
11.5.1 空氣溫度 183
11.5.2 風速 183
11.5.3 氣壓 183
11.5.4 海拔 183
11.6 小型無人機 184
第12章 環境數據再分析方法 185
12.1 物理模型 185
12.1.1 地表能量平衡 185
12.1.2 湍流量和渦動相關 186
12.1.3 土壤溫度模型 187
12.1.4 垂直風廓線 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 統計模型 194
12.3.1 直方圖 194
12.3.2 統計檢驗 194
12.3.3 陣風 196
12.4 統計平均 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 結論 204
參考文獻 205
附錄A 介紹關於氣象儀器的短論的寫作 212
附錄B 風速計坐標旋轉 216