地球上的大气

地球上的大气（精选八篇）

地球上的大气 篇1

学生认为“地球上的大气”难学, 实际教学效果也常与预期存在很大距离, 产生这一问题的症结是什么? 究其原因:其一, “大气”这部分知识本身具有很强系统性和逻辑性, 各知识点环环相扣, 构成一个完整的知识体系, 学习时必须把一个知识点放在一个大的知识体系中理解, 层层深入, 由表及里, 理清知识脉络, 对学生的逻辑推理和分析抽象思维能力有很高要求。 而学生却习惯于孤立地看待问题, 只注重单个知识点的学习, 同时并不清楚学习的知识目标和能力要求, 也就是说, 学生在学习过程中, 并不明白到底在学什么?为什么要学 (它的学科价值和社会价值是什么) ?要有什么样的思维过程?不清楚它的核心问题。其二, 主要是在教学过程中缺少对问题的探究过程。学生对知识的获得, 更多的是来自老师的传授而不是自己探究得来, 缺少对知识必要的、系统深入的思考和辨析。 听来的多, 自己探究明白的少, 没有探究性思维的参与, 在学习过程中地理学科能力尤其是思维能力没有得到提高, 也很少真正触及知识的本质。其三, 学生生活中缺乏对自然现象的观察和思考, 欠缺从生活实践中学习知识的意识和能力。

找到问题产生的根源和教学误区, 我们就有了应对的办法, 即用探究性教学代替讲授性教学, 让学生在探究问题的过程中学到知识并提高地理学科思维能力。

一、探究的策略

首先要把知识转化成探究性的问题。 从看似庞杂的教学内容中发现并提炼出一些核心问题, 让学生通过对这些问题的探究—因探究的需要而主动地掌握知识。 同时要避免探究目标的泛化和表象化, 问题应当具有关联性, 由浅入深, 由表及里, 然后绕开具体的知识和问题, 想一个更大、更基本的问题, 把小问题放在一个大问题里, 由此及彼地探究, 这样小的问题解决了, 大的问题就显现了出来, 问题探究清楚了, 教学目标就实现了, 这是总的教学策略。

例如在“大气的热状况”一节的教学中, 对流层的气温为什么会随着高度的提升而降低?这与降水的形成有何关系? 这是大问题, 把这个问题分解为几个有关联的小问题:地面辐射和太阳辐射有何不同?大气为什么会选择性吸收辐射? 晴天的昼夜温差为什么比阴天的大? 为什么大气的热量主要来自地面而不是太阳?为什么气流上升运动能形成降水? 为什么山地的迎风坡多雨? 经过这样系统性的探究, 学生才有可能明白为什么要学习“大气的热状况”, 才能明白降水形成的机制, 那就是含有足够水汽的大气在向冷的方向 (向高空、高纬度、高地势) 运动时气温下降而导致水汽凝结产生降水。 探究清楚以上问题之后, 再分析四种降水类型及“天气系统”时就能很快发现它们都是气流在上升过程中形成降水, 不同的只是促使气流上升的原因不同而已。

二、探究的内容

1.原理、规律的探究。 即对大气中各种地理现象产生原理的探究及对该现象发生规律的探究。

“地球上的大气”一章就高中阶段的知识目标而言, 看似主要是“气候”和“天气系统”两大块知识, 其实主要是让学生搞清楚“刮风下雨”的原理 (大气运动和降水之间的关系) , 分析大气中的各种现象 (雨、雾、雪、冰雹、露、霜等) 产生的机理和总结出降水的时空分布规律, 进而知道这些规律和现象对环境和人类活动的影响。

比如在“大气的运动”及“全球性的大气环流”教学中, 大气为什么会运动? 会怎样运动? 一般有哪些运动形式? 怎样运动才能形成降水? 探究清楚这些问题才能深刻理解“气候”和“天气”的相关原理和规律。 这些都是层层深入的核心问题, 对这些问题进行探究, 并把思维引向深入, 学生才有可能真正触及知识本质, 理解“刮风下雨”的原理。 又如大气为什么会运动的问题, 不妨先让学生探究城郊风 (不同下垫面间) 、海陆风 (海陆间) 产生的原因, 为什么不同地区会有热量差? 热量差存在于哪些地区间? 学生就会明白之所以有风的产生, 是因为不同的纬度, 海陆之间及下垫面之间存在气温差, 气温差导致气流的垂直运动, 垂直运动导致气压差, 而气压差又引起大气的水平运动 (风) 。 再让学生探究盛行风的形成, 学生就能比较容易地从地理位置和大气热力状态出发, 探究大气运动的规律及全球降水的时空分布规律。

2.概念和现象的辨析探究。 让学生探究、辨析各种概念, 辨析大气中的不同自然现象及其产生的原因。 如通过对寒流经过海域多雾的原因探究, 进而辨析雨、雾、雪、冰雹、露、霜等天气现象的成因有何异同 (共同条件是足够的水汽、凝结核、气温降低。 不同的是雾露大气在稳定的状态下降温, 在近地面形成;雨雪形成在高空, 大气在运动中降温等) ? 也要辨析一般规律和特殊现象, 如赤道附近地区的雨林气候和马达加斯加岛的雨林气候的成因不同。 还要就诸如季风与海陆风, 雾和霾, 影响气温日较差与年较差的因素是否相同等进行辨析。

3.拓展探究。要探究知识的学科价值和社会价值, 并对知识有个总结。 比如用大气的保温作用和削弱作用的原理解释青藏高原和西北地区昼夜温差大的原因, 进而总结影响昼夜温差的因素;用全球性的大气运动规律探究分析全球降水的空间分布规律, 并总结出影响降水的因素。 又如探究某种气候的成因并分析该种气候对农业生产的影响及气候类型与生态问题的产生有何关系? 经过这样的探究, 学生就会明白所学知识可用来解决什么问题, 也就知道这些知识的学科价值和社会价值。

三、教师的引导、点拨和必要的知识铺垫

教师恰当的引导和必要的知识铺垫对学生的探究学习非常重要。 教师对情境的创设, 要尽量找学生身边的实例, 也可引入《地理中国》、央视《纪录》频道等视频资料。 提出的问题要由浅入深且符合学生的学识水平和认知能力, 最好能提出与学生实际生活经验、兴趣相关或与其原有知识相关的问题。 即要站在学生的角度想, 怎样才能把学生引入想探究、能探究的状态? 问题设置的最高境界是你提出一个问题, 学生由此能想到第二、第三个问题, 从而激发学生强烈的求知欲望。 同时要知道, 很多学生欠缺一些必要的基础性知识 (比如大气的分层结构和物理性质, 等温线和等压线的知识等) , 而教师没有将这些基础性的课本不涉及的知识给学生做好铺垫, 不给学生扫清学习上的一些障碍, 就会造成学生的探究不能延续, 思维就会卡壳。 所以在学生遇到解决不了的疑难问题, 竭尽心智而不能解决问题时, 要针对学生的知识和能力不足给予适时点拨、引导和讲解, 循循善诱, 做到一语中的, 使学生拨云见日, 豁然开朗。

四、要让学生体验到探究的成功感

成功的教学, 就是要让学生在学习过程中不断体验到思考、探究问题所带来的成就感, 激发持续的学习动力, 这是教学的真谛。 学生经过自己的钻研、揣摩, 解决了疑难, 发现了“真理”之后, 油然而生的满足感、成就感将会极大地激发学生的求知欲, 使学生内心产生强烈的求知冲动而劲头十足地持续学习。 教师在课堂上所要做的最重要的工作是用恰当的问题设置与引导、点拨让学生的探究行为获得成功, 使其不断体验到探究所带来的成就感和满足感。

这样的问题探究式教学使学生进入探究问题、 主动学习的理想状态, 不仅可以让学生深刻、系统地理解知识, 而且可以培养学生的逻辑推理等地理学科能力。 实践证明, 问题探究式教学在像“地球上的大气”这样一些对学生的逻辑推理和分析、 抽象思维能力有较高要求的章节的教学中会取得很好的教学效果。

摘要：文章针对“地球上的大气”一章教学中存在的困难和问题, 以案例形式, 就如何用问题探究方式进行阐述, 介绍了探究的策略、探究的内容及教师在实际教学中应重点注意的问题。

地球上的大气 篇2

一、教材地位作用

本课是人教版高中《地理》必修一第二章，大气圈层的开篇内容。“大气的受热过程”为第一节“冷热不均引起大气运动”的第一课时。设计将：大气受热过程、大气受热原理的实践运用，两部分内容融合为一堂课，突出地理原理规律的实践意义。其中重要的知识点“地面是大气的直接热源”是后面学习热力环流的理论基础，是深入学习“气压带和风带”等知识的前提条件，各知识环环相扣。所以，本课作为本章开篇，既具有其地理实践意义，又是后面章节的知识、理论基础。

二、教材内容分析

课标要求运用图表说明大气受热过程。从正文看，教材的编排紧贴课标的要求，以大版面图2.1“大气的受热过程”，结合文字说明，引导学生分析大气受热过程。因此，本图的深入分析是本课教学核心。

与太阳辐射、地面辐射相对应，大气辐射也是一个重要概念。以地球和月球表面昼夜温差的差异现象为案例，运用图示对比呈现的方式，意在使学生通过读图分析，理解大气保温作用的重要意义。

三、教学目标

1.根据图示说明大气的受热过程，明确地面是近地面大气最主要、直接的热源。2.理解大气热力作用形式、特点、过程和意义。

3.对比青藏高原、成都平原两地太阳辐射状况，理解大气削弱作用的意义。4.探究“地球和月球表面昼夜温差大”的原因，理解大气保温作用的意义。5.运用大气受热原理解释相应地理现象，激发探究地理问题的兴趣。6.通过“全球变暖“视频播放，加强学生的环保意识。重难点：

重点：完整大气受热过程（削弱作用、保温作用）

难点：近地面大气的主要、直接热源——地面（容易混淆为“太阳是近地面直接热源”）运用大气受热过程原理，解释地理现象，解决实际问题（考查学生热迁移能力，且大气受热过程步骤众多，学生易混淆）

四、教学过程

◤新课导入：以“美女来找茬”的活动幽默开场。引导学生对比藏族女孩和成都女孩皮肤差异，引发两大问题思考。

◤问题导学：

1、为什么云层厚度会影响辐射强度（地理环境对比）；

2、为什么青藏高原辐射强烈，温差却那么大（俗语：早上穿皮袄，中午赤膊佬）？

此导入有趣且具启发性，贴近现实生活，意在激发学生兴趣，引发学生思考。自然过渡至学习主题。◤新课学习：

环节一：知识铺垫：对太阳辐射的认识

大气受热过程涉及较多物理知识，其中，关于太阳辐射原理、太阳辐射能量分布以及大气成分和分层，这三点学生理解较困难。虽新教材将此部分内容删除，但要使学生全面认识大气的受热过程，有必要对以上知识做补充。环节二：大气对太阳辐射削弱作用探索 向学生展示大气削弱作用图示，从图中获取：

1.各大气成分对太阳辐射的削弱作用（强调：O3吸收紫外线CO2、水汽，吸收红外线，为理解地面为大气直接热源做铺垫）。2.大气削弱作用分类。

在对削弱作用原理阐释后，回归课堂开始“问题导学”第1问。引导学生得出“大气削弱”所起作用。并给出常见自然现象，考查学生对三大削弱作用的迁移运用情况。环节三1：大气受热过程图解梳理（总）

环节三2：地面辐射形成过程分析（分）——太阳暖大地——大地暖大气 环节三3：保温作用分析（分）——大气还大地

1.以教材图2.1的分析，引导学生读图归纳大气如何受热增温，使学生从总体了解大气受热各过程。

2.以动画形式，带领学生描述大气受热各步骤，并总结归纳为“太阳暖大地、大地暖大气”两大步骤，为学生理清思路。自然引发出“谁是近地面大气直接热源”的思考。解决第一大难点。

为使学生更深刻认识近地面大气热源这一难点、易错点，以山地温差实例调动学生感官积累，理解：地面是近地面大气直接热源，使得气温从山脚到山顶依次降低。

3.对大气受热过程的全面理解，还应深入分析大气逆辐射带来的保温作用。这一重点将结合教材活动开展。

环节四：活动探究：月球昼夜温差为何比地球大？

前面已对大气受热过程进行了分析，此活动将采用“学生为主体进行探究，教师以原理动画分析指导”的方式进行。

具体操作为：引出大气逆辐射概念后，学生阅读图2.2，小组讨论探究问题（2）；最后，教师采用动画演示，对比分析得出大气保温作用的深刻意义，并引导学生迁移解释“问题导学”第二问；为使学生全面、辩证看待问题，以正反两面案例，启发学生思考。

正面案例为：农业生产利用保温作用原理，采用塑料大棚、人造烟雾等预防农作物受冻害。反面案例为：温室效应（视频)（人类的肆意破坏给自己带来恶果，从而激发其环保意识）

环节五：知识总结（三大削弱作用、保温作用、大气受热完整过程）◤课后探究：阿拉伯人的服饰和当地气候有怎样的联系？（进一步贯彻”人地关系“理念）【参考文献】 [1]王德，冯文和.“冷热不均引起大气运动”教学的几点思考.地理教育.高中地理，2010（17）[2]王玉芹.南京师范大学附属中学.“冷热不均引起大气运动”教学设计.地理教育.高中地理，2010（4）

地球上的大气 篇3

【关键词】大气受热过程；大气的直接热源；削弱作用；保温作用

一、教材地位作用

本课是人教版高中《地理》必修一第二章，大气圈层的开篇内容。“大气的受热过程”为第一节“冷热不均引起大气运动”的第一课时。设计将：大气受热过程、大气受热原理的实践运用，两部分内容融合为一堂课，突出地理原理规律的实践意义。其中重要的知识点“地面是大气的直接热源”是后面学习热力环流的理论基础，是深入学习“气压带和风带”等知识的前提条件，各知识环环相扣。所以，本课作为本章开篇，既具有其地理实践意义，又是后面章节的知识、理论基础。

二、教材内容分析

课标要求运用图表说明大气受热过程。

从正文看，教材的编排紧贴课标的要求，以大版面图2.1“大气的受热过程”，结合文字说明，引导学生分析大气受热过程。因此，本图的深入分析是本课教学核心。

与太阳辐射、地面辐射相对应，大气辐射也是一个重要概念。以地球和月球表面昼夜温差的差异现象为案例，运用图示对比呈现的方式，意在使学生通过读图分析，理解大气保温作用的重要意义。

三、教学目标

1.根据图示说明大气的受热过程，明确地面是近地面大气最主要、直接的热源。

2.理解大气热力作用形式、特点、过程和意义。

3.对比青藏高原、成都平原两地太阳辐射状况，理解大气削弱作用的意义。

4.探究“地球和月球表面昼夜温差大”的原因，理解大气保温作用的意义。

5.运用大气受热原理解释相应地理现象，激发探究地理问题的兴趣。

6.通过“全球变暖“视频播放，加强学生的环保意识。

重难点：

重点：完整大气受热过程（削弱作用、保温作用）

难点：近地面大气的主要、直接热源——地面（容易混淆为“太阳是近地面直接热源”）

运用大气受热过程原理，解释地理现象，解决实际问题（考查学生热迁移能力，且大气受热过程步骤众多，学生易混淆）

四、教学过程

新课导入：以“美女来找茬”的活动幽默开场。引导学生对比藏族女孩和成都女孩皮肤差异，引发两大问题思考。

问题导学：1、为什么云层厚度会影响辐射强度（地理环境对比）；2、为什么青藏高原辐射强烈，温差却那么大（俗语：早上穿皮袄，中午赤膊佬）？

此导入有趣且具启发性，贴近现实生活，意在激发学生兴趣，引发学生思考。自然过渡至学习主题。

新课学习：

环节一：知识铺垫：对太阳辐射的认识

大气受热过程涉及较多物理知识，其中，关于太阳辐射原理、太阳辐射能量分布以及大气成分和分层，这三点学生理解较困难。虽新教材将此部分内容删除，但要使学生全面认识大气的受热过程，有必要对以上知识做补充。

环节二：大气对太阳辐射削弱作用探索

向学生展示大气削弱作用图示，从图中获取：

1.各大气成分对太阳辐射的削弱作用（强调：O3吸收紫外线CO2、水汽，吸收红外线，为理解地面为大气直接热源做铺垫）。

2.大气削弱作用分类。

在对削弱作用原理阐释后，回归课堂开始“问题导学”第1问。引导学生得出“大气削弱”所起作用。并给出常见自然现象，考查学生对三大削弱作用的迁移运用情况。

环节三1：大气受热过程图解梳理（总）

环节三2：地面辐射形成过程分析（分）——太阳暖大地——大地暖大气

环节三3：保温作用分析（分）——大气还大地

1.以教材图2.1的分析，引导学生读图归纳大气如何受热增温，使学生从总体了解大气受热各过程。

2.以动画形式，带领学生描述大气受热各步骤，并总结归纳为“太阳暖大地、大地暖大气”两大步骤，为学生理清思路。自然引发出“谁是近地面大气直接热源”的思考。解决第一大难点。

为使学生更深刻认识近地面大气热源这一难点、易错点，以山地温差实例调动学生感官积累，理解：地面是近地面大气直接热源，使得气温从山脚到山顶依次降低。

3.对大气受热过程的全面理解，还应深入分析大气逆辐射带来的保温作用。这一重点将结合教材活动开展。

环节四：活动探究：月球昼夜温差为何比地球大？

前面已对大气受热过程进行了分析，此活动将采用“学生为主体进行探究，教师以原理动画分析指导”的方式进行。

具体操作为：引出大气逆辐射概念后，学生阅读图2.2，小组讨论探究问题（2）；最后，教师采用动画演示，对比分析得出大气保温作用的深刻意义，并引导学生迁移解释“问题导学”第二问；为使学生全面、辩证看待问题，以正反两面案例，启发学生思考。

正面案例为：农业生产利用保温作用原理，采用塑料大棚、人造烟雾等预防农作物受冻害。

反面案例为：温室效应（视频）

（人类的肆意破坏给自己带来恶果，从而激发其环保意识）

环节五：知识总结（三大削弱作用、保温作用、大气受热完整过程）

课后探究：阿拉伯人的服饰和当地气候有怎样的联系？

（进一步贯彻”人地关系“理念）

【参考文献】

[1]王德，冯文和.“冷热不均引起大气运动”教学的几点思考.地理教育.高中地理，2010（17）

[2]王玉芹.南京师范大学附属中学.“冷热不均引起大气运动”教学设计.地理教育.高中地理，2010（4）

[3]刘阳平.江西省景德镇市第七中学.学生如何学好自然地理———以《冷热不均引起大气运动》为例.学苑教育，2012（13）

【作者简介】

地球上的大气 篇4

人造地球卫星在通信、环境监测、导航和定位等方面发挥着重要的作用。与传统的监测手段相比, 卫星的优势在于作用范围广, 可以在较大尺度上监视和测量环境变化情况。卫星获取的数据信息最终要发回地面控制中心, 但由于两者相距遥远, 并且两者之间存在大气层, 实际中卫星信号的传输问题十分突出[1]。对于很多环境监测卫星, 尤其是气象卫星而言, 大气层本身是被检测的对象, 但同时也成为限制卫星发挥作用的桎梏。

大气层主要包括较低的中性层 (距离地面高度在60 km以下) 和较高的电离层, 中性层又可进一步分为对流层和平流层。目前多数卫星信号集中在C波段和Ka波段, 电离层对C波段的电磁波具有显著的折射作用, 而对流层的云、雨、雾及其他悬浮颗粒对Ka波段的电磁波具有较强的散射和吸收作用。重点分析了大气层对C波段和Ka波段卫星信号传输的不利影响, 并提出应对的策略。

1 大气层对卫星信号传输的影响

1.1 电离层对C波段卫星信号的折射延迟

电离层一般是指高度位于60~1 000 km之间的大气层。电离层的气体分子由于受到太阳的强烈辐射电离, 形成大量的自由电子和正离子。当卫星信号通过电离层时, 如同其他电磁波一样, 信号的路径会发生弯曲, 传播速度会发生变化。对于C频段信号, 传播速度减缓而产生的延迟是影响卫星导航和定位精度的主要误差。以GPS卫星信号为例, 这种距离延迟在天顶方向最大可达50 m;在卫星仰角较低时, 可以达到150 m。因此, 电离层延迟是卫星系统中最重要的误差源[2]。

卫星信号测量中, 电离层延迟误差和信号传播路径上的电离层总电子含量TEC (Total Electron Content) 成正比。TEC是指底面积为1 m2的整个电离层柱体中的自由电子数, 单位为个/m2。因此, 电离层延迟可以用TEC来表征。例如GPS的L1频率为1.575 GHz, 1个单位的TEC对应于0.16 m的延迟, 即1 TECU=0.16 m。研究表明, TEC随下列因素而变化:

随地方时的不同而变化, 一般而言, 白天 (8~18 h) 的电子含量高, 夜晚的电子含量低;

随季节的不同而变化, 夏季电离层电子含量大于冬季;

随年份的不同而变化, 太阳活动高年, 太阳辐射量变化剧烈, 电离层电子含量往往较大;

随测站位置的不同而变化, 低纬度地区的探测站上空电离层电子含量较大。

另外, 电离层异常会引起TEC剧烈变化, 从而造成接收到的卫星信号振幅衰减和相位抖动, 强烈时会导致卫星信号接收机的信号失锁。

1.2 对流层对Ka波段卫星信号的折射延迟

对流层离地面较近, 其高度在海拔20 km以下, 大气密度远大于电离层的密度。对流层大气的状态随地面气候的变化而变化, 因此其折射效应比电离层折射更为复杂。由于对流层不属于弥散性介质, 即电磁波在其中的传播速度与频率无关, 所以, 对流层延迟无法通过卫星发射的双频信号加以消除。

对流层延迟取决于信号传播路径上的气压、温度和相对湿度的变化。因此, 对流层延迟随时间、地点、季节等因素而变化。当信号路径上出现雨、雾等现象, 信号的延迟会变得十分显著。对流层延迟还与卫星信号穿越对流层的路径长度有关, 即对流层延迟与接收机至卫星的观测仰角有关。一般来说, 对流层延迟在天顶方向 (仰角为90°) 约为2 m;随着仰角的减小, 对流层延迟逐渐增大, 在低仰角 (20°以下) 时可以达到20多米。同时考虑到对流层延迟变化的复杂性, 消除这种延迟是卫星信号处理和信道校正中最大的难题。

1.3 电离层闪烁效应的影响

电离层绝非是一个均匀、稳定的气态层, 同一地区上空的电离层电子密度往往呈现不规则、非线性的整体涨落。电离层中的不规则体犹如水中翻腾的气泡, 将导致卫星信号幅度、相位的快速波动。这种现象称为电离层闪烁, 强电离层闪烁能导致卫星信号中断。电离层闪烁主要影响30 MHz~10 GHz频率范围的载波。电离层闪烁对信号的影响是有频率选择性的, 在一定范围内, 信号频率愈低, 电离层闪烁影响越显著。

电离层闪烁主要发生在前半夜, 每次闪烁持续时间最多可达几小时, 较强的闪烁主要发生在午夜前。在太阳活动高年的磁赤道异常区, 电离层闪烁几乎每天都发生。地球上有两个强闪烁高发区:一个集中在磁赤道附近, 以磁赤道异常区闪烁最强[3];另一个闪烁高发区在高纬度地区。闪烁高发期一般出现在春分和秋分前后;太阳活动高年, 闪烁活动出现的频率和强度随之增大。

电离层闪烁会影响系统的可用性、有效性和完备性。以GPS卫星为例, 电离层闪烁带来的影响体现为对载波相位测量精度的降低和对信号的失锁。中国南方地区处于磁赤道异常区, 是世界上电离层闪烁影响的主要区域之一。已开展的GPS观测表明, 在太阳活动高年, 中国南方地区 (广州) 电离层闪烁几乎每天都能观测到。在发生强电离层闪烁时, 中国南方区域的可观测GPS卫星数甚至减少到4颗以下, 严重影响了定位。

2 卫星信道修正的方法

卫星接收机中一般采用电波传播修正模型的方法修正电离层、对流层引起的折射误差。由于电离层是色散性介质, 即信号在电离层中传播的速度与信号频率有关。因此, 卫星系统可以采用双频体制, 目的在于利用两个频率上的测量差, 消除电离层影响这一重要的误差源。而对流层是非色散性介质, 因此, 不能利用双频测量的方法消除其影响。此外, 对于定位卫星而言, 差分定位 (Differential Positioning) 技术也是一种广泛采用的用以消除卫星定位中测量误差的重要技术, 并应用于区域或广域差分系统中。

2.1 卫星接收机电离层电波传播修正方法

电离层对卫星信号传输的影响包括折射和延迟。对于折射问题, 可采用双频传输来解决。由于电离层的色散效应, 伪距测量中的电离层折射误差可以表示为:

式中:TEC表示电离层总电子含量。可以看出, 电离层折射误差与信号频率f有关, 因此, 通过测量卫星导航系统发射的两个不同频率上的信号, 可以获得电离层折射误差。在GPS系统中, 利用双频测量获得的电离层折射误差为:

式中:ρ1, ρ2为GPS两个频率上的伪距测量。

对于单频用户而言, 采用电离层修正模型修正电离层折射误差也是常用的方法。电离层修正模型一般在利用长期电离层测量数据建立的电离层模型基础上, 经过改进用于卫星系统。卫星控制中心对地面监测数据进行处理, 获得电离层模型的参数估计, 通过卫星导航电文向用户播发。用户接收到导航电文, 获取电离层模型参数后估计电离层误差, 并用于接收机定位中的电离层折射修正。

例如, Ne Quick模型是Galileo系统中采用的电离层修正模型。用户利用Galileo卫星播发的Ne Quick模型参数, 结合用户自身的位置信息、卫星信息和太阳活动参量来估计和修正用户卫星信道上的电离层折射延迟。中国电波传播研究所利用卫星信号在海口、广州、昆明、重庆、上海等地设观测站, 组成了电离层闪烁监测网, 得出了我国的电离层闪烁预报模型。

相对于折射误差, 电离层延迟对卫星信道造成的影响更为显著, 这个问题的解决思路仍然是建立以电离层特性为依据的信道延迟补偿模型 (被称为Augmentation System) , 其目的就是向用户提供电离层延迟修正信息。模型中将电离层假设成位于350 km高的一层薄球壳, 如图1所示。两条虚线之间的部分代表电离层球壳, 卫星信号经过电离层到达地面上的接收机, 在电离层球壳上根据一定规则建立矩形或其他形式的网格;系统主控站利用参考站的观测数据估计得到每个网格点处的电离层延迟 (TEC) , 并发布给用户;用户可以利用接收到的网格点电离层延迟进行内插, 获得用户处的电离层修正信息。

这实际上是一种较为理想化的模型。由于电离层具有明显的区域特性和不稳定性, 因此, 电离层网格模型在应用时存在以下问题待深入研究。

首先, 对于中纬度地区而言, 电离层变化较为平缓, 电离层网格模型可以很好地描述电离层的变化。随着地磁纬度的下降, 电离层子午面内出现明显的倾斜, 尤其在中国南部地区存在明显的电离层异常现象。电离层倾斜以及电离层异常峰值的存在将影响电离层网格模型的修正精度, 并进一步影响卫星导航系统的完好性。

其次, 电离层暴也是不可忽视的。伴随电离层暴的发生, 将出现电离层TEC增强 (或减弱) 和更陡峭的电离层TEC梯度变化。电离层的变化很大程度上受太阳活动的影响, 在太阳活动高年, 太阳黑子、耀斑频发, 电离层模型十分复杂, 必须有空间天气预报作为保障, 实时对模型参数进行调整。

从图2 (a) 可以看出[4], 2001年 (太阳活动高年) 3月20日发生的电离层暴在中国南方地区引起的电离层TEC变化达到了近30个TECU单位, 该天夜间发生了电离层暴;而在2005年 (太阳活动低年) 的12月31日同样的时刻, 如图2 (b) 所示, 电离层变化很平缓, 电离层TEC变化仅为几个TECU单位。这说明电离层暴会引起电离层TEC的增强和剧烈变化。

2.2 卫星接收机对流层电波传播修正方法

对流层空气密度较大, 充满云雾等水含量较高的气团, 对频率为10 GHz以上的信号传输影响特别大, 其影响主要表现在大气对信号的延迟和折射。对流层误差主要采用模型进行修正, 其中延迟误差可以表示为:

式中:N为大气折射率, 与温度、湿度和压力有关。对流层模型中, 首先通过建立大气模型, 获得温、湿和气压随高度的变化规律, 进而获得大气折射率N的变化规律, 通过上述公式可以获得对流层延迟误差估计。

卫星导航系统中, 一般将上述过程简化, 获得对流层延迟的经验估计公式。卫星导航系统中经常采用的对流层模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文献[5]中, Gao认为WAAS (Wide Area Augmentation System) 对流层延迟模型适用于中国地区, 如图3所示。该模型的出发点是差分校正思想, 所谓差分技术是建立在卫星误差的空间和时间相关性基础上的。差分技术中, 利用接收机在精确位置进行测量, 提取定位中的误差信息, 并向附近用户播发;用户利用差分修正信息提高定位精度。差分技术的进一步发展实现了广域差分系统。

广域差分系统中, 通过一定数量的地面参考站组成监测网络和同步通信卫星 (GEO) 对卫星导航系统进行增强。广域差分定位系统主站至用户的链路采用卫星广播的形式, 覆盖面广并可向沙漠、海上的用户提供服务, 因而具有重要的军事和经济价值。

3 结论

卫星观测、导航和定位技术在现代环境和气象监测预警以及军事侦察方面发挥着越来越重要的作用, 保障卫星信道的畅通是卫星应用中的关节环节之一。由于大气层结构复杂且多变, 使之成为了卫星信道上无法绕开的拦路石。对大气层的深入研究发现, 卫星信号在大气层中发生的衰减、折射和延迟可以用数学函数近似描述, 因此可以建立大气层数学模型对卫星信道进行补偿。考虑到大气层, 尤其是电离层和对流层的时变性, 信道补偿模型必须是可变参数的, 而且要与空间气象和天气预报数据相结合才能充分发挥作用。

摘要：针对卫星信号下行路径上存在的折射和延迟等问题, 分析了大气层的结构特点及其对卫星信道造成的不利影响, 其中电离层对C波段信号的折射、对流层对Ka波段信号的延迟和电离层闪烁是分析的重点。提出了应对大气层不利影响的方法, 指出必须设计可变参数模型并结合实时空间天气和气象预报的数据才能实现对卫星信道的有效校正和补偿。

关键词：卫星信号,电离层,对流层,大气层结构特点分析

参考文献

[1]何昉, 赵正予.电离层对高频电波吸收衰减的影响研究[J].电波科学学报, 2009 (4) :140-143.

[2]王卫国, 李素琴.一种基于特征向量法的高分辨率GPS多路径信号延迟估计方法[J].信号处理, 2009 (6) :141-145.

[3]方涵先, 杨升高.太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究[J].电波科学学报, 2012 (2) :171-176.

[4]《电波与信息化》编委会.电波与信息化[M].北京:航空工业出版社, 2009.

[5]高伟星, 程鹏飞.WAAS对流层延迟模型及其在网络RTK中的应用[J].测绘科学, 2011 (3) :82-84.

地球上的大气 篇5

电视剧《闯关东》中的场景：“主人公朱开山为了避免所种的庄稼遭受霜冻危害，在深秋的夜晚带领全家人及长工们在田间地头点燃了柴草„„”结合大气受热过程示意图回答1～2题。

1．关于图中a、b、c所代表的内容叙述正确的是（）A．a代表大气的直接热源

B．a、b、c所代表的辐射波长的大小关系是a＜b＜c C．b代表的辐射主要被大气中的臭氧吸收 D．c代表的辐射与天气状况无关 答案 B 解析 从图中箭头方向可判断出，a表示太阳辐射，b表示地面辐射，c表示大气逆辐射。其中b是大气热量的直接来源，其辐射的热量主要被大气中的水汽、二氧化碳等吸收；阴天时，c辐射增强。

2．朱开山一家燃烧柴草防御霜冻的做法，有利于（）A．增强a辐射

C．增强c辐射

答案 C 解析 燃烧柴草可放出大量温室气体及大量烟尘，可增强大气逆

B．增强b辐射 D．改变b的辐射方向 辐射，使大气对地面的保温效应增强，从而保护作物免受冻害。

3．读下列四幅海陆风示意图，判断能正确表示近地面大气运动的是()

A．①③

C．③④

答案 B 解析 沿海地区白天吹海风，夜晚吹陆风。

4．下图中，正确的地面和高空等压线分布示意图是()

B．②③ D．②④

A．①②

B．②③

C．③④

D．②④ 答案 D 解析近地面受热形成低气压，高空形成高气压。受冷则相反。5．图中的四幅等压线分布图中(比例尺相同)，①②③④四地风力由大到小排序正确的是()

A．①＞②＞③＞④

B．①＞③＞④＞② C．①＞②＞④＞③

答案 C

D．③＞④＞②＞①

解析 在比例尺相同的地图上，相同距离条件下气压差越大，风力越大。

下图为“某地区山顶与河谷盆地降水量日变化曲线图”，读图回答6～8题。

6．图中不能显示的降水规律是（）A．山顶日降水量大于河谷盆地 B．山腰日降水量大于山顶 C．河谷盆地夜雨多 D．山顶昼雨多

7．产生图示降水日变化差异的根本原因是（）A．地形

C．风向

B．太阳辐射 D．坡向

8．与河谷盆地相比，山顶白天多雨主要是因为（）A．气温低

C．山风

答案 6.B 7.A 8.B

B．气压低 D．谷风 解析 图中没有显示出山腰地区降水量的数值。地形的不同位臵热力性质不同，导致气流在昼夜运动的方向不同，是造成降水差异的根本原因。山顶白天多雨是因为白天山顶气温高盛行上升气流。

读下图，判断9～10题。

9．图中正确指示北半球近地面风向的是（）A．A

B．B

C．C

D．D 10．从图示来看（）A．水平气压梯度力不能影响风速 B．地转偏向力只改变风的速度 C．高空大气运动受摩擦力作用不明显 D．摩擦力只影响风速，不影响风向 答案 9.D 10.C 解析近地面风向因受摩擦力影响与等压线有个交角，在北半球向右偏。高空大气受摩擦力影响不明显。

下图为对流层大气某要素等值面垂直分布图，据此回答11～12题。

11．若a、b、c、d、e为不同温度值，则气压值的大小比较是（）A．甲＞乙＞丁＞丙

C．甲＞乙＞丙＞丁

B．乙＞甲＞丁＞丙 D．乙＞甲＞丙＞丁

12．若a、b、c、d、e为不同气压值，则甲、乙、丙、丁四地的气流运动方向是（）A．甲→乙→丁→丙→甲 B．丁→丙→甲→乙→丁 C．乙→甲，丙→丁 D．乙→甲→丙→丁→乙 答案 11.A 12.D 解析 对流层大气随高度增加，气温降低。近地面气温高的地方形成热低压，气温低的地方形成冷高压；高空气压高低与近地面相反。近地面高压区气流下沉，低压区气流上升。

(2012·潍坊高一质检)下图示意某一等高面。M、N为等压线，其气压值分别为PM、PN，M、N之间的气压梯度相同。①～⑧是只考虑水平受力，不计空气垂直运动时，O点空气运动的可能方向。回答13～15题。

13．若此图表示北半球，PM>PN，则O点风向为（）A．⑥或⑦

B．②或⑥

C．④或⑧

D．③或④ 答案 A 解析 若此图表示北半球，PM>PN，则O点风向应考虑两种情况，近地面为⑥，高空由于忽略摩擦力的作用，风向向右偏转至与等压线平行，即为⑦。

14．若此图表示高空等高面，PM

)A．③或④

C．③或⑦

答案 C 解析 高空空气不考虑摩擦力，所以风向应与等压线平行。由于不确定此图所在半球，所以在北半球高空应为③，在南半球高空应为⑦。

15．近地面，空气作水平运动时，所受摩擦力与地转偏向力的合力方向（）A．与空气运动方向成180°角 B．与空气运动方向成90°角 C．与水平气压梯度力方向成90°角 D．与水平气压梯度力方向成180°角 答案 D

B．②或⑧ D．⑥或⑦ 解析 在近地面，水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力共同影响风向和风速。两力的合力与另一力的方向成180°

二、综合题

16．下图是我国某地阴天和晴天时气温日变化示意图，读后回答下列问题。

(1)表示阴天气温日变化曲线的是________(A、B)，形成这种变化的原因是__________________________________________。

(2)霜冻为什么多出现在晴天夜里？ ____________________________________。

答案(1)B 白天云层反射削弱了到达地面的太阳辐射，气温较低；夜间云层使大气逆辐射增强，对地面保温作用强，气温不会降得很低，故日较差小(2)晴天夜间大气逆辐射弱，地面降温幅度大。

17．下图是某地高空等高面与等压面关系示意图，读后完成下列问题。

(1)A、B两地受热的是________，空气________；冷却的是________，空气____________。

(2)图中点①至点⑤，气压最高的是________，气压最低的是________。

(3)用“→”完成图中热力环流。

(4)若该热力环流发生于城区与郊区之间，则A、B中代表城区的是____________，说明判断的依据。

(5)若图中A处为海洋，B处为陆地，则该热力环流出现在________(白天或夜间)。

答案(1)B 上升 A 下沉(2)④ ⑤

(3)画图略。(近地面由A流向B，高空由B地的高空流向A地的高空；垂直方向是A地下沉，B地上升。)(4)B B处空气上升，为市区。(5)白天

18．读下面“近地面风的形成图”回答下列问题。

(1)产生大气水平运动的原动力是__________(字母)，该力的方向是______________________。

(2)该图是__________(南、北)半球的空气运动示意图，判断理由是________________________。

(3)从图中可见，稳定风向中空气质点的受力情况是________________________________。

(4)F1、F2、F3对风速有明显影响的是__________，只影响风向而不影响风速的是__________。

(5)实际大气中，α角随海拔高度的增加而____________，在相同气压条件下，陆地表面α比海洋__________(大或小)。

地球上的大气 篇6

1. 根据材料的叙述可以判断下列正确的是（ ）

A. ad坡为迎风坡 B. bc坡为迎风坡

C. 两个坡均有可能为迎风坡 D. 无法判断

2. 背风坡与a点相同高度的点气温为多少（ ）

A. 35℃ B. 30℃ C. 25℃ D. 34℃

读“90°E附近海平面气压图（单位：hPa）”，回答3～4题。

3. 气压最高值出现的纬度和气压值最低处的气压带名称分别是（ ）

A. 50°N、副极地低气压带 B. 90°N、赤道低气压带

C. 30°S、副极地低气压带 D. 60°S、赤道低气压带

4. 由气压值可推断此时（ ）

A. 夏威夷高压势力强盛 B. 气压带、风带向北移动

C. 大陆上等温线向北凸 D. 印度半岛盛行东北风

读图并结合所学知识，回答5～6题。

亚洲东部某日地面气压等值线图（单位：百帕）

5. 甲地此时的风向是（ ）

A. 东南风 B. 西北风 C. 西南风 D. 东北风

6. 关于图中气压状况的叙述，正确的是（ ）

A. M地附近空气冷却下沉形成低压

B. M地同纬度的东部海洋上空气受热上升形成高压

C. 副热带高气压带被陆地上形成的热低压切断

D. 副极地低气压带被陆地上形成的冷高压切断

下图是某月份海平面平均气压沿两条纬线的变化图，分析回答7～8题。

7. 该月份，①、②两地的平均风力相比较（ ）

A. ①地的较大 B. ②地的较大

C. 两地相当 D. 上半月①地的较大

8. ③地以南到赤道以北地区，此时的盛行风向为（ ）

A. 西北风 B. 西南风

C. 东北风 D. 东南风

读“某地区1月份平均气温的等温面（理想模式）图”，回答9～10题。

9. 甲、乙、丙三处，气温由高到低的正确排序为（ ）

A. 甲、乙、丙 B. 甲、丙、乙

C. 丙、乙、甲 D. 丙、甲、乙

10. 若甲、乙同在陆地，且位于同一经线，则甲地（ ）

A. 位于乙地北侧 B. 位于乙地南侧

C. 纬度高于乙地 D. 纬度低于乙地

图甲和图乙表示某地区不同季节的风向变化，读图回答11题。

11. 该地区的气候类型是（ ）

A. 地中海气候 B. 温带海洋性气候

C. 亚热带湿润气候D. 温带季风气候

12. 读“北半球某地面水平气压分布图”，回答问题。

（1）就气压状况而言，图中A与B中低压中心是______，B与C中高压中心是______ 。

（2）若该地气压只受温度影响，则A、B、C中地面温度最高的是______。

（3）下图为沿AB作的剖面图，完成AB间的热力环流示意图。

气压值PA、PB、PA′、PB′的大小顺序是______，气温值TA、TB、TA′、TB′的大小顺序是____________。

（4）下列图中能正确表示AB高空等压面状况的示意图是（ ）

（5）在图中甲处画出风向及其所受的力。

13. 读甲、乙两图，回答下列问题。

（1）说出甲地的风向。比较甲、乙两地风力大小，并说明原因。

（2）说出图甲中天气系统A到达北京时的天气状况。

（3）在图乙中画出875、900、925、950百帕四条等压线，并判断该图所示天气系统的类型。

（4）图甲中的A和图乙中的天气系统强烈发展可能成为自然灾害，根据所学知识完成下表。

14. 下图为东亚部分地区简图，图中等值线表示2011年1月某日15时（北京时间）东亚地区海平面气压分布状况，黑色粗曲线表示锋面。读图回答下列问题。

（1）请在图中正确的位置，用符号标注出剩余锋面的类型。

（2）此时，图中五个城市中可能为阴雨天气的是______。

（3）此时，北京和上海相比，风力较大的是______，判断理由是______。

（4）下面四幅气候特征图中分别表示北京和松江的是______和______，试比较两个城市气候特征的差异，并简单分析原因。

（5）东亚地区最典型的气候类型是什么？试述其成因。

（6）与上海（32°N）纬度相同的大陆西岸，一般会形成什么气候？其形成原因是什么？

地球上的大气 篇7

地球球面和大气折射的产生必将影响到雷达测距、测高等方面。众所周知,雷达是一种主动遥感工具,能进行极其细致的探测,但是它的探测能力和准确度也是有限的,尤其对远距离目标,其探测误差往往会大到使探测资料不能应用的程度。本文讨论了地球球面和大气折射对机载气象雷达最大探测距离和测高的影响。定量分析了地球球面和大气折射作用下机载气象雷达的探测距离和测高,并用Matlab软件提供的可视化工具Simulink建立系统仿真模型,给出仿真结果,以此来完善和修正机载气象雷达功能仿真的目标探测模型,这些问题在实际工作中也很重要。

1 基本概念

1.1 大气折射指数n的垂直分布dn/dh和射线曲率K的关系

大气的成分随着时间、地点而改变,而且不同高度的空气密度也不相同,离地面越高,空气越稀薄。因此,电磁波在大气中传播时,是在非均匀介质中传播的,它的传播路径不是直线而将产生折射。穿过地球大气层的雷达波由于对流层折射指数的改变而变得向下弯曲。这就产生了一个仰角误差,天线处的射线角稍大于到目标的直达路径角,同时还产生了一个附加时延,给出一个比真实距离大的距离读数[1]。由于温、压、湿随高度的变化,通常会使大气折射指数n随高度增大而减小,以致造成以一定仰角发射的电磁波波束微微向下弯曲,弯曲的程度,可以用传播路径的曲率来表示。可以理解为,若n值随高度减小得很快,则愈弯曲,即曲率就大。这就是说,电磁波传播路径上射线的曲率与折射指数n的垂直分布有很密切的关系。设想大气由许多厚度为dh的平行薄层构成,如图1所示,设下面一薄层大气的折射指数为n,上面一薄层大气的折射指数为n+dn。i为电磁波的入射角,i+di为折射角。另外又认为电磁波传播特性可以当作射线处理[1]。

这样根据曲率K的定义(数学上K的定义为单位弧长倾角的变化)和推导可以得出:

${\rm K}=-\frac{d{}_n}{d{}_h}(1)$

当dn/dh<0,即n值随高度增加而减小时,则K>0,这时射线传播路径向下弯曲。一般情况下,射线多数是微微向下弯曲传播的。大气折射对雷达的影响有两个方面,一是改变雷达的测量距离,产生测距误差;另一方面将引起仰角测量误差。当需要精确测量时,应对雷达数据修正,以得到准确的俯仰角、目标高度和作用距离[2]。

1.2 等效地球半径Rm′

由于大气影响,使得超短波在传播路径上发生弯曲。一般情况下,射线多数是微微向下弯曲传播的(见图2),这就使雷达在探测高度为h目标物的最大探测距离加大。射线的曲线传播也给实际计算、分析工作带来了不便。为了解决这个困难,往往把超短波的传播路径画成直线,这样就需要对大气折射的影响进行订正,从而需要引入等效地球半径Rm′,在有关问题的计算中,就可以用Rm′来代替真实的地球半径Rm,这样把超短波处理为直线传播,有利于计算[3]。

以图2为例,设想地球半径加大到某一数值Rm′,使得Rm′为半径的球面上沿直线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表面上沿折射曲线轨道传播的最大探测距离相同,则Rm′就称为等效地球半径。随着大气折射情况的不同,折射曲线的轨道也不相同,等效地球半径也就不同。下面讨论等效地球半径的物理概念,以及它与地球半径Rm、大气折射指数的垂直分布dn/dh之间的关系。由图2可以看出,影响最大探测距离的不是折射曲线轨道本身的绝对曲率,而是折射曲线轨道和地球表面之间相对曲率的大小。因此在求等效地球半径Rm′时,应使等效地球表面与设想沿直线传播的超短波射线轨道之间的相对曲率和真实折射曲线轨道与真实地球表面之间的相对曲率相同[3]。简单来说,Rm′的数值应由真实传播和等效传播这两种情况下,超短波射线与地球表面之间的相对曲率保持不变这一条件来决定。若以Rn表示真实射线轨道的曲率半径,那么根据下式:

${\rm K}=1/R{}_n=-d{}_n/d{}_h(2)$

式中K即是真实射线轨道的绝对曲率,而1/Rm则为地球表面的绝对曲率。这样,真实地球表面相对于真实射线的相对曲率应为:

$\frac{1}{R{}_m}-\frac{1}{R{}_n}=\frac{1}{R{}_m}+\frac{d{}_n}{d{}_h}(3)$

同理若用Rn′表示等效条件下射线的曲率半径,则等效条件下的相对曲率为:

$\frac{1}{R{}_{m^{\prime }}}-\frac{1}{R^{\prime }{}_n}(4)$

因为,等效条件下是把射线看作沿直线传播的,所以Rn′→∞,因此等效的相对曲率为1/Rm′。根据相对曲率保持不变的条件,可得到:

$\frac{1}{R{}_{m^{\prime }}}=\frac{1}{R{}_m}+\frac{d{}_n}{d{}_h}(5)$

故等效地球半径Rm′为:

$R{}_{m^{\prime }}=\frac{R{}_m}{1+R{}_{m}d{}_n/d{}_h}(6)$

式(6)即为计算Rm′的常用公式。显然,Rm′的大小与Rm和dn/dh有关。引进Rm′后,在有关问题的计算中,就可以用Rm′来代替真实的地球半径Rm,这样把超短波处理为直线传播,有利于计算。在标准大气情况下,利用dn/dh=-4×10-8 m-1代入式(6)可以计算得到等效地球半径Rm′约为8 500 km。

1.3 雷达直视距离

在正常大气条件下的传播折射,常是电波射线向下弯曲,这是因为大气密度随高度变化的结果使折射系数随着高度增加而变小,从而使电波传播速度随着高度的增加而变大。电波射线向下弯曲的结果是增大了雷达的直视距离[4]。雷达直视距离的问题是由于地球的曲率半径引起的。设雷达天线架设的高度ha=h,目标的高度hT=H,由于地球表面弯曲,使雷达看不到超过直视距离以外的目标。如果希望提高直视距离,只有加大雷达天线的高度。

2地球球面和大气折射对雷达直视距离的影响

由图3可见,对天线架设在h高度上的雷达,要计算对高度为H的目标物直视距离时,天线必须作俯视探测,这时雷达的直视距离R为R1+R2。

$\begin{array}{l}R=R{}_1+R{}_2=\sqrt{(R{}_{m^{\prime }}+h){}^2-R{}_{m^{\prime }}{}^2}+\\ \sqrt{(R{}_{m^{\prime }}+{\rm H}){}^2-R{}_{m^{\prime }}{}^2}(7)\end{array}$

由于H和h都远小于等效地球半径,通过推导可得:

$R=\sqrt{2R{}_{m^{\prime }}}(\sqrt{{\rm H}}+\sqrt{h})(8)$

对于标准大气,Rm′约为8 500 km,又有:

$R=4.15(\sqrt{{\rm H}}+\sqrt{h})(9)$

式中:H,h以m为单位;R以km为单位。

对匀质大气,因为dn/dh=0,故Rm =Rm′,所以只要以真实地球半径代入式(7)即可。对于任意大气,与上述讨论相同,即根据dn/dh的实际大小,计算得到等效地球半径Rm′,再以Rm′值代入式(8)计算出雷达的直视距离R[4]。

3地球球面和大气折射对测高的影响

在雷达中,目标的高度一直是一个导出量而不是直接测量出来的值。这是因为雷达只能测量目标回波的距离和到达的角度。对于距离较远,高度较高的目标,必须考虑地球曲率的影响,同时由于大气折射的影响,无线电波不再是直线传播而变得弯曲了[5]。利用雷达测量值进行精确的高度计算必须考虑下列因素的影响,即所需的参考坐标系统中雷达天线的位置和方向、地球曲率、大气的折射特性及地表反射特性。而且,如果目标高度以当地地形作为参考点,那么必须考虑目标下面可能的不规则地形的高度[6]。

3.1 考虑地球曲率和大气折射影响后的测高公式

3.1.1 平面地表近似的测高公式

对于很近距离的目标,若不考虑地球曲率影响,而把地表面作为平面(见图4),即:

$h{}_{\text{Τ}}+h{}_{\text{a}}+R{}_{\text{Τ}}\sin \theta {}_{\text{Τ}}(10)$

式中:ha为雷达天线高度;RT为被测目标的距离;θT为被测或被估计的目标仰角;hT为被估计目标的高度。

3.1.2 球面地面(抛物面近似)的测高公式

这种方法在距离上用抛物线作为地球曲率的模型。对位于地表附近的雷达,可以很容易地从余弦定理得出目标高度的一级近似表达式,即:

$h{}_{\text{Τ}}=h{}_{\text{a}}+R{}_{\text{Τ}}\sin \theta {}_{\text{Τ}}+R{}_{\text{Τ}}^2/(2R{}_0)(11)$

式中:hT为被估计目标的高度;ha为雷达天线高度;RT为被测目标的距离;θT为被测或被估计的目标仰角;R0为地球半径,近似等于6 371 km。

由上述地球曲率算法计算所得的高度大于使用平面地表算法所算出的高度随被测目标距离的平方而增加。

3.1.3 球面地面(准确的几何图)的测高公式

准确的目标高度可计算如下,即:

$h{}_{\text{Τ}}=[(R{}_0+h{}_{\text{a}}){}^2+R{}_{\text{Τ}}^2+2(R{}_0+h{}_{\text{a}})R{}_{\text{Τ}}\sin \theta {}_{\text{Τ}}]{}^{1/2}-R{}_0(12)$

式中:hT为被估计目标的高度;ha为雷达天线高度;RT为被测目标的距离;θT为被测或被估计的目标仰角;R0为地球半径。

3.2 大气折射引起的测高误差

考虑地球曲率和大气折射影响后的测高公式为:

$h{}_{\text{Τ}}=h{}_{\text{a}}+R{}_{\text{Τ}}\sin \theta {}_{\text{Τ}}+R{}_{\text{Τ}}^2/(2R{}_{m^{\prime }})(13)$

式中:hT为被估计目标的高度;ha为雷达天线高度;RT为被测目标的距离;θT为被测或被估计的目标仰角;Rm′ 为等效地球半径(8 500 km)。在式(13)中把hg,RT,θT看作常数,对Rm′微分可得:

$\text{d}h{}_{\text{Τ}}=R{}_{\text{Τ}}^2\text{d}R{}_{m^{\prime }}/2R{}_m^{\text{'}2}(14)$

由式(14)可见,大气折射所引起的测高误差是由实际大气的等效地球半径偏离标准大气的等效地球半径引起的,即与折射指数随高度变化偏离标准大气折射的程度有关。

必须着重指出,当等效地球半径Rm′变化显著,即dRm′很大时,采用式(12)会造成明显误差,是因为式(12)只适用于dRm′较小的情况。

解决办法采用测高公式直接推求ΔhT值。例如当雷达天线高度hθ=0,被测或被估计的目标仰角等于θT0°时,可采用下式求得:

$\text{Δ}h{}_{\text{Τ}}=h{}_{\text{S}}-h{}_{\text{A}}=(R{}^2/2)(1/8500-1/R{}_{m^{\prime }})(15)$

式中:hS,hA分别为标准大气折射时和实际大气折射时的探测高度。

4系统仿真模型的建立

4.1 Simulink简介

Matlab最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件,经过多年的发展,开发了包括通信系统在内的多个工具箱,从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一[7]。Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境,广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中[8]。该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的仿真系统模型,然后利用Simulink提供的功能对系统进行仿真和分析[9]。Simulink一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作,让用户把精力从编程转向模型的构造,还有一个特点是支持图像用户界面[10]。

4.2 系统仿真及结果

应用计算机仿真工具Matlab/Simulink建立系统进行仿真,仿真结果如下:

(1) 根据式(9),做Matlab仿真结果如图5所示。其中,R为雷达最大直视距离,H为目标高度,h为雷达高度。

从图5可以看出,雷达直视距离与目标高度和雷达高度之间的对应关系。

(2) 根据用抛物线作为地球曲率的模型和计算目标高度的公式hT=ha+RTsin θT+R2T/(2R0)进行仿真,仿真结果如图6所示。

图6表示了雷达天线仰角分别取10°和1°时目标高度与目标距离的关系曲线。

(3) 考虑地球曲率和大气折射影响后的测高根据式(13)做Matlab仿真,模拟雷达天线仰角分别为10°和1°时,仿真结果如图7所示。

5结语

本文讨论了地球球面和大气折射对雷达最大探测距离和测高的影响,定量分析了地球球面和大气折射作用下机载气象雷达的探测距离和测高,并用Matlab软件提供的可视化工具Simulink建立系统仿真模型,以此来完善和修正机载气象雷达功能仿真的目标探测模型,使其能够更准确、合理地反映实战条件下各种背景因素对气象雷达探测性能的影响。

参考文献

[1][美]巴顿.雷达系统分析与建模[M].北京:电子工业出版社,2007.

[2][美]斯科尼克.雷达系统导论[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].北京:气象出版社,2005.

[4]毕琼,高晓光,郑景嵩.机载雷达功能仿真中地球曲率的影响[J].火力与指挥控制,2009(10):47-50.

[5]焦中生,沈超玲,张云.气象雷达原理[M].北京:气象出版社,2005.

[6]SKOLNIK Merrill I.Radar handbook[M].2nd ed.Bei-Jing:Publishing House of Electronics Industry,2003.

[7]李贺冰.Simulink通信仿真教程[M].北京:国防工业出版社,2006.

[8]盛文,焦晓丽.雷达系统建模与仿真导论[M].北京:国防工业出版社,2006.

[9]王正林,刘明.精通Matlab7[M].北京:电子工业出版社,2006.

地球大气层的演变 篇8

一般认为地球大气层分三个阶段演变而成：初期，在地球凝聚诞生的同时，氢和氦就构成了早期的原始大气层。这层大气寿命很短，在地球形成后不久便被太阳向外不断散射的强烈的粒子流形成的太阳风吹的无影无踪了；同时，地球形成之初，质量还不大，引力较小，加上内部放射性物质衰变和物质融化引起能量转换和增温，使分子热运动加剧，氢、氦这种低分子量的气体便逃逸到空间去了。

随后，地球温度不断下降，地球冷凝成固体。这时内部高温促使火山频频爆发，产生出二氧化碳、甲烷、氮、水蒸气和硫化氢、氨等具有较大的分子量的气体，它们从地球母亲怀抱中诞生，不愿离去，形成了围绕地球的第二次出现的次生大气。地球的水圈，也正是在这个阶段由水蒸汽凝结降落而形成的。

随着紫外线对水的光解，大量的氧生成了，地球上开始了生命活动的历程。光合作用生成了碳水化合物，这是植物细胞的基本构成部分。在40亿年前的最初阶段，氧与次生大气中的其他元素物质结合，在雷电、火山等条件下生成了单细胞。在30—20亿年前，原始生命——单细胞的藻类发展到开始通过光合作用又释放出氧（在光合作用下植物吸进二氧化碳，呼出氧气）。此时海洋有效地阻挡了致命的紫外线辐射，使原始生命在海中繁衍起来。最后，高空氧逐渐增多，在光解作用下产生了臭氧层，它使透过大气的紫外线大为减少，促使植物进至海洋上层，又增加了光合作用的机会，从而促进植物生命的大大发展。随着这种相互间的协调和增益过程，直到4亿年前，生命终于跨过了漫长的歲月，从海洋登上了陆地。大气层也演变成今天的样子。可见，生命也正是在大气的参与和保护下，通过以光合作用为主的复杂的过程而形成的。