МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ
ПО МЕТОДАМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ЧАСТЬ 2
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОБАЛАНСОВЫЕ
НАБЛЮДЕНИЯ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие… 3
1. Производствоактинометрических наблюдений… 3
Организациясрочных наблюдений… 3
Перевод среднего солнечного времени в декретное… 4
Вычисление высот и синусов высот солнца… 5
Установкаприборов на площадке… 7
Производство основных наблюдений… 8
Производствовспомогательных наблюдений… 9
Запись наблюдений… 10
Обработкаматериалов наблюдений… 11
Контроль материалов наблюдений… 12
Приложения… 14
Список литературы… 21
2. Теплобалансовые(градиентные) наблюдения… 22
Общие положения… 22
Организация наблюдений… 23
Производство наблюдений и их запись… 24
Обработка материалов наблюдений… 25
Контроль полученного материала… 26
Приложения… 27
Список литературы… 30
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие методические указания являютсяруководством к учебной практике покурсам: общая метеорология и методы метеорологических измерений. Посколькуглавная цель практики – выработка навыков производства и обработки измерений,перед практикантами ставятся следующие задачи:
– усвоениеправил установки приборов и ухода за ними;
– усвоение методических основ актинометрическихизмерений, градиентных наблюдений и обработки полученной информации;
– приобретениенавыков расчета и анализа характеристик солнечной радиации, теплового баланса;
– обобщениематериалов измерений и оформление отчетов.
1. ПРОИЗВОДСТВО АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ
НАБЛЮДЕНИЙ
1.1. Организациясрочных наблюдений
Актинометрические наблюдения производятся дляопределения различных радиационных характеристик. К измеряемым видам радиацииотносятся:
– прямая солнечная радиация S, поступающая от Солнца и околосолнечной зоны радиусом5о в виде прямых параллельных лучей;
– рассеянная радиация D, поступающая на земную поверхность со всего небесногосвода, исключая Солнце и околосолнечную зону;
– суммарная радиация Q, представляющая собой поток прямой и рассеянной радиаций (Q=S+D);
– коротковолновая радиация, отраженная от деятельнойповерхности Rk;
- радиационныйбаланс B, определяемый как разность между всей приходящей иуходящей радиацией;
– радиационный баланс длинноволновой радиации BD.
Кроме этого вычисляются: прямая солнечная радиация,поступающая на горизонтальную поверхность (S' = S∙sinh¤);альбедо коротковолновой радиации (Ak=Rk/Qk); различные характеристики прозрачности атмосферы(фактор мутности, коэффициент прозрачности).
Основными измерительнымиприборами являются термоэлектрические: актинометр, пиранометр, балансомер.Определяемые виды радиации при попадании на приемную поверхность этих приборовпреобразуются в электрический ток, который измеряется гальванометром. Поэтомупри нахождении радиационных потоков каждого прибора в паре с гальванометромвычисляется переводной множитель:
гдеK– чувствительность приемной поверхностиизмерительного прибора;
α–цена деления гальванометра в микроамперах, 10-6 А;
Rби Rr– сопротивление термоэлектрической батареи и рамкигальванометра, Ом.
Перечисленные характеристики указываются в проверочныхсвидетельствах приборов.1.2. Переводсреднего солнечного времени в декретное
Преждечем, начинать производство наблюдений, необходимо вычислить местное время проведения измерений. Дляактинометрических наблюдений установлены следующие сроки: 0 ч 30 мин, 6 ч 30мин, 9 ч 30 мин, 12 ч 30 мин, 15 ч 30 мин и 18 ч 30 мин посреднему солнечному времени. Также во время учебной летней практики наблюденияпроизводятся в промежуточные сроки: 8 ч, 11 ч, 14 ч, 17 ч по среднемусолнечному времени.
Дляперевода среднего солнечного времени в декретное (местное) необходимо выполнитьследующий алгоритм:
1.
В мире принята система поясноговремени. Продолжительность каждого пояса 1 ч, всего поясов 24. В градусахпродолжительность пояса равна 158.
Таблица 1
Часовыепояса
Часовой пояс
I
II
III
IV
V
VI
Средний меридиан
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
Границы часового пояса
172°30' — 7°30'
7°30' - 22°30'
22°30' –37°30'
37°30' – 52°30'
52°30' – 67°30'
67°30' – 82°30'
82°30' – 97°30'
Часовой пояс
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Средний меридиан
105°
120°
135°
150°
165°
180°
Границы часового пояса
97°30' – 112°30'
112°30'– 127°30'
127°30'– 142°30'
142°30'– 157°30'
157°30'– 172°30'
172°30'– 7°30'
2.
3. Определитьразность между средним м меридианом данного часового пояса и долготой данногопункта (табл.1).
4. Разность выразитьв единицах времени:
1° = 4 мин 1' = 4 сек
5.
Пример. Вычислить сроки производстваактинометрических измерений летом для станции с долготой 56°.
1. Определим, в каком часовом поясе находится станция по таблице 1.Станция находится в IVчасовом поясе.
2. Дано время 6 ч 30 мин. Прибавляем 1 ч, за счет декретного времени, и 1ч, за счет летнего времени: x= 6 ч 30 мин + 1 ч + 1 ч =8 ч 30 мин.
3. Разность между долготами: y= 60°- 56° = 4°
4. y= 4° = 16 мин
5. Станция расположена восточнее среднего меридиана, значит 16 минприбавляем. срок = x+ y= 8 ч30 мин + 16 мин = 8 ч 46 мин
Аналогично для других сроков.
1.3. Вычисление высот исинусов высот солнца
Перед началом измеренийнеобходимо рассчитать календарь синусов высот и высот солнца. Для быстроговычисления высот и синусов высот солнца наиболее удобно рассчитывать заранеекалендарь величин hи sinhдля широты данной станции.Высота солнца hв момент tпо истинному временивычисляется по формуле:
sinh= sinφsinδ+cosφcosδcosτ,
где φ– широта данной станции, δ–склонение солнца для данного дня, τ– часовой угол солнца,отсчитываемый от момента истинного полудня. С истинным временем наблюдения tвеличина τсвязана соотношением:
τ= 15° (t – 12 ч).
Наиболее просто вести расчетhи sinhпри условии, что уравнениевремени равно нулю, т.е. среднее солнечное время совпадает с истинным. Тогдадля установленных сроков наблюдения получаются следующие значения τиcosτ:
6 ч 30 мин 9ч 30 мин 12 ч 30 мин 15 ч 30 мин 18 ч 30 мин
τ° -82,5 -37,5 7,5 52,5 97,5
cos τ 0,130 0,793 0,991 0,609 -0,130
Так как среднее солнечноевремя наблюдения в большинстве случаев не совпадает с истинным, то в результатевычисления по приведенной формуле необходимо ввести поправку на отклонениемомента наблюдения по истинному времени от момента, для которого произведенрасчет.
Абсолютная величина этойпоправки Δ (sinh)определяется формулой:
Δ(sinh) = cosφ cosδsinτ Δ (τ),
где Δ(τ) означаетотклонение истинного времени от расчетного, выраженное в радианной мере. Однаминута отклонения по времени соответствует величине Δ(τ) = 15' в угловой мере или Δ(τ) = 0,00436 – в радианной. До полудня поправкабудет иметь положительный знак, если истинное время наблюдения больше расчетногодля данного рока, и отрицательной, если оно меньше расчетного. После полудня вэтих случаях знаки меняются на противоположные.
Наиболее удобнопроизвести вычисление Δ (sinh) для десятиминутногоотклонения срока наблюдения от расчетного, т.е. для значения Δ(τ) = 0,0436. В такомслучае для расчетных сроков получается:
6.30 9.30 12.30 15.30 18.30
τ˚ -82,5 -37,5 7,5 52,5 97,5
sin τ -0,991 -0.609 0,130 0,793 0.991
sin τΔ(τ) 0.043 0.026 0.006 0.034 0.043
Дляпроизведения sin τ Δ(τ) здесь указана егоабсолютная величина. Если отступление срока наблюдения от расчетного составило n минут, то для получениявеличины Δ(sinh) в этом случае необходимо полученное выше значение sinτΔ(τ) умножить на 0,1 n.
Высотасолнца h получается поисправленному значению синуса: sin h + Δ(sinh).Значения sinhвычисляются с точностью до 0,001.
Нижеприведен пример расчета sinh и h на определенной станции дляопределенной даты:
Пример.Вычислить величиныsinh и h для широты φ = 58°01´ и даты 1/VII (склонение солнца δ = +23,1˚).
Сроки наблюдения по истинномувремени
6.30 9.30 12.30 15.30 18.30
cosφcosδ 0,487 0,487 0,487 0,487 0,487
cosτ 0,130 0,793 0,991 0,609 -0,130
cosφcosδcosτ0,063 0,386 0,483 0,297 -0,063
sinφsinδ 0,333 0,333 0,333 0,333 0,333
sin h 0,396 0,719 0,816 0,630 0,270
h˚ 23,3 46,0 54,7 39,1 15,7
Для
Δt= 10 мин 60,021 60,013 60,003 60,017 60,021
Δsinh
С учетомпоправки Δsinh вычисляются значения sinh и h вслучае несовпадения истинного времени наблюдения с расчетным сроком:
1.
sinh = 0,396 + 0,021*0,5 = 0,407 и h = 24˚.
ВеличинаΔsinhвзята со знаком (+), так как наблюдение произведено до полудня и истинное времяего больше расчетного.
2.
sinh = 0,719 — 0,013*0,3 = 0,715 и h = 45,7˚.
ВеличинаΔsinhвзята со знаком (-), так как наблюдение произведено до полудня, но истинноевремя его меньше расчетного.
3.
sinh = 0,270 — 0,021*0,4 = 0,262 и h = 15,2˚.
В этом случае Δsinh =-0,008, так как наблюдение произведено на 4 мин позже расчетногопослеполуденного срока.
1.4.Установка приборов на площадке
Дляпроизводства срочных наблюдений все приборы устанавливаются на актинометрическойстойке (рис.1), представляющей собой вертикальный столб с горизонтальнойрейкой. Гальванометры располагаются в специальном деревянном ящичке с севернойстороны от стойки. Северо-восточнее стойки устанавливается ручной анемометрАРИ-49 на высоте 1,5 метра.
Рис.1. Размещение приборов нанеподвижной стойке
Актинометрические приборы размещаются следующимобразом: на горизонтальной доске сверху столба укрепляется актинометр. Стрелкана основании актинометра должна быть направлена на север, широтаустанавливается с точностью до одного градуса.
Пиранометр или стационарный альбедометр укрепляется нагоризонтальной рейке актинометрической стойки на расстоянии 20-25 см от ееюжного конца. Горизонтальность головки пиранометра проверяется по уровню, при необходимостиположение ее исправляется регулировочными винтами.
Для установки балансомера используется шаровой шарнир,который в свою очередь крепится винтом к концу рейки. Приемная поверхность сцифрой 1 направляется вверх, а ее горизонтальность проверяется накладнымуровнем.
Соединительные провода от пиранометра и балансомерапропускаются вдоль западной поверхности рейки и закрепляются металлическимискобками. Провод актинометра пропускается через отверстие в основание прибора.Концы всех проводов подводятся к клеммам гальванометров.
Гальванометры устанавливаются в ящике клеммами на юг.Винты должны быть вывернуты на 1-2 оборота, а стрелки подведены к 5 делениюшкалы.
Правый гальванометр соединяется с актинометром, левыйс пиранометром и балансомером.
1.5.Производствоосновных наблюдений
Объем и порядок наблюдений в дневные и ночные срокиразличный, поэтому последние принято разделять. Дневные сроки охватываютпромежуток времени, начинающийся за 30 мин до восхода солнца и заканчивающийсяна 30 мин позднее захода солнца. Ночным в летнее время в наших широтахсчитается срок 0 ч 30 мин.
Общий порядок наблюдений в дневные сроки следующий. За10 мин до срока наблюдений производится осмотр всех приборов, проверяетсячистота контактных поверхностей, штырьков вилки. Если есть какие-либо неисправности,то они устраняются до срока наблюдений.
За 5 мин до срока наблюдений снимаются футляры икрышки приборов. Затем производится нацеливание на солнце трубки актинометра,проверка горизонтальности головки пиранометра и приемной пластины балансомера,затенение их экранами от солнца.
За 3 мин до срока наблюдений производят отсчеты местануля актинометра, пиранометра (при закрытых крышках) и балансомера (приотключенном гальванометре).
За 1 мин до срока снимаются крышки с приборов, еще разпроверяется нацеливание трубки актинометра на солнце и положение теневыхэкранов. Затем откидывается реечный настил и в срок наблюдений после записисостояния диска солнца производится отсчет.
При наблюдениях измеряемые характеристики радиациимогут изменяться, поэтому, чтобы такие колебания меньше влияли на точностьнаблюдений, производятся серии отсчетов. Вместе с определением рассеянной D, отраженной Rкрадиации и радиационного баланса (Bили B– S') измеряется прямая радиация. Для определения этиххарактеристик производится 3 отсчета по гальванометрам пиранометра (П) илибалансомера (Б) и между ними 2 отсчета по гальванометру актинометра (А):П-А-П-А-П или Б-А-Б-А-Б (всего 5 отсчетов по двум гальванометрам). Кроме того,после каждого отсчета по балансомеру определяется скорость ветра по анемометру(всего 3 отсчета скорости).
Объем наблюдений зависит от состояния диска солнца.Схематично порядок наблюдений при состоянии диска ¤2можетбыть представлен так:
D1, S; B, S; B – S', S; Q, S; Rk, S; D2,S.
Таким образом, производится шесть серий отсчетов,причем рассеянная радиация определяется дважды: в начале и в конце срока (D1и D2). Приопределении радиационного баланса Bисуммарной радиации Qэкраны у приборов убираются всторону, а головка пиранометра поворачивается номером в сторону солнца. Приопределении каждого вида радиации записывается степень покрытия солнечного диска.
После последнего отсчета приборы закрываются крышками,отмечается время окончания наблюдений, определяется температура поверхностипочвы и температура воздуха. Затем все приборы закрываются футлярами, экран пиранометраубирается, экран балансомера устанавливается вдоль рейки.
Точность всех отсчетов во время наблюдений зарадиацией – 0,1 деления шкалы гальванометра; точность определения скоростиветра – 1 м/с.
Перед наблюдением по пиранометру после егопереворачивания выдерживается время инерции (50 сек). Всякая регулировкапиранометра и балансомера, затенение их экранами производится с реечногонастила.
Во время наблюдений настил убирается.
В случае, если состояние диска солнца отмечаетсязнаком ¤, определяются следующие характеристики: D1, S; B– S', S; Rk, S; D2, S, то есть все наблюдения ведутся по затененнымпиранометру и балансомеру.
Если солнце закрыто облаками (¤о, П), топорядок наблюдений сводится к определению D1, B – S', Rk,D2.
В этом случае измерения по актинометру непроизводятся, а пиранометр и балансомер не затеняются экранами.
Порядок наблюдений при меняющемся состоянии диска солнцаподобен наблюдениям при состоянии ¤ои П; но если в какой-томомент солнце открывается (¤2,¤),то наблюдения дополняются отсчетами по актинометру. В этом случае пиранометр ибалансомер закрываются экранами.
При меняющейся облачности допускается проведениенаблюдений с отступлением от срока, но не более чем на полчаса, либо удлинениесрока наблюдений.
В случае, если стрелка гальванометра при наблюденияхпо балансомеру колеблется в больших пределах из-за порывистого ветра, быстрогодвижения облаков по диску солнца при состоянии ¤, то записываются лишь пределы колебаний стрелки втечение 1 мин.
Измерения по пиранометру не производятся при сильномдожде, сильной изморози и гололеде. Измерения по балансомеру не производятся:при дожде, сильной мороси, при отложениях гидрометеоров на поверхности пластинбалансомера.
1.6. Производство вспомогательныхнаблюдений
Вспомогательные наблюдения начинают проводить за 5 миндо текущего срока. Они включают:
1. Определениеколичества и формы облаков.
2. Определение цветанеба при общей облачности не более 3 баллов с помощью таких характеристик: небосинее, бледно-голубое, белесоватое.
3. Определениегоризонтальной дальности видимости.
4. Определениесостояния деятельной поверхности.
5. Наблюдения заатмосферными явлениями
6. Наблюдения застепенью покрытия солнечного диска.
Запись в книжку производится значками:
¤2– солнцеи околосолнечная зона незакрыты облаками, туманом, дымкой;
¤ – солнце не закрыто облакамиили просвечивает сквозь дымку, облако. Актинометр можно навести на солнце.
¤о– солнцеслабо просвечивает сквозь облачность. Тень от предметов неразличима иактинометр нельзя навести на солнце;
'– солнце освещает только окрестности площадки,приборы затенены;
П – солнце покрыто облаками и его не видно;
▬–солнце не видно за каким-либо местным предметом.
7. Определение температуры почвы, которое производятся посрочному термометру на оголенной площадке.
8. Определение температуры и влажности воздуха.
1.7.Запись наблюдений
Результаты наблюденийзаносятся в книжку КМ-12. В верхней части страницы записывается число,количество и форма облаков, наличие облачности в зените, цвет неба и видимость,состояние деятельной поверхности. Атмосферные явления записываются в нижнейчасти страницы условными обозначениями. В верхней части страницы справа записываетсяместо нуля приборов и температура гальванометра. Одиннадцать граф страницыотводится под запись наблюдений радиационных характеристик и их обработку.Время начала и окончания наблюдений записывается в 1-ую графу. Во 2-ой графезаписывают вид клеммы только при подключении балансомера (+,-). Состояниедиска солнца отмечается соответствующим значком в 3-й графе. 4-ая графа используетсядля запись скоростей ветра при наблюдениях по балансомеру. Отсчеты по балансомеруи пиранометру записываются в 5-ую графу,а по актинометру – в 8-ю графу. Остальные графы заполняются при обработке.
Температуравоздуха, почвы и влажность воздуха записывается после завершения основныхнаблюдений в верхней части страницы справа.
В графу «примечания»запись производится в следующих случаях:
1.
2. При изменениисрока наблюдений более чем на 3 мин.
3. В случае, когдаскорости ветра различаются более чем на 2 м/с при одном наблюдении побалансомеру.
4. При регулировкахи исправлениях приборов.
5. Еслиактинометрические наблюдения не производились из-за дождя. В этом случаестраница книжки не пропускается, а используется для записи следующего срока наблюдений.В примечании предыдущего срока указывается причина несостоявшегося измерения.
1.8. Обработка материаловнаблюдений
Обработкарезультатов наблюдений включает в себя исправление систематических ошибок путемвведения поправок, вычисления радиационных характеристик в практическихединицах.
Обработка наблюдений начинается с определенияистинного солнечного времени t¤. Для этого по времени начала и конца с точностью доодной минуты находится среднее время наблюдений tm, которое записывается в верхней части страницыкнижки. С помощью табл.1 приложения 1 вычисляется истинное солнечное время:
τ¤= τm — Δτ,
На основе полученного времени по календарю высот исинусов высот солнца определяется высота солнца h¤ и sinh¤(табл.1 приложения 2).
Обработка отсчетов по пиранометру производится вследующем порядке. Определяется среднее из трех отсчетов и записывается в 6-юграфу с точностью до 0,1 деления шкалы. Шкаловая поправка гальванометра DNучитывается только в том случае, если она не менее0,5 деления; тогда величина ее записывается под средним отсчетом. Определениешкаловой поправки производится линейной интерполяцией по поверочному свидетельствугальванометра. Место нуля пиранометра Nо переписываетсясо знаком «-».
В 7-й графе записывается только одно значениеисправленного отсчета Nисп., которое определяется алгебраическимсложением величин Nср., ΔN, Nо.
Обработкарезультатов наблюдений по балансомеру отличается от предыдущей обработкивведением дополнительного множителя Фи, зависящего от скоростиветра.
Графа6-я заполняется так же, как и в предыдущем случае. В 7-й графе после исправленногоотсчета Nисп. Записывается средняя скоростьветра по анемометру с округлением до 1 м/с. ниже вписывается поправочныймножитель, взятый из поверочногосвидетельства балансомера с учетом средней скорости ветра. Отсчет, приведенныйк штилю Nш, определяется по формуле
Nш= Nисп.· Фи
Обработка наблюдений по актинометру производится следующимобразом. В 8-й графе после двух отсчетов по гальванометру записывается шкаловаяпоправка ΔN,определяемая по среднему значению отсчета, и переписывается место нуля сознаком «-».Далее в 9-й графе первое значение представляет собой алгебраическую суммусредней величины из двух отсчетов, шкаловой поправки и места нуля. Под этимзначением записывается температурная поправка, взятая из дополнения кповерочным свид