Станционные методы метеорологических наблюдений

     2.1.4. Наблюдения за водой в атмосфере.

     2.1.4.1. Испарение и способы  его измерения.

     На  испарение воды с океанов, морей  и суши затрачивается в среднем 23% солнечной радиации, приходящей на земную поверхность. Часть испарившейся влаги конденсируется над океаном, образует осадки и возвращается в океан, совершив так называемый малый круговорот.

      Водяной пар, перенесенный воздушными течениями  в глубь материков, также в конечном счете выпадает в виде жидких или твердых осадков. Осадки частью просачиваются в почву, образуя грунтовые воды, частью стекают через ручьи и реки в моря и океаны, завершая большой круговорот. Вода во всех видах в атмосфере и почве входит в число важнейших природных ресурсов, необходимых для человечества.    Для измерения испарения с водной поверхности применяются испарительные бассейны площадью 20 и 100 м², а также испарителями с площадью поверхности 3000 см². Испарение в таких бассейнах и испарителях определяется по изменению уровня воды с учетом выпадения осадков. Испарение с поверхности почвы измеряется почвенным испарителем с площадью испаряющей поверхности 500 см². Этот испаритель состоит из двух металлических цилиндров. Внешний установлен в почве до глубины 53 см. Во внутреннем цилиндре находится почвенный монолит с ненарушенной структурой почвы и растительностью. Высота монолита 50 см. Дно внутреннего цилиндра имеет отверстия, через которые стекает избыток воды от выпавших дождей в водосборный сосуд. Для определения испарения внутренний цилиндр с почвенным монолитом каждые пять дней вынимают из внешнего цилиндра и взвешивают [13,с.56].

     2.1.4.2. Влажность и способы  её измерения.

      Влажность воздуха — это содержание водяного пара в воздухе. В нижних слоях атмосферы всегда содержится водяной пар.    Влажность воздуха может быть измерена несколькими методами: абсолютным (весовым), психрометрическим и гигрометрическим (сорбционным). Сущность абсолютного метода заключается в том, что через стеклянные трубки, наполненные каким-либо гигроскопичным веществом (например, хлористым кальцием, крепкой серной кислотой), пропускают определенный объем воздуха. Трубки взвешивают до и после пропускания через них влажного воздуха и по прибавлению их массы судят о количестве поглощенного водяного пара. Разделив прибавленную массу на объем пропущенного через трубки воздуха, определяют его абсолютную влажность в г/м³.             Этот способ определения влажности воздуха трудоемок, занимает много времени, и поэтому его применяют только в лабораторных условиях.  Наибольшее распространение получили психрометрический и гигромет-рический (сорбционный) методы.       1. Измерение влажности воздуха психрометрическим методом. Название психрометрического метода произошло от слова психрос — охлаждение, холод. Метод основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Измерение влажности воздуха осуществляется при охлаждении одного из двух термометров. По этому методу работают основные приборы для определения влажности воздуха — стационарный и аспира-ционный психрометры.          Стационарный психрометр состоит из двух психрометрических термометров, которые устанавливаются в психрометрической будке (рис.13). Резервуар правого термометра обвязывается кусочком батиста, конец которого погружен в воду, заполняющую стаканчик как показано на рис. При этом обеспечивается поступление воды к поверхности резервуара термометра по батисту и в то же время создается возможность свободного обмена воздуха у резервуара термометра по батисту и в то же время создается возможность свободного обмена воздуха у резервуара.

      Рис.13 Психрометр станционный.

     Психрометр  аспирационный имеет большое распространение и состоит из двух термометров: сухого и смоченного. Ртутные резервуары этих термометров заключены в блестящие оправы цилиндрической формы с двойными стенками. Эти оправы соединяются общей трубкой, имеющей вверху расширение, в котором помещается вентилятор. Последний приводится в действие особой пружиной или электродвигателем и при вращении всасывает наружный воздух через цилиндрические оправы. Благодаря этому воздух во время действия психрометра непрерывно обтекает резервуары термометров со скоростью 2 м/сек. Все наружные части психрометра хорошо отполированы, поэтому они отражают солнечные лучи и не нагреваются.

     Аспирационный психрометр очень удобен для переноски и не требует каких-либо особых установок (рис. 14).

     Рис.14 Аспирационный психрометр.

     Он  состоит из двух термометров: мокрого  и сухого, укрепленных в металлической оправе. Верхний коней трубки соединен с головкой аспиратора просасывающего воздух через трубки и около резервуаров термометров.

       Психрометр устанавливают с помощью  крюка подвеса, который ввинчивают  в столбик горизонтально так, чтобы резервуары термометров находились   Рисунок 5.6-на высоте 2 м от поверхности земли. Психрометр

Смачивают батист термометра зимой за 30 мин, летом  за аспирацион-4 мин до снятия показаний  термометров. При скорости ветра  ный более 3 м/с на аспиратор надевают с наветренной стороны ветровую защиту.

      Вычисление  влажности производят при помощи психрометрических таблиц. 

     2. Измерение влажности воздуха гирометрическим (сорбционным) методом.

     Сорбционный метод измерения влажности воздуха, основан на использовании свойства гигроскопических тел, реагировать на изменение влажности воздуха. Такими свойствами например обладает обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки. Так, при изменении влажности от 0 до 100% удлинение волоса ∆ l составляет около 2,5% от его длинны l . Это и положено в основу работы гигрометров и гигрографов (рис. 15). В гигрометрах деформация волоса или пленки с помощью системы рычагов передается на стрелочный указатель, а в гигрографах на перо, с помощью которого производится запись на ленте на вращающемся барабане. Все приборы этого типа относительные. Хотя их шкалы и отградуированы в значениях относительной влажности, в отсчеты по приборам надо вводить специальные поправки, полученные по результатам параллельных наблюдений по станционному психрометру.

      Рис.15 Гигрометр. Основные части: 1-обезжиренный волос, 2-регулировочный винт, 3-дужка, 4-рычажок, 5-стрелка, 6-шкала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Пленочный гигрометр служит для измерения относительной влажности воздуха. Приемной частью его является натянутая на металлическое кольцо гигроскопическая животная пленка, мембрана, в центре которой находится металлическая шайба. Приемник прикрепляется подпружинными винтами к металлической раме. Тягой мембрана соединена с передаточным механизмом прибора, состоящим из оси, стрелки и грузика, который обеспечивает постоянное натяжение пленки. Благодаря такому устройству передаточного механизма изменения упругих свойств мембраны, происходящие в результате изменения влажности воздуха, передаются на стрелку. Отсчет влажности воздуха производится по шкале . Деления шкалы равномерны, так как упругие свойства пленки меняются равномерно с изменением влажности воздуха.

     Для крепления прибора в металлической  раме есть отверстия и лапки. Стрелку гигрометра устанавливают на заданную влажность воздуха винтом.

Пленочный гигрометр — прибор относительный. Поэтому в его показания, как и в показания волосного гигрометра, вводятся поправки, полученные сравнением показаний пленочного гигрометра с показаниями психрометра.

 Рис.16 Пленочный гигрометр. Основные части: 1- шкала, 2 – стрелка, 3 – мембрана. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Гигрограф служит для непрерывной записи изменений влажности воздуха (рис. 17). Чувствительным элементом прибора является пучок волос, укрепленный на задней стенке прибора. Через передающее устройство (систему рычагов) изменение натяжения пучка волос передается на стрелку с пером. Перо вычерчивает на бумажной ленте график изменения относительной влажности воздуха за сутки или неделю.

      Рис.17  Гигрограф. Основные части:  1 - барабан; 2 - полосовая пружина; 3 - пучок обезжиренных волос; 4- рычаг; 5 - грузик; 6 - перо гигрографа.

            Обработка записей  на ленте гигрографа - производится путем введения поправок в величины относительной влажности воздуха, снятые для каждого часа с графика гигрографа. Эти поправки определяются из отдельного графика составленного на основании сравнительных данных значений относительной влажности, полученных по психрометру, и значений, снятых с лент гигрографа с точностью до 1%. 
 

     2.1.4.3. Наблюдение за  атмосферными осадками  и их измерение.

     Количество осадков выражают высотой слоя воды (в миллиметрах), который образовался бы на поверхности, если бы выпавшие осадки не стекали, не испарялись и не просачивались вглубь.

      Для измерения количества жидких и твердых  осадков на метеорологических станциях и постах применяют осадкомер Третьякова (рис. 18).

      Рис18. Осадкомер Третьякова. Основные части: 1- воронка, 2 - диафрагма, 3 -ведро, 4 - колпачок, 5 - носик, 6 - планочная защита,7 - подставка, 8 - лесенка, 9 - измерительный стакан. 

     В комплект осадкомера Третьякова входит два металлических ведра с площадью приемной поверхности 200 см², планочная защита из 16 планок, предохраняющая осадки, попавшие в ведро, от выдувания; таган для установки ведра на столбе в строго вертикальном положении. Внутри ведра впаяна диафрагма, часть которой представляет съемную воронку. Эта воронка летом предохраняет осадки от испарения, а на зиму снимается, чтобы твердые осадки попадали на дно ведра, где они защищены от выдувания. Для слива осадков ведро имеет носик, закрываемый колпачком.

     Осадкомер устанавливается на столбе так, чтобы  приемная поверхность ведра находилась на высоте 200 см от поверхности почвы. Вблизи осадкомера не должно быть строений, деревьев и других предметов. Однако осадкомер рекомендуется ставить так, чтобы он был защищен от ветра.

     Смена ведер осадкомера и измерение  осадков производится четыре раза в  сутки. Собранные в ведро осадки приносят в помещение станции  и сливают в измерительный  стакан. Если в ведре находятся  твердые осадки, то их количество измеряют после того, как они растают (ведро при этом должно быть закрыто крышкой). Измерительный стакан осадкомера имеет 100 делений. Цена деления 2 см², что соответствует высоте слоя воды в ведре 0,1 мм.             Дождемер полевой — стеклянный стакан с расширением в верхней части. На стенке дождемера нанесены деления, каждое из которых соответствует 1 мм слоя выпавших осадков. Для уменьшения испарения в стакан вставляют воронку. Применяют для измерения жидких осадков в агроценозах.             Для непрерывной регистрации количества выпадающих осадков и интенсивности дождя применяют плювиограф (рис. 19). По записи на ленте определяют время начала и окончания дождя, количество выпавших осадков и их интенсивность.

      Рис.19 Плювиограф. 
 
 
 
 
 

      В настоящее время в труднодоступных местностях устанавливают автоматические радиоосадкомеры, регулярно измеряющие жидкие осадки и передающие радиосигналы, обозначающие их количество.    При первом появлении снежного покрова (для большинства районов России совпадает с устойчивым переходом средней суточной температуры воздуха через О °С) на метеорологических станциях ежедневно измеряют высоту снежного покрова по трем постоянным снегомерным рейкам, а затем вычисляют среднюю высоту, определяют степень покрытия снегом окружающей территории в баллах (от 0 до 10), качественно оценивают равномерность залегания снежного покрова (равномерно, с оголенными местами и т. д.).           В последний день декады на полях с озимыми и многолетними травами проводят снегомерные съемки. На маршруте длиной 1 км через каждые 10 м переносной снегомерной рейкой измеряют высоту снежного покрова, а через каждые 100 м определяют плотность снега.      Для этой цели предназначен походный весовой снегомер (рис. 20), состоящий из металлического цилиндра и весов (безмена). Цилиндром берут пробу снега, взвешивают и рассчитывают плотность, г/см³.

      Рис. 20 Снегомер.

2.2. Наблюдение за  температурой.

      Для измерения температуры среды  применяют различные виды термометров: жидкостные, деформационные, термоэлектрические.  Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости с изменением температуры. В качестве жидкости в таких термометрах используется ртуть или спирт. Ртутные термометры более чувствительны, но ртуть замерзает при -38,9°. Поэтому для измерения низких температур пользуются спиртовыми термометрами.  Термоэлектрические термометры основаны на изменении электродвижущей силы термопар, возникающей вследствие разности температур спаев. Термопары могут быть из меди и константана.   Термометры сопротивления основаны на принципе изменения сопротивления проводников и полупроводников с изменением температуры. Особенно точны полупроводниковые термометры сопротивления - терми-стры.           Деформационные термометры основаны на принципе изменения линейных размеров твердых тел с изменением температуры. Приемникомтаких термометров является биметаллическая пластинка или пружина из меди и железа.       Сравнимость показаний термометров осуществляется по их градуировочным шкалам. Единицы измерения температуры зависят от выбранной температурной шкалы. Существуют шкалы Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.