现代大气探测学-第九讲(1)- 降水与蒸发的观测

南京信息工程大学夏俊荣[e-mail]现代大气探测学2012年11月8日致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。第九讲（1）降水与蒸发的观测1、概述2、降水观测3、蒸发量的观测4、气象应用1、概述（1）降水（2）蒸发（3）降水和蒸发观测的意义1、概述降水从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态的水汽凝结物，包括：雨、雹、雪、露、雾凇、白霜和雾降水1、概述在此同时，地表和水面的水分，又通过蒸发包括陆面蒸发、水面蒸发以及植物蒸腾等，不断地进入大气，再通过降水落到地面，由此形成地－气体系内水分的闭合循环由于自然界中水分的循环处于某种稳定状态，则在这种情况下，降落到地球表面的降水量应与蒸发量相等。全球的降水总量估计为5.1×1017kg，由此可见，自然界所发生的水分循环是非常强烈的1、概述降水量和蒸发量的资料对于我们利用和改造自然，为国民经济建设服务有着重要的作用2、降水观测1.降水观测2.降水量3.降水强度4.降水量观测的误差来源5.测定降水量的主要仪器a.基本组成及各部分的作用（1）雨量器b.观测时的注意事项测量原理a.虹吸式雨量计观测时的注意事项（2）雨量计基本组成b.翻斗式遥测雨量计测量原理（3）雨量传感器降水量降水强度降水量是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）降水，未经蒸发、渗透、汇聚和流失而在水平面上积聚的深度。以mm为单位，取一位小数。纯雾、露、霜、雾淞、吹雪、冰针的量按无降水处理，当其与降水伴见时也不扣除其量降水强度：指单位时间的降水量通常测定5分钟、10分钟和1小时内的最大降水量降水强度分类：降水根据强度大小可分为4类小雨（0.1—2.5mm/h）中雨（2.6—8.0mm/h）大雨（8.1—15.9mm/h）暴雨（＞16.0mm/h）•雨水溅失•大到暴雨时，1-2%•蒸发损失•单次观测误差0.3-0.5mm•风造成的误差•风是造成降水测量误差的主要原因，误差占总降水量的10%以上（1）雨量器雨量器由承水器（漏斗）、储水桶（外桶）、储水瓶组成，并配有与其口径成比例的专用量杯。目前我国所用的雨量器承水口为314cm2。h=R2/r2•R-承水器半径我国10cm•r-雨量杯半径2cm•h-雨量杯中降水高度•若承水器水深1mm时，则量杯水深25mm•将量杯上每2.5mm刻制一条线，那么代表降水量为0.1mm承水器和储水筒承水器和储水筒是用镀锌铁皮或其它金属材料制成。承水器口为正圆形并镶有铜制金属圈，成内直外斜的刀刃形，其目的在于防止器口变形及雨水溅入。承水器内的漏斗是活动的。漏斗的作用是防止雨量桶中收集到的降水发生蒸发储水瓶和雨量杯储水瓶是有一定容量并有倒水咀的玻璃瓶雨量杯为特制的玻璃杯，杯上的刻度一般从0.05mm到10.5mm，每一小格代表0.1mm降水量，每一大格为1.0mm降水量，量杯的刻度大小直接表示了降水量，不必要再进行换算观测与记录•每天08、20时分别量取前12h降水量•降雪时，取下承水器，换上承雪口。将雪融化后再量取。或直接将固体降水连外筒用专用台秤称量（扣除外筒重量）•在炎热干燥的日子，为防止蒸发，降水停止后，要及时观测•降水大时，增加人工观测次数•无降水时，降水量栏空白不填。不足0.05mm，记0.0。纯雾、露、霜、冰针、雾凇、吹雪的量按无降水处理（吹雪量必须量取，供计算蒸发量用）。出现雪暴时，应观测其降水量雨量器观测时的注意事项a.雨量器安置在观测场内固定架子上，器口要保持水平，口沿离地面高度为70cm，仪器四周不受障碍物影响，以保证准确收集降水b.在冬季积雪较深地区，应在其附近装一备份架子c.当雨量器安在此架子上时，口沿距地面高度为1.0－1.2m，在雪深超过30mm时，就应该把仪器移至备份架子上进行观测d.冬季降雪时，须将漏斗从承水器内取下，并同时取出储水瓶，直接用外筒接纳降水雨量器缺点•完全人工操作•必须在降水后才能进行测量------无法实现气象观测的自动化与遥测化（2）虹吸式雨量计（已淘汰）a、测量原理当雨水通过承水器和漏斗进入浮子室后，水面即升高，浮筒和笔杆也随着上升（由于笔杆总是做上下运动，因此雨量自记纸的时间线是直线而不是弧线），下雨时随着浮子室内水集聚的快慢，笔尖即在自记纸上记出相应的曲线表示降水量及其强度。当笔尖到达自记纸上限时（一般相当于10mm），室内的水就从浮子室旁的虹吸管排出，流入管下的盛水器中，笔尖即落到0线上。若仍有降水，则笔尖又重新开始随之上升，而自记纸的坡度就表示出了降水强度的大小。由于浮子室的横截面积与承水口的面积不等，因而自记笔所记出的降水量是经过放大了的。放大率？虹吸雨量计的放大率设A1为承水器口的横截面积，A2为进水管的横截面积，A3为浮子室的横截面积，A4为虹吸管的横截面积，θ为虹吸管与浮子室的夹角。当降水量为H时，浮子上升的高度为hhAAAH)(A4321nHh1234AAAA令n即为虹吸雨量计的放大率虹吸式雨量计观测时的注意事项a.虹吸管应经常保持清洁，使发生虹吸的时间小于14秒。因为虹吸过程中落入雨量计的降水将随之排出仪器外，而不计入降水量，虹吸时间过长将使仪器误差加大。b.在记录时要注意雨量计的型号，因为对于每一种型号的雨量计，其虹吸管的规格都是一定的，不能乱用，任一参数的改变都将影响记录的准确性。（3）翻斗式遥测雨量计基本组成翻斗式遥测雨量计是由感应器、记录器和电源组成的有线遥测雨量仪器。感应器由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、干簧管等组成。记录器由计数器、记录笔、自记钟、控制线路板等构成承水器收集的降水通过接水漏斗进入上翻斗，积到一定量时由于重力作用上翻斗翻转，水进入汇集漏斗。再注入计量翻斗时，将不同强度的降水调节为较均匀的降水强度，以减少由于降水强度不同造成的测量误差。当计量翻斗承受的降水量为0.1mm时，计量翻斗将降水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在翻转时，与其相关的磁钢对干簧管扫描一次，干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这样，降水量每次达到0.1mm时，就送出一个开关信号，采集器就自动采集存储0.1mm降水量定位螺钉上翻斗定位螺钉计量翻斗计数翻斗承水器自记钟履带控制线路板计数器翻斗式遥测雨量计感应器翻斗式遥测雨量计记录器（3）翻斗式遥测雨量计测量原理利用翻斗每翻转一次的雨量是已知的，而翻斗翻转的次数是可以记录下来的。根据记录下来的翻斗翻转的次数，即可遥测出降水量的值以及得到降水量随时间的变化曲线。（4）双阀容栅式雨量传感器是用来连续采集液体降水量的，由承水器、贮水室、浮子与感应极板，以及信号处理电路等组成。测量原理是利用贮水室内浮子随雨量上升带动感应极板，使容栅移位传感器产生的电容量变化，经转换为位移计量的原理测得降水量back称重式雨量计3、蒸发量的观测1.蒸发量2.测定蒸发量的主要仪器（1）小型蒸发器（2）E-601B型蒸发器（3）超声蒸发传感器3.蒸发量观测存在的问题蒸发与蒸发量•蒸发？•蒸发是指温度低于水的沸点时，水汽从水面、冰面或其它含水物质表面逸出的过程•蒸发量？•由于蒸发而消耗掉的水层厚度•以mm为单位，取一位小数3、测定蒸发量的主要仪器（1）小型蒸发器小型蒸发器为一口径20±0.03cm、高11.5cm的金属圆盆，口缘镶有角度为40－45°、内直外斜的刀刃形铜圈，器旁有一倒水小咀至底面高度距离为6.8cm，俯角10－15°。器口附有一个上端向外张开成喇叭状的金属丝网圈一般情况下蒸发器安装在口缘距地面70cm高处，冬季积雪较深地区的安置同雨量器。每天20时进行观测，测量前一天20时注入的20mm清水（即今日原量）经24小时蒸发剩余的水量，蒸发量计算公式如下：蒸发量＝原量＋降水量－余量蒸发器内的水量全部蒸发完时，记为﹥20.0，此种情况应避免发生，平时要注意蒸发情况，增加原量。结冰时用称量法测量，其它季节用杯量法或称量法均可。有降水时，应取下金属丝网圈；有强烈降水时，应随时注意从器内取出一定的水量，以防止溢出（1）小型蒸发器E-601B型蒸发器主要由蒸发桶、水圈、溢水桶和测针四部分组成。工作环境温度要求是0－±50℃。3、测定蒸发量的主要仪器（2）E-601B型蒸发器（2）E-601B型蒸发器（2）E-601B型蒸发器蒸发桶是一个器口面积为3000平方厘米、有圆锥底的圆柱形桶，器口要求正圆，口缘为内直外斜的刀刃形。桶底中心装有一根直管，在直管的中部有三根支撑与桶壁连接，以固定直管的位置并使之垂直。直管的上端装有测针座，座上装有器内水面指示针，用以指示蒸发桶中水面高度。在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶管与溢流桶相连通，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。桶身的外露部分和桶内侧涂上白漆，以减少太阳辐射的影响。水圈是装置在蒸发桶外围的环套，用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。它由四个相同的、其周边稍小于四分之一的圆周的弧形水槽组成。水槽用较厚的白铁皮制成，宽20厘米，内外壁高度分别为13.7厘米和15.0厘米。每个水槽的外壁上开有排水孔，孔口下缘离水槽均应按蒸发桶的同样要求涂上白漆。水圈内的水面应与蒸发桶内的水面接近。溢水桶用金属或其它不吸水的材料制成。它用来承接因暴雨从蒸发桶溢出的水量。用量尺直接观测桶内水深的溢流桶，应做成口面积为300平方厘米的圆柱桶；不用量尺观测的，所用的溢流桶的形式不拘，其大小以能容得下溢出的水量为原则。放置溢流桶内的箱要求耐久、干燥和有盖。须注意防止降落在胶管上的雨水顺着胶管流入溢流桶内。不出现暴雨的地方，可以不设置溢流桶。测针用于测量蒸发器内水面高度。使用时将测针的插杆插在蒸发桶中的测针座上，插杆下部的圆盘与座口相接。测针所对方向，全站应统一。插杆上面用金属支架把测杆平等地固定地插杆旁侧。测杆上附有游标尺，可使读数精确到0.1mm。测杆下端有一针尖，用磨擦轮升降测杆，可使针尖上下移动，对准水面。针尖的外围水面上套一杯形静水器，器底有孔，使水内外相通。静水器用固定螺丝与插杆相连，可以上下调整其位置，恰使静水器底没入水中。（2）E-601B型蒸发器的测针观测与记录•每日20时观测•蒸发量=前一日水面高度+降水量（雨量器观测值）-测量时水面高度3、测定蒸发量的主要仪器（3）超声蒸发传感器超声蒸发传感器由超声波传感器和不锈钢圆筒组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对E601B型蒸发器内水面高度变化进行检测，，CW水中声速、t超声波脉冲往返于水面高度H经历的时间，转换成电信号输出。并配置温度校正部分，以保证在使用温度范围内的测量精度。它的测量范围为0-100mm，分辨率0.1mm，测量准确度±1.5%，在气温0-+50℃范围使用2/tCHW存在的问题降水的测定主要是代表性问题，基本上不存在准确性问题，而蒸发的观测则不仅存在代表性的问题，而且也存在测定的准确性问题国际参考标准蒸发器—俄罗斯20m2蒸发池（4）气象应用•农谚说：“清明要明，谷雨要雨”。这说明适时适量的降水对农业生产能提供有利的条件，是人类生存发展和生态系统得以维系的淡水资源供应源。而反常降水则会带来灾害。我国大部分地区降水都集中在下半年，而这时正是农作物的生长季节，大型降水的多少能造成大面积的涝旱。尤其是时间长、面积大的暴雨，还能引起洪水泛滥，不仅对生产建设造成极大的危害，而且对人民的生命财产也带来巨大的威胁。因此，工农业生产、交通运输、水利建设、防涝抗旱等都需要及时准确的降水观测资料。•降水在军事上也有很重要的影响，比如降水对舰艇舱面人员的健康力和战斗力影响较大，对武器装备也会产生一定的不良影响；降雪会迅速改变海岸目标的伪装条件，使舰艇目力通信和利用天体及沿岸目标定位的工作受到限制。•蒸发在地球的水表面、土壤以及雪和冰表面不停的发生，植被也总是以最大速度蒸腾水汽。蒸发也是地气间水分循环的主要环节之一，它不仅以水汽的形式进入大气，而且还在地面与大气间传递热量，蒸发对农业、气象和水文气象研究都具有重要意义。复习思考题1.我国气象台站的降水观测包括哪些内容？什么是降水量和降水强度？