Приборы и измерения

И.Н. Зыков, Л.В. Калинина

 

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ

ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

Учебное пособие

 

 

Специальность: 280302.65 ”Комплексное использование и охрана водных ресурсов”

 

 

Санкт-Петербург

 

Зыков И.Н., Калинина Л.В. Метеорология и климатология. Приборы и измерения: Учебное пособие / СПГУВК. СПб, 1999. - 74 с

 

Ответственный редактор: д-р техн. наук, проф. В.М. Селезнев.

Рецензент: д-р техн.наук, проф. С.П. Зубрилов.

 

Предназначено для студентов 2-го курса, обучающихся на гидротехническом факультете по специальности 320600 ”Комплексное использование и охрана водных ресурсов”

Рассмотрены основные виды метеорологических наблюдений, применяемые приборы и методика работ по измерению отдельных метеорологических факторов.

Пособие может быть использовано при проведении лабораторных работ и прохождении учебной практики по метеорологии.

 

Ó Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций, 2011

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В учебном пособии излагается содержание и порядок выполнения студентами лабораторных работ по курсу “Климатология и метеорология”. Целью выполнения лабораторных работ является изучение метеорологических приборов, приобретение навыков работы с ними, первичная обработка материалов. Полученные знания и навыки закрепляются в период прохождения студентами учебной практики на геодезической базе СПГУВК.

Настоящее учебное пособие также содержит пояснения к практическим работам, а также исходные данные для их выполнения. В приложениях имеются необходимые таблицы и справочные данные.

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ВРЕМЕНИ

 

Основные наблюдения на метеорологических станциях и постах проводятся в климатологические сроки: 1, 7, 13 и 19 час. по местному среднему солнечному времени.

Момент, когда Солнце находится точно на Юге, на меридиане данного места, называется истинным полднем. Промежуток между двумя истинными полднями называется истинными солнечными сутками. Продолжительность их меняется в течение года вследствие неравномерности движения Земли вокруг Солнца и изменения наклона плоскости эклиптики к экватору. Поэтому на практике приняты средние солнечные сутки, длина которых в течение года не меняется и равна средней за год продолжительности истинных суток /24 час./. Разность между средним и истинным солнечным временем называется “уравнением времени”. Наибольшего значения уравнение времени достигает в середине февраля /+14,5 мин./ и в начале ноября /-16,3 мин./. Среднее солнечное время совпадает с истинным в середине апреля, в середине июня, в начале сентября и в конце декабря.

, (1)

где T - среднее солнечное время,

t - истинное солнечное время,

- уравнение времени.

Поясное время определяется разделением земного шара на 24 пояса по долготе. Нулевой пояс расположен по обе стороны Гринвичского меридиана по 7 30 . Первый пояс расположен от 7 30 до 22 30 и имеет среднее время для меридиана 15 . В нашей стране с 1930 г. принято декретное время, равное поясному плюс 1 час. В летнее время к декретному времени прибавляется еще один час.

Поскольку 360 дуги соответствуют 24 часам времени, то

15 - 1 час времени,

1 - 4 мин.,

1 - 4 с.

Если дано декретное время, то нужно вычесть из него 1 час, чтобы получить поясное. Далее следует вычислить разность между долготой среднего пояса меридиана и долготой пункта, в котором определяется среднее солнечное время. Разность долгот в единицах времени прибавляют к поясному времени, если пункт находится к востоку от среднего меридиана, и вычитают, если он расположен западнее.

ПРИМЕР. Необходимо определить местное время в пункте с координатами в.д., если декретное время . Пункт расположен в 5 поясе со средним меридианом 75 .

75 - =

Итого

Поясное время

В синоптические сроки наблюдения проводятся в 3, 9, 15 и 21 час по московскому времени /декретное время 2-го пояса/.

ЗАДАЧИ

1. Долгота станции . Определить среднее солнечное время, если декретное время равно .

Решение.

Станция находится в 6 поясе.

к в. от среднего меридиана

Итого .

Поясное время

2. Чему равно декретное время в основные сроки наблюдений 1,7,13 и 19 час. на станции, где в.д.

3. Какова разница во времени между пунктами, долгота которых равна з. и з.

а) в поясном; б) в среднем солнечном времени.

4. Долгота станции в. Какое время должны показывать часы станции, идущие по среднему солнечному времени в момент радиосигнала из Москвы .

5. Солнечное время в Астрахани / в./равно 18 час. Чему равно декретное и среднее солнечное время в заданном пункте (координаты пунктов см. в приложении 1).

Продолжительность светового дня вычисляется по данным приложения 2.

 

2. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

 

2.1. Единица измерения атмосферного давления

Атмосферное давление выражается в гектопаскалях /1гПа=10 Па=10 H/м /. Для измерения давления используются барометры со шкалами, градуированными в ранее применявшихся единицах — миллибарах /мб/ или миллиметрах ртутного столба /мм рт. ст./. Соотношения между этими единицами следующие:

1мб = 1гПа = 0,750062 мм рт. ст.;

1мм рт. ст. = 1,333224 мб = 1,333224 гПа.

Измерения и расчеты атмосферного давления производятся с точностью до десятых долей принятых единиц. Среднее давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. или 1013,2 мб. Эта величина принимается в качестве нормальной или стандартной. Для простоты за нормальное давление часто принимают 1000 мб.

Для измерения атмосферного давления применяются три типа барометров: ртутные барометры, анероиды и гипсотермометры

/термобарометры/.

 

2.2 Ртутные барометры

Ртутные барометры являются наиболее точными и используются в основном на станциях. По устройству сосудов ртутные барометры делятся на чашечные, сифонные и сифонно-чашечные (рис.1). Для измерения атмосферного давления в стационарных условиях применяется стационарный чашечный барометр.

Чашечный барометр состоит из запаянной стеклянной трубки, наполненной дистиллированной ртутью и погруженной открытым концом в пластмассовую или металлическую чашку. Чашка сообщается с воздухом через отверстие, закрываемое винтом. Стеклянная трубка помещена в металлическую оправу, прикрепленную к чашке. В верхней части оправы имеется прорезь для наблюдений с нанесенными на ней делениями Для отсчета десятых долей имеется подвижное кольцо с нониусом. В среднюю часть оправы вмонтирован термометр для определения температуры ртути перед отсчетом высоты ртутного столба.

Для исключения ошибок из-за несовпадения нуля шкалы с уровнем ртути в чашке чашечного барометра применяется компенсационная шкала.

При повышении давления ртуть в трубке поднимается на некоторую величину X, а уровень ртути в чашке понизится на величину Y (рис.2).

Составим пропорцию

, (2)

где r - радиус трубки,

R - радиус чашки.

В чашечных барометрах принято отношение площади сечения трубки к площади сечения чашки, равное 0.02, т.е. =0.02. Если считать, что давление возросло на единицу, то

X + Y = 1, Y = 1 - X, 0.02, X = 0.98

Таким образом, одно деление шкалы чашечного барометра должно быть равно 0.98 мм для шкалы в мм рт. ст. и 0.98 мб = 0.375 мм для шкалы в миллибарах.

В показания ртутного барометра вводятся постоянная и температурная поправки. Первая является алгебраической суммой инструментальной поправки, указываемой в паспорте прибора, и поправок на приведение к ускорению свободного падения на широте 45 и на уровне моря :

= -2.64x10 h (3)

= -3.14x10 hz, (4)

где h - показание барометра,

z - высота /м/ чашки барометра над уровнем моря,

- широта места измерения давления.

Температурная поправка приводит показания к температуре 0.0 C:

, (5)

где t - температура / C/ барометра.

Истинное давление на станции определяется по формуле

(6)

Для составления синоптических карт исправленная величина давления приводится к уровню моря

(7)

Поправки , , и могут быть определены по таблицам 3.1 - 3.4 (Приложение 3).

 

2.3 Анероиды

Анероид основан на использовании упругой деформации приемника под влиянием атмосферного давления. Приемником является металлическая коробка с гофрированным дном и крышкой. Воздух из коробки выкачивается, а для того, чтобы коробка не смялась, ее крышка оттягивается вверх пружиной. При помощи системы рычагов колебания крышки усиливаются в 200-800 раз и передаются на стрелку. В верхней части анероида вмонтирован дугообразный термометр. В современных анероидах роль пружины выполняют крышки коробки, которых в приемнике устанавливается 5-6 штук.

В показания анероида вводится три поправки: шкаловая, температурная и добавочная. Шкаловая поправка определяется при изготовлении прибора и вносится в его паспорт. Добавочная поправка связана с изменением упругих свойств коробки со временем, она определяется при тарировке прибора и вносится в его паспорт. Температурная поправка также приводится в паспорте прибора, причем она соответствует изменению температуры на 1 , т.е. имеет вид

X = kt, (8)

где t - температура прибора,

k - поправка на 1 .

При барометрическом нивелировании превышение определяется по формуле Бабине

, (9)

где - давление в нижнем пункте,

- давление в верхнем пункте,

- средняя температура воздуха, измеренная в верхнем и нижнем пунктах,

- коэффициент расширения воздуха.

 

2.4 Гипсотермометр

Гипсотермометр позволяет определить величину атмосферного давления в зависимости от температуры кипения воды. Он состоит из специального термометра и кипятильника. Термометр градуируется либо в градусах Цельсия, либо в мм рт. ст., либо в миллибарах.

Кипятильник представляет собой металлический сосуд, заполненный дистиллированной водой, на который ставится металлическая трубка с двойными стенками, внутри которой находится термометр. Вода нагревается до кипения при помощи спиртовки.

Гипсотермометр применяется для барометрического нивелирования на высотах 1000 м и выше и при больших превышениях.

 

2.5 Барограф

Барографом называется прибор, служащий для непрерывной регистрации атмосферного давления. По своему устройству барограф состоит из трех частей: приемной, передающей и регистрирующей.

Приемной частью служит система анероидных коробок, свинченных между собой. Верхняя коробка соединена с рычагами передающего механизма. При передаче на перо величина деформации коробки увеличивается в 80-100 раз.

Для уменьшения влияния температуры на показания барографа в его нижней части вмонтирован биметаллический компенсатор из стальной и медной пластинок. При повышении температуры прогиб коробок возрастает, но компенсатор при этом поднимает весь столбик коробок, и их подъем компенсирует увеличенную деформацию.

Регистрирующая часть барографа представляет собой барабан с часовым механизмом внутри. На барабан надевается бумажная лента, на которой нанесены горизонтальные и вертикальные дугообразные линии. Горизонтальные линии соответствуют давлению, а дугообразные - времени.

Если самописец недельный, то один оборот барабана совершается за неделю, если суточный, то за сутки.

На конец стрелки, соединенной с анероидными коробками, насаживается перо, заполненное специальными чернилами. Нажим пера на ленту регулируется поворотом рамки, укрепленной у основания стрелки. В дне футляра имеется отверстие, в котором находится четырехгранный винт. Вращая этот винт специальным ключом, можно перемещать столбик анероидных коробок по высоте и устанавливать перо на нужное деление ленты.

В срочные часы показания барографа сравниваются с показаниями ртутного барометра. После введения поправок обрабатывается лента барографа.

В сроки наблюдений по ленте барографа определяют барическую тенденцию, т.е. величину, знак и характер изменения давления за последние 3 часа.

 

3. ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА, ВОДЫ И ПОЧВЫ

 

В метеорологии используются жидкостные, деформационные и электрические термометры.

3.1 Жидкостные термометры

3.1.1 Устройство жидкостных термометров

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости при изменении ее температуры. В качестве термометрической жидкости применяется ртуть или спирт.

Ртуть замерзает при -38.9 С, кипит при 356.9 С, коэффициент расширения при 18 С равен 0.000181, теплоемкость 0.58 кал/г.град.

Основные части жидкостного термометра:

- стеклянный резервуар, наполненный термометрической жидкостью и переходящий в верхней своей части в капилляр;

- стеклянная шкала с делениями;

- защитная стеклянная трубка.

В зависимости от устройства шкалы термометры делятся на два вида: со вставной шкалой и палочные. Вставная шкала изготовляется из молочного стекла и неподвижно укрепляется в корпусе термометра. Нижним концом шкала упирается в специальное седло, а верхним - в пружину, помещенную в пробке. К шкале плотно прикрепляется стеклянный капилляр.

В палочных термометрах шкала наносится на внешней стороне толстостенного капилляра.

 

3.1.2 Температурные шкалы

В метеорологии применяются температурные шкалы:

- термодинамическая температурная шкала Кельвина /К/;

- международная практическая температурная шкала 1968 г., или шкала Цельсия / С/;

- шкала Фаренгейта / F/;

шкала Реомюра / R/.

Соотношение между этими шкалами определяется реперными точками, приведенными в таблице 1.

Таблица 1

Реперные точки различных температурных шкал

Реперная точка	K	C	R	F
Температура плавления льда при нормальном давлении	273,15	0,0	0,0	32,0
Температура кипения воды при нормальном давлении	373,15	100,0	80,0	212,0

 

В России и большинстве других стран принята шкала Цельсия, а в США, Англии и ряде стран Британского содружества принята шкала Фаренгейта. Температура, выраженная в градусах Реомюра, может встретиться при обработке старых материалов, в том числе и по России.

Каждый термометр после изготовления сравнивается с эталоном. По результатам этой проверки определяется поправка, помещаемая в проверочном свидетельстве.

Погрешности в показаниях термометров вызываются следующими причинами:

- неточностью разбивки шкалы;

- изменением диаметра капилляра по его длине;

- неравномерным изменением объема термометрической жидкости при различных температурах;

- старением стекла.

 

3.1.3 Термометры для измерения температуры почвы и воды

Для измерения температуры поверхности почвы на метеорологических станциях применяют срочный, максимальный и минимальный термометры. Эти термометры укладываются вместе на открытой площадке размером 4x6 м таким образом, чтобы их резервуары наполовину были погружены в почву. Травяной покров с площадки удаляется, а почва взрыхляется. При наличии снегового покрова термометры укладываются на поверхность снега.

Отсчеты по всем метеорологическим термометрам выполняются с точностью до 0,1 C.

Срочный надпочвенный термометр - ртутный, со вставной шкалой, цена деления шкалы 0,5 C. Резервуар термометра имеет обычно цилиндрическую форму.

Максимальный термометр служит для измерения наивысшей температуры между сроками наблюдений. Термометр ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,5 . Резервуар может быть цилиндрическим или шаровым. Пределы шкалы от -36 до +51 или от -21 до +70 . На шкале имеется надпись “максимальный”.

В дно резервуара максимального термометра впаян стеклянный стержень, который верхним концом плотно входит в капилляр. В результате в начале капилляра образуется сужение, препятствующее перемещению ртути из капилляра в резервуар. При повышении температуры ртуть расширяется и проталкивается из резервуара в капилляр. При понижении температуры ртуть обратно не проходит, и в сужении образуется разрыв. Оставшийся в капилляре столбик ртути будет указывать максимальную температуру за срок между наблюдениями. Для того, чтобы ртуть ушла обратно в резервуар, термометр встряхивают несколько раз сильным, но плавным движением руки.

Максимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений термометр слегка приподнимают за конец, удаленный от резервуара для того, чтобы ртуть в капилляре подошла к сужению, и делают отсчет. После выполнения отсчета термометр встряхивают так, чтобы его показания совпали с показаниями срочного термометра. После этого термометр подготовлен к следующему наблюдению. Отсчеты записывают в наблюдательную книжку или на специальные бланки. Инструментальная поправка в отсчет “после встряхивания” не вводится.

Минимальный термометр служит для измерения самой низкой температуры между сроками наблюдений. Термометр спиртовой, имеет вставную шкалу из молочного стекла, цена деления шкалы 0,5 . Резервуар термометра цилиндрический. Капилляр на конце, противоположном резервуару, имеет расширение, в котором собирается спирт при возрастании температуры выше последнего деления шкалы. На шкале имеется надпись “минимальный”.

В капилляре термометра внутри спирта помещен небольшой тонкий стеклянный штифтик с тупыми концами. При вертикальном положении термометра, резервуаром вверх, штифтик свободно перемещается внутри спирта до пленки поверхностного натяжения. В горизонтальном положении он двигается к резервуару под давлением этой пленки при понижении температуры. При повышении температуры мениск отходит от штифтика в сторону более высоких температур, а сам штифтик остается на месте и будет указывать наименьшую температуру.

Минимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений, не трогая руками термометр, отсчитывают минимальную температуру по концу штифтика, удаленному от резервуара и срочную температуру по положению мениска спирта. После отсчета термометр переворачивают резервуаром вверх и удерживают, пока штифтик не дойдет до мениска. После этого термометр готов к следующему наблюдению и его снова устанавливают в горизонтальном положении. Инструментальные поправки вводят в оба отсчета.

В отсчет по штифтику вводится добавочная поправка. Она связана с тем, что спирт частично испаряется и скапливается в верхней части капилляра. В результате объем спирта в резервуаре уменьшается и показания термометра оказываются заниженными. Поэтому летом в дневные часы минимальный термометр убирают с земной поверхности.

Добавочную поправку определяют в конце каждого месяца. Ежедневно в 7 и 19 час. находят разность показаний срочного надпочвенного термометра и “спирта” минимального термометра. Средняя месячная величина этих разностей является добавочной поправкой.

Почвенные термометры Савинова служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10,15 и 20 см. Эти термометры ртутные, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,5 . Резервуар с остальной частью термометра составляет угол 135 . От резервуара до начала шкалы термометр имеет термоизоляцию, состоящую из золы и ваты. Термоизоляция исключает влияние вышележащих слоев почвы на показания термометра.

Почвенные термометры Савинова устанавливаются на той же площадке, что и надпочвенные. Для них выкапывают узкую неглубокую траншею в направлении с востока на запад. Северную стенку траншеи делают отвесной. После этого в отвесную стенку траншеи на нужной глубине горизонтально вдавливают резервуары термометров. Траншея засыпается землей с сохранением последовательности вынутых слоев и послойной трамбовкой.

Наблюдения по термометрам Савинова производятся только в теплое время года, т.к. при замерзании почвы они часто ломаются. Отсчеты по термометрам производятся последовательно, начиная с глубины 5 см.

Термометр для измерения температуры воды в поверхностном слое заключен в специальную оправу. Оправа состоит из металлической трубки и стаканчика, свинченных между собой. Трубка имеет прорезь для шкалы. Поверх трубки идет защитный металлический чехол, с помощью которого закрывают прорезь в трубке оправы и предохраняют термометр от механических повреждений. Металлический стаканчик имеет отверстия в верхней части, служащие для заполнения их водой. Цена деления шкалы термометра равна 0,2 .

При измерении температуры термометр погружают в воду на шнуре и выдерживают около 5 мин. Затем его вынимают и, не выливая воды из стакана, делают отсчет.

 

3.1.4 Термометры для измерения температуры воздуха

На метеорологических станциях температуру воздуха измеряют по сухому термометру станционного психрометра, установленного в психрометрической будке.

Психрометрический термометр - ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Пределы шкалы от +41 до -31 ...-35 . Цена деления шкалы 0,2 . Термометр очень чувствительный и малоинерционный. Резервуар имеет форму шара. На верхнем конце защитной трубки термометра имеется металлический колпачок с закраиной, служащей для установки термометра.

В экспедиционных условиях используется сухой термометр аспирационного психрометра или термометр-пращ.

Термометр аспирационного психрометра - ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,2 . От станционного психрометрического термометра он отличается меньшими размерами и цилиндрическим резервуаром.

Термометр-пращ - ртутный палочный термометр с узким капилляром и резервуаром, выдутым на конце этой трубки. Шкала нанесена на передней стороне, а противоположная сторона покрыта молочным стеклом. Цена деления шкалы 0,5 . На верхнем конце термометра имеется шарик, к которому привязывается шнур.

При измерении температуры воздуха термометр вращают за шнур в горизонтальной плоскости на высоте вытянутой руки. Время вращения 2-3 мин. В конце срока шнур наматывают на указательный палец и быстро делают отсчет.

Для измерения максимальной и минимальной температуры между сроками наблюдений используются такие же термометры, как и для измерения этих величин на поверхности почвы.

Записи в журнале наблюдений по жидкостным срочному, максимальному и минимальному термометрам ведутся по форме, представленной в табл. 2.

Таблица 2

Образец записи измерения температуры в журнале

Наименование термометра		Отсчет	Поправка	Исправл. отсчет
Срочный N		20,0	+0,2	20,2
Максимальный N	Отсчет до встряхивания Отсчет после встряхивания	35,7   20,3	-0,2   -	35,5   20,3
Минимальный N	штифт спирт	12,5 20,0	+0,3 +0,1	12,8 20,1

 

3.2 Деформационные и электрические термометры

Кроме жидкостных термометров на метеорологических станциях используются термографы. Они основаны на принципе изменения линейных размеров тел при изменении температуры и применяются для непрерывной записи колебаний температуры воздуха во времени.

Приемной частью термографа является изогнутая биметаллическая пластинка, состоящая из железной и медной пластинок. Один конец пластинки закреплен неподвижно, а другой через систему рычагов связан со стрелкой, на конце которой насажено перо. При изменении температуры воздуха пластинка меняет свой изгиб, что фиксируется пером на ленте барабана. Барабан приводится во вращение часовым механизмом.

Ленты суточных термографов имеют цену деления во времени 15 мин., а недельных - 2 час. Цена деления температурной шкалы равна 1 .

Электрические термометры применяются, как правило, при выполнении различного рода специальных наблюдений.

 

4. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

 

4.1 Основные гигрометрические характеристики

Содержание водяного пара в атмосфере характеризуется следующими величинами:

1. Парциальное давление водяного пара (упругость водяного пара)

Парциальное давление водяного пара /e/ выражается в гектопаскалях или мм рт. ст. с точностью до десятых, а при температуре ниже 7 С - с точностью до сотых.

2. Давление насыщенного водяного пара

Давление насыщенного водяного пара /E/ измеряется в тех же единицах и с той же точностью, что и парциальное давление /е/.

Примечание: значения е и Е определяются по психрометрическим таблицам. Для вычисления гигрометрических характеристик при отрицательных температурах принято использовать значения Е над водой.

3. Дефицит насыщения

Дефицит насыщения /d/ определяется по формуле

d = E - e (10)

и выражается в тех же единицах и той же точностью, что e и E.

4. Относительная влажность

Относительная влажность /f/ определяется по формуле

(11)

и выражается в процентах с точностью до целых.

5. Точка росы

Точка росы / / - температура, при которой водяной пар, находящийся в атмосфере, мог бы достигнуть состояния насыщения. Значения точки росы при заданном парциальном давлении приведены в “психрометрических таблицах” (5) с точностью до десятых. При станционных метеорологических наблюдениях их округляют до 1 С.

6. Абсолютная влажность

Абсолютная влажность /a/ выражается в г/м с точностью до десятых и вычисляется по формуле

, (12)

где е - парциальное давление водяного пара /гПа/,

- объемный коэффициент

расширения газов,

t - температура воздуха / С/.

7. Массовая доля водяного пара

Массовая доля водяного пара /S/ вычисляется по формуле

, (13)

где е - парциальное давление водяного пара,

p - атмосферное давление.

В метеорологических задачах S выражается в промилле / / с точностью до десятых.

8. Массовое отношение водяного пара

Массовое отношение водяного пара /r/ вычисляется по формуле

, (14)

где е - парциальное давление водяного пара,

p - атмосферное давление.

Величина r выражается в промилле / / с точностью до десятых.

 

4.2 Психрометры

Основным методом определения влажности на метеорологических станциях является психрометрический.

Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар одного из них обмотан батистом, смоченным в дистиллированной воде. Этот термометр называется смоченным. Сухой термометр показывает температуру воздуха, а смоченный - собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности его резервуара. Чем больше дефицит влажности, тем ниже будут показания смоченного термометра.

В соответствии с законом Дальтона количество воды, испаряющейся с поверхности, прямо пропорционально дефициту влажности и обратно пропорционально атмосферному давлению

, (15)

где V - объем испарившейся воды,

с - коэффициент пропорциональности, зависящий

от скорости движения воздуха около резервуара термометра,

E'- максимальная упругость водяного пара при температуре

испаряющей поверхности,

e - фактическая упругость водяного пара, находящегося в воздухе,

S - площадь испаряющей поверхности,

P - атмосферное давление.

Расход тепла на испарение / / определится из выражения

, (16)

где L - скрытая теплота парообразования.

По закону Ньютона количество тепла / /, поступающего к смоченному термометру

, (17)

где h - коэффициент, зависящий от скорости движения воз-

духа около резервуара смоченного термометра,

t - температура сухого термометра,

t'- температура смоченного термометра.

При установившемся процессе, когда производится измерение влажности , т.е.

(18)

из этого уравнения

, (19)

После замены получим

, (20)

 

Это выражение называется основной психрометрической формулой. Величина A называется психрометрическим коэффициентом. Она зависит от конструкции психрометра и связанной с ней скоростью движения воздуха около приемной части психрометра.

Станционный психрометр состоит из двух одинаковых термометров с делениями через 0,2 С, установленных вертикально на штативе в психрометрической будке. Резервуар правого термометра обернут батистом, конец которого опущен в стаканчик с дистиллированной водой. Стаканчик закрыт стеклянной крышечкой.

Отсчеты по термометрам должны производиться как можно быстрее, так как присутствие наблюдателя искажает их показания. Наблюдения по станционному психрометру производятся до температуры -10 С, далее они становятся неточными.

Вычисления характеристик влажности воздуха производятся при помощи психрометрических таблиц, составленных по приведенным выше формулам.

Психрометрические таблицы предназначены для вычисления характеристик влажности воздуха по данным станционного или аспирационного психрометра, а также по измеренным значениям температуры воздуха и относительной влажности или точке росы.

Психрометрические таблицы дают возможность определить характеристики влажности воздуха (упругость водяного пара, температуру точки росы, относительную влажность и дефицит упругости) при атмосферном давлении от 550 до 1100 гПа и температуре воздуха от -20 до +49 ,9 С психрометрическим методом и при температуре воздуха от -84 ,5 до -9 ,9 С по измеренным значениям относительной влажности.

Психрометрический коэффициент А для станционного термометра принимается равным 7,947x10 ( С) , что соответствует средней скорости движения воздуха в будке 0,8 м/с.

Поскольку скорость испарения с поверхности резервуара смоченного термометра обратно пропорциональна величине атмосферного давления, а тахеометрические таблицы составлены для P = 1000 гПа, в показания смоченного термометра необходимо ввести поправку. Если атмосферное давление в момент наблюдения выше 1000 гПа, то поправка отрицательна, а при давлении меньшем расчетного - положительна.

Эта поправка рассчитывается по формуле

, (21)

если на батисте смоченного термометра вода, и по формуле

, (22)

если на батисте смоченного термометра лед.

Величины поправки приводятся в психрометрических таблицах /табл. 3а, 3б, 3в/.

По исправленному значению упругости водяного пара определяют все остальные характеристики влажности при данной температуре воздуха с помощью психрометрических таблиц (табл. 2).

Принцип действия аспирационного психрометра Ассмана такой же, как и у станционного. Прибор состоит из двух термометров, укрепленных в специальной оправе, защищающей их от повреждений и отражающей прямые солнечные лучи. Резервуар правого термометра обернут батистом. В верхней части психрометра расположен аспиратор /вентилятор/, который обеспечивает протяжку воздуха у резервуаров термометров со скоростью около 2 м/с. Аспиратор снабжен заводным механизмом. В летний период, при положительной температуре воздуха, прибор выносится из помещения не менее чем за 15 мин. до срока наблюдений. За 4 мин. до срока наблюдений батист смачивается дистиллированной водой при помощи специальной пипетки, механизм аспиратора заводится специальным ключом и при наступлении срока производятся отсчеты по сухому и смоченному термометрам. В процессе наблюдений наблюдатель должен находиться с подветренной стороны от психрометра, чтобы не влиять на его показания.

При положительной температуре воздуха аспирационный психрометр считается наиболее надежным прибором для измерения влажности воздуха благодаря тому, что в нем обеспечена стабильность скорости обдувания воздухом резервуаров термометров.

Психрометрический коэффициент А в формуле (20) для аспирационного психрометра принимается равным 6,620 x x10 ( С) .

Для определения суммарной поправки к упругости водяного пара на различие психрометрических коэффициентов термометров и на отличие атмосферного давления от 1000 гПа используются психрометрические таблицы /5/ - (табл. 4а, 4б, 4в).

При отрицательных температурах воздуха ниже -10 С, когда содержание водяного пара в воздухе очень мало, психрометры не дают надежных результатов. В этом случае используются гигрометры.

 

4.3 Гигрометры

В настоящее время используются два типа гигрометров: волосные и пленочные. Они служат для непосредственного определения относительной влажности воздуха.

Основной частью волосного гигрометра является обезжиренный человеческий волос, который имеет свойство изменять свою длину под воздействием изменения относительной влажности воздуха. При увеличении влажности волос удлиняется, при уменьшении - укорачивается.

Волос укреплен на раме. Верхний конец прикреплен к регулировочному винту, с помощью которого можно регулировать положение стрелки на шкале гигрометра. Нижний конец волоса соединен с блоком, на котором подвешен грузик, обеспечивающий равномерное натяжение волоса. На оси блока укреплена стрелка, свободный конец которой при изменении относительной влажности перемещается по шкале.

Цена деления на шкале гигрометра равна 1% относительной влажности. Деления на шкале нанесены неравномерно. При небольших изменениях влажности они крупнее, а при больших - мельче. Это обусловлено тем, что изменение длины волоса при малых значениях влажности происходит быстрее, чем при больших.

Пленочный гигрометр устроен так же, как и волосной. Основной частью пленочного гигрометра является пленка из органического материала, который растягивается при повышении влажности и сжимается при ее уменьшении. Изменение положения пленочной мембраны передается на стрелку.

Волосной или пленочный гигрометр устанавливается в психрометрической будке на специальном штативе между сухим и смоченным термометрами станционного психрометра.

Отсчет по гигрометру с точностью до целого деления производится сразу после отсчета по психрометрическим термометрам, чтобы разница во времени между этими наблюдениями была как можно меньше.

При продолжительном действии гигрометра волос или пленка вытягиваются, загрязняются и становятся менее чувствительными к колебаниям влажности воздуха. Для учета этого обстоятельства показания гигрометра сравнивают с показаниями психрометра и графически определяется поправка гигрометра. На координатной сетке наносятся точки по данным одновременных наблюдений по психрометру и гигрометру за длительный период, например за осенние месяцы при подготовке гигрометра к зиме. По центрам тяжести полученных точек проводят линию. В дальнейшем по этой линии для любого показания гигрометра можно найти соответствующее значение относительной влажности по станционному психрометру (рис. 3).

Чтобы не пользоваться графиком, составляется переводная таблица. В первом вертикальном столбце даются десятки, а в верхней горизонтальной строке единицы относительной влажности по шкале гигрометра. На пересечении столбцов и строчек выписываются значения относительной влажности, снятые с кривой. В результате по этой таблице определяются исправленные значения относительной влажности.

Регулировка гигрометра производится до составления графика поправок.

Наблюдения за влажностью воздуха в зимний период при температуре воздуха ниже -10 С. Определение упругости водяного пара и дефицита насыщения при этом производится с помощью таблицы 1 “Психрометрических таблиц” /5/, которые позволяют определить характеристики влажности по температуре воздуха и относительной влажности.

 

4.4 Гигрограф

Для непрерывной регистрации изменения относительной влажности используется самопишущий прибор - гигрограф.

Приемная часть гигрографа может быть пленкой или пучком волос. Изменение длины датчика при помощи системы криволинейных рычагов передается на стрелку с пером. Кривизна рычагов подобрана таким образом, чтобы деления относительной влажности на ленте самописца были равномерными.

Для установки пера гигрографа на начальный отсчет имеется регулировочный винт. Запись производится на ленте, надетой на барабан с часовым механизмом. В зависимости от скорости вращения барабана гигрограф может быть суточным или недельным.

Обработка ленты гигрографа ведется графическим методом. По отсчетам психрометра в срочные часы и по отсчетам, снятым с ленты гигрографа составляется график и таблица, аналогичная изображенной на рис. 3. Для каждого отсчета, снятого с ленты гигрографа, в таблице находят исправленное значение относительной влажности. Отсчеты по ленте делаются с точностью до 1%. Исправленные значения вносятся в месячную таблицу.

 

5. ОБЛАКА

 

5.1 Происхождение облаков

Облака являются продуктами сублимации или конденсации водяного пара в атмосфере. Конденсация водяного пара происходит в том случае, когда воздух достигает насыщения, т.е. упругость водяного пара /е/ достигает предельно возможного при данной температуре значения давления насыщенного водяного пара /Е/. Состояние насыщения обычно наступает при охлаждении воздуха ниже точки росы /d/.

Охлаждение воздуха происходит адиабатически, при подъеме воздуха или путем излучения.

Адиабатическое охлаждение воздуха вызывается следующими основными процессами:

- конвекцией внутри воздушных масс;

- восходящим скольжением теплого воздуха по наклонной фронтальной плоскости, разделяющей две воздушные массы;

- волновыми движениями на поверхности раздела двух

различных по физическим свойствам слоев воздуха;

- турбулентным перемешиванием в атмосфере.

Возникновение облаков, как правило, является результатом одновременного действия нескольких причин. Разнообразие их сочетаний вызывает большое количество форм облаков, их видов и разновидностей.

 

5.2 Классификация облаков

Международная классификация разделяет облака на десять основных форм, которые, в свою очередь, подразделяются на несколько видов и разновидностей.

Основные формы облаков:

- Перистые Cirrus /циррус/.

- Перисто-кучевые Cirrocumulus /циррокумулюс/ Cc.

- Перисто-слоистые Cirrostratus /цирростратус/ Cs.

- Высоко-кучевые Altocumulus /альтокумулюс/ Ac.

- Высоко-слоистые Altostratus /альтостратус/ As.

- Слоисто-кучевые Stratocumulus /стратокумулюс/ Sc.

- Слоистые Stratus /стратус/ St.

- Слоисто-дождевые Nimbostratus /нимбостратус/ Ns.

- Кучевые Cumulus /кумулюс/ Cu.

- Кучево-дождевые Cumulonimbus /кумулонимбус/ Cb.

В зависимости от высоты облака разделяются на три яруса:

- облака верхнего яруса - выше 6000 м;

- облака среднего яруса, их нижняя граница лежит между 2000 и 6000 м;

- облака нижнего яруса, их нижняя граница расположена ниже 2000 м и может начинаться от поверхности земли.

К облакам нижнего яруса относятся также облака, занимающие по вертикали несколько ярусов, но основание которых лежит в нижнем ярусе. Такие облака называются облаками вертикального развития.

Указанные пределы высот по ярусам относятся к условиям равнинной местности умеренных широт. Эти пределы следует рассматривать как ориентировочные, т.к. фактическая высота облаков одной и той же формы непостоянна и может меняться в зависимости от характера процесса образования и местных условий. В среднем высота облаков больше на юге, чем на севере и больше летом, чем зимой.

Полная классификация облаков с указанием их форм, видов и разновидностей приведена в приложении 4.

Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака располагаются в верхнем ярусе. Средний ярус занимают высококучевые, высокослоистые, слоисто-кучевые и слоистые облака. К облакам вертикального развития относятся слоисто-дождевые и кучево-дождевые.

 

5.3 Описание облаков

5.3.1 Перистые облака Cirrus /Ci/ - белые тонкие волокнистые облака без теней, разделяются на два вида:

- перистые волокнистые /перистые нитевидные/ Cirrus fibratus /Ci fib./, имеющие разновидности перистые когтевидные Cirrus uncinus /Ci unc./, концы которых загибаются в виде когтей, перистые хребтовидные Cirrus vertebratus /Ci vert./, располагающиеся в виде полос, идущих через все небо, и перистые перепутанные, у которых нити пересекаются;

- перистые плотные Cirrus spisottus /Ci spt./, имеющие разновидности: перистые, образовавшиеся из наковален кучево-дождевых облаков Cirrus incus-genitus /Ci ing./, и перистые хлопьевидные Cirrus floccus /Ci floc./, имеющие многочисленные белые уплотнения неправильной формы при менее резко выраженной нитевидности. Они состоят из ледяных кристаллов.

5.3.2 Перисто-кучевые облака Cirrocumulus /Cc/ представляют собой мелкие полупрозрачные хлопья и барашки, образующие слои или параллельные гряды, разделяются на два вида:

- перисто-кучевые волнистообразные Cirrocumulus undulatus /Cc und./ с разновидностью перисто-кучевые чечевицеобразные Cirrocumulus lenticularis /Cc lent./;

- перисто-кучевые кучево-образные Cirrocumulus cumuliformis /Cc cuf./ с разновидностью перисто-кучевые хлопьевидные Cirrocumulus floccus /Cc floc./.

Как правило, перисто-кучевые облака появляются в связи с перистыми Ci или перисто-слоистыми Cs облаками. Они состоят из ледяных кристаллов. Образуются при возникновении волновых эффектов и конвективных движений в верхней тропосфере.

5.3.3 Перисто-слоистые облака Cirrostratus /Cs/ - тонкая беловатая пелена, которая не размывает контуров солнечного или лунного диска. Различают два вида этих облаков: перисто-слоистые волокнистые Cirrostratus fibratus /Cs fib./ и перисто-слоистые туманообразные Cirrostratus nebulosus /Cs neb./. Разновидностей не имеют.

При наличии этих облаков вокруг солнца и луны образуются световые круги - гало, как результат преломления солнечных лучей в кристаллах облаков.

Перисто-слоистые облака наблюдаются одновременно с перистыми или после них. Их образование служит признаком ухудшения погоды. Они часто бывают видны и по окончании пасмурной и дождливой погоды.

Облака этой формы образуются вследствие адиабатического охлаждения воздуха при его восходящем движении в верхней тропосфере и в зонах атмосферных фронтов.

5.3.4 Высококучевые облака Altocumulus /Ac/ относятся к облакам среднего яруса. Обычно они образуют полосы, хребты или слои облаков белого или серого цвета и имеют один вид - высококучевые волнисто-образные Altocumulus undulatus /Ac und./ с разновидностями: высококучевые просвечивающие Altocumulus translusidus /Ac trans./, принимающие вид барашков при смыкании переходящий в разновидность высококучевые непросвечивающие Altocumulus opacus /Ac op./, высококучевые чечевицеобразные Altocumulus lenticularis /Ac lent./ и высококучевые неоднородные Altocumulus inhomogenus /Ac inh./.

Высококучевые облака состоят в основном из переохлажденных капель. Сами по себе они не ведут к ухудшению погоды и не дают осадков, но часто бывают спутниками других, более мощных облаков.

Образование этих облаков связано с волновыми движениями на инверсиях, в частности перед холодными фронтами, волновыми движениями на слабо наклонных фронтальных поверхностях и над горными препятствиями в слоях выше 2000 м.

5.3.5 Высокослоистые облака Altostratus /As/ образуют сплошной ровный или волнистый покров серого или синеватого цвета, значительно более плотный и низкий, чем покров перисто-слоистых облаков. Солнечные лучи, если они не просвечивают, то теней не дают. Эти облака разделяются на два вида:

- высокослоистые туманообразные Altostratus nebuloscus /As neb./ с разновидностями высокослоистые просвечивающие Altocumulus translucidus /As trans./, высокослоистые непросвечивающие Altostratus opacus /As op./ и высокослоистые, дающие осадки Altostratus praccinitans /As pr./;

- высокослоистые волнисто-образные Altostratus undulatus /As und./ с теми же разновидностями, что и предыдущий вид.

5.3.6 Слоисто-кучевые облака Stratocumulus /Sc/ образуют крупные и довольно низко расположенные волны, гряды или глыбы сероватого или серого цвета. Имеют два вида:

- слоисто-кучевые волнисто-образные Stratocumulus undulatus /Sc und./ с разновидностями слоисто-кучевые просвечивающие Stratocumulus translucidus /Sc trans./, слоисто-кучевые непросвечивающие Stratocumulus opacus /Sc op./ и слоисто-кучевые чечевицеобразные Stratocumulus lenticularis /Sc lent./;

-слоисто-кучевые кучево-образные Stratocumulus cumuliformis /Sc cuf./ с разновидностями слоисто-кучевые башенно-видные Stratocumulus castellanus /Sc cast./ и слоисто-кучевые рассеивающиеся дневные Stratocumulus diurnalis /Sc diur./.

Облака этой формы в основном состоят из мелких капелек воды, зимой переохлажденных.

Просвечивающиеся облака никогда осадков не дают и не являются признаком ухудшения погоды. Они часто образуются при хорошей устойчивой и тихой погоде и, в этом случае их образование свидетельствует только о большой влажности воздуха.

Плотные слоисто-кучевые облака очень часто наблюдаются в ненастную погоду и сопровождают белее мощные облака, дающие осадки /Ns,Cb/.

Слоисто-кучевые облака образуются в результате возникновения волновых движений в слоях инверсии, расположенных ниже 2000 м растекания кучевых облаков, а также вечером, при ослаблении конвекции.

5.3.7 Слоистые облака Stratus /St/ представляют собой слой однородного цвета, сходный с туманом, приподнятым над поверхностью земли. Обычно они закрывают все небо. Основание этих облаков расположено на высоте нескольких десятков или сотен метров. Они нередко сливаются с наземным туманом. Толщина их невелика и составляет десятки и сотни метров. Различают три вида этих облаков:

- слоистые туманообразные Stratus nebolusos /St neb./;

- слоистые волнисто-образные Stratus undulatus /St und./;

- разорванно-слоистые Stratus fractus /St fr./ с разновидностью разорванно-дождевые Fractonimbus /Fr nb./.

Слоистые облака состоят из мельчайших капелек воды, переохлажденных при отрицательных температурах. В них могут находиться и мелкие ледяные кристаллы. Летом из них может выпадать морось, а зимой - снежные зерна и ледяные иглы. Разорванно-дождевые облака - серые облака плохой погоды. Они образуются вследствие турбулентных движений под слоем облаков, дающих осадки /As,Ns,Cb/, и встречаются лишь в сочетании с ними. Сами они осадков не дают, а только пронизываются осадками, выпадающими из вышележащих облаков.

Слоистые облака образуются в основном в нижних слоях однородных воздушных масс. Их образование вызывается следующими процессами:

- охлаждением относительно теплого воздуха при его движении над холодной подстилающей поверхностью;

- радиационным выхолаживанием в ночное время;

- переносом водяного пара вверх турбулентными движениями в подинверсионном слое.

5.3.8 Слоисто-дождевые облака Nimbostratus /Ns/ видов и разновидностей не имеют. Они представляют собой бесформенный сплошной облачный покров, из которого выпадают обложные осадки в виде дождя или снега. Солнце и луна сквозь них не просвечивают. В одиночестве эти облака наблюдаются редко, чаще под их слоем образуются разорванно-слоистые облака St fr., частично их скрывающие. Основание слоисто-дождевых облаков обычно находится в пределах нижнего километра. Толщина может достигать нескольких километров. Они состоят из капелек и ледяных кристаллов, при отрицательных температурах капельки находятся в переохлажденном состоянии.

Этот вид облаков образуется в результате охлаждения воздуха при восходящем движении над поверхностью фронта.

5.3.9 Кучевые облака Cumulus /Cu/ относятся к облакам вертикального развития. Они представляют собой плотные, отдельно расположенные, развитые по вертикали облака с белыми куполообразными вершинами и плоским синеватым или сероватым основанием. При сильном порывистом ветре края облаков могут быть разорванными. Высота их основания над поверхностью земли составляет 1000-2000 м. Кучевые облака состоят из капель воды, которые при отрицательных температурах находятся в переохлажденном состоянии. Осадки обычно из них не выпадают.

Кучевые облака разделяются на три вида:

- кучевые плоские Cumulus humilis /Cu hum./с разновидностью разорванно-кучевые Cumulus fractus /Cu fr./;

- кучевые средние Cumulus mediocrus /Cu med./;

- кучевые мощные Cumulus congentus /Cu cong./ с разновидностью кучевые с покрывалом Cumulus pilenstus /Cu pil./.

Кучевые плоские облака /Cu pil./ образуются при слабой конвекции или наличии инверсии, их высота меньше горизонтальных размеров. Они служат признаком устойчивой хорошей погоды. Обычно плоские облака появляются днем, вечером растекаются, превращаясь в слоисто-кучевые, а к ночи исчезают. Разорванно-кучевые /Cu fr./ - это белые клочковатые облака. Их плоские основания выражены нечетко или отсутствуют. Они предшествуют плоским или являются продуктами их распада.

Интенсивное развитие конвекции приводит к возникновению кучевых облаков, сильно развитых по вертикали. Вершины этих облаков белые и сильно клубятся. Это мощные кучевые облака /Cu cong./. При особенно сильном развитии конвекции они сливаются в большие группы и при дальнейшем развитии могут трансформироваться в кучево-дождевые /Cb./.

5.3.10 Кучево-дождевые облака Cumulonimbus /Cb/ - мощные облачные образования, создающиеся в результате особенно сильного развития кучевых облаков, поднимающихся в виде гор или башен высотой в несколько километров. Их верхние части имеют волокнистую структуру и кристаллическое строение, подобное перистым облакам. Эти верхние слои нередко проникают в самые верхние слои тропосферы, при наблюдении издали они напоминают форму наковален. В нижних частях эти облака состоят из воды, иногда в смеси с ледяными ядрами крупы, града или со снежинками.

Кучево-дождевые облака разделяются на три вида:

- кучево-дождевые лысые Cumulonimbus calvus /Cb calv./ с разновидностью кучево-дождевые лысые с дождевым валом Cumulonimbus canillatus arcus /Cb cap.arc./;

- кучево-дождевые волосатые Cumulonimbus capillatus /Cb cap./ c разновидностями: кучево-дождевые волосатые с грозовым валом Cumulonimbus capillatus arcus /Cb cap. arc./;

- кучево-дождевые с наковальней Cumulonimbus incus /Cb inc./ и кучево-дождевые плоские Cumulonimbus humilis /Cb hum./.

Кучево-дождевые облака дают ливневые осадки в виде дождя, снега, крупы или града, летом они часто сопровождаются грозами.

Прохождение этих облаков всегда вызывает резкое изменение погоды: темнеет, поднимается резкий, порывистый ветер, выпадают ливневые осадки. Кучевые облака образуются вследствие адиабатического охлаждения воздуха при мощном конвективном или во фронтах движениях восходящего воздуха.

 

5.4 Наблюдения за облаками

Наблюдения за облаками состоят в определении их количества, формы /вида и разновидности/и высоты нижней границы.

Количество облаков - облачность, т.е. степень покрытия ими неба, определяется визуально по десятибальной шкале. 1 балл составляет 0,1 часть всего небосвода. При полном покрытии небосвода количество облаков оценивается 10 баллами.

При наблюдениях определяется общее количество облаков /общая облачность/ и количество облаков только нижнего яруса /нижняя облачность/. Запись производится в виде дроби: в числителе указывается общая, а в знаменателе - нижняя облачность.

Количество облаков менее 1 балла