М инистерство образования и науки Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ
K.JI. Восканян, А.Г. Саенко
АК Т И Н О М Е Т Р И Ч Е С К И Е
НА Б Л Ю Д Е Н И Я
Пособие для учебной практики
РГГМЫ Санкт-Петербург
2010
УДК 551.5
Восканян К.Л., Саенко А.Г. Актинометрические наблюдения. По собие для учебной практики — СПб.: РГГМУ, 2010. — 54 с.
Р е ц е н з е н т : Мельникова И.Н. д-р физ.-мат. наук, проф., зав. лаб.
центра экологической безопасности СПб РАН
Учебное пособие подготовлено на кафедре эксперименталь ной физики атмосферы и предназначено для использования при проведении учебной практики по дисциплинам: «Общая метеоро логия», «М етоды метеорологических измерений». Рекомендуется для студентов-метеорологов 2 и 3 курсов дневного отделения.
О Восканян К.JI., Саенко А.Г., 2010
©Российский государственный гидрометеорологический
. ______ университет (РГГМУ), 2010
Р о с с а й ш й государственный гидрометеорологичвекий унвдерда?
Б И Б Л И О Т Е К А
18519$, ст, Мдлэвявщокив r m Ш
Предисловие
Актинометрия — наука о солнечном, земном и атмосферном излучении в условиях атмосферы. Это один из основных факторов определяющих климат той или иной географической местности.
Измерения основных актинометрических величин (прямой солнечной радиации, рассеянной радиации неба, суммарной сол нечной радиации, отраженной земной поверхностью радиации,
теплового баланса земли) проводятся на всех метеорологических станциях, расположенных по всему земному шару и образующих сеть гидрометеорологической службы.
М етеорологические наблюдения ведутся на этих станциях по единым методикам, с использованием однотипных приборов и в определенные часы суток (срочные наблюдения).
Выезжая на практику, студенты ежедневно проводят срочные наблюдения, в том числе они проводят измерения актинометриче ских величин.
Практика — отличный способ попробовать себя и поближе по знакомиться со своей будущ ей профессией, кроме того, у студен тов появляется возможность применить при работе теоретические знания, полученные ими.
Наиболее важно для будущ их инженеров-метеорологов на практике освоить все связанное с измерением актинометрических величин, так как это обычно выполняется на метеорологических станциях.
Вданном учебном пособии содержатся подробные сведения об актинометрических величинах, даны их определения, единицы измерения и формулы для их вычисления.
Внем также представлены краткие сведения из теории акти
нометрических наблюдений, приведены метеорологические пара метры и оптические характеристики атмосферы, определяемые при выполнении актинометрических наблюдений. Кроме того,
подробно описана подготовка к выполнению и порядок проведе ния измерений при выполнении срочных наблюдений при различ ных состояниях диска Солнца.
3
В пособии даётся назначение и описание основных актино-
метрических приборов, которые широко используются в сети гид рометеорологической службы. Приводятся расчеты характеристик прозрачности атмосферы и высоты Солнца.
Также в пособии показан порядок проведения актинометриче ских измерений, обработки полученных результатов и ведения стандартной документации в соответствии с наставлениями и дру гими руководящими документами.
Данное издание было написано в соответствии с последним выпуском Наставлений гидрометеорологическим станциям и по стам выпуск 5, часть 1. В нем также были использованы материа лы следующ их изданий: Руководство к учебной практике по ме теорологии, Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям, Руководство к учебной практи ке по метеорологии.
П особие было специально разработано с учетом особенностей проведения практических занятий для студентов-метеорологов РГГМУ и других средних и высших специализированных учебных учреждений.
4
1 . А к т и н о м е т р и ч е с к и е в е л и ч и н ы и и х е д и н и ц ы
Актинометрические наблюдения выполняются на сети для изучения радиационного режима, определяющего в значительной степени климат территорий и условия жизнедеятельности челове ка, а также для решения практических задач в различных отраслях хозяйственной деятельности.
Актинометрия — раздел геофизики, в котором изучается энер гия, излучаемая Солнцем, поверхностью Земли и атмосферой и её преобразования.
Основным источником энергии для Земли является Солнце.
Солнечное излучение на пути к земной поверхности частично по глощается атмосферой, частично достигает уровня земной поверх ности, а частично уходит в пространство. Таким образом, солнеч ное излучение, приходящее к земной поверхности, может быть направленным (идущим от Солнца), и рассеянным (идущим из всех точек небесного свода).
Достигая земной поверхности, солнечное излучение частично отражается, неотражённая часть излучения поглощается деятель ным слоем и превращается в тепло. В свою очередь, земная поверх ность является источником теплового излучения, направленного в атмосферу. Атмосфера, поглощая тепловое и солнечное излучение, также является источником теплового излучения, направленного как к земной поверхности, так и в мировое пространство.
Слой земной поверхности, в котором происходит поглощение радиации, называется деятельным слоем. Его толщина зависит от свойств поверхности и может составлять от долей сантиметра (для уплотнённой почвы) до десятков метров (для прозрачной воды). В
метеорологии, в качестве равнозначного термина чаще пользуются термином “подстилающая поверхность”.
В актинометрии изучают энергетическую освещённость, т. е.
плотность потока излучения приходящего от Солнца, атмосферы и земной поверхности, на перпендикулярную к лучу плоскость. Её принято называть радиацией. В зависимости от источника излуче ния и, следовательно, спектрального состава в актинометрии раз личают солнечную, земную и атмосферную радиацию.
5
С о л н е ч н а я р а д и а ц и я на 98% сосредоточена в интервале длин
0,3 — 4,0 мкм, в актинометрии её называют коротковолновой ра диацией. З е м н а я и а т м о с ф е р н а я радиация занимает спектральную область 4 — 1 0 0 мкм, в актинометрии её называют длинноволновой радиацией. Излучение, приходящее на определённой длине волны,
называется спектральным. Р а д и а ц и я , и з м е р е н н а я в о в с е й с п е к т р а л ь н о й о б л а с т и от 0,3 до 100 мкм в актинометрии называется интегральной радиацией.
Радиация с длинами волн от 0,002 до 0,4 мкм называют ульт рафиолетовой, она невидима, т. е. не воспринимается глазом. Ра диация от 0,40 до 0,75 мкм — это видимый свет, воспринимаемый глазом. Свет с длиной волны около 0,40 мкм — фиолетовый, с дли ной волны около 0,75 мкм — красный. На промежуточные длины волн приходится свет всех цветов спектра. Радиация с длинами волн более 0,75 мкм и до сотен микрометров называется инфра красной, она также невидима.
Солнечную (коротковолновую) радиацию подразделяют на прямую S (от диска Солнца), рассеянную D (от небесной сферы) и
отражённую коротковолновую R k (от подстилающей поверхности) (рис. 1).
С о л н ц е
Космическое про странство
З е м н а я п о в е р х н о с т ь
Рис. 1. Схема радиационных потоков в атмосфере.
S0 — солнечная радиация на верхней границе атмосферы, S’- прямая солнечная радиация, D — рассеянная радиация, Q — суммарная коротковолновая радиация, RK — отражённая коротковолновая радиация, ЕА — длинноволновое излучение атмо сферы, Яд — отражённое длинноволновое излучение,
Е3— длинноволновое излучение земли.
6
Земная (длинноволновая») радиация Е 3 создаётся тепловым из лучением подстилающей поверхности, которое для большинства видов поверхности Земли близко к излучению абсолютно чёрного тела.
Под атмосферной радиацией Е л понимают энергетическую освещённость, создаваемую тепловым излучением атмосферы.
Тепловое излучение атмосферы, отражённое от подстилающей поверхности, создаёт отражённую атмосферную радиацию Я д , но её значения малы по сравнению с земной радиацией Е 3 и при изучении радиационного режима величину Я д обычно не учитывают.
Сетевые приземные актинометрические наблюдения включа ю т определение комплекса взаимосвязанных между собой харак теристик солнечного излучения, достигающего земной поверхно сти, и теплового излучения естественных земных объектов, в том числе и атмосферы, а также ряда дополнительных параметров со стояния атмосферы и земной поверхности, влияющих на процессы трансформации солнечного излучения и характеризующих усло вия наблюдений. По результатам непосредственных измерений определяют пять основных видов радиации (прямую солнечную,
рассеянную, суммарную, отражённую коротковолновую радиацию и радиационный баланс), по значениям которых вычисляют ряд дополнительных характеристик (коротковолновое альбедо подсти лающей поверхности, балансы коротковолновой и длинноволно вой радиаций). Если нет дополнительных указаний, то имеется в виду, что полученные данные относятся к горизонтальной поверх ности на высоте 1,5 м от земной поверхности.
В практике актинометрических наблюдений прямой солнеч ной радиацией S называют энергетическую освещённость, созда ваемую излучением, поступающим в виде практически параллель ного пучка лучей от диска Солнца и лучей от околосолнечной зо ны радиусом 5°, на поверхности, перпендикулярной направлению солнечных лучей (рис.1). За пределами земной атмосферы на рас стоянии, равном среднему расстоянию между Землёй и Солнцем,
эта величина принята равной 5о=1,367 кВт/м2 и называется сол нечной постоянной. На уровне моря при высоком положении Солнца и хорош ей прозрачности наблюдается £=1,05 кВт/м2 . Пе ред заходом Солнца путь проходимый лучом в атмосфере увели
7
чивается более чем в 30 раз по сравнению с путём при Солнце в зените и S ~ 0,14 кВт/м2 . Прямую солнечную радиацию на гори зонтальной поверхности S ‘ вычисляют по значению S по формуле
где h — высота Солнца в момент наблюдения. Прямая солнечная радиация измеряется актинометром, контрольным прибором слу жит пиргелиометр.’
Рассеянной радиацией D называют энергетическую освещён ность, создаваемую рассеянным в атмосфере солнечным излуче нием, поступающим на горизонтальную поверхность от всего не босвода (из телесного угла 180°), за исключением диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5°. При безоблачном небе рассеи ваются преимущественно коротковолновые лучи, при этом энерге тическая освещённость может достигать 0,28 кВт/м2 только при высокой мутности атмосферы. При высоких облаках, не затеняю щих видимый диск Солнца, наблюдается максимум рассеянной радиации D = 0 ,70 кВт/м2 . При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Рассеянная радиация измеряется пиранометром, затенённым от прямой радиации.
Суммарная радиация Q включает рассеянную и прямую сол нечную на горизонтальную поверхность, т. е.
Суммарная радиация в пасмурную погоду состоит из одной только рассеянной радиации, т. е. Q = D . Максимальное значение
Qможет достигать 1,47 кВт/м2 . При средней мутности атмосферы
ипри Солнце в зените Q g0^= 1,12 кВт/м2 ,а при высоте Солнца 10°
Qw *= 0,13 кВт/м2 . Суммарная радиация измеряется пиранометром без его затенения, она может быть также вычислена по показаниям затенённого пиранометра и актинометра.
Отражённая коротковолновая радиация R K создаётся коротко
волновым излучением, отражённым от подстилающей поверхности.
Отражённую радиацию измеряют пиранометром, установленным на высоте не менее 0,5 м от поверхности земли и обращённым приём ником вниз. Пиранометр, специально приспособленный для опро кидывания, или двойной пиранометр называется альбедометром.
Отношение отражённой коротковолновой радиации к суммар ной является характеристикой подстилающей поверхности и назы
вается коротковолновым альбедо А к , т. е.
Из естественных поверхностей земли максимальным альбедо
обладает свежевыпавший снег (А к = 0,9 или 90 %), а минимальным —
глубокий чистый водоём при высоком Солнце (А к ~ 0,06 или 6%).
В целом приход радиации к горизонтальной поверхности складывается из прямой солнечной радиации S ‘ , рассеянной ра диации D и атмосферной радиации Е л . Уходящая от подстилаю щей поверхности радиация складывается из отражённой коротко волновой радиации R k , отражённой длинноволновой радиации Я д
и излучения земной поверхности Е 3. Разность между энергетиче скими освещённостями, создаваемыми приходящим и уходящим от подстилающей поверхности излучением, называют радиацион ным балансом В . С другими видами радиации он связан следую
щим образом:
|
B = D + S ‘ + E A — R K — E 3 — R a . |
(4) |
Величина В может также рассматриваться как сумма баланса коротковолновой радиации В к и баланса длинноволновой радиа ции В д , т. е.
Баланс коротковолновой радиации, или коротковолновый ба ланс В к , представляет собой разность между суммарной и отра жённой радиацией, т. е.
|
B K = Q — R K = D + S ‘ — R K = Q ( — A K ) . |
(6) |
Величина В к характеризует поглощение коротковолнового из лучения подстилающей поверхностью.
Баланс длинноволновой радиации, или длинноволновый ра диационный баланс В д , представляет собой разность между атмо сферной радиацией Е А , земной радиацией Е 3 и отражённой длин новолновой радиацией Я д , т. е.
9
Величина В д , взятая с обратным знаком, называется эффек тивным излучением подстилающей (деятельной) поверхности и обозначается Е ЭФ. Атмосферная Е л , земная Е з и отражённая длин новолновая радиация Яд при выполнении актинометрических на блюдений не определяются. Косвенным путём определяются толь ко коротковолновый В к и длинноволновый В д баланс.
Величина радиационного баланса В определяется в результате непосредственных измерений, с помощью балансомера или по формуле
|
В = ( В — S ‘ ) + S ‘ , |
(8) |
где В -S ‘ — радиационный баланс без прямой солнечной радиации,
измеренный непосредственно по затенённому балансомеру.
Коротковолновый баланс измеряют пиранометром в двух по ложениях, как и при определении А к , но вычисляют разность пока заний:
Длинноволновый баланс вычисляется по формуле:
|
B „ = B — B K = B — Q + R K . |
(10) |
Ночью, в темное время суток или после захода Солнца, значе ние В к равно нулю и радиационный баланс В определяется только балансом длинноволновой радиации, т. е. ночью В = В Д .
Интегральный коэффициент прозрачности Р определяется из закона Буге:
где S -плотность потока прямой радиации,S 0 — солнечная посто янная, Р — коэффициент прозрачности, т — число относительных оптических масс атмосферы, проходимых солнечными лучами в атмосфере в момент измерения S . При расчёте пренебрегают отли чием солнечной постоянной от её величины при среднем расстоя нии между центрами Земли и Солнца S ( f z l,3 6 7 кВт/м2.
Фактор мутности, предложенный Линке, характеризует на блюдаемую прозрачность по отношению к постоянной прозрачно
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
| Найти: | |
| Где: | |
| Тип документа: | |
| Отображать: | |
| Упорядочить: |
Дата актуализации: 01.01.2021
РД 52.04.562-96
Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 5. Актинометрические наблюдения. Часть I. Актинометрические наблюдения на станциях
| Обозначение: |   РД 52.04.562-96 |
| Обозначение англ: | RD 52.04.562-96 |
| Статус: | Действует |
| Название рус.: | Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 5. Актинометрические наблюдения. Часть I. Актинометрические наблюдения на станциях |
| Дата добавления в базу: | 01.02.2020 |
| Дата актуализации: | 01.01.2021 |
| Область применения: | Наставление определяет основные положения по организации и проведению наземных актинометрических наблюдений на гидрометеорологических станциях Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета). |
| Оглавление: | Предисловие 1. Область применения 2. Нормативные ссылки 3. Общие положения 4. Погрешности результатов наблюдений 4.1. Общие указания 4.2. Погрешности результатов наблюдений 5. Средства измерений и вспомогательное оборудование, требования к их состоянию и эксплуатационному уходу 5.1. Состав комплектов технических средств для обеспечения различных программ наблюдений 5.2. Контрольные приборы и оборудование 5.3. Требования к состоянию технических средств и эксплуатационному уходу 6. Метод определения характеристик солнечного излучения 7. Выполнение срочных наблюдений 7.1. Общие указания 7.2. Метеорологические параметры и оптические характеристики атмосферы, определяемые при выполнении актинометрических наблюдений 7.3. Условия проведения срочных наблюдений 7.4. Подготовка к выполнению срочного наблюдения 7.5. Проведение измерений при выполнении срочных наблюдений 7.6. Обработка результатов срочных наблюдений 7.7. Контроль рабочих приборов 8. Выполнение непрерывных наблюдений 8.1. Общие указания 8.2. Условия выполнения непрерывных наблюдений 8.3. Проведение регистрации и дополнительных наблюдений 8.4. Проведение измерений при перерывах в работе регистрирующего прибора 8.5. Проведение измерений для определения характеристик прозрачности атмосферы 8.6. Обработка результатов регистрации 8.7. Контроль рабочих приборов 9. Выполнение наблюдений для определения суточных сумм суммарной радиации путем интегрирования 9.1. Общие указания 9.2. Условия проведения наблюдений 9.3. Выполнение наблюдений 9.4. Обработка результатов наблюдений Приложение А (справочное). Понятия об актинометрических величинах и краткие сведения об использовании актинометрической информации Приложение Б (обязательное). Требования к ведению рабочих журналов Приложение В (обязательное). Построение вспомогательных таблиц шкаловых поправок и способы учета зависимости переводного множителя от температуры Приложение Г (обязательное). Указания по заполнению книжки для записи результатов актинометрических наблюдений КМ-12 Приложение Д (справочное). Рекомендации по размещению, установке и вводу в работу технических средств для выполнения актинометрических наблюдений Приложение Ж (справочное). Расходные материалы для производства актинометрических наблюдений Приложение И (обязательное). Основные понятия об измерении времени. Расчет высоты солнца. Расчет характеристик прозрачности атмосферы Приложение К (обязательное). Контроль результатов актинометрических наблюдений Приложение Л (справочное). Расчет суточных и месячных сумм радиации Приложение М (справочное). Приложение Н (справочное). Библиография |
| Разработан: | Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова |
| Утверждён: | 21.05.1996 Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Russian Federation Federal Service for Hydrometeorology and Environment Monitoring ) |
| Издан: | Росгидромет (1997 г. ) |
| Расположен в: | Техническая документация Экология ЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА Гидроэнергетика |
| Список изменений: |
|
| Нормативные ссылки: |
|
ГОСТ 9245-79 «Потенциометры постоянного тока измерительные. Общие технические условия»
Текстовое изменение № 1/45-2019 от 06.05.2020
Актинометрические измерения
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ
ПО МЕТОДАМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ЧАСТЬ 2
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОБАЛАНСОВЫЕ
НАБЛЮДЕНИЯ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие………………………………………………………………………… 3
1. Производство актинометрических наблюдений…………………… 3
1.1.
Организация срочных
наблюдений……………………….. 3
1.2.
Перевод среднего
солнечного времени в декретное.. 4
1.3.
Вычисление высот и синусов
высот солнца…………… 5
1.4.
Установка приборов на
площадке…………………………. 7
1.5.
Производство основных
наблюдений…………………… 8
1.6.
Производство
вспомогательных наблюдений………… 9
1.7.
Запись наблюдений……………………………………………… 10
1.8.
Обработка материалов
наблюдений………………………. 11
1.9.
Контроль материалов
наблюдений………………………… 12
Приложения………………………………………………………………………… 14
Список литературы………………………………………………………………. 21
2.
Теплобалансовые
(градиентные) наблюдения……………………… 22
2.1.
Общие положения……………………………………………….. 22
2.2.
Организация наблюдений…………………………………….. 23
2.3.
Производство наблюдений и
их запись…………………. 24
2.4.
Обработка материалов
наблюдений………………………. 25
2.5.
Контроль полученного
материала…………………………. 26
Приложения………………………………………………………………………… 27
Список литературы………………………………………………………………. 30
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие методические указания являются
руководством к учебной практике по курсам: общая метеорология и методы
метеорологических измерений. Поскольку главная цель практики – выработка
навыков производства и обработки измерений, перед практикантами ставятся
следующие задачи:
– усвоение правил установки приборов и
ухода за ними;
– усвоение методических основ
актинометрических измерений, градиентных наблюдений и обработки полученной
информации;
– приобретение навыков расчета и анализа
характеристик солнечной радиации, теплового баланса;
– обобщение материалов измерений и
оформление отчетов.
1.
ПРОИЗВОДСТВО
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ
НАБЛЮДЕНИЙ
1.1.
Организация срочных
наблюдений
Актинометрические
наблюдения производятся для определения различных радиационных характеристик. К
измеряемым видам радиации относятся:
– прямая солнечная радиация S,
поступающая от Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о в виде прямых
параллельных лучей;
– рассеянная радиация D, поступающая на земную
поверхность со всего небесного свода, исключая Солнце и околосолнечную зону;
– суммарная радиация Q, представляющая собой
поток прямой и рассеянной радиаций (Q=S+D);
– коротковолновая радиация, отраженная от деятельной
поверхности Rk;
— радиационный баланс B, определяемый как
разность между всей приходящей и уходящей радиацией;
– радиационный баланс длинноволновой радиации BD.
Кроме этого вычисляются: прямая солнечная радиация,
поступающая на горизонтальную поверхность (S’ = S∙sin h¤); альбедо коротковолновой радиации (Ak
= Rk/Qk); различные характеристики прозрачности
атмосферы (фактор мутности, коэффициент прозрачности).
Основными
измерительными приборами являются термоэлектрические: актинометр, пиранометр,
балансомер. Определяемые виды радиации при попадании на приемную поверхность
этих приборов преобразуются в электрический ток, который измеряется гальванометром.
Поэтому при нахождении радиационных потоков каждого прибора в паре с гальванометром
вычисляется переводной множитель:
,
где K – чувствительность приемной поверхности
измерительного прибора;
α – цена деления гальванометра в микроамперах, 10-6 А;
Rб и Rr – сопротивление термоэлектрической батареи и
рамки гальванометра, Ом.
Перечисленные характеристики указываются в проверочных
свидетельствах приборов.
1.2.
Перевод среднего солнечного времени в декретное
Прежде чем,
начинать производство наблюдений, необходимо вычислить местное время
проведения измерений. Для актинометрических наблюдений установлены следующие
сроки: 0 ч 30 мин, 6 ч 30 мин, 9 ч 30 мин, 12 ч 30 мин,
15 ч 30 мин и 18 ч 30 мин по среднему солнечному времени. Также
во время учебной летней практики наблюдения производятся в промежуточные сроки:
8 ч, 11 ч, 14 ч, 17 ч по среднему солнечному времени.
Для
перевода среднего солнечного времени в декретное (местное) необходимо выполнить
следующий алгоритм:
1.
Определить в каком часовом поясе (по долготе)
находится пункт, для которого нужно определить декретное время.
В мире принята система поясного времени.
Продолжительность каждого пояса 1 ч, всего поясов 24. В градусах продолжительность
пояса равна 158.
Таблица 1
Часовые пояса
Часовой пояс
0
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.
Чтобы получить декретное время, нужно к поясному
времени добавить 1 ч , если наблюдения производятся летом необходимо прибавить
еще 1 ч (поправка на летнее время).
3.
Определить разность между
средним м меридианом данного часового пояса и долготой данного пункта (табл.1).
4.
Разность выразить в
единицах времени:
1° = 4 мин 1′ = 4 сек
5.
Полученную разность прибавить к полученному в
пункте 2 времени, если станция расположена к востоку от среднего меридиана, и
вычесть если западнее от среднего меридиана.
Пример. Вычислить сроки производства актинометрических измерений летом для
станции с долготой 56°.
1.
Определим, в каком часовом
поясе находится станция по таблице 1. Станция находится в IV
часовом поясе.
2.
Дано время 6 ч 30 мин.
Прибавляем 1 ч, за счет декретного времени, и 1 ч, 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 мин прибавляем. срок = x + y = 8 ч
30 мин + 16 мин = 8 ч 46 мин
Аналогично для других сроков.
1.3.
Вычисление высот и синусов высот солнца
Перед началом измерений необходимо рассчитать
календарь синусов высот и высот солнца. Для быстрого вычисления высот и синусов
высот солнца наиболее удобно рассчитывать заранее календарь величин h и sin h для широты данной станции. Высота солнца h в
момент t по истинному времени вычисляется по формуле:
sin h = sin φ sin δ +
cos
φ
cos
δ
cos
τ ,
где φ – широта данной станции, δ –
склонение солнца для данного дня, τ – часовой угол солнца, отсчитываемый от
момента истинного полудня. С истинным временем наблюдения t
величина τ связана соотношением:
τ =
15° (t – 12 ч).
Наиболее просто вести расчет h и sin h
при условии, что уравнение времени равно нулю, т.е. среднее солнечное время
совпадает с истинным. Тогда для установленных сроков наблюдения получаются
следующие значения τ и cos τ:
6 ч 30 мин 9 ч
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 солнечное время наблюдения в
большинстве случаев не совпадает с истинным, то в результате вычисления по
приведенной формуле необходимо ввести поправку на отклонение момента наблюдения
по истинному времени от момента, для которого произведен расчет.
Абсолютная величина этой поправки Δ (sin h)
определяется формулой:
Δ (sin h) = cos φ cos δ sin τ Δ (τ),
где
Δ(τ) означает отклонение истинного времени от расчетного, выраженное
в радианной мере. Одна минута отклонения по времени соответствует величине
Δ(τ) = 15′ в угловой мере или Δ (τ) = 0,00436 – в
радианной. До полудня поправка будет иметь положительный знак, если истинное
время наблюдения больше расчетного для данного рока, и отрицательной, если оно
меньше расчетного. После полудня в этих случаях знаки меняются на
противоположные.
Наиболее
удобно произвести вычисление Δ (sin h) для
десятиминутного отклонения срока наблюдения от расчетного, т.е. для значения
Δ(τ) = 0,0436. В таком случае 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 τ Δ(τ) 0.043 0.026 0.006 0.034 0.043
Для
произведения sin τ Δ(τ) здесь указана
его абсолютная величина. Если отступление срока наблюдения от расчетного
составило n минут, то для получения величины Δ(sin
h) в этом случае необходимо полученное выше значение sinτΔ(τ) умножить на 0,1 n.
Высота
солнца h получается по исправленному значению синуса: sin h + Δ(sin h). Значения sin h вычисляются с точностью до 0,001.
Ниже
приведен пример расчета sin h и h на
определенной станции для определенной даты:
Пример.
Вычислить величины sin
h и h для широты φ = 58°01´ и
даты 1/VII (склонение солнца δ = +23,1˚).
Сроки наблюдения по истинному времени
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
cosφcosδcosτ 0,063 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
Δsin
h
С учетом поправки
Δsin h вычисляются значения sin h и h в случае несовпадения истинного времени
наблюдения с расчетным сроком:
1. Наблюдение произведено в 6 ч 35 мин истинного времени, т.е. на 5 мин позже
расчетного срока. В этом случае
sin h = 0,396 + 0,021*0,5 = 0,407 и h = 24˚.
Величина
Δsin h взята со знаком (+), так как наблюдение
произведено до полудня и истинное время его больше расчетного.
2. Наблюдение произведено в 9 ч 27 мин истинного времени:
sin h = 0,719 — 0,013*0,3 = 0,715 и h = 45,7˚.
Величина
Δsin h взята со знаком (-), так как наблюдение
произведено до полудня, но истинное время его меньше расчетного.
3. Наблюдение произведено в 18 ч 34 мин истинного времени:
sin h = 0,270 — 0,021*0,4 = 0,262 и h = 15,2˚.
В этом случае
Δsin h = -0,008, так как наблюдение произведено на 4
мин позже расчетного послеполуденного срока.
1.4. Установка приборов на площадке
Для производства срочных наблюдений все приборы устанавливаются
на актинометрической стойке (рис.1), представляющей собой вертикальный столб с
горизонтальной рейкой. Гальванометры располагаются в специальном деревянном
ящичке с северной стороны от стойки. Северо-восточнее стойки устанавливается
ручной анемометр АРИ-49 на высоте 1,5 метра.
Рис.1. Размещение
приборов на неподвижной стойке
Актинометрические приборы размещаются следующим
образом: на горизонтальной доске сверху столба укрепляется актинометр. Стрелка
на основании актинометра должна быть направлена на север, широта
устанавливается с точностью до одного градуса.
Пиранометр или стационарный альбедометр укрепляется на
горизонтальной рейке актинометрической стойки на расстоянии 20-25 см от ее
южного конца. Горизонтальность головки пиранометра проверяется по уровню, при необходимости
положение ее исправляется регулировочными винтами.
Для установки балансомера используется шаровой шарнир,
который в свою очередь крепится винтом к концу рейки. Приемная поверхность с
цифрой 1 направляется вверх, а ее горизонтальность проверяется накладным
уровнем.
Соединительные провода от пиранометра и балансомера
пропускаются вдоль западной поверхности рейки и закрепляются металлическими
скобками. 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 делению
шкалы.
Правый гальванометр соединяется с актинометром, левый
с пиранометром и балансомером.
1.5.Производство
основных наблюдений
Объем и порядок наблюдений в дневные и ночные сроки
различный, поэтому последние принято разделять. Дневные сроки охватывают
промежуток времени, начинающийся за 30 мин до восхода солнца и заканчивающийся
на 30 мин позднее захода солнца. Ночным в летнее время в наших широтах
считается срок 0 ч 30 мин.
Общий порядок наблюдений в дневные сроки следующий. За
10 мин до срока наблюдений производится осмотр всех приборов, проверяется
чистота контактных поверхностей, штырьков вилки. Если есть какие-либо неисправности,
то они устраняются до срока наблюдений.
За 5 мин до срока наблюдений снимаются футляры и
крышки 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 места
нуля актинометра, пиранометра (при закрытых крышках) и балансомера (при
отключенном гальванометре).
За 1 мин до срока снимаются крышки с приборов, еще раз
проверяется нацеливание трубки актинометра на солнце и положение теневых
экранов. Затем откидывается реечный настил и в срок наблюдений после записи
состояния диска солнца производится отсчет.
При наблюдениях измеряемые характеристики радиации
могут изменяться, поэтому, чтобы такие колебания меньше влияли на точность
наблюдений, производятся серии отсчетов. Вместе с определением рассеянной D,
отраженной Rк
радиации и радиационного баланса (B или B – S’) измеряется прямая радиация. Для определения
этих характеристик производится 3 отсчета по гальванометрам пиранометра (П) или
балансомера (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 ¤2 может быть 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 (D1 и D2). При определении радиационного баланса B и суммарной радиации Q экраны
у приборов убираются в сторону, а головка пиранометра поворачивается номером в
сторону солнца. При определении каждого вида радиации записывается степень покрытия
солнечного диска.
После последнего отсчета приборы закрываются крышками,
отмечается время окончания наблюдений, определяется температура поверхности
почвы и температура воздуха. Затем все приборы закрываются футлярами, экран пиранометра
убирается, экран балансомера устанавливается вдоль рейки.
Точность всех отсчетов во время наблюдений за
радиацией – 0,1 деления шкалы гальванометра; точность определения скорости
ветра – 1 м/с.
Перед наблюдением по пиранометру после его
переворачивания выдерживается время инерции (50 сек). Всякая регулировка
пиранометра и балансомера, затенение их экранами производится с реечного
настила.
Во время наблюдений настил убирается.
В случае, если состояние диска солнца отмечается
знаком ¤, определяются следующие характеристики: D1, S; B – S’, S; Rk, S; D2, S,то есть все наблюдения ведутся по затененным
пиранометру и балансомеру.
Если солнце закрыто облаками (¤о, П), то порядок наблюдений сводится к определению
D1, B – S’, Rk, D2.
В этом случае измерения по актинометру не
производятся, а пиранометр и балансомер не затеняются экранами.
Порядок наблюдений при меняющемся состоянии диска солнца
подобен наблюдениям при состоянии ¤о и П; но если в какой-то момент солнце открывается (¤2, ¤),
то наблюдения дополняются отсчетами по актинометру. В этом случае пиранометр и
балансомер закрываются экранами.
При меняющейся облачности допускается проведение
наблюдений с отступлением от срока, но не более чем на полчаса, либо удлинение
срока наблюдений.
В случае, если стрелка гальванометра при наблюдениях
по балансомеру колеблется в больших пределах из-за порывистого ветра, быстрого
движения облаков по диску солнца при состоянии ¤, то записываются
лишь пределы колебаний стрелки в течение 1 мин.
Измерения по пиранометру не производятся при сильном
дожде, сильной изморози и гололеде. Измерения по балансомеру не производятся:
при дожде, сильной мороси, при отложениях гидрометеоров на поверхности пластин
балансомера.
1.6. Производство
вспомогательных наблюдений
Вспомогательные наблюдения начинают проводить за 5 мин
до текущего срока. Они включают:
1.
Определение количества и
формы облаков.
2.
Определение цвета неба при
общей облачности не более 3 баллов с помощью таких характеристик: небо синее,
бледно-голубое, белесоватое.
3.
Определение горизонтальной
дальности видимости.
4.
Определение состояния
деятельной поверхности.
5.
Наблюдения за атмосферными
явлениями
6.
Наблюдения за степенью
покрытия солнечного диска.
Запись в книжку производится значками:
¤2 – солнце и околосолнечная зона незакрыты
облаками, туманом, дымкой;
¤ – солнце не закрыто облаками или просвечивает сквозь дымку, облако.
Актинометр можно навести на солнце.
¤о – солнце слабо просвечивает сквозь
облачность. Тень от предметов неразличима и актинометр 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 по срочному термометру на оголенной площадке.
8.
Определение температуры и
влажности воздуха.
1.7.Запись
наблюдений
Результаты
наблюдений заносятся 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
нижней части страницы условными обозначениями. В верхней части страницы справа
записывается место нуля приборов и температура гальванометра. Одиннадцать граф
страницы отводится под запись наблюдений радиационных характеристик и их
обработку. Время начала и окончания наблюдений записывается в 1-ую графу. Во
2-ой графе записывают вид клеммы только при подключении балансомера (+,-). Состояние диска
солнца отмечается соответствующим значком в 3-й графе. 4-ая графа используется
для запись скоростей ветра при наблюдениях по балансомеру. Отсчеты по балансомеру
и пиранометру записываются в 5-ую графу, а по актинометру – в 8-ю графу.
Остальные графы заполняются при обработке.
Температура воздуха, почвы и влажность воздуха записывается после завершения
основных наблюдений в верхней части страницы справа.
В графу
«примечания» запись производится в следующих случаях:
1.
При меняющемся состоянии солнечного диска, когда
срок наблюдений отодвигается.
2.
При изменении срока
наблюдений более чем на 3 мин.
3.
В случае, когда скорости
ветра различаются более чем на 2 м/с при одном наблюдении по балансомеру.
4.
При регулировках и
исправлениях приборов.
5.
Если актинометрические
наблюдения не производились из-за дождя. В этом случае страница книжки не
пропускается, а используется для записи следующего срока наблюдений. В
примечании предыдущего срока указывается причина несостоявшегося измерения.
1.8. Обработка
материалов наблюдений
Обработка результатов наблюдений включает в себя исправление систематических
ошибок путем введения поправок, вычисления радиационных характеристик в практических
единицах.
Обработка наблюдений начинается с определения
истинного солнечного времени t¤. Для этого по времени начала и конца с
точностью до одной минуты находится среднее время наблюдений tm
, которое записывается в верхней части страницы книжки. С помощью табл.1
приложения 1 вычисляется истинное солнечное время:
τ¤ = τm
— Δτ,
На основе полученного времени по календарю высот и
синусов высот солнца определяется высота солнца h¤ и sin h¤ (табл.1 приложения 2).
Обработка отсчетов по пиранометру производится в
следующем порядке. Определяется среднее из трех отсчетов и записывается в 6-ю
графу с точностью до 0,1 деления шкалы. Шкаловая поправка гальванометра DN учитывается
только в том случае, если она не менее 0,5 деления; тогда величина ее записывается
под средним отсчетом. Определение шкаловой поправки производится линейной
интерполяцией по поверочному свидетельству гальванометра. Место нуля
пиранометра Nо
переписывается со знаком «-».
В 7-й графе записывается только одно значение
исправленного отсчета Nисп., которое определяется алгебраическим сложением
величин Nср.,
ΔN, Nо.
Обработка результатов наблюдений по балансомеру отличается от предыдущей
обработки введением дополнительного множителя Фи, зависящего от скорости
ветра.
Графа 6-я заполняется так же, как и в предыдущем случае. В 7-й графе после
исправленного отсчета Nисп. Записывается средняя скорость ветра по анемометру с округлением до 1
м/с. ниже вписывается поправочный множитель, взятый из поверочного свидетельства
балансомера с учетом средней скорости ветра. Отсчет, приведенный к штилю Nш, определяется по формуле
Nш= Nисп.· Фи
Обработка наблюдений по актинометру производится следующим образом. В
8-й графе после двух отсчетов по гальванометру записывается шкаловая поправка ΔN, определяемая по среднему значению отсчета, и переписывается место
нуля со знаком «-». Далее в 9-й графе первое значение представляет собой алгебраическую
сумму средней величины из двух отсчетов, шкаловой поправки и места нуля. Под
этим значением записывается температурная поправка, взятая из дополнения к
поверочным свидетельствам с актинометра и гальванометра. В 11-й графе записываются
значения характеристик радиации в абсолютных единицах с точностью до 0,01 кВт/м2,
получаемые умножением исправленной величины отсчета на соответствующий переводной
множитель актинометра.
Величины D1, D2, Rk определяются умножением соответствующих исправленных отсчетов на
нормальный переводной множитель пиранометра. Эти характеристики рассчитываются
при любом состоянии солнечного диска.
Величина B – S’ вычисляется
только при отметках ¤2, ¤. Для этого значение Nш умножается на переводной множитель балансомера.
Интенсивность прямой солнечной радиации S
определяется умножением исправленного отсчета Nисп на переводной множитель актинометра. Для определения величины радиации,
приходящей на горизонтальную поверхность S’, необходимо
поток прямой радиации S умножить на sin h¤.
Величины S и S’ определяются дважды,
при измерении B – S’ и при измерении Rk. В том и другом случае они вычисляются только при наблюдении по актинометру
Вычисление В производится при любых состояниях диска солнца. При
степени покрытия ¤2, ¤ величина B – S’ алгебраически
складывается со значением S’, записанным в этой же строке.
В остальных случаях исправленный отсчет Nш умножается на переводной множитель балансомера. При дожде,
когда наблюдения по балансомеру не проводились, определяется баланс коротковолновой
радиации Bk = Q
– Rk .
Суммарная радиация Q получается сложением D2 с величиной S’, определяемой
совместно с Rk. Если наблюдения по актинометру
не производились (¤о, П), то значение Q
принимается равным D2.
Для получения баланса длинноволновой радиации ВD из суммы В+Rk вычисляется
значение Q. В ночное время величина ВD равна В, а при дожде – нулю, и тогда в книжке ставится прочерк.
Альбедо Ак получают делением Rk на Q и записывают с точностью до 0,01. при состоянии
диска солнца ¤о и П альбедо получают делением D2 на Rk. Альбедо
не вычисляется в случае, если значение Rk
меньше 0,5 деления шкалы гальванометра. Запись об этом делается в примечании.
1.9. Контроль материалов наблюдений
Материалы наблюдений должны подвергаться техническому и критическому
контролю с целью обнаружения случайных ошибок, просчетов и для исправления
систематических ошибок.
Контроль наблюдений начинается с того, что каждый наблюдатель проверяет
все вычисления предыдущей смены. Замеченные ошибки исправляются. Для контроля
наблюдений сопоставляют потоки радиации в срок наблюдений, учитывают их
изменение в течение суток, а также их зависимость от метеорологических
факторов, например, облачности. При обнаружении ошибок делается запись в графе
«Примечание».
При контроле величины прямой радиации следует иметь в виду, что эта величина
на уровне моря не может превышать значения 1,09 кВт/м2. Наибольшее е
значение при безоблачном небе.
Величина B – S’ при ¤2, ¤, как правило, отрицательная.
Наибольшее абсолютное значение данной величины должно быть при большой высоте
солнца.
Величина В должна быть меньше Q и в отдельных
случаях может достигать значений 0,84-0,91 кВт/м2. Минимальные
значения наблюдаются при верхней и средней облачности. Величина В находится в
обратной зависимости от альбедо подстилающей поверхности.
Величина радиационного баланса длинноволновой радиации отрицательна и
зависит от ряда метеорологических факторов. Так, при увеличении температуры
почвы она возрастает по абсолютной величине.
Значение рассеянной радиации зависит от облачности, прозрачности атмосферы,
высоты солнца, альбедо подстилающей поверхности. Рост значений рассеянной
радиации наблюдается при увеличении облачности верхнего и среднего яруса для
больших высот солнца, при увеличении замутненности атмосферы и при возрастании
альбедо деятельной поверхности.
Суммарная радиация определяется высотой солнца, количеством облачности,
прозрачностью атмосферы. Наибольшей величины суммарная радиация достигает при
больших высотах солнца, состоянии диска ¤2
и значительной облачности кучевых форм.
Альбедо зависит от состояния поверхности и в одни сроки одной и той же
поверхности мало меняется. С увеличением влажности альбедо уменьшается.
Приложение 1
Таблица 1
Поправка
(Δτ) к среднему солнечному времени
Месяц
Июнь
Июль
Число
1-7 8-11 12-17 18-21
22-26 27-30
1-6 7-11 12-31
Δτ,
мин
2 1 0 -1
-2 -3
-4 -5 -6
Таблица 2
Склонение солнца δо
Год
Месяц
високосный
простой
Июнь
Июль
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
22
22,2
22,3
22,4
22,5
22,6
22,7
22,8
22,9
23
23,1
23,1
23,2
23,3
23,3
23,3
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,4
23,3
23,3
23,3
23,2
23,1
23,1
23
22,9
22,8
22,7
22,6
22,5
22,4
22,3
22,2
22
21,9
21,7
21,6
21,4
21,3
21,1
20,9
20,7
20,5
20,3
20,1
19,9
19,7
19,5
19,3
19,1
18,8
18,6
Приложение 2
Календарь высот
и синусов высот солнца
Число
6.30
8.00
9.30
11.00
12.30
14.00
15.30
17.00
18.30
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
h°
sinh
1
23,3
0,396
34,7
0,569
46,0
0,719
53,2
0,801
54,7
0,816
49,4
0,759
39,1
0,630
27,8
0,467
15,7
0,270
2
23,3
0,396
34,7
0,569
46,0
0,719
53,2
0,801
54,7
0,816
49,4
0,759
39,1
0,630
27,8
0,467
15,7
0,270
3
23,2
0,394
34,6
0,568
45,9
0,718
53,1
0,800
54,6
0,815
49,3
0,758
38,9
0,628
27,8
0,466
15,5
0,268
4
23,1
0,393
34,5
0,567
45,8
0,717
53,0
0,799
54,5
0,814
49,2
0,757
38,8
0,627
27,7
0,465
15,4
0,267
5
23,1
0,392
34,5
0,566
45,7
0,716
52,9
0,798
54,4
0,813
49,1
0,756
38,8
0,626
27,6
0,464
15,4
0,266
6
23,0
0,391
34,3
0,564
45,6
0,715
52,8
0,797
54,3
0,812
49,0
0,755
38,7
0,625
27,5
0,462
15,2
0,263
7
23,0
0,390
34,1
0,561
45,6
0,714
52,7
0,795
54,2
0,810
49,0
0,755
38,6
0,624
27,6
0,463
15,2
0,262
8
22,9
0,389
34,1
0,560
45,5
0,713
52,6
0,794
54,1
0,810
48,9
0,754
38,5
0,623
27,5
0,462
15,1
0,261
9
22,8
0,387
34,0
0,559
45,4
0,712
52,5
0,793
54,0
0,809
48,9
0,753
38,4
0,621
27,4
0,460
15,0
0,259
10
22,7
0,386
33,9
0,558
45,3
0,711
52,4
0,792
53,9
0,808
48,8
0,752
38,3
0,620
27,3
0,459
15,0
0,258
11
22,6
0,384
33,8
0,556
45,2
0,709
52,3
0,791
53,7
0,806
48,6
0,751
38,2
0,618
0,457
14,8
0,256
12
22,5
0,382
33,5
0,552
45,0
0,707
52,1
0,789
53,6
0,805
48,5
0,749
38,1
0,617
27,2
0,457
14,7
0,254
13
22,3
0,380
33,4
0,550
44,8
0,705
51,9
0,787
53,4
0,803
48,4
0,748
38,0
0,615
27,1
0,455
14,6
0,252
14
22,2
0,378
33,3
0,549
44,7
0,704
51,8
0,786
53,3
0,802
48,2
0,746
37,9
0,614
27,0
0,454
14,5
0,250
15
22,1
0,376
33,2
0,547
44,6
0,702
51,6
0,784
53,1
0,800
48,1
0,744
37,7
0,612
26,9
0,452
14,4
0,248
16
21,9
0,373
33,0
0,544
44,4
0,700
51,4
0,782
52,9
0,798
47,9
0,742
37,5
0,609
26,7
0,449
14,2
0,245
17
21,8
0,372
32,9
0,543
44,3
0,699
51,4
0,781
52,8
0,797
47,8
0,741
37,4
0,608
26,6
0,448
14,1
0,244
18
21,7
0,369
32,8
0,541
44,2
0,697
51,2
0,779
52,7
0,795
47,7
0,739
37,3
0,606
26,4
0,445
13,9
0,241
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
Δh°
Δsinh
±1,2
±0,021
±1,1
±0,019
±0,7
±0,013
±0,3
±0,006
±0,2
±0,003
±0,6
±0,010
±1,0
±0,017
±1,2
±0,021
±1,2
±0,021
Приложение 3
Переводные множители для актинометрических приборов
Актинометр №565
Гальванометр №9942
0.021 кВт/м2
на 1 дел.
Пиранометр № 6195
Гальванометр №250
0. 010 кВт/м2
на 1 дел.
Балансомер № 3401
Гальванометр №250
0.012 кВт/м2
на 1 дел.
Шкаловые поправки для гальванометра № 250
деления
0
5
10
15
20
30
40
50
60
70
80
Δn
0,3
0
0,2
0,2
0,3
0,4
0,4
0,2
0,0
-0,1
-0,1
Для
гальванометра №9942 поправки <0,5
Поправки на высоту солнца для пиранометра №6195
L
70°
50°
40°
30°
20°
15°
F1
0,95
0,89
0,88
0,87
0,84
0,79
Поправки
на ветер для балансомера №3401
U, м/с
0
1
2
3
4
5
Фu
1
1,01
1,02
1,02
1,02
1,03
Приложение 4
Запись наблюдений при ¤
Число 7.07.05
Температура поверхности почвы
Температура воздуха
Время, склонение, высота солнца
Облачность 5/3 Ci, Cu
Цвет неба
и видимость 10 км
37.0
17,0
τm
12.35
h¤
54,0
Влажность
воздуха
11,6
τ¤
12.30
Sin h¤
0,808
52
17,2
δ¤
Состояние
деятельной поверхности
Вытоптанная трава, сухая
Место нуля приборов
Актинометра
5,0
Балансомера
0,0
Альбедометра
0.0
Время
Вид
радиации клеммы
Сстояние диска
солнца
Альбедометр и
балансомер
N ср.
ΔN
N0
N испр.
U
cр.
Фu
Nш
Актинометр
Радиация
в кВт/м2
Отсчет гальванометра
ΔNN0
N испр.
Скорость ветра
Отсчет гальванометра
14.46
D1
¤
4,5
4,5
4.5
25-32
26,0
D1
0,05
4,8
0
32-35
4,2
0
-5,0
B — S
¤
9,5
9,3
9,5
12-18
12,5
B-S΄
0,11
8,5
0
20-22
S
0,26
10,0
0
1
-5,0
S΄
0,21
9,5
B
0,32
Bд
0,05
Rk
¤
1,8
1,3
1,6
22,8
13,9
Rk
0,02
1,0
0,3
15,0
S
0,29
1,1
0
-5,0
S΄
0,24
D2
¤
4,8
4,7
4,7
7,0
D2
0,05
4,8
0
15,0
Q
0,29
14.56
4,5
0
Ak
0,07
Атмосферные
явления
Примечания
Подпись
наблюдателя Трапезникова Проверил
Запись наблюдений при ¤0
Число 7.07.05
Температура поверхности почвы
Температура воздуха
Время, склонение, высота солнца
Облачность 8/7 Ci, Sc
Цвет неба
и видимость 10 км
23,5
16,7
τm
15.33
h¤
37,9
Влажность
воздуха
11,4
τ¤
15.28
Sin h¤
0,614
48
17,0
δ¤
Состояние
деятельной поверхности
Вытоптанная
трава, сухая
Место нуля приборов
Актинометра
5,0
Балансомера
0,0
Альбедометра
0.0
Время
Вид
радиации клеммы
Сстояние диска
солнца
Альбедометр и
балансомер
N ср.
ΔN
N0
N испр.
U
cр.
Фu
Nш
Актинометр
Радиация
в кВт/м2
Отсчет гальванометра
ΔNN0
N испр.
Скорость ветра
Отсчет гальванометра
17.46
D1
¤0
3,8
3,9
4,0
D1
0,04
4,0
0,1
4,0
0
B — S
¤0
11,8
1,9
12,1
B-S΄
12,0
0,2
0
S
12,0
0
1
S΄
12,1
B
0,15
Bд
0,12
Rk
¤0
0,5
0,4
0,7
Rk
0,01
0,3
0,3
S
0,5
0
S΄
D2
¤0
4,1
4,0
4,0
D2
0,04
4,0
0
Q
0,04
17.52
4,0
0
Ak
0,25
Атмосферные
явления
Примечания
Подпись
наблюдателя Трапезникова Проверил
Запись наблюдений при меняющейся облачности
Число 29.06.05
Температура поверхности почвы
Время, склонение, высота солнца
Облачность 8/5 Ci, Cu
Цвет неба
и видимость 10 км
19,0
τm
9.35
h¤
46,8
Влажность
воздуха
τ¤
9.32
Sin h¤
0,073
66
δ¤
Состояние
деятельной поверхности
Вытоптанная
трава, сухая
Место нуля приборов
Актинометра
5,0
Балансомера
1,0
Альбедометра
1,0
Время
Вид
радиации клеммы
Сстояние диска
солнца
Альбедометр и
балансомер
N ср.
ΔN
N0
N испр.
U
cр.
Фu
Nш
Актинометр
Радиация
в кВт/м2
Отсчет гальванометра
ΔNN0
N испр.
Скорость ветра
Отсчет гальванометра
11.46
D1
¤
6,0
6,4
5,4
6-8
3,0
D1
0,05
6,3
0,0
7-11
6,8
-1,0
-5,0
B — S
¤0
1
15,0
12,6
1,8
B-S΄
13,2
0,2
1
S
9,5
-1,0
1,01
S΄
11,9
B
0,14
Bд
0,1
Rk
¤0
1,5
1,4
0,7
Rk
0,01
1,5
0,3
S
1,1
-1,0
S΄
D2
¤0
5,5
5,7
4,7
D2
0,05
5,5
0,0
Q
0,05
11.56
6,0
-1,0
Ak
0,14
Атмосферные
явления
Примечания
Подпись наблюдателя Иванова Проверил
Запись
наблюдений при ‘
Число 7.07.05
Температура поверхности почвы
Температура воздуха
Время, склонение, высота солнца
Облачность 10/0 Ci, As
Цвет неба
и видимость 10 км
20,0
16,4
τm
17.00
h¤
28,8
Влажность
воздуха
11,3
τ¤
17.05
Sin h¤
0,484
47
21,7
δ¤
Состояние
деятельной поверхности
Вытоптанная
трава, сухая
Место нуля приборов
Актинометра
5,0
Балансомера
0,0
Альбедометра
0.0
Время
Вид
радиации клеммы
Сстояние диска
солнца
Альбедометр и
балансомер
N ср.
ΔN
N0
N испр.
U
cр.
Фu
Nш
Актинометр
Радиация
в кВт/м2
Отсчет гальванометра
ΔNN0
N испр.
Скорость ветра
Отсчет гальванометра
19.16
D1
‘
3,0
2,8
3,0
D1
0,03
2,5
0,2
2,8
0
B — S
‘
6,5
6,4
6,4
B-S΄
6,5
0
0
S
6,3
0
1
6,4
B
0,08
Bд
0,06
Rk
‘
0,5
0,4
0,7
Rk
0,01
0,5
0,3
S
0,3
0
S΄
D2
‘
3,0
3,2
3,3
D2
0,03
3,0
0,1
Q
0,03
19.26
3,5
0
Ak
0,33
Атмосферные
явления
Примечания
Подпись наблюдателя Иванова Проверил
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Руководство
гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1973.
2.
Руководство по контролю
актинометрических наблюдений. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
3.
Методические указания к учебной
практике по методам метеорологических измерений. Часть 1. Общие
метеорологические измерения. Пермск. ун-т, 1980.
2. Теплобалансовые (градиентные) наблюдения
2.1.
Общие положения
Наблюдения
за составляющими теплового баланса предназначены для получения данных о расходе
солнечной радиации, поступающей на деятельную поверхность, поэтому они тесно
связаны с актинометрическими наблюдениями, составляя с ними единое целое.
Под
деятельной поверхностью понимается тонкий верхний слой почвы, воды, растительного
или снежного покрова, в котором происходят поглощение приходящей солнечной и
атмосферной радиации, преобразование ее в тепло и формирование собственного
излучения.
Тепловой
баланс деятельной поверхности записывается в виде уравнения теплового баланса,
которое является частным случаем уравнения сохранения энергии:
B + P + L + V = 0,
где B – радиационный баланс деятельной
поверхности; P – поток тепла в почве; L – турбулентный приток тепла в приземном слое атмосферы; V – затрата тепла на испарение с деятельной поверхности или его
выделение при конденсации водяного пара с этой поверхности.
Радиационный
баланс деятельной поверхности В (остаточная радиация) представляет сбой
разность между приходом и расходом лучистой энергии:
B = Q + Ea – (Rk +Rд
+Eз),
где приход лучистой энергии: Q – суммарная
радиация (сумма прямой и рассеянной солнечной радиации), Ea – длинноволновое излучение атмосферы; расход лучистой энергии: Rk
– коротковолновая отраженная радиация, Rд – отраженная длинноволновая радиация, Eз – длинноволновое излучение земной поверхности.
Если приходная часть больше расходной, то есть поверхность поглощает больше
лучистой энергии, чем отражает и излучает, то В положителен: избыток полученной
энергии расходуется на испарение с земной поверхности и прогрев почвы и
воздуха. В случае отрицательного баланса потеря тепла поверхностью почвы
компенсируется теплом, отнимаемым ею от почвы и воздуха и выделяющимся при
конденсации водяного пара. В умеренных широтах днем В положителен, ночью
– отрицателен (летом).
Поток тепла
в почве Р характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и
нижележащими слоями. Поток тепла положительный, если температура деятельной
поверхности больше температуры нижележащих слоев. В этом случае поток тепла
направлен от поверхности почвы вглубь и почва прогревается. Поток отрицателен,
если температура деятельной поверхности меньше температуры нижележащих слоев:
поток тепла направлен из глубины к поверхности и почва охлаждается.
Турбулентный
поток тепла L характеризует
теплообмен между деятельной поверхностью и приземным слоем атмосферы. Этот
теплообмен осуществляется благодаря турбулентному перемешиванию атмосферы и
прекращается при его отсутствии. Турбулентный поток тепла зависит от разности
температур поверхности и прилегающего к ней слоя атмосферы, а также от
интенсивности турбулентного перемешивания в слое. Если температура деятельной
поверхности выше температуры воздуха, то L направлен от поверхности почвы в воздух и
поток считается положительным. Воздух в этом случае получает тепло и нагревается.
Если поток отрицателен, то есть в случае, когда температура деятельной поверхности
ниже температуры воздуха, воздух охлаждается, отдавая тепло поверхности.
Затрата
тепла на испарение V также связана с турбулентным
перемешиванием в приземном слое атмосферы и с переносом водяного пара в этом
слое. Поток водяного пара, направленный от деятельной поверхности к атмосфере,
принято считать положительным. Такой поток возможен лишь при наличии испарения
с поверхности. На испарение затрачивается тепло. Следовательно, при
положительном потоке водяного пара деятельная поверхность расходует тепло на
испарение. Поток тепла, направленный от атмосферы к земной поверхности, принято
считать отрицательным. Такой поток связан с конденсацией или сублимацией
водяного пара на поверхности. При этих процессах выделяется тепло, которое
получает деятельная поверхность.
В настоящее
время на сети гидрометеорологических станций непосредственно измеряется только
радиационный баланс. Остальные составляющие уравнения теплового баланса
рассчитываются по данным градиентных наблюдений за температурой и влажностью
воздуха, почвы на различных глубинах, скоростью ветра.
2.2.
Организация наблюдений
Во время
летней учебной практики теплобалансовые наблюдения включают в себя:
—
измерение радиационного баланса и его составляющих;
—
измерение температуры и влажности воздуха
(парциального давления водяного пара) на уровнях 0,5 и 1,5 м (по пять отсчетов
в срок наблюдений на каждом уровне);
—
измерение скорости ветра на тех же уровнях;
—
измерение температуры деятельной поверхности и
температуры на глубинах 5, 10, 15, 20 см;
—
наблюдение за направлением ветра, облачностью,
состоянием деятельной поверхности, характером погоды.
Для
расчета парциального давления водяного пара проводятся измерения атмосферного
давления.
Если
теплобалансовые наблюдения проводятся на обычных метеоплощадках, то для
измерения радиационного баланса следует установить балансомер и актинометр
согласно руководству [3]. Для измерения температуры и влажности воздуха и их
градиентов (разностей) используются аспирационные психрометры, а для измерения
скорости ветра и его разности – ручные анемометры МС‑13. Наблюдения над
температурой почвы выполняются с помощью термометров ртутных ТМ-3 и коленчатых
ТМ-5. Направление ветра определяется по флюгеру.
Психрометры
устанавливают на кронштейнах специальных стоек в горизонтальном положении так,
что резервуары их находились на уровнях 0,5 и 1,5 м над деятельной поверхностью.
На
противоположных концах кронштейнов укрепляются ручные анемометры.
На
поверхности почвы укладываются термометры ТМ-3 на специальной площадке.
Резервуары термометров следует на половину погрузить в дерн или почву так,
чтобы они имели с нею хороший контакт. Для этого термометры осторожно вдавливают
в землю или плотно укладывают на дерн. Для определения температуры почвы на
глубинах устанавливаются коленчатые термометры Савинова по правилам, описанным
в наставлении [1].
Аспирационные
психрометры всегда следует содержать в чистоте и сухом состоянии. Между сроками
наблюдений они должны храниться в футлярах. Батист на резервуарах смоченных
термометров должен быть чистым. Смена батиста производится согласно наставлению
[1]. Ручные анемометры следует оберегать от загрязнения, толчков и ударов. В случае
попадания на них капель дождя или снега необходимо фильтрованной бумагой осторожно
снять капли с корпуса и особенно полушарий.
Над
термометрами не должно быть растений, создающих тень, периодически они должны
удаляться с места установки термометров.
2.3.
Производство наблюдений и их запись
Теплобалансовые
наблюдения производятся в сроки 9, 12, 15, 18 ч местного времени, а также в
промежуточные сроки 10.30, 13.30, 16.30, 19.30 (летом).
В указанные
сроки проводятся наблюдения за радиационным балансом. При наличии прямой
радиации измерения ведутся по затененному балансомеру и актинометру, а в других
случаях – только по балансомеру. В сроки наблюдений производятся три отсчета по
гальванометру балансомера (Б) и два отсчета по гальванометру актинометра (А):
Б-А-Б-А-Б. Отмечается также состояние диска солнца. Методика измерения по этим
приборам достаточно полно изложена в «Руководстве по актинометрическим наблюдениям»
[3].
Последовательность
выполнения теплобалансовых наблюдений для некоторых сроков приведена в
приложении в таблице 1.
Наблюдения за температурой и влажностью воздуха выполняются последовательно по
двум аспирационным психрометрам на уровнях 0,5 и 1,5 м в течение 14 мин. Наблюдение
состоит в проведении пяти отсчетов по каждому термометру. В срок производится
20 отсчетов по всем термометрам.
При этом
необходимы следующие условия:
—
психрометры выносят из помещения и размещают на
стойках за 25‑30 мин до первого отсчета;
—
смачивание термометра, завод аспиратора и отсчет по
термометрам производится сначала на уровне 0,5 , а затем на уровне 1,5 м;
—
первые отсчеты производятся через 3-4 мин после
смачивания и завода аспиратора;
—
при непрерывной работе в течение 15-20 мин
необходим подзавод психрометров через каждые 5 мин;
—
после подзавода отсчеты показаний термометров
производятся через 2-3 мин;
—
при температуре воздуха выше 15°С, относительной
влажности менее 50% или скорости ветра более 5 м/с необходимо дополнительное
смачивание, которое производится после третьего отсчета; причем перед смачивание
нужно остановить аспиратор, пропуская в отверстие головки бумажную полоску или
травинку.
Градиентные
наблюдения за температурой и влажностью воздуха с помощью аспирационных
психрометров не производятся в следующих случаях:
—
при выпадении осадков, за исключением твердых
осадков слабой интенсивности или редких отдельных капель слабого дождя, не смачивающих
заметно поверхности балансомера и почвы;
—
при скорости ветра на уровне 10 м более 15 м/с;
—
при туманах, метелях, пыльных и песчаных бурях.
В таких
случаях используют показания сухого и смоченного термометров, расположенных в
будках на уровне 2 м.
Наблюдения
за градиентами скорости ветра состоят в последовательном включении на 10 мин
ручных анемометров. Сначала включается анемометр на уровне 0,5, а затем на
уровне 1,5 м. Перед включением записываются начальные отсчеты анемометров.
При
осадках, тумане, метелях, пыльной бури и при скорости ветра на высоте 10 м 15
м/с скорость ветра измеряется только на уровне 1,5 м.
Все записи
наблюдений производятся в соответствующих графах книжки КМ-16.
2.4.
Обработка материалов наблюдений
Из всех
отсчетов по сухому и смоченному термометрам на каждом уровне находят среднее
значения, вводят шкаловые поправки согласно поверочным свидетельствам. По
исправленным значениям с помощью психрометрических таблиц определяют
парциальное давление водяного пара, вводят к данному значению поправку на
давление. Вычисляют разности температуры и парциального давления водяного пара
путем вычитания из значения этих элементов на нижнем уровне их значения на
верхнем уровне:
Δt = t0,5 – t1,5 ,
Δl = e0,5 – e1,5
.
Знак
разности определяется характером температурной стратификации. По разности
отсчетов анемометров за 10 мин определяют среднее число делений в секунду и по
переводному графику или по таблице находят скорость ветра на двух высотах.
Таким же образом находят разности скоростей:
ΔU = u0,5 – u1,5 .
Как
правило, знак разности скорости положителен, так как обычно по мере уменьшения
высоты скорость ветра падает из-за действия сил трения. В случае штилей и скоростей
ветра менее 1 м/с на высоте 0,5 м ΔU не вычисляется.
2.5.
Контроль полученного материала
Вся
исходная информация теплобалансовых наблюдений должна проходить технический и
критический контроль. С этой целью материалы наблюдения, занесенные в книжку
КМ-16 необходимо ежедневно просматривать, чтобы своевременно выявить недочеты и
устранить их.
Технический
контроль включает в себя [2]:
1.
Проверку правильности заполнения соответствующих
граф;
2.
Правильное написание цифр во время проверки
приборов и в последующем;
3.
Правильное введение всех видов инструментальных
поправок;
4.
Вычисление средних величин;
5.
Соблюдение правил использования всех расчетных
формул.
Критический
контроль проводится по разделам:
1.
Температура почвы.
2.
Температура и влажность воздуха.
3.
Турбулентность тепловых потоков.
4.
Составляющие теплового баланса.
Более
подробно о методах критического контроля указано в «Руководстве по теплобалансовым
наблюдениям» [2].
Приложение 1
Таблица 1
Последовательность выполнения теплобалансовых
наблюдений в основные сроки
Время, ч мин
Наименование
прибора
Выполняемая
работа
9.00
12.00
15.00
18.00
или установки
8.15
Анемометры, психрометры,
напочвенные термометры
Осмотр и установка приборов
8.40
11.40
14.40
17.40
Психрометры
Смачивание и завод
8.42
11.42
14.42
17.42
Термометры ТМ-3
Первый отсчет
8.43
11.43
14.43
17.43
Визуально
Определение состояния пов-ти почвы
8.44
11.44
14.44
17.44
Психрометры
Первый отсчет и подзавод
8.45
11.45
14.45
17.45
Анемометры
Включение
8.47
11.47
14.47
17.47
Психрометры
Второй отсчет
8.49
11.49
14.49
17.49
Психрометры
Третий отсчет и подзавод
8.51
11.51
14.51
17.51
Визуально
Кол-во облаков нижнего яруса и общее
8.52
11.52
14.52
17.52
Балансомер
Актинометр
Отсчеты по гальванометрам
8.54
11.54
14.54
17.54
Психрометры
Четвертый отсчет и подзавод
8.55
11.55
14.55
17.55
Анемометры
Выключение
8.56
11.56
14.56
17.56
Термометры ТМ-3 и коленчатые
термометры
Отсчеты по термометрам
8.58
11.58
14.58
17.58
Психрометры
Пятый отсчет
8.59
11.59
14.59
17.59
Флюгер
Направление ветра
9.00
12.00
15.00
18.00
Барометр
Таблица 2
Поправки
к показаниям термометров в психрометрах
Термометр к психрометру
h =
0,5 м № 3562
h =
1,5 м № 3411
от
до
попр.
от
до
попр.
-20,0
+17,7
-0,1
-30,0
-27,1
-0,1
+17,8
+21,6
0,0
-27,0
-24,1
0,0
+21,7
+50,0
-0,1
-24,0
-21,2
+0,1
-21,1
-10,0
+0,2
-9,9
0,0
+0,1
+0,1
+8,3
0,0
+8,4
+12,8
-0,1
+12,9
+40,0
0,0
Таблица 3
Анемометры
0,5 м №
1,5 м №
Число делений в 1 с
Скорость, м/с
Скорость, м/с
1
1,52
1,84
2
2,67
2,85
3
3,81
3,87
4
4,95
4,90
5
6,07
5,94
6
7,19
6,99
7
8,30
8,05
8
9,12
9
10,50
10,20
10
11,59
11,29
Приложение 2
Пример заполнения таблицы КМ-16 (теплобалансовые
наблюдения)
Месяц
июль
Число
29.06.05
Срок
9.00
Баланс
0.04
Облачность
(количество)
общая
9
нижняя
0
Диск солнца
¤
¤
¤
¤
¤
Температура воздуха, °
0,5 м
отсчеты
сух.
13,2
13,2
13,2
13,2
13,4
см.
11,6
11,6
11,4
11,8
11,8
Сухой
Сред
13,2
Попр.
-0,1
Испр
13,1
Смоч.
11,6
-0,1
11,5
1,5 м
отсчеты
сух.
13,9
13,2
13,4
13,4
13,6
см.
12,4
12,0
1,9
12,0
1,9
Сухой
Сред
13,5
Попр.
-0,1
Испр
13,4
Смоч.
12,0
-0,1
11,9
Δt
-0,3
Парциал.
давление вод. пара
0,5
12,8
1,5
12,4
Δe
0,4
Направление
ветра
Штиль
Скорость ветра
0,5
Отсчет по анем.
4406
4406
Разн.
0
дел/сек
0
1,5
5594
5594
0
0
ΔU
0
Атм.
явления
W
1
Температура почвы, °
Пов-ть
отсчет
13,9
13,9
Попр.
Испр.
Глубина
5 см
отсчеты
14,3
Попр.
исправленное
10 см
15,0
15 см
15,1
20 см
16,0
E1
15,1
E2
15,4
Примечания
Почва
влажная, р=997,0 гПа
Подпись
набл.
Панкова,
Ибраева
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Наставление гидрометеорологическим станциям и
постам. Вып. 3, часть 1. Метеорологические наблюдения на станциях. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1985.
2.
Руководство по
теплобалансовым наблюдениям. — Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
3.
Руководство
гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1973.
4.
Методические указания к
учебной практике по методам метеорологических измерений. Часть 1. Общие
метеорологические измерения. Пермск. ун-т, 1979.