Актинометрические измерения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ

ПО МЕТОДАМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

ЧАСТЬ 2

АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОБАЛАНСОВЫЕ

НАБЛЮДЕНИЯ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................................... 3

1. Производство актинометрических наблюдений....................... 3

            Организация срочных наблюдений.......................................... 3

            Перевод среднего солнечного времени в декретное................ 4

            Вычисление высот и синусов высот солнца............................. 5

            Установка приборов на площадке............................................ 7

            Производство  основных наблюдений..................................... 8

            Производство вспомогательных наблюдений.......................... 9

            Запись наблюдений.................................................................... 10

            Обработка материалов наблюдений......................................... 11

            Контроль материалов наблюдений.......................................... 12

Приложения.................................................................................... 14

Список литературы........................................................................ 21

2.     Теплобалансовые (градиентные) наблюдения......................... 22

            Общие положения...................................................................... 22

            Организация наблюдений......................................................... 23

            Производство наблюдений и их запись.................................... 24

            Обработка материалов наблюдений......................................... 25

            Контроль полученного материала........................................... 26

Приложения.................................................................................... 27

Список литературы........................................................................ 30

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие методические указания являются руководством  к учебной практике по курсам: общая метеорология и методы метеорологических измерений. Поскольку главная цель практики – выработка навыков производства и обработки измерений, перед практикантами ставятся следующие задачи:

–    усвоение правил установки приборов и ухода за ними;

– усвоение методических основ актинометрических измерений, градиентных наблюдений и обработки полученной информации;

–   приобретение навыков расчета и анализа характеристик солнечной радиации, теплового баланса;

–    обобщение материалов измерений и оформление отчетов.

1.     ПРОИЗВОДСТВО АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

1.1.         Организация срочных наблюдений

 Актинометрические наблюдения производятся для определения различных радиационных характеристик. К измеряемым видам радиации относятся:

– прямая солнечная радиация S, поступающая от Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5^о в виде прямых параллельных лучей;

– рассеянная радиация D, поступающая на земную поверхность со всего небесного свода, исключая Солнце и околосолнечную зону;

– суммарная радиация Q, представляющая собой поток прямой и рассеянной радиаций (Q=S+D);

– коротковолновая радиация, отраженная от деятельной поверхности R_k;

-  радиационный баланс B, определяемый как разность между всей приходящей и уходящей радиацией;

– радиационный баланс длинноволновой радиации B_D.

Кроме этого вычисляются: прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность (S' = S∙sin h¤); альбедо коротковолновой радиации (A_k = R_k/Q_k); различные характеристики прозрачности атмосферы (фактор мутности, коэффициент прозрачности).

Основными измерительными приборами являются термоэлектрические: актинометр, пиранометр, балансомер. Определяемые виды радиации при попадании на приемную поверхность этих приборов преобразуются в электрический ток, который измеряется гальванометром. Поэтому при нахождении радиационных потоков каждого прибора в паре с гальванометром вычисляется переводной множитель:

где K – чувствительность приемной поверхности измерительного прибора;

α – цена деления гальванометра в микроамперах, 10^-6 А;

R_б и R_r – сопротивление термоэлектрической батареи и рамки гальванометра, Ом.

Перечисленные характеристики указываются в проверочных свидетельствах приборов.

1.2. Перевод среднего солнечного времени в декретное

Прежде чем, начинать производство наблюдений, необходимо вычислить  местное время проведения измерений. Для актинометрических наблюдений установлены следующие сроки: 0 ч 30 мин, 6 ч 30 мин, 9 ч 30 мин, 12 ч 30 мин, 15 ч 30 мин и 18 ч 30 мин по среднему солнечному времени. Также во время учебной летней практики наблюдения производятся в промежуточные сроки: 8 ч, 11 ч, 14 ч, 17 ч по среднему солнечному времени.

Для перевода среднего солнечного времени в декретное (местное) необходимо выполнить следующий алгоритм:

1.          

В мире принята система поясного времени. Продолжительность каждого пояса 1 ч, всего поясов 24. В градусах продолжительность пояса равна 158.

Таблица 1

Часовые пояса

2.                          

3.                           Определить разность между средним м меридианом данного часового пояса и долготой данного пункта (табл.1).

4.                           Разность выразить в единицах времени:

1° = 4 мин              1' = 4 сек

5.                          

Пример. Вычислить сроки производства актинометрических измерений летом для станции с долготой 56°.

1.                        Определим, в каком часовом поясе находится станция по таблице 1. Станция находится в IV часовом поясе.

2.                        Дано время 6 ч 30 мин. Прибавляем 1 ч, за счет декретного времени, и 1 ч, за счет летнего времени: x = 6 ч 30 мин + 1 ч + 1 ч = 8 ч 30 мин.

3.                        Разность между долготами:  y = 60° - 56° = 4°

4.                         y = 4° = 16 мин

5.                        Станция расположена восточнее среднего меридиана, значит 16 мин прибавляем.     срок = x + y = 8 ч 30 мин + 16 мин = 8 ч 46 мин

Аналогично для других сроков.

1.3. Вычисление высот и синусов высот солнца

Перед началом измерений необходимо рассчитать календарь синусов высот и высот солнца. Для быстрого вычисления высот и синусов высот солнца наиболее удобно рассчитывать заранее календарь величин h и sin h для широты данной станции. Высота солнца h в момент t по истинному времени вычисляется по формуле:

sin h = sin φ sin δ + cos φ cos δ cos τ ,

где φ – широта данной станции, δ – склонение солнца для данного дня, τ – часовой угол солнца, отсчитываемый от момента истинного полудня. С истинным временем наблюдения t величина τ связана соотношением:

τ = 15° (t – 12 ч).

Наиболее просто вести расчет h и sin h при условии, что уравнение времени равно нулю, т.е. среднее солнечное время совпадает с истинным. Тогда для установленных сроков наблюдения получаются следующие значения τ и cos τ:

       6 ч 30 мин            9 ч 30 мин        12 ч 30 мин          15 ч 30 мин       18 ч 30 мин

τ°                    -82,5                      -37,5                    7,5                        52,5                    97,5

cos τ               0,130                     0,793                  0,991                     0,609                  -0,130

Так как среднее солнечное время наблюдения в большинстве случаев не совпадает с истинным, то в результате вычисления по приведенной формуле необходимо ввести поправку на отклонение момента наблюдения по истинному времени от момента, для которого произведен расчет.

Абсолютная величина этой поправки Δ (sin h) определяется формулой:

Δ (sin h) = cos φ cos δ sin τ Δ (τ),

где Δ(τ) означает отклонение истинного времени от расчетного, выраженное в радианной мере. Одна минута отклонения по времени соответствует величине Δ(τ) = 15' в угловой мере или Δ (τ) = 0,00436 – в радианной. До полудня поправка будет иметь положительный знак, если истинное время наблюдения больше расчетного для данного рока, и отрицательной, если оно меньше расчетного. После полудня в этих случаях знаки меняются на противоположные.

Наиболее удобно произвести вычисление Δ (sin h) для десятиминутного отклонения срока наблюдения от расчетного, т.е. для значения Δ(τ) = 0,0436. В таком случае для расчетных сроков получается:

                     6.30           9.30             12.30         15.30         18.30

τ˚                       -82,5          -37,5              7,5            52,5           97,5

sin τ                  -0,991        -0.609           0,130         0,793         0.991

sin τ Δ(τ)           0.043         0.026            0.006         0.034         0.043

Для произведения sin    τ Δ(τ) здесь указана его абсолютная величина. Если отступление срока наблюдения от расчетного составило n минут, то для получения величины Δ(sin h) в этом случае необходимо полученное выше значение sinτΔ(τ) умножить на 0,1 n.

Высота солнца h получается по исправленному значению синуса: sin h + Δ(sin h). Значения sin h вычисляются с точностью до 0,001.

Ниже приведен пример расчета sin h и h на определенной станции для определенной даты:

Пример. Вычислить величины sin h и h для широты φ = 58°01´ и даты 1/VII (склонение солнца δ = +23,1˚).

Сроки наблюдения по истинному времени

                       6.30       9.30         12.30     15.30     18.30

cosφcosδ        0,487     0,487        0,487     0,487     0,487  

cosτ               0,130     0,793        0,991     0,609     -0,130

cosφcosδcosτ 0,063     0,386        0,483     0,297     -0,063

sinφsinδ         0,333     0,333        0,333     0,333     0,333  

sin h              0,396     0,719        0,816     0,630     0,270

h˚                    23,3       46,0          54,7       39,1       15,7

Для

Δt = 10 мин  60,021   60,013      60,003   60,017   60,021

Δsin h

С учетом поправки Δsin h вычисляются значения sin h и h в случае несовпадения истинного времени наблюдения с расчетным сроком:

1.    

sin h = 0,396 + 0,021*0,5 = 0,407 и h = 24˚.

Величина Δsin h взята со знаком (+), так как наблюдение произведено до полудня и истинное время его больше расчетного.

2.    

sin h = 0,719 - 0,013*0,3 = 0,715 и h = 45,7˚.

Величина Δsin h взята со знаком (-), так как наблюдение произведено до полудня, но истинное время его меньше расчетного.

3.    

sin h = 0,270 - 0,021*0,4 = 0,262 и h = 15,2˚.

В этом случае Δsin h = -0,008, так как наблюдение произведено на 4 мин позже расчетного послеполуденного срока.

1.4. Установка приборов на площадке

 Для производства срочных наблюдений все приборы устанавливаются на актинометрической стойке (рис.1), представляющей собой вертикальный столб с горизонтальной рейкой. Гальванометры располагаются в специальном деревянном ящичке с северной стороны от стойки. Северо-восточнее стойки устанавливается ручной анемометр АРИ-49 на высоте 1,5 метра.

Рис.1. Размещение приборов на неподвижной стойке

Актинометрические приборы размещаются следующим образом: на горизонтальной доске сверху столба укрепляется актинометр. Стрелка на основании актинометра должна быть направлена на север, широта устанавливается с точностью до одного градуса.

Пиранометр или стационарный альбедометр укрепляется на горизонтальной рейке актинометрической стойки на расстоянии 20-25 см от ее южного конца. Горизонтальность головки пиранометра проверяется по уровню, при необходимости положение ее исправляется регулировочными винтами.

Для установки балансомера используется шаровой шарнир, который в свою очередь крепится винтом к концу рейки. Приемная поверхность с цифрой 1 направляется вверх, а ее горизонтальность проверяется накладным уровнем.

Соединительные провода от пиранометра и балансомера пропускаются вдоль западной поверхности рейки и закрепляются металлическими скобками. Провод актинометра пропускается через отверстие в основание прибора. Концы всех проводов подводятся к клеммам гальванометров.

Гальванометры устанавливаются в ящике клеммами на юг. Винты должны быть вывернуты на 1-2 оборота, а стрелки подведены к 5 делению шкалы.

Правый гальванометр соединяется с актинометром, левый с пиранометром и балансомером.

1.5.Производство основных наблюдений

Объем и порядок наблюдений в дневные и ночные сроки различный, поэтому последние принято разделять. Дневные сроки охватывают промежуток времени, начинающийся за 30 мин до восхода солнца и заканчивающийся на 30 мин позднее захода солнца. Ночным в летнее время в наших широтах считается срок 0 ч 30 мин.

Общий порядок наблюдений в дневные сроки следующий. За 10 мин до срока наблюдений производится осмотр всех приборов, проверяется чистота контактных поверхностей, штырьков вилки. Если есть какие-либо неисправности, то они устраняются до срока наблюдений.

За 5 мин до срока наблюдений снимаются футляры и крышки приборов. Затем производится нацеливание на солнце трубки актинометра, проверка горизонтальности головки пиранометра и приемной пластины балансомера, затенение их экранами от солнца.

За 3 мин до срока наблюдений производят отсчеты места нуля актинометра, пиранометра (при закрытых крышках) и балансомера (при отключенном гальванометре).

За 1 мин до срока снимаются крышки с приборов, еще раз проверяется нацеливание трубки актинометра на солнце и положение теневых экранов. Затем откидывается реечный настил и в срок наблюдений после записи состояния диска солнца производится отсчет.

При наблюдениях измеряемые характеристики радиации могут изменяться, поэтому, чтобы такие колебания меньше влияли на точность наблюдений, производятся серии отсчетов. Вместе с определением рассеянной D, отраженной R_к радиации и радиационного баланса (B или B – S') измеряется прямая радиация. Для определения этих характеристик производится 3 отсчета по гальванометрам пиранометра (П) или балансомера (Б) и между ними 2 отсчета по гальванометру актинометра (А): П-А-П-А-П или Б-А-Б-А-Б (всего 5 отсчетов по двум гальванометрам). Кроме того, после каждого отсчета по балансомеру определяется скорость ветра по анемометру (всего 3 отсчета скорости).

Объем наблюдений зависит от состояния диска солнца. Схематично порядок наблюдений при состоянии диска ¤² может быть представлен так:

D₁, S; B, S; B – S', S; Q, S; R_k, S; D₂, S.

Таким образом, производится шесть серий отсчетов, причем рассеянная радиация определяется дважды: в начале и в конце срока (D₁ и D₂). При определении радиационного баланса B и суммарной радиации Q экраны у приборов убираются в сторону, а головка пиранометра поворачивается номером в сторону солнца. При определении каждого вида радиации записывается степень покрытия солнечного диска.

После последнего отсчета приборы закрываются крышками, отмечается время окончания наблюдений, определяется температура поверхности почвы и температура воздуха. Затем все приборы закрываются футлярами, экран пиранометра убирается, экран балансомера устанавливается вдоль рейки.

Точность всех отсчетов во время наблюдений за радиацией – 0,1 деления шкалы гальванометра; точность определения скорости ветра – 1 м/с.

Перед наблюдением по пиранометру после его переворачивания выдерживается время инерции (50 сек). Всякая регулировка пиранометра и балансомера, затенение их экранами производится с реечного настила.

Во время наблюдений настил убирается.

В случае, если состояние диска солнца отмечается знаком ¤, определяются следующие характеристики: D₁, S; B – S', S; R_k, S; D₂, S,то есть все наблюдения ведутся по затененным пиранометру и балансомеру.

Если солнце закрыто облаками (¤^о, П), то порядок наблюдений сводится к определению D₁, B – S', R_k, D₂.

В этом случае измерения по актинометру не производятся, а пиранометр и балансомер не затеняются экранами.

Порядок наблюдений при меняющемся состоянии диска солнца подобен наблюдениям при состоянии ¤^о и П; но если в какой-то момент солнце открывается (¤², ¤), то наблюдения дополняются отсчетами по актинометру. В этом случае пиранометр и балансомер закрываются экранами.

При меняющейся облачности допускается проведение наблюдений с отступлением от срока, но не более чем на полчаса, либо удлинение срока наблюдений.

В случае, если стрелка гальванометра при наблюдениях по балансомеру колеблется в больших пределах из-за порывистого ветра, быстрого движения облаков по диску солнца при состоянии ¤, то записываются лишь пределы колебаний стрелки в течение 1 мин.

Измерения по пиранометру не производятся при сильном дожде, сильной изморози и гололеде. Измерения по балансомеру не производятся: при дожде, сильной мороси, при отложениях гидрометеоров на поверхности пластин балансомера.

1.6. Производство вспомогательных наблюдений

Вспомогательные наблюдения начинают проводить за 5 мин до текущего срока. Они включают:

1.          Определение количества и формы облаков.

2.          Определение цвета неба при общей облачности не более 3 баллов с помощью таких характеристик: небо синее, бледно-голубое, белесоватое.

3.          Определение горизонтальной дальности видимости.

4.          Определение состояния деятельной поверхности.

5.          Наблюдения за атмосферными явлениями

6.          Наблюдения за степенью покрытия солнечного диска.

Запись в книжку производится значками:

¤² – солнце и околосолнечная зона незакрыты облаками, туманом, дымкой;

¤ – солнце не закрыто облаками или просвечивает сквозь дымку, облако. Актинометр можно навести на солнце.

¤^о – солнце слабо просвечивает сквозь облачность. Тень от предметов неразличима и актинометр нельзя навести на солнце;

' – солнце освещает только окрестности площадки, приборы затенены;

П – солнце покрыто облаками и его не видно;

▬ – солнце не видно за каким-либо местным предметом.

7. Определение температуры почвы, которое производятся по срочному термометру на оголенной площадке.

8.     Определение температуры и влажности воздуха.

1.7.Запись наблюдений

Результаты наблюдений заносятся в книжку КМ-12. В верхней части страницы записывается число, количество и форма облаков, наличие облачности в зените, цвет неба и видимость, состояние деятельной поверхности. Атмосферные явления записываются в нижней части страницы условными обозначениями. В верхней части страницы справа записывается место нуля приборов и температура гальванометра. Одиннадцать граф страницы отводится под запись наблюдений радиационных характеристик и их обработку. Время начала и окончания наблюдений записывается в 1-ую графу. Во 2-ой графе записывают вид клеммы только при подключении балансомера (+,-). Состояние диска солнца отмечается соответствующим значком в 3-й графе. 4-ая графа используется для запись скоростей ветра при наблюдениях по балансомеру. Отсчеты по балансомеру и  пиранометру записываются в 5-ую графу, а по актинометру – в 8-ю графу. Остальные графы заполняются при обработке.

Температура воздуха, почвы и влажность воздуха записывается после завершения основных наблюдений в верхней части страницы справа.

В графу «примечания» запись производится в следующих случаях:

1.          

2.           При изменении срока наблюдений более чем на 3 мин.

3.           В случае, когда скорости ветра различаются более чем на 2 м/с при одном наблюдении по балансомеру.

4.           При регулировках и исправлениях приборов.

5.           Если актинометрические наблюдения не производились из-за дождя. В этом случае страница книжки не пропускается, а используется для записи следующего срока наблюдений. В примечании предыдущего срока указывается причина несостоявшегося измерения.

1.8. Обработка материалов наблюдений

Обработка результатов наблюдений включает в себя исправление систематических ошибок путем введения поправок, вычисления радиационных характеристик в практических единицах.

Обработка наблюдений начинается с определения истинного солнечного времени t¤. Для этого по времени начала и конца с точностью до одной минуты находится среднее время наблюдений t_m , которое записывается в верхней части страницы книжки. С помощью табл.1 приложения 1 вычисляется истинное солнечное время:

τ¤ = τ_m - Δτ,

На основе полученного времени по календарю высот и синусов высот солнца определяется высота солнца h¤  и sin h¤ (табл.1 приложения 2).

Обработка отсчетов по пиранометру производится в следующем порядке. Определяется среднее из трех отсчетов и записывается в 6-ю графу с точностью до 0,1 деления шкалы. Шкаловая поправка гальванометра DN учитывается только в том случае, если она не менее 0,5 деления; тогда величина ее записывается под средним отсчетом. Определение шкаловой поправки производится линейной интерполяцией по поверочному свидетельству гальванометра. Место нуля пиранометра N_о  переписывается со знаком  «-».

В 7-й графе записывается только одно значение исправленного отсчета N_исп., которое определяется алгебраическим сложением величин N_ср., ΔN, N_о.

Обработка результатов наблюдений по балансомеру отличается от предыдущей обработки введением дополнительного множителя Ф_и, зависящего от скорости ветра.

Графа 6-я заполняется так же, как и в предыдущем случае. В 7-й графе после исправленного отсчета N_исп. Записывается средняя скорость ветра по анемометру с округлением до 1 м/с. ниже вписывается поправочный множитель, взятый  из поверочного свидетельства балансомера с учетом средней скорости ветра. Отсчет, приведенный к штилю N_ш, определяется по формуле

N_ш= N_исп.· Ф_и

Обработка наблюдений по актинометру производится следующим образом. В 8-й графе после двух отсчетов по гальванометру записывается шкаловая поправка ΔN, определяемая по среднему значению отсчета, и переписывается место нуля со знаком «-». Далее в 9-й графе первое значение представляет собой алгебраическую сумму средней величины из двух отсчетов, шкаловой поправки и места нуля. Под этим значением записывается температурная поправка, взятая из дополнения к поверочным свидетельствам с актинометра и гальванометра. В 11-й графе записываются значения характеристик радиации в абсолютных единицах с точностью до 0,01 кВт/м², получаемые умножением исправленной величины отсчета на соответствующий переводной множитель актинометра.

Величины D₁, D₂, R_k определяются умножением соответствующих исправленных отсчетов на нормальный переводной множитель пиранометра. Эти характеристики рассчитываются при любом состоянии солнечного диска.

Величина B – S' вычисляется только при отметках ¤², ¤. Для этого значение N_ш умножается на переводной множитель балансомера.

Интенсивность прямой солнечной радиации S определяется умножением исправленного отсчета N_исп на переводной множитель актинометра. Для определения величины радиации, приходящей на горизонтальную поверхность S', необходимо поток прямой радиации S умножить на sin h_¤. Величины S и S' определяются дважды, при измерении B – S' и при измерении R_k. В том и другом случае они вычисляются только при наблюдении по актинометру

Вычисление В производится при любых состояниях диска солнца. При степени покрытия ¤², ¤  величина B – S' алгебраически складывается со значением S', записанным в этой же строке. В остальных случаях исправленный отсчет N_ш умножается на переводной множитель балансомера. При дожде, когда наблюдения по балансомеру не проводились, определяется баланс коротковолновой радиации B_k = Q – R_k .

Суммарная радиация Q получается сложением D₂ с величиной S', определяемой совместно с R_k. Если наблюдения по актинометру не производились (¤^о, П), то значение Q принимается равным D₂.

 Для получения баланса длинноволновой радиации В_D из суммы В+R_k вычисляется значение Q. В ночное время величина В_D равна В, а при дожде – нулю, и тогда в книжке ставится прочерк.

Альбедо А_к получают делением R_k на Q и записывают с точностью до 0,01. при состоянии диска солнца ¤^о и П альбедо получают делением D₂ на R_k. Альбедо не вычисляется  в случае, если значение R_k меньше 0,5 деления шкалы гальванометра. Запись об этом делается в примечании.

1.9. Контроль материалов наблюдений

Материалы наблюдений должны подвергаться техническому и критическому контролю с целью обнаружения случайных ошибок, просчетов и для исправления систематических ошибок.

Контроль наблюдений начинается с того, что каждый наблюдатель проверяет все вычисления предыдущей смены. Замеченные ошибки исправляются. Для контроля наблюдений сопоставляют потоки радиации в срок наблюдений, учитывают их изменение в течение суток, а также их зависимость от метеорологических факторов, например, облачности. При обнаружении ошибок делается запись в графе «Примечание».

При контроле величины прямой радиации следует иметь в виду, что эта величина на уровне моря не может превышать значения 1,09 кВт/м². Наибольшее е значение при безоблачном небе.

Величина B – S' при ¤², ¤, как правило, отрицательная. Наибольшее абсолютное значение данной величины должно быть при большой высоте солнца.

Величина В должна быть меньше Q и в отдельных случаях может достигать значений 0,84-0,91 кВт/м². Минимальные значения наблюдаются при верхней и средней облачности. Величина В находится в обратной зависимости от альбедо подстилающей поверхности.

Величина радиационного баланса длинноволновой радиации отрицательна и зависит от ряда метеорологических факторов. Так, при увеличении температуры почвы она возрастает по абсолютной величине.

Значение рассеянной радиации зависит от облачности, прозрачности атмосферы, высоты солнца, альбедо подстилающей поверхности. Рост значений рассеянной радиации наблюдается при увеличении облачности верхнего и среднего яруса для больших высот солнца, при увеличении замутненности атмосферы и при возрастании альбедо деятельной поверхности.

Суммарная радиация определяется высотой солнца, количеством облачности, прозрачностью атмосферы. Наибольшей величины суммарная радиация достигает при больших высотах солнца, состоянии диска ¤² и значительной облачности кучевых форм.

Альбедо зависит от состояния поверхности и в одни сроки одной и той же поверхности мало меняется. С увеличением влажности альбедо уменьшается.

Приложение 1

Таблица 1

Поправка (Δτ) к среднему солнечному времени

Таблица 2

Склонение солнца δ_о

Приложение 2

Календарь высот и синусов высот солнца

φ = 58°01´                    Месяц: июль

Приложение 3

Переводные множители для актинометрических приборов

Шкаловые поправки для гальванометра № 250

Для гальванометра №9942 поправки <0,5

Поправки на высоту солнца для пиранометра №6195

Поправки на ветер для балансомера №3401

Приложение 4

Запись наблюдений при ¤

Подпись наблюдателя  Трапезникова                                                 Проверил

Запись наблюдений при ¤⁰

Подпись наблюдателя  Трапезникова                                                 Проверил

Запись наблюдений при меняющейся облачности

Подпись наблюдателя  Иванова                                              Проверил

Запись наблюдений при '

Подпись наблюдателя  Иванова                                              Проверил

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.                     Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

2.                     Руководство по контролю актинометрических наблюдений. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

3.                     Методические указания к учебной практике по методам метеорологических измерений. Часть 1. Общие метеорологические измерения. Пермск. ун-т, 1980.

2. Теплобалансовые (градиентные) наблюдения

2.1.         Общие положения

Наблюдения за составляющими теплового баланса предназначены для получения данных о расходе солнечной радиации, поступающей на деятельную поверхность, поэтому они тесно связаны с актинометрическими наблюдениями, составляя  с ними единое целое.

Под деятельной поверхностью понимается тонкий верхний слой почвы, воды, растительного или снежного покрова, в котором происходят поглощение приходящей солнечной и атмосферной радиации, преобразование ее в тепло и формирование собственного излучения.

Тепловой баланс деятельной поверхности записывается в виде уравнения теплового баланса, которое является частным случаем уравнения сохранения энергии:

B + P + L + V = 0,

где B – радиационный баланс деятельной поверхности; P – поток тепла в почве; L – турбулентный приток тепла в приземном слое атмосферы; V – затрата тепла на испарение  с деятельной поверхности или его выделение при конденсации водяного пара с этой поверхности.

Радиационный баланс деятельной поверхности В (остаточная радиация) представляет сбой разность между приходом и расходом лучистой энергии:

B = Q + E_a – (R_k +R_д +E_з),

где приход лучистой энергии:  Q – суммарная радиация (сумма прямой и рассеянной солнечной радиации), E_a – длинноволновое излучение атмосферы; расход лучистой энергии: R_k – коротковолновая отраженная радиация, R_д – отраженная длинноволновая радиация, E_з – длинноволновое излучение земной поверхности. Если приходная часть больше расходной, то есть поверхность поглощает больше лучистой энергии, чем отражает и излучает, то В положителен: избыток полученной энергии расходуется на испарение с земной поверхности и прогрев почвы и воздуха. В случае отрицательного баланса потеря тепла поверхностью почвы компенсируется теплом, отнимаемым ею от почвы и воздуха и выделяющимся при конденсации водяного пара. В умеренных широтах днем В положителен, ночью – отрицателен (летом).

Поток тепла в почве Р характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и нижележащими слоями. Поток тепла положительный, если температура деятельной поверхности больше температуры нижележащих слоев. В этом случае поток тепла направлен от поверхности почвы вглубь и почва прогревается. Поток отрицателен, если температура деятельной поверхности меньше температуры нижележащих слоев: поток тепла направлен из глубины к поверхности и почва охлаждается.

Турбулентный поток тепла L характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и приземным слоем атмосферы. Этот теплообмен осуществляется благодаря турбулентному перемешиванию атмосферы и прекращается при его отсутствии. Турбулентный поток тепла зависит от разности температур поверхности и прилегающего к ней слоя атмосферы, а также от интенсивности турбулентного перемешивания в слое. Если температура деятельной поверхности выше температуры воздуха, то L направлен от поверхности почвы в воздух и поток считается положительным. Воздух в этом случае получает тепло и нагревается. Если поток отрицателен, то есть в случае, когда температура деятельной поверхности ниже температуры воздуха, воздух охлаждается, отдавая тепло поверхности.

Затрата тепла на испарение V также связана с турбулентным перемешиванием в приземном слое атмосферы и с переносом водяного пара в этом слое. Поток водяного пара, направленный от деятельной поверхности к атмосфере, принято считать положительным. Такой поток возможен лишь при наличии испарения с поверхности. На испарение затрачивается тепло. Следовательно, при положительном потоке водяного пара деятельная поверхность расходует тепло на испарение. Поток тепла, направленный от атмосферы к земной поверхности, принято считать отрицательным. Такой поток связан с конденсацией или сублимацией водяного пара на поверхности. При этих процессах выделяется тепло, которое получает деятельная поверхность.

В настоящее время на сети гидрометеорологических станций непосредственно измеряется только радиационный баланс. Остальные составляющие уравнения теплового баланса рассчитываются по данным градиентных наблюдений за температурой и влажностью воздуха, почвы на различных глубинах, скоростью ветра.

2.2.         Организация наблюдений

Во время летней учебной практики теплобалансовые наблюдения включают в себя:

-             

-             

-             

-             

-             

Для расчета  парциального давления водяного пара проводятся измерения атмосферного давления.

Если теплобалансовые наблюдения проводятся на обычных метеоплощадках, то для измерения радиационного баланса следует установить балансомер и актинометр согласно руководству [3]. Для измерения температуры и влажности воздуха и их градиентов (разностей) используются аспирационные психрометры, а для измерения скорости ветра и его разности – ручные анемометры МС‑13. Наблюдения над температурой почвы выполняются с помощью термометров ртутных ТМ-3 и коленчатых ТМ-5. Направление ветра определяется по флюгеру.

Психрометры устанавливают на кронштейнах специальных стоек в горизонтальном положении так, что резервуары их находились на уровнях 0,5 и 1,5 м над деятельной поверхностью.

На противоположных концах кронштейнов укрепляются ручные анемометры.

На поверхности почвы укладываются термометры ТМ-3 на специальной площадке. Резервуары термометров следует на половину погрузить в дерн или почву так, чтобы они имели с нею хороший контакт. Для этого термометры осторожно вдавливают в землю или плотно укладывают на дерн. Для определения температуры почвы на глубинах устанавливаются коленчатые термометры Савинова по правилам, описанным в  наставлении [1].

Аспирационные психрометры всегда следует содержать в чистоте и сухом состоянии. Между сроками наблюдений они должны храниться в футлярах. Батист на резервуарах смоченных термометров должен быть чистым. Смена батиста производится согласно наставлению [1]. Ручные анемометры следует оберегать от загрязнения, толчков и ударов. В случае попадания на них капель дождя или снега необходимо фильтрованной бумагой осторожно снять капли с корпуса и особенно полушарий.

Над термометрами не должно быть растений, создающих тень, периодически они должны удаляться с места установки термометров.

2.3.         Производство наблюдений и их запись

Теплобалансовые наблюдения производятся в сроки 9, 12, 15, 18 ч местного времени, а также в промежуточные сроки 10.30, 13.30, 16.30, 19.30 (летом).

В указанные сроки проводятся наблюдения за радиационным балансом. При наличии прямой радиации измерения ведутся по затененному балансомеру и актинометру, а в других случаях – только по балансомеру. В сроки наблюдений производятся три отсчета по гальванометру балансомера (Б) и два отсчета по гальванометру актинометра (А): Б-А-Б-А-Б. Отмечается также состояние диска солнца. Методика измерения по этим приборам достаточно полно изложена в «Руководстве по актинометрическим наблюдениям» [3]. 

Последовательность выполнения теплобалансовых наблюдений для некоторых сроков приведена в приложении в таблице 1.

   Наблюдения за температурой и влажностью воздуха выполняются последовательно по двум аспирационным психрометрам на уровнях 0,5 и 1,5 м в течение 14 мин. Наблюдение состоит в проведении пяти отсчетов по каждому термометру. В срок производится 20 отсчетов по всем термометрам.

При этом необходимы следующие условия:

-               

-               

-               

-               

-               

-               

Градиентные наблюдения за температурой и влажностью воздуха с помощью аспирационных психрометров  не производятся в следующих случаях:

-               

-               

-               

В таких случаях используют показания сухого и смоченного термометров, расположенных в будках на уровне 2 м.

Наблюдения за градиентами скорости ветра состоят в последовательном включении на 10 мин ручных анемометров. Сначала включается анемометр на уровне 0,5, а затем на уровне 1,5 м. Перед включением записываются начальные отсчеты анемометров.

При осадках, тумане, метелях, пыльной бури и при скорости ветра на высоте 10 м 15 м/с скорость ветра измеряется только на уровне 1,5 м.

Все записи наблюдений производятся в соответствующих графах книжки КМ-16.

2.4.         Обработка материалов наблюдений

Из всех отсчетов по сухому и смоченному термометрам на каждом уровне находят среднее значения, вводят шкаловые поправки согласно поверочным свидетельствам. По исправленным значениям с помощью психрометрических таблиц определяют парциальное давление водяного пара, вводят к данному значению поправку на давление. Вычисляют разности температуры и парциального давления водяного пара путем вычитания из значения этих элементов на нижнем уровне их значения на верхнем уровне:

Δt = t_0,5 – t_1,5 ,

 Δl = e_0,5 – e_1,5 .

Знак разности определяется характером температурной стратификации. По разности отсчетов анемометров за 10 мин определяют среднее число делений в секунду и по переводному графику или по таблице находят скорость ветра на двух высотах. Таким же образом находят разности скоростей:

ΔU = u_0,5 – u_1,5 .

Как правило, знак разности скорости положителен, так как обычно по мере уменьшения высоты скорость ветра падает из-за действия сил трения. В случае штилей и скоростей ветра менее 1 м/с на высоте 0,5 м ΔU не вычисляется.

2.5.         Контроль полученного материала

Вся исходная информация теплобалансовых наблюдений должна проходить технический и критический контроль. С этой целью материалы наблюдения, занесенные в книжку КМ-16 необходимо ежедневно просматривать, чтобы своевременно выявить недочеты и устранить их.

Технический контроль включает в себя [2]:

1.    

2.    

3.    

4.    

5.    

Критический контроль проводится по разделам:

1.    

2.    

3.    

4.    

Более подробно о методах критического контроля указано в «Руководстве по теплобалансовым наблюдениям» [2].

Приложение 1

Таблица 1

Последовательность выполнения теплобалансовых наблюдений в основные сроки

Таблица 2

Поправки к показаниям термометров в психрометрах

Таблица 3

Анемометры

Приложение 2

Пример заполнения таблицы КМ-16 (теплобалансовые наблюдения)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Вып. 3, часть 1. Метеорологические наблюдения на станциях. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

2.     Руководство по теплобалансовым наблюдениям. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

3.     Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

4.     Методические указания к учебной практике по методам метеорологических измерений. Часть 1. Общие метеорологические измерения. Пермск. ун-т, 1979.