Станционные методы метеорологических наблюдений

      Рис.3 Барограф. Основные части: 1 — анероидные коробки; 2 — перо; 3 — бумажная лента; 4 — барабан, приводимый в движение часовым механизмом. 
 
 
 
 
 
 

2.1.2 Наблюдения за циркуляцией атмосферы.

     Основным проявлением циркуляции атмосферы является ветер. Ветром называют горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер характеризуется направлением, скоростью и порывистостью. Непосредственной причиной возникновения ветра является различие атмосферного давления в разных точках земной поверхности, создающее горизонтальный барический градиент.     Ветер всегда обладает турбулентностью. В воздухе возникают многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров. Отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, так называемые элементы турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе перпендикулярно к среднему направлению ветра и даже против него. Эти элементы турбулентности имеют линейные размеры от нескольких сантиметров до десятков метров. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям. Турбулентность возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Особенно велика она в нижних слоях атмосферы, где скорость ветра быстро растет с высотой. Но в развитии турбулентности принимает участие также и архимедова (гидростатическая) сила. Отдельные количества воздуха, имеющие более высокую температуру, поднимаются вверх, а более холодные объемы воздуха опускаются вниз. Такое перемещение воздуха за счет различий температуры, а, следовательно, и плотности, происходит тем интенсивнее, чем быстрее падает температура с высотой. Поэтому различают динамическую турбулентность, возникающую независимо от температурных условий, и термическую турбулентность (или конвекцию), определяемую температурными условиями. В действительности турбулентность всегда имеет комплексную природу, в которой термический фактор играет большую или меньшую роль.    Турбулентность с преобладанием термических причин при определенных условиях превращается в упорядоченную конвекцию. Вместо мелких хаотически движущихся турбулентных вихрей, в ней начинают преобладать мощные восходящие движения воздуха типа струй или токов с высокими скоростями, иногда свыше 20 м/с. Такие мощные, восходящие токи воздуха называются термиками. Наряду с ними наблюдаются и нисходящие движения, менее интенсивные, но захватывающие большие площади. Порывистость ветра возрастает с увеличением его скорости. Порывы, т.е. скачкообразные усиления и ослабления ветра при средней его скорости 5-10 м/с в среднем составляют ± 3 м/с, а при скорости 11-15 м/с возрастают до ± 5 - 7 м/с.            Скорость ветра измеряют в м/с, реже в км/ч и баллах. За направление ветра принимают то, откуда дует ветер. Направление определяют в румбах (их 16) или угловых градусах.        Для изучения повторяемости ветров различных направлений строят график, называемый розой ветров, который позволяет выявить преобладающее направление ветра в данном месте за определенный период (месяц, сезон, год) [15, с. 165].             На метеорологических станциях, для определения направления и скорости ветра у поверхности земли используют различные приборы.  1. Флюгер. Он устанавливается на высоте 10-12 м над земной поверхностью. Для определения скорости ветра в поле служит ручной анемометр. На метеостанциях широко используются также электрические анемометры и анеморумбометры, а также самопишущие приборы для непрерывной регистрации направления и скорости ветра — анеморумбографы. Флюгер Вильда (станционный) прибор служит для измерения скорости и направления ветра (рис. 4).

  Рис.4 Флюгер Вильда. Основные части: 1 - металлическая пластина (откидная доска); 2 - дуга со штифтами (для определения скорости ветра); 3 - флюгарка с противовесом; 4 –муфта. 

                                                                                             
 

  2. Ветромер Третьякова служит для измерения направления и скорости ветра в полевых условиях (рис. 5). Необходимость таких измерений вызвана тем, что направление и особенно скорость ветра на полях могут значительно отличаться от данных метеоплощадки. Ветромер Третьякова по своему действию напоминает флюгер [13, с. 56].

  Рис.5 Ветромер Третьякова. Основные части: 1 - флюгарка в виде волнообразной изогнутой пластинки; 2 - противовес; 3 - пластина с нанесенными на нижней части названиями румбов; 4 - металлическая пластинка ложкообразной формы; 5 - противовес, прикрепленный к пластинке 4 под углом 76°; 6 - вырез в средней части пластин 4 и 5; 7 - указатель в виде острия; 8 - неравномерная шкала в м/с; 9 - горизонтальная ось; 10 - вертикальный стержень. 

 

     3. В настоящее время для измерения направления и скорости ветра применяют дистанционные приборы — анеморумбометры, основанные на преобразовании величин элементов ветра в электрические величины.

     Анеморумбометр служит для измерения направления ветра, мгновенной скорости, средней скорости за десятиминутный интервал и максимальной скорости ветра между измерениями (рис. 6).

  Рис.6 Анеморумбометр. Основные части: 1-датчик, 2-указатель направления и скорости ветра; 3 - блок питания; 4 - ветроприёмник регистрирующий скорость ветра, 5 – флюгарка. 
 
 
 

    

 

    4. Анемометр ручной (рис.7). Это один из простых и точных приборов для измерения скорости ветра в диапазоне от 1 до 20 м/с. Обычно используется интервал осреднения от 1 до 10 минут. Чувствительными элементами датчика скорости является вертушка с четырьмя полусферическими чашками. Вращение вертушки передается на счетный механизм с тремя шкалами (тысячи, сотни, десятки и единицы оборотов). Включаться и выключаться прибор может дистанционно с расстояния до 10 метров с помощью шнурка – тяги. Прибор исключительно удобен в полевых условиях, используется он также при градиентных измерениях.    Для измерения скорости отсчитывают начальные показания стрелки прибора, затем одновременно включают секундомер и сам прибор и делают конечный отсчет. Разность отсчетов Dn делится на разность времени Dt в секундах и находится число оборотов в секунду. По этой величин с тарировочного графика снимается скорость ветра.

  

    Рис.7 Анемометр ручной.

    

    Возможна  также непрерывная регистрация  хода средних скоростей. Для этого  через заданные промежутки времени  делаются отсчеты без выключения прибора. При этом надо сначала отсчитывать  единицы, затем сотни и потом тысячи.

2.1.3  Наблюдения за радиационным режимом атмосферы.

    Основным источником энергии физических процессов происходящих в атмосфере и на поверхности Земли является лучистая энергия Солнца. Солнце — раскаленный газовый шар, объем которого в 1,3 • 10⁶ больше объема Земли, а масса составляет 99,87 % массы всей Солнечной системы. Солнце излучает в окружающее пространство энергию, равную примерно 3,71 • 10²⁶ Вт. Из этого количества до Земли доходит лишь около одной двухмиллиардной части, что составляет примерно 3,3 • 10⁸ Вт на 1 км² земной поверхности. Такое количество энергии соответствует мощности около 33 • 10⁴ кВт.

     Спектральный состав солнечной радиации около 99 % всей энергии солнечной радиации приходится на интервал длин волн между 0,1 и 4 мк (микрон) и всего 1 % остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновских лучей и радиоволн.

     Видимый свет занимает узкий интервал длин волн от 0,40 до 0,75 мк. Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной лучистой энергии (46 %). Почти столько же (47 %) приходится на инфракрасные лучи, а остальные 7 % — ультрафиолетовые.

     Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января она наиболее близка к Солнцу (147 млн. км), в начале июля — наиболее далека от него (152 млн. км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течение года меняется на ± 3,5 %. При среднем расстоянии Земли от Солнца солнечная постоянная, по новейшим определениям с использованием спутниковых измерений, равна 2,00 ± 0,04 кал/см² • мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см² • мин.

     В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности Земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. Поэтому в атмосфере наблюдаются три вида радиации: прямая, рассеянная и отраженная. Раздел метеорологии, изучающий потоки лучистой энергии в атмосфере, называется актинометрией.     Для измерения прямой солнечной радиации на метеорологических станциях применяют несколько приборов.       1. Актинометр термоэлектрический. Актинометр (от греч. ακτίς — луч и μέτρον — мера) — прибор для измерения интенсивности электромагнитного излучения, преимущественно видимого и ультрафиолетового света. В метеорологии применяется для измерения прямой солнечной радиации (рис. 8).  

      Рис.8 Актинометр Савинова-Янишевского. Основные части: 1- крышка; 2, 3 -винты; 4 - ось склонений; 5 - экран; 6 - рукоятка; 7 - трубка; 8 - ось; 9 - сектор широт; 10 - стойка; 1 - основание; 12 - провода; 13 – отверстие.

 

     Приемником актинометра служит почерненный диск, выполненный из сусального серебра толщиной 0,001 мм и диаметрам 11 мм, который помещается в трубку. Обращенная к Солнцу сторона его покрыта матово-черной эмалью, а к обратной стороне приклеена папиросная бумага. Диск помещен внутри корпуса трубки.        Прямая солнечная радиация, проникающая через отверстие трубы к диску, нагревает его. Разность температур внутренних и внешних спаев вызывает термоток, пропорциональный интенсивности радиации. Сила тока измеряется при помощи гальванометра, присоединенного к актинометру. 2. При определении суммарной, рассеянной и отраженной радиации применяют различные типы пиранометров, например пиранометр термоэлектрический (рис. 9). Приемник данного пиранометра имеет квадратную термобатарею окрашенную в черно-белый цвет в виде шахматной доски. Радиация, поступающая на приемник, поглощается черными спаями сильнее, чем белыми. Вследствие этого между спаями устанавливается разность температур и возникает термоток. Величина тока определяется по гальванометру, показание которого в делениях шкалы будет пропорционально интенсивности радиации.

     Рис.9 Пиранометр термоэлектрический универсальный.

 

     Рассеянную радиацию измеряют при затененном приемнике, без затенения суммарную. Отраженную радиацию определяют при положении приемника вниз (прибор находится в перевернутом состоянии).

     3. В полевых условиях для измерения альбедо поверхности в полевых условиях применяют походный альбедометр (рис. 10). 
 
 

Рис.10 Походный альбедометр. Основные части: 1-приемник; 2 - самоуравновешивающийся карданный подвес; 3 – рукоятка. 

 

    4. Продолжительность солнечного сияния можно измерить гелиографом. Универсальный гелиограф служит для регистрации продолжительности солнечного сияния, т.е. промежутков времени, в течении которых светило солнце (рис.11).

    Принцип действия гелиографа основан на прожигании бумажных лент солнечными лучами, собранными в фокусе стеклянного шара. Когда на него попадают лучи солнца, то при прохождении их через шар, они собираются в фокусе. На расстоянии главного фокуса от шара на дугообразном держателе укреплен сферический экран, имеющий три пары пазов в которые закладывается особая картонная лента в зависимости от сезона: в верхнюю пару пазов - зимой (16.10. до конца февраля), в среднюю весной и осенью (с 1.03. но 15.04 и с 1.09. по 15.10.1 в нижнюю - летом (с 16.04. по 31.08).. Если Солнце не закрыто облаками лучи собираются в фокусе шара и оставляют на ленте прожог.

    Так как фокус перемещается вследствие движения солнца, то прожог образует длинную полосу. Если же солнце в течении дня временами закрывалось облаками, прожог получается прерывистым. Лента разделена линиями на части - часы, благодаря чему можно установить сколько в течении дня светило солнце. Гелиграф устанавливают на открытом месте строго горизонтально, по мередиану и соответствующей широте.

     Бумажные ленты вкладывают в разные пазы. При продолжительности дня t - 10 часов ленту меняют один раз в сутки после захода Солнца, при t - 10 часов два раза: первый раз после захода Солнца, второй и 12 часов по среднему солнечному времени. Изображение Солнца прожигает на ленте след, 2.6.

     Установка прибора производится на столбе высотой 2 м на прочном деревянном основании. Горизонтальность основания проверяют но уровню. Устанавливают прибор на широту местности но сектору широт.

      Измерение продолжительности солнечною сиянии заключался в определении суммарной длины прожогов в каждом часовом промежутке с точностью до 0,1 часа, учитывая даже слабые следы прожога.

     Рис.11 Гелиограф полярный (универсальной модели). 
 
 
 
 
 
 
 

            5. Радиационный баланс деятельной поверхности измеряют балансометром. Балансомер служит для определения разности излучения, приходящего на деятельную поверхность в виде суммарной радиации, и собственного излучения этой поверхности (рис. 12).        В отличие от вышеупомянутых актинометрических приборов, у балансомера две приемных поверхности. Одна из них, обращенная к небосводу, воспринимает суммарную радиацию Q вместе с излучением атмосферы Е_а. Приемник, обращенный в сторону деятельной поверхности, воспринимает отраженную коротковолновую радиацию R_к, земное излучение Е_з и часть отраженной радиации R_д, пришедшей от атмосферы и окружающих предметов. Таким образом, радиационный баланс В вычисляют по формуле В = (Q + E_а) - (E_з + R_к).  

      Рис.12 Балансомер.

 

      Балансомер  представляет собой круглую пластину с квадратным вырезом в центральной  части 48х48 мм, в который помещен  приемник радиации, изготовленный следующим  образом.

    Приемной поверхностью прибора служат две одинаковые пластинки из тонкой медной фольги, покрывающие верхний и нижний приемники. Наружные поверхности этих пластин зачернены специальным черным лаком, поглощающая способность которого близка к поглощающей способности абсолютно черного тела. К внутренней стороне пластин приклеены 10 термоэлектрических батарей, каждая из которых представляет из себя медный брусочек, обвитый тонкой металлической полоской из константана. Половина каждого витка посеребрена, и место окончания серебряного слоя служит термоспаем, а каждый брусочек термобатареей, которые последовательно соединены между собой. На каждом брусочке намотано 50 витков, и таким образом в приборе находится 500 термоспаев.  Четные спаи батарей испытывают тепловое воздействие одной пластинки, нечетные - другой. Разность температур пластинок пропорциональна разности потоков приходящей и уходящей радиации. Для затенения прибора от прямой радиации служит экран 5, закрепленный шарниром через легкую трубку. В нерабочем состоянии прибор закрывается защитным чехлом.      Показания прибора довольно значительно зависят от скорости ветра, так как приемные поверхности его незащищены. Поэтому в непосредственной близости от стойки с гальванометром, на расстоянии 0,5-1,0 метра устанавливается шест высотой 2,3 метра, на конце которого крепится ветроизмерительный прибор (анемометр Фусса или ручной анемометр), по показаниям которых вводятся добавочные поправки [1, с.167].