气象学实习指导

前言《气象学实习指导》是为园林、资源与环境、水保等院系开设的课堂实验、综合教学实习课程教材。气象学实验、实习是气象学教学过程中最重要的环节之一。通过实验、实习，可以补充和巩固课堂教学讲授的内容，培养学生的实际动手能力，训练进行观测、分析、统计等基础科研能力，是学生以后从事专业工作的基础。《气象学实习指导》共三章，第一章内容为地面气象观测场地的建设和要求、气象观测程序和观测基本守则。第二章为辐射、温、湿、风、气压、降水、蒸发等气象要素测量仪器设备的原理、安装、观测方法及步骤。第三章为教学实践环节，包括小气候的观测原则、仪器特点、观测程序、地点及时间安排等，并介绍了森林小气候和城市小气候的观测方法，常规自动气象站系统。前言........................................................................................................................................1第一章地面气象观测场地建设.........................................................................1一观测场地环境建设和仪器布置要求...................................................1二地面气象观测与观测程序........................................................................1三观测基本守则...................................................................................................2第二章地面气象要素的测量............................................................................3实验一辐射的测量.....................................................................................................3实验二空气温、湿度与土壤温度的观测...................................................9实验三气压、风、降水和蒸发的观测......................................................19第三章小气候观测..................................................................................................34第一节小气候综合实习.........................................................................................34第二节不同类型小气候观测..............................................................................41第三节常规自动气象站观测系统....................................................................451第一章地面气象观测场地建设气象观测场地、周围环境、气象仪器、观测程序和时间等符合观测规范要求，是做到气象资料的代表性、准确性和比较性的基础，是取得科学观测数据的重要保证。为此，观测场建设和观测仪器要符合规范标准，观测员要严格遵守观测守则，按观测程序进行观测。一观测场地环境建设和仪器布置要求气象观测场应选择在四周平坦空旷，无任何障碍物且能够反应本地较大范围气象要素特点和区域土壤特性的地方。在城市或工矿区设立观测场应选择在最经常出现风向的上风方。观测场边缘与四周孤立障碍物的距离应至少是该障碍物高度的三倍以上，距成排障碍物高度10倍以上。为保证气流通畅，观测场四周10m范围内不能种植高秆作物。观测场地要求平整，场内应种植浅草(不长草的地区除外)，草的高度不能超过20cm。不准种植作物。观测场大小应为25×25m。因条件限制可设为16(东西向)×20m(南北向)。为保护场内仪器设备，观测场四周应设高度为1.2m漆成白色的稀疏围栏。观测场内仪器布置的基本原则是各仪器互不影响，便于观测和操作。高的仪器安置在北面，低的仪器顺次向南安置，仪器东西向排列成行，南北向相互交错。仪器之间南北间距不小于3m，东西间距不小于4m。仪器距围栏不小于3m。观测人员应从北面接近仪器。各类仪器安置的高度、深度、方位、纬度、角度应符合“规范”的要求。二地面气象观测与观测程序地面气象观测基本项目有气压、空气温度、空气湿度、风向、风速、蒸发、日照、地温、云状、云量、天气现象、能见度等。种类大致可分为气候观测(定时观测)、天气观测、航空天气观测、危险天气观测等几类。国家基本站每天进行2、8、14、20时四次定时观测，昼夜值班；国家一般站由省、市、自治区气象局确定，每天进行2、8、14、20时四次或8、14、20时三次定时观测，昼夜值班或白天值班。气象要素的观测以北京时间20时为日界；日照以日落为日界。表1-1定时地面气象观测程序表定时观测时间（北京时）定时观测项目及观测顺序08、14、20、02正点前30分巡视仪器及观测准备工作，特别注意湿球湿润或溶冰08、14、20、02正点前20分～正点云、能见度、天气现象、空气温度和湿度、风、气压、0～40cm地温08降水、冻土、雪深、换降水自记纸140.8、1.6、3.2m地温，换气压、温、湿自记纸，13时换电接风自记纸20降水、蒸发、最高、最低气温和地面最高、最低温度。并调整以上温度表日落后天黑前换日照纸为使各观测站观测记录具有比较性，中国气象局统一规定了各气象要素的观测时间和顺2序。原则是先观测在短时间内变化不太大的气象要素，接近正点时观测易变化的要素。观测程序见表1-1。三观测基本守则观测员要严格按照规范的规定进行观测。严禁漏测、迟测和缺测，只能记载自己亲眼看到的数据和天气现象，禁止用任何估计或揣测的办法来代替实际观测。严禁伪造和随意涂改观测记录。正确地安置和使用仪器，观测前应对仪器设备进行巡视，避免影响记录准确性的临时事故发生。观测结果应立即用黑色铅笔记入观测记录簿，记录须准确，字迹整洁清晰，要认真填写各种簿、表。3第二章地面气象要素的测量实验一辐射的测量一、实验目的和要求了解测量太阳辐射常用仪器的构造和原理。掌握太阳辐射通量密度的观测、计算方法。二、实验仪器、原理太阳辐射以两种方式到达地面，一是以平行光的形式直接投射到地面上，称为太阳直接辐射；一是经过质点散射后，以散射光的形式投射到地面上，称为散射辐射；两者之和为到达地面的太阳总辐射。到达地面的太阳总辐射不能完全被地面吸收，有一部分被地面反射，地面反射辐射的大小与地面对太阳辐射或者称短波辐射的反射率有关。单位时间、单位面积地表面吸收的太阳总辐射和大气逆辐射与本身发射辐射之差称为地面净辐射。辐射能的单位用焦耳(J)表示。辐射通量密度是单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能量。单位为W／m2(瓦／米2)，在早期的气象文献中，常用的辐射通量密度单位为Cal／(cm2·min)(卡／厘米2·分)，两种单位之间的换算关系是：1Cal／(cm2·min)=697.8W/m2测量辐射常用的仪器有直接辐射表、天空辐射表和净辐射表。直接辐射表：测量到达地面的太阳直接辐射通量密度；天空辐射表：测量水平面上的天空散射辐射和下垫面反射辐射通量密度；净辐射表：测量天空(太阳、大气)向下与下垫面(土壤、植物、水面等)向上发射辐射通量密度之差值。1.辐射表的构造及测量原理1.1.直接辐射表直接辐射表主要由感应器、进光筒、支架和底座构成，如图2-1。直接辐射表的感应器是由36对康铜－锰铜薄片串联组成的热电堆，置于进光筒的底部，其接受日射面涂有吸收率很高的黑色涂料，背面焊有星盘状温差热电堆的热接点，冷接点焊在底座的铜环上与进光筒外壳相连，便于与气温平衡。为了消除风及旁侧辐射的影响，进光筒内有5个直径逐渐变小的环形光栅，光栅内侧涂黑，外侧镀镍。测量时，必须将进光筒感应面正对太阳，让穿过小孔(3)的光点正好落在筒尾端的小黑点(4)上。当涂黑的银箔片受日光直射后，温度升高，由此产生温差电能，温差电能的大小与直接辐射的辐射通量密度成正比。通过换算可得到太阳直接辐射的辐射通量密度。4图2－1直接辐射表1．进光筒2．圆环3．小孔4．黑点5．筒盖6．螺丝7．支架8．对准当地纬度的刻度线9、10．螺丝11．底座12．指北箭头进光筒固定在支架上，支架上有螺丝用来对准当地纬度刻度。为使感应面对准太阳，可用螺丝(9)(10)进行调整，其中螺丝(9)能使进光筒口作上下移动，而螺丝(10)能使进光筒做单项圆弧形转动。底座(11)上有一箭头(12)指向北，用此来对准当地子午线。观测完毕，用筒盖(5)盖上进光筒口。1.2.天空辐射表天空辐射表是测量水平面上所接受到的太阳总辐射、天空散射辐射和地面反射辐射的仪器。其构造如图2－2。天空辐射表由玻璃罩、干燥器、水平泡、螺丝、遮光板、支杆、玻璃罩盖子、底座构成。黑白型天空辐射表的感应面是黑白相间的锰铜片和康铜片，两端彼此紧密焊接，串联组成温差热电堆，形成一块棋盘状的平板。其中黑色部分涂有无光炭黑，白色部分涂有氧化镁，感应面黑色背面串联成热电堆的热端；白色背面串联成冷端。有太阳辐射时，黑色板面强烈吸收太阳辐射能，而白色板面几乎把能量全部反射掉，两者之间产生温差电能的大小与太阳辐射通量密度成正比。天空辐射表的感应面上安有一个玻璃罩(1)，它的作用主要有：滤去感应面上的大气及地面长波辐射；防止风吹去黑白片上的热量。当玻璃罩内有水汽时，会影响感应面吸收辐射能的能力，因此在感应面下方一侧，安有一个干燥器(2)，用以存放干燥剂以便于吸收罩内水分。天空辐射表旁边有一水平泡(3)，可通过座架上的三个螺丝(4)来调整仪器水平。仪器还有一遮光板(5)，可用来遮挡感应面上的太阳直接辐射，用以测定散射辐射。遮光板是一直5径与玻璃罩相等的圆形黑色铝板，遮光板的一侧固定有支杆(7)，支杆的长度是遮光板直径的5.7倍，被支架上的螺丝(6)夹住，遮光板大约遮住10°立体角的天空。图2－2天空辐射表1．玻璃罩2．干燥器3．水平泡4．螺丝5．遮光板6．螺丝7．支杆8．玻璃罩的盖子9．底座当感应面翻转朝下时，感应面上的玻璃罩就滤去了地面长波辐射，这时黑白片上所接受的辐射，就是地面对太阳辐射的反射辐射。1.3.净辐射表净辐射表测量从2π立体角分别投射到一个平面上、下两面的辐射总量之差。净辐射所提供的能量是全球水分蒸发、加热空气与土壤的重要能源。因此净辐射是一项重要的辐射观测内容，目前世界上较通用的全波段净辐射表是聚乙烯防风膜式净辐射表。净辐射表由感应元件，聚乙烯防风膜罩和附件组成。如图2－3。感应元件由两块表面涂黑，特性完全一致的平板构成上下两个感应面。这两个感应面的黑体能够吸收所有波段的辐射。当平板水平置于自然条件下时，由于上、下感应面接收到的辐射强度不同，使得两端产生温差，温差的大小由串联在上下感应面背面的热电堆测定。净辐射表测到的净辐射通量密度与上下两面温图2－3净辐射表6差之间的关系如下：)]([R21ufkTTn）（式中Rn为净辐射通量密度，T1、T2分别为上、下感应面的温度，k为仪器常数，f(u)是与感应面上、下风速有关的函数值。测定时为使上、下感应面不受自然的影响，用特定的聚乙烯膜制成半球形防风罩，加盖在上、下感应面上，这样f(u)可以近似常数，聚乙烯防风罩用橡皮密封圈固定在仪器上下感应面上，将罩内充