试验一太阳常数的测定试验Word格式.docx
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2、基本操作及仪器的要求
学生除了应掌握气象观测站建站的条件外,还应对气象与气候学实习所用仪器的工作原理、基本构造、使用方法及使用中的注意事项有一个基本了解。
这些仪器有:
日记温度计;
日记湿度计;
干、湿温度表;
日记雨量计;
电接风向风速仪;
动槽式气压表;
蒸发皿;
雨量筒;
通风干湿温度表,轻便三杯风向风速仪。
3、实验记录和观测记录的统计方法
学会仔细观察各种大气物理现象,并准确、完整记录原始观测时的特征和数据。
3.1日、候、旬、月平均值的统计
(1)气压、气温、水汽压、相对湿度、总低云量、风速、地温等项的日平均值为该日相应要素各定时值之和除以定时次数而得;
自动观测24次记录和基准站人工观测24次记录,须同时做02、08、14、20时4次日平均。
(2)气压、气温、水汽压、相对湿度、总低云量、风速、地温等项的各定时及日平均,每旬应作旬平均,月终应作月平均(含自记风速)。
旬、月平均值,均用纵行统计,即各定时及日平均的旬、月平均值,分别为该旬、月各定时及日平均的旬、月合计值除以该旬、月的日数而得。
3.2月极值及出现日期(或起止日期)的挑选
(1)最高、最低本站气压和气温的月极值及出现日期,分别从逐日最高、最低值中挑取,并记其相应的出现日期。
无自记仪器,月极值及出现日期,从逐日各定时记录中挑取。
(2)最小相对湿度的月极值及出现日期,分别从逐日的最小值中挑取,并记其相应的出现日期。
(3)最大风速和极大风速的月极值及其风向、出现日期和时间,分别从逐日的日极值中挑取,并记其相应的出现日期和时间。
(4)地面、草面(雪面)最高、最低温度的月极值及出现日期,分别从逐日地面和草面(雪面)最高、最低温度中挑取。
(5)水汽压和无自记仪器的本站气压、相对湿度的月极值及出现日期,从逐日各定时记录中挑取。
(6)降水量、雪深和雪压的月极值及出现日期,分别从各日记录中挑取。
(7)月最长连续降水日数及其降水量、起止日期:
从降水量日总量栏中,挑取一个月内日降水量≥0.1mm的最长的连续日数,并统计其相应的连续各日降水量的累计值,记其相应的起止日期。
(8)月最多风向及频率:
从各风向(包括静风)频率中,挑选出现频率最大者,即为月最多风向。
当月最大频率有两个或以上相同时,挑其出现回数最多者;
若回数又相同时,挑其平均风速最大者:
若平均风速又相同时,挑取其中与邻近的两个风向频率之和最大者为最多风向。
挑选月最多风向时,若某风向出现频率与静风C同时为最多,则只挑该风向,不挑C。
若C的出现频率为最多时,则C挑为月最多风向,但须另挑次多风向。
4、实验报告
完成实验报告是本课程的基本训练。
一个实验成功与否,只有通过报告形式才能体现。
所以做实验报告能培养学生正确、有效的表达能力,它将使学生在对数据的处理、作图、问题归纳总结等方面得到训练和提高,学生实验报告的质量在很大程度上反映了学生的实际操作能力。
实验报告应包括:
(1)利用历史的气候要素资料进行制图,并通过资料的分析,对这些资料反映的气候型进行判读。
此项报告要求学生单独完成;
(2)通过对小区域下垫面的大气物理特征的连续观测记录,分析整理所观测记录的资料,并总结该地区小气候的特征。
此项报告要求学生按观测小组合作完成。
三、实验内容
1、参观兰州市气象局、兰州市气象科技园
2、了解气象观测站建站的条件并对空气温度和湿度进行观测
气象观测站建站的条件参考前述的气象观测站基本规范和要求。
对于地面观测中测定的是离地面1.50米高度处的气温和湿度。
需要获取的项目及其单位:
气温有定时气温,日最高、日最低气温;
湿度有水汽压、相对湿度、露点温度。
配有温度计的气象站应作气温的连续记录。
以摄氏度(℃)为单位,取一位小数。
测量气温和湿度的仪器主要有干球温度表、湿球温度表、最高温度表、最低温度表、毛发湿度表、通风干湿表、温度计和湿度计、铂电阻温度传感器和湿敏电容湿度传感器。
3、对气压和风进行观测
测定气压主要用动槽式水银气压表、定槽式水银气压表、空盒气压表。
气压以百帕(hPa)为单位,取一位小数。
人工观测时,定时观测要计算本站气压,分析天气报告还须计算海平面气压,我国以黄海海面平均高度为海平面基准点,本站气压统一订正到此高度上,即为海平面气压。
水银气压表是利用作用在水银面上的大气压力,与以之相通、顶端封闭且抽成真空的玻璃管中的水银柱对水银面产生的压力相平衡的原理而制成的。
空盒气压表湿利用空盒弹力与大气压力相平衡的原理制成的。
空盒气压表不如水银气压表准确,而且订正值容易发生变化,因此一般台站上,只作为参考仪器。
由于它使用与携带都比较方便,适用于野外考察使用。
地面气象观测中测量的风是两维矢量(水平运动),用风向和风速表示。
最多风向是指在规定时间段内出现频数最多的风向;
最大风速是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值;
极大风速(阵风)是指某个时段内出现的最大瞬时风速值;
瞬时风速是指三秒钟的平均风速;
风的平均量是指在规定时间段的平均值,有三秒钟、二分钟和十分钟的平均值。
人工观测时,测量平均风速和最多风向。
自动观测时,测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。
测量风的仪器主要有EL型电接风向风速计、EN型系列测风数据处理仪、海岛自动测风站、轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器等。
4、对云和降水、蒸发进行观测
云的观测主要包括:
判定云状、估计云量、测定云高和选定云码。
云的观测应尽量选择在能看到全部天空及地平线的开阔地点或平台进行,为获得正确的观测记录,应对云进行连续观测,并根据云的外形特征、结构、排列、透光程度等情况,结合天气形势进行综合分析判断。
降水观测包括降水量和降水强度。
降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水,在水平面上积累的深度。
降水强度是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。
气象站观测每分钟、时、日降水量。
常用测量降水的仪器有雨量器、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和双阀容栅式雨量传感器等。
气象站测定的蒸发量是水面蒸发量,它是指一定口径的蒸发器中,在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度,以毫米(mm)为单位,取一位小数。
测量蒸发量的仪器有E601B型蒸发器和小型蒸发器。
5、对风向、气温、降水量等气候资料进行统计
实验二太阳常数的测定实验
1、了解计算太阳常数的两种方法即“长法”和“短法”。
2、掌握直射日射强度计、散射辐射计和分光辐射计三种仪器的使用方法。
3、计算太阳常数,进而计算太阳有效温度和太阳颜色温度。
二、实验原理:
“长法”和“短法”
“长法”(longmethod):
假定大气状况不改变,通过同一天中几个不同天顶角时太阳光谱的单色辐照度的观测而确定太阳常数的方法。
根据比尔定律,地面上观测波长(λ)的直接太阳辐射的辐照度(F)为:
这里:
是大气顶的太阳单色辐照度,
是单色质量消光截面,
为单色透过率,
表示太阳和观测者之间的大气质量与当地天顶距处的大气质量之比。
上式两端取对数后,可得出:
如观测期间大气状况不改变的话,则透过率
对m的直线可以外推到零点,此处代表大气顶(m=0)。
如果对整个太阳光谱按波长进行单色辐照度的观测,则有
式中N是所测量的单色辐照度的总数。
令d表示日地之间的实际距离,则由能量守恒可得太阳常数为:
这里
为日地平均距离。
用此法确定一次太阳常数,大约需要2—3小时,以保证m有相当大的变化范围。
一般利用日出或日落的机会,使太阳天顶距变化于45°
至85°
,相应的m值为1.5至11之间。
长法观测成功的关键在于这段时间中大气的光学厚度不能变化,否则观测值就不可能组成一条直线,因此必须选择晴朗稳定的天气。
但要保证整个观测期间光学厚度不变是很困难的。
长法存在着许多固有误差,例如:
(1)太阳光谱的紫外和红外部分在地面上观测不到或观测不全,需要用高空或大气外的观测资料来补足。
臭氧紫外吸收的经验订正,以及水汽和二氧化碳在太阳光谱区红外吸收的经验订正;
(2)进入观测仪器孔径之内的漫射辐射量未知;
(3)在整个观测期间kλ的变化和气溶胶的可能影响;
(4)测量误差。
图1太阳单色辐照度
的观测值随有效路径长度变化的理想情况
“短法”(shortmethod):
根据一个天顶角下,对太阳光谱的单色辐照度而确定太阳常数的方法。
在太阳单色辐照度(
)、大气质量(m)以及透过率(
)之间有下列关系:
如果对已知地点事先进行长期观测,据此,对给定的
便可绘制出
对m的图形。
因此对于已知m的特定
的测量,可由图上找出相应的
。
一旦
被确定,则由上述方程可以确定大气顶的太阳辐照度(
),而这以后太阳常数的求值方法即与长法相同。
用此法进行一次测量仅需10~15分钟,比长法所需时间短得多,故名“短法”。
计算太阳的有效温度和颜色温度。
太阳的有效温度Te可由太阳常数S0利用黑体辐射定律得到。
因为以日心为中心,以太阳半径
和日地平均距离
为半径的两个球面上通过的太阳辐射能量应该相等,即
根据
、
和
的数值,得出太阳的有效温度Te。
太阳的颜色温度Tc可根据维恩定律、由太阳光谱中的最强波长λmax=0.48μm计算得到
1981年世界气象组织(WMO)推荐了太阳常数的最佳值是So=1367±
7W·
m-2。
用直接日射强度计测量出直射太阳辐射加上某些漫射太阳辐射,用散射日射计测量出漫射太阳辐射。
然后用散射日射计的值来订正日射强度计的值,即用直接日射强度计的测值减去散射日射计测得的通量密度从而得到大阳的直接辐射量。
分光热辐射计是光谱仪和定天镜的组合。
定天镜是一面随太阳而转动的镜子,它能将太阳光线始终聚焦在光谱仪的入射狭缝上,并通过棱镜或衍射光栅而将太阳辐射色散成不同波长,然后利用光谱仪测得其单色辐照度。
进而计算太阳常数及太阳有效温度和颜色温度。
实验三波文比系统观测实验
1、了解波文比系统的原理和用途。
2、掌握波文比系统的安装及操作流程。
3、初步计算实验点下垫面的能量平衡状况
波文比能量平衡原理
波文比系统是测量地-气能量平衡的核心技术,所测的变量包括两个高度的水汽和空气温度、净辐射、土壤热通量和风速。
可以增加其它外设来组成整个系统。
通过监测、计算波文比β,可计算得出蒸发面与大气间的潜热及显热通量,得到净辐射能在生态系统内部各处的分配比例及规律,这是现代农田生态学、气象学和水文学等学科研究的热点问题。
应用领域包括能量和水平衡;
地表-大气作用、空气扩散模型、大气稳定度、全球气候变化、农业研究和生态系统研究等领域。
波文比—能量平衡法估算潜热能量(即蒸发或凝结)与显热通量的理论基础是地面能量平衡方程与近地层梯度扩散理论。
波文比值的计算是在地面能量平衡方程与近地层梯度扩散理论的基础上来计算的,近地层大气只因垂直的水汽和热量输送过程而形成相应的垂直温度和湿度梯度,它要求测量地面以上两个高度之间的空气温度差和同高度之间的水汽压差。
我们用近地层的温湿梯度反过来估算其垂直水汽和热量交换,在距地面1.5米厚度的近地层大气中,高度相差1米的空气温湿度梯度都是均匀一致的,无各种性质平流的影响,地面上空水平均一的流场环境,使得两层干湿球处在性质一致的气层中,这是计算Bowen比值的一个前提条件。
,
下垫面能量平衡方程为:
(1)
式中:
Rn为净辐射;
LE为下垫面与大气之间的潜热通量;
H为下垫面与大气之间的显热通量;
G为土壤热通量。
将下垫面作为一个蒸发面,根据近地层梯度扩散理论理论,蒸发面上的潜热、显热通量表达如下:
(2)
(3)
L为汽化潜热;
Cp为空气定压比热;
ρ为空气密度;
ε为水汽分子对于干空气分子的重量比;
P为大气压;
kw,kh分别为潜热和显热交换系数;
T,e分别为温度和湿度梯度。
因为梯度扩散理论基于这样的假定:
即大面积水平均一的地表上空,近地层大气只因垂直的水汽,热量输送过程而形成相应的垂直温度和湿度梯度,无水平输送(即平流)过程的影响,所以可认为kw=kh,同时引入波文比β(显热通量与潜热通量之比),并将微分化为差分得:
(4)
由
(2)、(3)和(4)式可得:
(5)
(6)
由实测Rn,G,ΔT和Δe利用(4),(5),(6)式可得蒸发面与大气间的潜热及显热通量及波文比值。
三、实验步骤
1、了解MonitorSL5波文比系统及其技术指标
主要组成:
系列数据采集器
512K内存,P&
P接口,内置采集程序,蓄电池或太阳能供电;
风速传感器
测量风速;
干湿球温度传感器(上层)
测定距地1.5m处空气的温度和湿度;
干湿球温度传感器(下层)
测量距地0.5m处空气的温度和湿度;
系列传感器护罩
保护空气温、湿度传感器,防辐射干扰;
净辐射传感器
测量400-700nm波长的光辐射量;
土壤热通量传感器
测量土壤热通量
附件
安装支架及传感器安装附件。
SP20太阳能板
给系统供电
BT系列免维护充电电池
CH系列充电器
BT系列电池充电器
主要技术指标:
风速传感器:
操作范围:
0.2到40米/秒;
精度±
2%;
操作温度:
+1℃到+60℃;
空气温度传感器:
测量范围:
-20℃到+60℃;
0.1℃;
净辐射传感器:
SR2:
0–200W/m2精度:
±
5%
PR2:
0–5mm/s
土壤热通量传感器:
热传导率:
0.4W/m.℃
测量精度:
21µ
V/W.m-2
2、实验地点的选择
波文比系统一般安装于相对空旷的地方。
不宜安装于以下地点:
峭壁、斜坡、山脊、绝壁或山谷中,也不要靠近大型建筑物。
如果必须安装在树木或建筑物附近,那么波文比系统要保证距离树木、建筑物要超过树木、建筑物自身高度的10倍。
3、仪器的安装
主桅杆的安装应保持垂直。
通常用H型支架、三角架或掩埋于地下0.5米深处。
其中,三脚架为便携式支架,方便移动,但不适用于气候条件差的环境。
太阳能面板安装时要注意面板一定要面向南方(适用于北半球)。
倾斜角度随纬度变化而调整,以最大程度的利用太阳能。
太阳能面板角度与当地纬度关系图
纬度
太阳能面板角度(与水平方向的角度)
0-4°
10°
5-20°
当地纬度+5°
21-45°
当地纬度+10°
46-64°
当地纬度+15°
65-75°
80°
各缆线要从桅杆中穿过,防止暴露在空气中;
一般净辐射传感器安装于主桅杆上面的横杆上;
空气温、湿度等传感器一般安装在传感器保护罩内;
土壤热通量的测量需要将电缆线从主桅杆引到被测点。
这些缆线需要埋在浅层土中(延地表挖10厘米深的沟,将缆线掩埋),并用套管保护,以延长寿命。
缆线接头处要用防水胶布或热缩管密封,以防漏水。
被测点一般设于距主桅杆3米远处。
一般埋于地下10厘米或更深处,可根据用户需求进行埋设;
其他传感器根据具体情况安装在相应的位置。
(1)各传感器的连接
图1:
传感器连接示意图
风速、净辐射等传感器安装于主桅杆上面的横杆上;
上下两层干湿球等传感器安装在传感器保护罩内;
土壤热通量传感器放置于距主桅杆2米处,埋于地下7厘米处.
将各传感器连接到数据采集器上时,注意了信号线的颜色,红线接红块,蓝线接蓝块。
主桅杆的安装保持要垂直。
掩埋于地下0.7米深处。
太阳能面板面向南方倾斜角度46°
以最大程度的利用了太阳能。
土壤热通量电缆线用套管保护,以延长寿命。
其余传感器的电缆线从桅杆中穿过,防止暴露在空气中。
(2)数据采集器接线:
RS232(标准数据接口)便携式电脑或PC兼容机
Charger(供电接口,2pin)充电器+可充电电池&
太阳能板
MONI-BUS(内部数据总线)出厂时,已经连接好了
MEMORYMODULE(内存模块接口)接内存模块
(3)数据的采集和程序的设置
主要包括超级终端的设置、传感器的检测、程序设置、数据的读取、及数据的下载等操作。
传感器连线完成后,检查可连线处,保证接线处紧密结合,防止接触不良。
准备工作做好后,通过RS232接口与便携式电脑连接,开始数据采集器的初始化和设置,数据采集器无需专门的软件,可通过Windows自带的“超级终端(HyperTerminal)”与电脑进行通讯。
可以通过此操作改变系统的日期时间以及数据采集的时间间隔。
系统因移动位置、重新安装、掉电或其他某种原因失去供电又重新得到供电后,要重新使用笔记本电脑对系统进行设置,以便使系统按照用户的需求进行工作。
否则系统在电力恢复后会将按系统缺省的设置进行数据采集。
4、系统的维护
(1)日常维护
要注意太阳能板清洁,保证最大效率应用太阳能;
经常打开机箱,观察数据采集器上的红色LOG灯,如已不闪烁,则系统已经停止工作,需要即时查明原因,以恢复系统供电;
此外还要保持净辐射传感器球型罩充满气体,如果亏气,要用气筒等工具补气。
保持太阳能板的清洁,保持太阳辐射传感器的清洁,清扫蛛网等杂质;
检查风向、风速传感器的运行情况;
检查缆线的连接;
建议每1—2年检查并校准各传感器,以保证测量精度。
(2)系统供电的维护
系统供电由太阳能板和大容量铅酸蓄电池组成。
系统安装前要保证大容量铅酸蓄电池电压大于12V,数据采集器电压大于6.2V。
如果电池电压不足,要即时使用充电器充电。
大电池充电时间一般20小时左右,数据采集器电池充电一般10小时左右。
平时系统由太阳能板给大容量电池供电,再由大容量电池给数据采集器供电,当某种原因导致大电池电力不足时,要改用太阳能板给数据采集器供电,将大容量电池带回室内进行充电作业,待电力恢复后,再按前述方法给系统供电。
如果系统电压过低或失去供电,要按下面方法进行处理。
按数据采集器上的“ActiveDisplay”键,观察电压值,如果电压显示低于6.2V,要再检查大容量电池的电压,如果的大电池的电压低于12V,则要立即对大电池进行室内充电作业,此时改用太阳能板或另一块大电池给数据采集器供电,以保证数据采集过程完整。
如果按“ActiveDisplay”键无显示,说明数据采集器内的小蓄电池可能已经过放电,需要及时给数据采集器的电池充电,如果此时电池电压过低(例如:
V1<
4V),则有可能充电已经无效,此时则需要更换数据采集器里的小蓄电池(6V7AH)。
建议系统电压偏低就进行充电作业,如果系统电压已经过低,则有可能导致充电无效。
四、结果分析与讨论
利用波文比系统直接实测7个气候要素:
上层即距地1.5m处的干球温度和湿球温度、下层即距地0.5m处的干球温度和湿球温度了、风速、净辐射、土壤热通量。
利用空盒气压表测得大气压值。
利用波文比—能量平衡法公式,结合是中央气象局编制的湿度查算表(甲种本)推算13个气候要素:
上层即距地1.5m处的水汽压、相对湿度、露点温度、饱和水汽压、饱和差;
下层即距地0.5m处的水汽压、相对湿度、露点温度、饱和水汽压、饱和差;
Bowen比值、地-气间的显热通量和潜热通量。
分析各分量的变化规律以及它们之间的内在联系,将不同时间的值加以对比,分析不同天气状况对各分量值得影响。
研究地-气间的热量收支状况,并就本区域的气候特征和形成机制进行探索。
波文比系统实验观测值记录表
实验地点:
日期
y-m-d
时间
hh:
mm
上层干球温度(℃)
下层干球温度(℃)
上层湿球温度(℃)
下层湿球温度(℃)
风速
(km/h)
净辐射
(W/㎡)
土壤热通量(W/㎡)
(本表可加长)
波文比系统实验推算值记录表
0.5m处
1.5m处
水汽压
相对湿度
露点温度
饱和水汽压
波文比β
显热
H
潜热
LE
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