地面气象观测

    提到“地面气象观测”,人们一般会想到四四方方的气象观测场,洁白的百叶箱、温度计、风向标等,并把这些理解为地面的观测。不过这样理解并不全面,因为天上的云、大气中的声、光、电等天气现象,也都属于地面气象观测的范围。所以地面气象观测的定义应为:利用气象仪器和目力,对靠近地面的大气层的气象要素值,以及对自由大气中的一些现象进行观测。

  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。

  观测场内仪器安装的原则可以用以下二十四个字表示:保持距离,互不影响;北高南低,东西成行;靠近小路,便于观测。各种仪器安置的高度见下表:

1         仪器安置高度表

仪器

要求与允许的误差范围

基准部位

百叶箱雨量器

雨量计

小型蒸发器

地面温度表

曲管温度表

 

日照计

 

风速器

风向器

高度125厘米                      5厘米

高度70厘米                       3厘米

仪器自身高度             

高度70厘米                       3厘米

球不埋入土中1厘米

深度5201520厘米            1厘米

倾斜角45                       5

高度以便于操作为准

纬度以本站纬度为准

安在观测场高1012

方位正南                          5

箱底

口缘

 

口缘

 

球部中心

表身与地面

底座面

底座

风杯中心

方位指南针

  地面气象观测分为定时观测和不定时观测两类。定时观测是气象台站的基本观测,主要目的是为天气预报提供依据,积累资料,了解一个地方的气候变化规律,为经济建设服务。一般地说,一天内观测次数越多,越能反映一个地方气象要素的变化。但为了节约人力、物力,可以在一天中选择适当的有代表性的时间来进行。气象工作者经过统计发现,每天选择适当时间观测4次与观测24次(1次/每小时)的日平均值非常接近。因此国家气象局规定,“国家基本气象站”每天必须进行2点、8点、14点、20点这4个时次定时观测,昼夜要守班;“国家一般气象站”每天只进行8点、14点、20点3次观测,夜间不必守班。

  建立地面气象观测是一项非常重要的工作,它是整个气象工作的基础,是气象台站掌握当地天气实况,索取气象资料的主要手段。在我国,从平原到山区,从沙漠到海岛,已经建立起了数千个气象台站,把全国这些气象台站的气象资料收集在一起,就可以了解中国范围内的天气、气候状况。

气温的测量

    气温是衡量空气冷热程度的物理量,表示空气分子运动的平均动能的大小。我们通常用摄氏温标(t)来表示,也有用华氏温标(F)表示的,理论研究工作中常用绝对温度(T)表示,其换算关系为:
        t = 5*( F─32 ) /9        t = T ─ 273.15

  地面气温一般指距地面1.25—2.0米处的大气温度。测量时,为了防止太阳辐射对观测值的影响,测温仪器必须放在百叶箱或防辐射罩内,并且还要满足测量元件有良好的通风条件。

  测量气温的仪器常用的有以下几种:

  (1)玻璃温度计:
  感应部分是一个充满液体的玻璃球或柱,与感应部分相连的示度部分是一端封闭、粗细均匀的玻璃毛细管,测温液体通常用水银、酒精或甲苯等。由于玻璃球内液体的热胀系数远大于玻璃,毛细管中的液柱会随温度变化而升降。常用的玻璃温度计有最高温度表,最低温度表和干湿球温度表。

最高温度表

a) 最高温度表:是专门用来测定一定时间间隔的最高温度的,它的构造是在球部底处置一根玻璃针,直伸到毛细管口,使毛细管口变狭。温度上升时,水银膨胀,压力增大,迫使水银挤过狭管上升。温度下降时,因无足够压力使水银挤过狭管回到球部,水银柱就在狭管处断裂,于是狭管以上这段水银柱的顶端,就保持在过去一段时间内温度表曾感受到的最高温度示度上,因而可测得最高温度。

最低温度表

b) 最低温度表:是专门用来测定一定时间间隔的最低温度的,它用酒精作测温液,在毛细管内放一枚游标,温度上升时,酒精膨胀可越过游标上升,而游标本身由于顶端对管壁有足够的摩擦力,能维持在原处不动。温度下降时,酒精柱收缩到与游标顶端相接触时,由于酒精液面的表面张力比游标对管壁的摩擦力要大,使游标不致突破酒精柱顶而借液面的表面张力带动游标下滑。也就是说,游标只能降低,不能升高。所以,游标离球部较远一端的示度,就是一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。

干湿球温度表

c) 干湿球温度表:也就是普通的温度表,它的测温液体为水银,用普通的温度表可以测定任一时刻的气温变化。阿斯曼通风干湿球温度表是德国人R·阿斯曼1887年所创,两支棒状温度表放置在防辐射性能极好的通风管道内,机械或电动通风速度为2.5米/秒。仪器测量精度高,使用方便,常用作野外测量气温和湿度。

(2) 金属温度计:
  是能够自动记录气温连续变化的仪器。感应元件是双金属片,由膨胀系数相差较大的两片金属焊接成,将其一端固定,另一端随温度变化而发生位移,位移量与气温接近线性关系。自记系统由自记钟,自记笔组成,自记笔与放大杠杆相连并受感应元件操纵。

金属温度计


(3) 金属电阻温度表:
  利用金属丝的电阻正比于温度变化的原理制成。常用的金属丝有铂丝、铜丝、铁丝等三种,阻值在几十到一百欧之间,其中铂丝稳定性最好,可用来作标准温度表。电阻温度表适用于遥测。

(4)热敏电阻温度表:
  感应元件由几种金属氧化物混合烧结成的导体电阻,电阻值通常几十千欧,其电阻温度系数大,灵敏度高于金属电阻温度表,但稳定性稍差,广泛应用于高空遥测。

(5)温差电偶温度表:
  利用温差电现象制成,将A和B两个物理和化学性质不同金属导体,连接成一个闭合回路,称为热电偶。测量时,将热电偶一个接点置于恒温条件(如冰水溶液中)称参考端,另一个接点放在欲测物体上称工作端,两个接点的温度不同,就会产生温差电动势,电动势正比于两接点的温度差。气象常用的铜-康铜热电偶温差电动势只有几十微伏,所以,为了提高测温灵敏度,常将几十对热电偶串接起来组成热电堆。热电偶温度表可用于遥测,在日射仪器和小气候观测中被广泛应用。

气压的测量

    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。

湿度的测量

    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。

地面风的测量

    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。

蒲福风力等级表

风力等级 名称 相当于开阔平坦地面10米高处风速 浪高 陆上物理征象
米/秒 公里/时 海里/时 (米)

0

静风

0-0.2

<1

<1

静,烟直上。

1

软风

0.3-1.5

1-5

1-3

0.1

烟能表示风向,但风向标尚不能指示风向。

2

轻风

1.6-3.3

6-11

4-6

0.2

人面感觉有风,树叶有微响,风向标能随风转动。

3

微风

3.4-5.4

12-19

7-10

0.6

树叶与微枝摇动不息,旌旗展开。

4

和风

5.5-7.9

20-28

11-16

1.0

灰尘和碎纸扬起,小树枝摇动。

5

清劲风

8.0-10.7

29-38

17-21

2.0

有叶的小树枝摇动,内陆水面有小波浪。

6

强风

10.8-13.8

39-49

22-27

3.0

大树枝摇动,电线呼呼有声,打伞困难。

7

疾风

13.9-17.1

50-61

28-33

4.0

全树摇动,逆风步行感到困难。

8

大风

17.2-20.7

62-74

34-40

5.5

树枝折断,逆风行进阻力甚大。

9

烈风

20.8-24.4

75-88

41-47

7.0

发生轻微的建筑破坏。

10

狂风

24.5-28.4

89-102

48-55

9.0

内陆少见,有些树木拔起,建筑物破坏较重。

11

暴风

28.5-32.6

103-117

56-63

11.5

极少遇到,伴随着广泛的破坏。

12

飓风

32.7

118

64

14.0

 


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

云的观测

    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

(2) 云量:云量多少,全凭目测云块占据天空的面积来估计。因为是目测,当然并不十分准确,但也没有更好的办法,全世界的气象站至今还是用这种目测方法估计云量。天气预报广播中的晴、少云、多云和阴,就是根据云量的多少划分的。通常将整个天空划分为10等份,碧空无云或被云遮蔽不到0.5份时,云量为“0”;云遮盖天空一半时,云量为“5”。云量多时,应估计露出的青天,再推算出云量。云量少时,则直接估计云所遮蔽天空的份数,如云块占全部天空的1/10时,云量为“1”;云块占天空2/10时,云量为“3”,余类推。天空无云,或者虽有零星云层,但云量不到2成时称为晴;低云量在8成以上称为阴;中、低云的云量为1-3,高云的云量为4-5时,称为少云;中、低云的云量为4-7,高云的云量为6-10时,称为多云。一般说来,当天空被云掩蔽,颜色发白,地上东西显得明亮时,这种云较高。相反,云色呈灰或灰黑色,显得阴沉,这种云则较低。移动慢的云较高,移动快的云较低。

(3) 云高:指云底距地面的垂直距离。通常用目力估计,也可用气球、云幕灯,激光测云仪测定。

  

降水量的测量

    在一定时段内,从云中降落到水平地面上的液态或固态(经融化后)降水,在无渗透、蒸发、流失情况下积聚的水层深度,称为该地该时段内的降水量,单位为毫米。在气象上通常用某一段时间内降水量的多少来划分降水强度。最常用的对降雨的分类方法是按降水量的多少来划分降雨的等级。根据国家气象部门规定的降水量标准,降雨可分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六种(见表2)。


表2. 各类雨的降水量标准

种类

24小是降水量

12小是降水量

小雨

小于10.0

小于5.0

中雨

10.0-24.9

5.0-14.9

大雨

25.0-49.9

15.0-29.9

暴雨

50.0-99.9

30.0-69.9

大暴雨

100.0-249.0

70.0-139.9

特大暴雨

250.0以上

140.0以上

   同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 具体见表3.

3. 各类雪的降水量标准

种类

小雪

中雪

大雪

24小时降水量

2.5以下

2.6-5.0

大于5.0

12小时降水量

1.0以下

1.1-3.0

大于3.0


雨量器

    测定降水量的仪器,有雨量器和雨量计两种。

  雨量器是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。外壳是金属圆筒分上下两节,上节是一个口径为20厘米的盛水漏斗,为防止雨水溅失,保持器口面积和形状,筒口用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状;下节筒内放一个储水瓶用来收集雨水。测量时,将雨水倒入特制的雨量杯内读取降水量毫米数。降雪季节将储水瓶取出,换上不带漏斗的筒口,雪花可直接收集在雨量筒内,待雪融化后再读数,也可将雪秤出重量然后根据筒口面积换算成毫米数。

虹吸雨量计

  虹吸雨量计是可连续记录降水量和降水时间的仪器。其上部盛水漏斗的形状和大小与雨量器相同。当雨水经过漏斗导入量筒后,量筒内的浮子将随水位升高而上浮,带动自记笔在自记纸上划出水位上升的曲线。当量筒内的水位达到10毫米时,借助虹吸管,使水迅速排出,笔尖回落到零位重新记录。自记钟给出降水量随时间的累积过程。


翻斗式雨量计

  翻斗式雨量计是可连续记录降水量随时间变化和测量累积降水量的有线遥测仪器。分感应器和记录器两部分,其间用电缆连接。感应器用翻斗测量,它是用中间隔板间开的两个完全对称的三角形容器,中隔板可绕水平轴转动,从而使两侧容器轮流接水,当一侧容器装满一定量雨水时(0.1或0.2毫米),由于重心外移而翻转,将水倒出,随着降雨持续,将使翻斗左右翻转,接触开关将翻斗翻转次数变成电信号,送到记录器,在累积计数器和自记钟上读出降水资料。

天气现象的观测

    天气现象是指发生在大气中的各种现象,包括降水现象、地面凝结和冻结现象、视程障碍现象、大气光象、风暴现象、积雪、结冰等现象,它是大气中发生的各种物理过程的综合结果。在地面气象观测中,各种天气现象均用统一的专用符号表示。

  (1)降水现象:根据降水物的形态共分成11种,其中液态降水有雨、毛毛雨、阵雨;固态降水有雪、冰粒、米雪、阵雪、霰、冰雹;还有混合型降水有雨夹雪、阵性雨夹雪等。此外还要判断降水性质,即阵性降水、连续性降水和间歇性降水等三种类型。阵性降水又称对流性降水,降水时间短促,降水强度变化大,骤降骤止,并伴有气温、气压、风等气象要素的显著变化,常降自积雨云和浓积云;间歇性降水表现为时降时停,雨量时大时小,但这些变化都很缓慢,常降自层积云和厚薄不均的高层云;连续性降水具有持续时间长,强度变化小的特点,常降自雨层云和高层云。

  (2)地面凝结和冻结现象 包括露、霜、雾淞、雨淞等四种。

  (3)视程障碍现象 包括雾类(雾、轻雾);沙尘类(沙尘暴、扬沙);烟尘类(浮尘、烟幕,霾);吹雪类(吹雪、雪暴)等9种。视程障碍现象是以能见度区分其轻重程度的,其中雾、沙尘暴和雪暴能见度必须小于1.0公里,其余6种现象出现时能见度在1.0公里和10.0公里之间。

  (4)大气光象:包括华、晕、虹、海市蜃楼、峨眉宝光、霞等。

  (5)大气电象 包括闪电、雷暴、极光等。

  (6)风暴现象 包括大风(指瞬间风速达到17米/秒或风力8级以上)、飑、龙卷、尘卷等。

  (7)其它现象:包括积雪、冰针、结冰等。

能见度的观测

   气象能见度指在白昼,以地平线附近的天空为背景,正常视力能看到和辨认出大小适度的,黑色目标物的最大距离。以公里为单位。它与大气消光系数σ构成单因子函数关系。即 
  L=3.912/σ

  由此可见,能见度是表征大气光学特性的常用物理量,与航空交通、军事行动等都有直接关系。气象上观测有效能见度,指测站四周视野中二分之一以上的范围都能看到的最大水平距离。

  能见度的观测方法,气象部门以目测为主,在白天,选择离观测点不同距离的目标物作为估计能见度的依据;夜间则选取测站周围一定亮度的固定灯光作为目标灯,用来估计灯光 能见度,然后依据灯光强度再换算成白昼条件下的能见度。用仪器测定能见度的原理分透射型和散射型两种,透射型仪器的光发射器和光电接收器安置在同一侧,在已知长度基线的端头设置光反射器,接收器接收经大气衰减后的后向反射光束,根据反射光强度可以算出能见度,这种仪器普遍用在机场测定跑道能见距离;散射型仪器是从发射光束的一个取样空间中,测量其散射光强度,它与能见度有关,适用于雾天或非固定观测平台中使用。

蒸发量的测定

  蒸发量

小型蒸发器

  水由液态或固态转变成汽态,逸入大气中的过程称为蒸发。观测一定面积的水面在一段时间间隔内因蒸发减少的水层深度来确定蒸发量大小,单位为毫米。

  测量蒸发的仪器常用的有小型蒸发器和大型蒸发桶两种。

  小型蒸发器是口径为20厘米,高约10厘米的金属圆盆,盆口成刀刃状,为防止鸟兽饮水,器口上部套一个向外张成喇叭状的金属丝网圈。测量时,将仪器放在架子上,器口离地70厘米,每日放入定量清水,隔24小时后,用量杯测量剩余水量,所减少的水量即为蒸发量。

  大型蒸发桶是一个器口面积为0.3平方米的圆柱形桶,桶底中心装一直管,直管上端装有测针座和水面指示针,桶体埋入地中,桶口略高于地面。每天20时观测,将测针插入测针座,读取水面高度,根据每天水位变化与降水量计算蒸发量

日照时数的测量

  日照的长短与农业生产密切相关,所以日照时数是所有气象台站必须观测的项目。

  太阳中心从出现在一地的东方地平线到进入西方地平线,其直射光线在无地物、云、雾等任何遮蔽的条件下,照射到地面所经历的时间,称为“可照时数”。太阳在一个地方实际照射地面的时数,称为“日照时数”。日照时数以小时为单位,可用日照计测定。日照时数与可照时数之比为日照百分率,它可以衡量一个地区的光照条件。

  测定日照时数的仪器有:

暗筒式日照计

(1) 暗筒式日照计:一个圆型暗筒上留有小孔,当阳光透过小孔射入筒内时,装在筒内涂有感光药剂的日照纸上便留下感光迹线,利用感光迹线可计算出日照时数,这是气象台站常用的仪器。

(2) 聚焦式日照计:利用太阳光经玻璃球折射聚焦,在日照纸上留下烧灼的焦痕,根据焦痕的总长度即可算出日照时数。

(3) 光电日照计:根据1981年WMO第八届仪器和观测方法委员会建议,用太阳直接辐射强度≥120瓦/平方米作为日照阈值。使用阈值为120瓦/平方米的直接日射表作为日照基准仪器,当太阳直接辐射照射到受光元件时,受光元件输出与直接辐射相对应的脉冲电压,当脉冲电压幅度超过阈值电压时,输出一个时间脉冲,作为日照时数记录下来。

辐射的测量

  辐射指太阳、地球和大气辐射的总称。通常称太阳辐射为短波辐射,地球和大气辐射为长波辐射。观测的物理量主要是辐射能流率,或称辐射通量密度或辐射强度,标准单位瓦/平方米。气象上常测定以下几种辐射量:

(1) 太阳直接辐射,指来自日盘0.5°立体角内与该立体角轴垂直的面的太阳辐射。
(2) 天空辐射(或称太阳散射辐射),指地平面上收到的来自天穹2π立体角向下的大气等的散射和反射太阳辐射。
(3) 太阳总辐射,指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和。
(4) 反射太阳辐射,指地面反射的太阳总辐射。
(5) 地球辐射,指由地球(包括大气)放射的辐射。
(6) 净辐射,指向下和向上(太阳和地球)辐射之差。

  测量辐射的仪器:
(A) 绝对日射表:是测量太阳直接辐射的标准仪器,常用它来确定其它类型仪器的仪器常数。最普通的是埃斯川姆绝对日射表,其感应部分为进光筒内的两块接收系数近似1的黑色锰铜片。观测时,圆筒正对太阳,使一块锰铜片受日光照射而增热,不受照射的锰铜片通过电流加热,调节加热电流直到两块锰铜片温度相等,加热电流平方与辐射强度成正比。根据世界气象组织的决议,从1981年起将使用指定的四种型号作为日射标准仪器,以美国的PACRRADⅢ型绝对日射计为例,接收太阳辐射的主要部分是吸收系数接近于1.0000的探测黑体空腔的锥角部分,在探测空腔后面的补偿空腔,以人工加热法保持和探测空腔具有相同的温度,使探测腔体的热量完全不向后传递,测量空腔和热汇的温度差就可以测得太阳辐射强度。

直接日射表

(B) 直接日射表:是测定太阳直接辐射的常规仪器。进光筒对感应面的视张角为10°,感应面是一块涂黑的锰铜片,它的背面紧贴热电堆正极,负极接在遮光筒内壁,热电堆的电动势正比于太阳辐射。用于遥测的直接日射表将进光筒安装在“赤道架”上,借助电机和齿轮减速器,带动日射表进光筒准确地自动跟踪太阳。

(C) 天空辐射表:它是测定地平面上

天空辐射表

的太阳直接辐射、天空散射辐射和地面反射辐射仪器。感应部分由黑片和白片组成田字形方格阵,辐射强度正比于黑白片下热电堆的电动势。感应面上有一个半球形防风保护玻璃罩,仪器上方可伸出一块对感应平面视角为10°的遮光板。支架遮光板遮去阳光,仪器只能测到天空散射辐射;除去遮光板则能测到水平面上太阳辐射和散射的总和;反转仪器使感应面向下,则能测到反射辐射。用于遥测的天空辐射表装上遮日环,遮日环以辐射表感应面为中心,直径约30厘米,环宽约5厘米,根据当地纬度和日期,适当调节它的倾角,在一天任何时刻都能遮住太阳的直接辐射。显然由于遮日环的影响使测值偏小,必须加以校正。

(D) 净辐射表:用于测量地表面吸收和支出辐射之差。仪器有上下两片感应面,由绝热材料将其隔开,并分别罩上聚乙烯防风薄膜。向上和向下感应面分别感应地面对辐射的收入和支出,热电堆测量它们的温差,净辐射强度正比于温差电动势。