地面气象观测的内容很多,包括气温、气压、空气湿度、风向风速、云、能见度、天气现象、降水、蒸发、日照、雪深、地温、冻土、电线结冻等。在大气馆中我们会向气象爱好者介绍一些基本的观测项目。
地面气象观测的许多项目都是通过固定在观测场内的各种仪器进行的,所以气象站的站址和观测场地的选择以及维护,仪器的安装是否正确,都对资料的代表性、准确性和比较性有极大的影响。
一般说来,气象台站的地址应选在能代表其周围大部分地区天气、气候特点的地方,并且尽量避免小范围和局部环境的影响,同时应当选在当地最多风向的上风方,不要选在山谷、洼地、陡坡、绝壁上。观测场要求四周平坦空旷并能代表周围的地形,观测场附近不应有任何物体。孤立、不高的个别障碍物离观测场的距离,至少要在障碍物高度的三倍以上;宽大、密集、成片的障碍物,距离要在障碍物高度的十倍以上。观测场周围十米范围内不能种植高杆作物,以保证气流畅通。气象台站的房屋一般应建在观测场的北面。另外,一个气象台站建成之后,要长期稳定,不要轻易搬家,因为轻易搬家不仅会影响观测资料的连续性,影响使用,还会造成很大浪费。
最高温度表 |
最低温度表 |
干湿球温度表 |
金属温度计 |
气压是大气压强的简称,其数值等于单位面积上从地面直至大气顶的垂直气柱的重量。国际单位制中,压强的单位是帕斯卡,简称帕,气象部门采用百帕作为气压单位。历史上也曾用毫巴(即千分之一巴)和毫米水银柱作为气压单位,其换算关系如下:
1百帕=1毫巴=3/4毫米水银柱
气象站气压表高度处测到的大气压强,称为本站气压,属于地方气候资料之一。由于各测站海拔高度不同,本站气压不便于比较,为了绘制地面天气图,需要将本站气压换算到相当于海平面高度上的气压值,我们称之为海平面气压。
目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有水银气压表和空盒气压表两种。
(1) 动槽式水银气压表:
动槽式水银气压表 |
用一端封闭并抽成真空的玻璃管,倒插在水银槽中,当水银柱压强与大气压强相平衡时,用水银槽平面到水银柱顶的高度来测定大气压强。水银柱的高度必须以温度为0℃,重力加速度为9.80665平方米/秒的情况下所具有的高度为准。当测量气压时,温度和重力加速度与上述情况不符,则必须对由此引起的偏差加以订正,气象观测称为本站气压订正。水银气压表测量精度较高,性能稳定,常作为标准测压仪器。
(2)空盒气压表:
用金属或非金属材料制成扁圆形的空盒。或串接成空盒组。盒内常留有少量气体。在大气压力作用下,空盒变形,其中心位移量可表示气压的变化。但因为气压引起的位移非常微小,无法直接用肉眼观察,常规的空盒气压表(计)采用机械杠杆放大数十倍后通过指针(或自记笔尖)在刻度上的位置读取气压值,借助自记钟连续记录气压随时间的变化。此外,也有将空盒的位移输出转换成电参量输出,例如空盒中心位移带动电容器的一个极片位移、或带动电感衔铁位移、或带动电阻器滑动触点位移,就可成为变电容方式、变电感方式和变电阻方式输出,以便实现对气压进行遥测。用空盒制作的测压仪器具有重量轻,便于携带和安装的优点,但由于金属膜片的弹性系数随温度变化,需采取温度补偿措施,空盒形变存在弹性滞后,以上两因素使空盒测压精度低于水银气压表。
(3)振动筒式压力传感器:
感应元件是用高导磁率、高弹性的金属制成薄壁圆筒。一端封闭,另一端固定在基座上。振动筒的外侧是用保护筒构成的真空腔;内侧与自由大气相通,并有两个线圈骨架,分别装上激振线圈和拾振线圈。观测时,接上电源后,激振线圈和振动筒相互作用下产生固有振动频率。此频率随气压的增大而升高,拾振线圈检测振动频率的变化,从而指示气压的变化。这种感应元件测压精度高,其输出是电参量(频率或周期),便于对气压实行遥测。
湿度表示空气中水汽的含量或干湿程度,在气象观测中常用水汽压、相对湿度和露点温度三种物理量表示。
1) 水汽压(e):是水汽在大气总压力中的分压力。它表示了空气中水汽的绝对含量的大小,以毫巴为单位。空气吸收水汽有一定限量,达到了限量就不再吸收,这个限量叫“饱和点”。空气中水汽达到饱和点时的水汽压,称为饱和水汽压(或称最大水汽张力)。饱和水汽压是温度的函数,随温度升高而增大。在同一温度下,纯冰面上的饱和水汽压要小于纯水面上的饱和水汽压。
2) 相对湿度(rh):湿空气中实际水汽压e与同温度下饱和水汽压E的百分比,即
rh =(e/E)* 100%
相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。空气完全干燥时,相对湿度为零。相对湿度越小,表示当时空气越干燥。当相对湿度接近于100%时,表示空气很潮湿,越接近于饱和。
3) 露点(或霜点)温度:指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时的温度。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值,可为什么用它来表示湿度呢?这是因为,当空气中水汽已达到饱和时,气温与露点温度相同;当水汽未达到饱和时,气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。
测定湿度的仪器常用的有干湿球温度表,毛发湿度表(计)和电阻式湿度片等。
a) 干湿球温度表:用一对并列装置的、形状完全相同的温度表,一支测气温,称干球温度表,另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布,称湿球温度表。当空气未饱和时,湿球因表面蒸发需要消耗热量,从而使湿球温度下降。与此同时,湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时,湿球温度就不再继续下降,从而出现一个干湿球温度差。干湿球温度差值的大小,主要与当时的空气湿度有关。空气湿度越小,湿球表面的水分蒸发越快,湿球温度降得越多,干湿球的温差就越大;反之,空气湿度越大,湿球表面的水分蒸发越慢,湿球温度降得越少,干湿球的温差就越小。当然,干湿球的温差的大小还与其他一些因素有关,如湿球附近的通风速度、气压、湿球大小、湿球润湿方式等有关。可以根据干湿球温度值,并将一些其它因素考虑在内,从理论上推算出当时的空气湿度来。干湿球温度表是当前测湿的主要仪器,但不适用于低温(-10℃以下)使用。
发湿度表(计) |
b) 发湿度表(计):利用脱脂人发(或牛的肠衣)具有空气潮湿时伸长,干燥时缩短的特性,制成毛发湿度表或湿度自记仪器,它的测湿精度较差,毛发湿度表通常在气温低于-10℃时使用。
c) 电阻式湿度片:利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理,常用的有碳膜湿敏电阻和氯化锂湿度片两种。前者用高分子聚合物和导电材料碳黑,加上粘合剂配成一定比例的胶状液体,涂覆到基片上组成的电阻片;后者是在基片上涂上一层氯化锂酒精溶液,当空气湿度变化时,氯化锂溶液浓度随之改变从而也改变了测湿膜片的电阻。这类元件测湿精度较干湿表低,主要用在无线电探空仪和遥测设备中。
d) 薄膜湿敏电容:是以高分子聚合物为介质的电容器,因吸收(或释放)水汽而改变电容值。它制作精巧,性能优良,常用在探空仪和遥测中。
e) 露点仪:能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温,直到镜面上隐现露滴(或冰晶)的瞬间,测出镜面平均温度,即为露(霜)点温度。它测湿精度高,但需光洁度很高的镜面,精度很高的温控系统,以及灵敏度很高的露滴(冰晶)的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁,否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。
风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动,上下流动为垂直运动,也叫对流;左右流动为水平运动,也就是风。风是一个矢量,用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向,一般用16个方位或360°表示。以360°表示时,由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移,常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。1805年英国人F·蒲福根据风对地面(或海面)物体的影响,提出风力等级表,几经修改后得下表。目测风时,根据风力等级表中各级风的特征,即可估计出相应的风速。
地面风的测量2
风向测量仪器 |
(1) 风向测量仪器:风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件,由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下,尾翼产生旋转力矩使风向标转动,并不断调整指向杆指示风向。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上,以触点式最为简单,风向标带动触点,接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁,作出风向的指示或记录,但它的分辨只能做到一个方位(22.5°)。精确的方法有自整角机和光电码盘。
轻便风速表 |
(2) 风速测量仪器:a)风杯风速表是应用最广泛的一种风速表,由三个(或四个)半球形或抛物形空杯,都顺一面均匀分布在一水平支架上,支架与转轴相连。在风力作用下,风杯绕转轴旋转,其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。b)桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内,能逆风绕水平轴转动,其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨,装在形似飞机机身的流线形风向标前部,风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。c)热力式风速表是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻,放置在气流中,其散热率与风速的平方根成线性关系。通常在使加热电流不变时,测出被加热物体的温度,就能推算出风速。热力式风速表感应速度快,时间常数只有百分之几秒,在小风速时灵敏度较高,宜应用于室内和野外的大气湍流实验,也是农业气象测量的重要工具。
风速测量仪器 |
云是悬浮在大气中的大量小水滴和(或)冰晶微粒组成的可见聚合体。常规气象观测要测定云状、云量和云高。
积状云 | 积状云 |
层状云 |
(1) 云状:主要指云的外形特征的不同形态。由于云的形成原因不同,引起外形特征的差异,分成积状云、层状云和波状云。积状云的形成主要是不稳定大气的对流运动,云中气流垂直速度很大,常有几米/秒甚至20米/秒以上。云体孤立、分散,垂直伸展与其水平扩散范围具有同一个数量级。常见的积云和伴有雷电现象的积雨云就是积状云;层状云由大范围系统性缓慢上升运动形成,多发生在锋面、气旋或低槽的气流辐合区,云层范围宽广,均匀幕状,无明显起伏的连续云层,典型的层状云有雨层云、高层云和卷层云三种;波状云是由于空气的波状运动和湍流混合,例如逆温层和风的切变形成,云块排列成行,成群或波浪起伏状。属于波状云的有层积云,高积云和卷积云。
层积云 | 高积云和卷积云 |