9. Программа наблюдений на метеорологических станциях

На наземных метеорологических станциях во всем мире производятся одновременные (синхронные) наблюдения через каждые три часа по единому — гринвичскому — времени (вре­мени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы службы погоды. Там по ним составляются синоптиче­ские карты и другие материалы, служащие для предсказания погоды.

На метеорологических станциях основного типа регистри­руются следующие метеорологические элементы:

- Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхно­стью.

- Атмосферное давление.

- Влажность воздуха — упругость водяного пара в воздухе и относительная влажность.

- Ветер — горизонтальное движение воздуха на высоте 10— 12 м над земной поверхностью. Измеряется его скорость и опре­деляется направление, откуда он дует.

- Облачность — степень покрытия неба облаками, типы обла­ков по международной классификации, высота нижней границыоблаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направ­ление движения облаков.

- Количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.).

- Наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана

- Горизонтальная видимость — расстояние, на котором, вслед­ствие мутности атмосферы, перестают различаться очертания предметов.

- Продолжительность солнечного сияния.

- Температура на поверхности почвы и на нескольких глуби­нах в почве.

- Состояние поверхности почвы.

- Высота и плотность снежного покрова.

- На некоторых станциях — испарение воды с водных поверх­ностей или с почвы.

- Регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, пыль­ные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния и некоторые оптические явления в атмосфере (радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи).

На береговых метеорологических станциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности.

В программы наблюдений обсерваторий и отдельных стан­ций входят еще актинометрические наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами (альбедо) поверхности земли и воды; уточненные наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиентные наблюдения); измере­ния содержания в воздухе пыли, химических примесей, радио­активных продуктов и пр.; атмосферно-электрические наблюде­ния над ионизацией воздуха, т. е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над изменениями электри­ческого поля атмосферы.

10. Измерение температуры, влажности и давления воздуха, скорости и направления ветра

Наблюдения на метеорологических станциях ведутся с помощью специальных измерительных приборов; лишь немногие метеорологические элементы количественно оцениваются без приборов (степень облачности, дальность видимости и некоторые другие).

Каче­ственные оценки, например определение характера облаков и осадков, производятся без приборов.

Для сетевых приборов необходима однотипность, облегчаю­щая работу сети и обеспечивающая сравнимость наблюдений!

Приборы для определения температуры и влажности воздуха защищают от действия солнечной радиации, от осадков и поры­вов ветра, и для этого их помещают в будках особой конструк­ции

Самопишущие приборы нередко конструируют так, что их приемные части, помещенные на площадке или на крыше здания, имеют электрическую передачу к пишущим частям, установленным внутри здания.

Принципы ряда метеорологических приборов были пред­ложены еще в XVII—XIX веках.

В настоящее время создаются новые конструкции приборов с использованием воз­можностей современной техники: термо- и фотоэлементов, полу­проводников, радиосвязи и радиолокации, различных химиче­ских реакций и т. п. Особенно нужно отметить применение в последние годы в метеорологических целях радиолокации. На экране радиолокатора (радара) можно обнаружить скопления облаков, области осадков, грозы и даже большие атмосферные вихри (тропические циклоны) в значительном отдалении от на­блюдателя и прослеживать их эволюцию и перемещение.

Используются с большим успехом автоматические станции, передающих свои наблю­дения в течение более или менее длительного времени без вме­шательства человека.

Методы аэрологических наблюдений

Простым видом аэрологических наблюдений яв­ляется ветровое зондирование, т. е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров-пилотов. Так называ­ются небольшие резиновые шары, наполняемые водородом и выпускаемые в свободный полет. Наблюдая в теодолиты за по­летом шара-пилота, можно установить скорость и направление ветра на тех высотах, на которых летит шар.

В настоящее время при аэрологических наблюдениях над ветром все шире применя­ются методы радиообнаружения и радиолокация (радиоветровое зондирование), обеспе­чивающие получение сведений о ветре при наличии облачного покрова.

Распространился метод радиозондирования: Прикрепленный к шару при­бор — радиозонд, находясь еще в полете, посылает радиосиг­налы, по которым можно определить значения метеорологиче­ских элементов в высоких слоях.

Радиозондирование вытеснило другие методы температур­ного зондирования — подъем метеорографов на змеях, привяз­ных аэростатах, самолетах и пр.

Самолет остается, однако важным средством для специальных сложных наблюдений, тре­бующих участия наблюдателя, например для изучения физического строения облаков, для актинометрических и атмосферно электрических наблюдений

Для исследования еще более высоких слоев атмосферы производят выпуски метеорологических и геофизических ракет с приборами, показания которых передаются по радио. Потолок подъема ракет в настоящее время стал уже неограниченным.

С 1960 г. регулярно запускаются так называемые метеорологические спутники, предназначенные для исследования нижележащих слоев атмосферы. Они фотографируют и передают телевизион­ным путем распределение облачности по Земному шару, а так­же измеряют поступающую от земной поверхности радиацию.

Приборы для измерения и регистрации температуры воздуха

Как правило, используются следующие виды термометров:

1) психрометрический ртутный для станционного психрометра (сухой термометр психрометра Августа);

2) максимальный ртутный;

3) минимальный спиртовой.

Для непрерывной регистрации температуры воздуха служит термограф.

Основным термометром для измерения температуры воздуха является ртутный психрометрический термометр со шкалами температур (-35 °С)-(+40 °С) либо (-25 °С)-(+50 °С.

Для измерения максимальных и минимальных температур применяются ртутные максимальные и минимальные термометры специальной конструкции.

Регистрация максимальной и минимальной температуры за промежуток времени между наблюдениями обеспечивается за счет особой конструкции соответствующих термометров.

Правила установки приборов

На метеостанциях приборы, предназначенные для измерения температуры воздуха, помещаются в специальную жалюзийную (её принято называть психрометрической) будку. Это необходимо, так как если выставить термометры на открытый воздух без какой-либо защиты от ветра, осадков, солнечного излучения, то показывать они будут свою собственную температуру, а не температуру окружающего воздуха. Конструкция будки (двойные жалюзи), с одной стороны, обеспечивает необходимую защиту приборов, с другой – не препятствует свободному воздухообмену. Будка устанавливается таким образом, чтобы приборы находились на высоте 2 м над уровнем почвы. Термограф устанавливается в отдельной психрометрической будке, специально предназначенной для самописцев.

Для срочных отсчётов применяют психрометрический термометр станционного психрометра, иначе называемый сухим термометром психрометра Августа, устанавливаемый на металлическом штативе психрометра в вертикальном положении. Для определения температурных экстремумов в будке располагают (на специальных крюках в нижней части психрометра горизонтально, чтобы нейтрализовать действие силы тяжести на столбик жидкости) ртутный максимальный и спиртовой минимальный термометры.

Методика проведения наблюдений

При снятии показаний термометров необходимо следить за выполнением следующего требования: глаза наблюдателя должны находиться точно против конца столбика ртути (спирта). Это достигается таким положением глаз, при котором отметки шкалы не терпят излома (штрихи шкалы прямые). Линии визирования должны быть перпендикулярны шкале в месте отсчета.

Отсчет показаний термометров всегда производят с точностью до 0,1 °С, независимо от цены деления шкалы. Начинают измерение с отсчёта десятых долей градуса, затем отсчитывают целые.

Отсчеты делают быстро. Этим стремятся исключить или уменьшить тепловое «влияние наблюдателя» на показания термометра

После снятия отсчета необходимо максимальный термометр подготовить к последующему измерению. Для этого берут его и несколько раз сильно встряхивают. Второй отсчет должен совпадать с показанием сухого термометра.

По минимальному термометру делают два отсчёта: первый – по штифту (по тому его концу, который противоположен резервуару термометра; тем самым будет зафиксирован минимум температуры со времени последнего отсчёта), второй – по спирту (он показывает значение температуры в момент наблюдения). После чего минимальный термометр поворачивают резервуаром кверху и удерживают в таком положении до тех пор, пока штифт не дойдёт до мениска спирта; затем его снова помещают в будку в горизонтальном положении.

Показания максимального термометра после встряхивания и показания минимального термометра по спирту должны совпадать с показаниями психрометрического термометра.

Приборы для измерения температуры почвы

Основными приборами для измерения температуры почвы в системе гидрометеослужбы являются:

1) ртутный метеорологический – для определения температуры поверхности почвы;

2) ртутный максимальный;

3) спиртовой минимальный.

4) ртутные метеорологические коленчатые (Савинова) – для измерения температуры верхних слоёв почвы на глубинах 5,10,15,20 см на участке без растительного покрова;

5) почвенные вытяжные – для измерения температуры почвы на глубинах 0,2, 0,4, 0,8, 1,2, 1,6, 2,4, 3,6 м на участке с естественным растительным покровом.

Правила установки приборов

Для измерения температуры поверхности почвы отводится специальная площадка, лишённая растительности и взрыхлённая (лопатой и граблями), на поверхности которой размещают срочный, максимальный и минимальный термометры. В зимнее время года эти термометры кладут на снег. Их располагают горизонтально, таким образом, чтобы резервуары с температурной жидкостью плотно соприкасались с почвой (снегом) и были на половину в неё (него) заглублены. Укладывают приборы резервуарами на юг, на расстоянии 5-10 см один от другого.

Термометры Савинова устанавливаются на той же площадке вскопанной и взрыхлённой обнажённой почвы, что и срочный, максимальный и минимальный термометры, с востока на запад, с возрастанием глубины установки к западу; шкалы ориентируются на север. Для этого в почве выкапывается узкая канавка с отвесной стенкой, в которой на соответствующих глубинах (5, 10, 15 и 20 см) протыкаются горизонтальные скважины, соответствующие размерам резервуара и прилегающей к нему (до изгиба) части термометра). Термометры вставляются в скважины до изгиба, канавка осторожно, чтобы не сместить приборы, засыпается почвой, при этом желательно, по возможности, сохранить естественное взаиморасположение слоёв почвы. Как правило, на термометрах имеются специальные метки, показывающие, до какой глубины их нужно засыпать землёй. Если термометры установлены правильно, их надземные части должны быть наклонены к поверхности почвы под углом 45°.

Вытяжные термометры устанавливаются стационарно на площадке с нетронутым растительным покровом, с востока на запад по возрастающим глубинам, на расстоянии 0,5 м один от другого. Трава (летом) и снег (зимой), покрывающие место установки приборов, не должны вытаптываться в процессе снятия показаний, поэтому для этой цели с северной стороны линии установки термометров (со стороны шкал) оборудуется откидная деревянная скамейка высотой 0,5 м, со спинкой и приставной лесенкой сбоку (чтобы наблюдатель мог взобраться на неё).

Измерение влажности воздуха

В приземных условиях влажность воздуха определяется всего удобнее психрометрическим методом, т. е. по показаниям двух термометров — с сухим и со смоченным резервуаром (сухого и смоченного) По разности температур сухого и смочен­ного термометров вычисляют упругость пара и относительную влажность воздуха

Величины упругости на­сыщения в психрометрических таблицах всегда даются для плоской поверхности пресной воды. Для отрицательных темпе­ратур дополнительно даются соответствующие значения отно­сительно льда. Пара термометров — с сухим и со смоченным резервуаром — называется психрометром.

Для экспедиционных и микроклиматических наблюдений приме­няется аспирационный психрометр Ассмана,

Применяют также волосной гигрометр, основанный на том, что обезжиренный волос изменяет свою длину при изменении от­носительной влажности. Это относительный прибор, который нужно градуировать по психрометру. Принцип волосного гигро­метра применяется в самопишущих приборах (гигрографах и метеорографах).

Давление:

Основной прибор, используемый в настоящее время – барометр станционный чашечный ртутный, точность отсчёта – 0,1 мб (гПа).

Действие прибора основано на зависимости положения уровней вещества, находящегося в жидком состоянии, в сообщающихся сосудах от действующей на него разности давлений. Прибор состоит из стеклянной трубки, заполненной ртутью. Верхний конец трубки запаян, а нижний погружён в чашку с ртутью. Чашка прибора состоит из 3-х частей, соединённых резьбой. Средняя часть имеет внутри диафрагму с отверстиями, затрудняющую колебания ртути. Стеклянная трубка защищена металлической оправой, на которую нанесена шкала в Мб (гПа). В оправу барометра вмонтирован термометр. В прорези оправы находится подвижный индекс с нониусом для точного отсчёта положения мениска ртути в трубке. Совмещение нижнего среза индекса с нониусом для точного отсчёта производится с помощью кремальеры.

Барометры-анероиды, барограф – датчик – блок анероидных мембранных коробок, деформирующихся при изменении внешнего давления.

Современные дистанционные приборы – БРС-1(Россия). Датчик – модуль давления, представляющий частотный преобразователь на базе тонкостенного цилиндрического резонатора. Датчик температуры – термочувствительный кварцевый резонатор.

Правила установки приборов

Ртутный барометр устанавливается в помещении в таком месте, чтобы не испытывал резких колебаний температуры. Для его размещения на капитальную стену внутри помещения навешивается специальный двухстворчатый шкафчик треугольной формы. В заднюю стенку шкафчика, вверху, ввинчивается болт, на который и подвешивается барометр за специальное кольцо, прикреплённое к верхней части металлического цилиндра-оправы. Для того чтобы при наблюдениях конец столбика ртути был хорошо виден, задняя стенка шкафчика покрывается матовым стеклом или на неё против прореза оправы наклеивается лист белой бумаги. В тёмное время суток при снятии показаний задняя стенка шкафчика освещается фонарём или электролампой. После отсчёта фонарь немедленно выключается, чтобы избежать нагревания ртути и, соответственно, искажения показаний прибора.

Барометр-анероид на метеостанции устанавливается строго горизонтально в психрометрической будке или на специальной полочке в рабочем помещении самой станции, в футляре, который снимается только при проведении наблюдений.

Барограф устанавливается рядом с барометром на специальной полке в помещении метеостанции.

Ветер

Движение воздуха относительно земной поверхности называется ветром.

Различают сглаженную скорость ветра, то есть среднюю величину скорости за некоторый, обычно небольшой промежуток времени и мгновенную скорость ветра.

Порывистость – зримое проявление турбулентности.

При наблюдениях на метеостанциях под ветром понимают только горизонтальную составляющую. Определяют:

1. среднюю скорость ветра;

2. среднее направление ветра;

3. максимальную скорость ветра (скорость ветра при порывах);

4. максимальную скорость ветра между сроками наблюдений (макс. порыв за 3 ч.).

Приборы:

Анеморумбометр – предназначен для измерения мгновенной скорости ветра (осреднённой за 2-5 с), максимальной скорости ветра между двумя измерениями , средней скорости ветра за последовательные 10-минутные интервалы времени и направления ветра.

Принцип – преобразование скорости ветра, а также направления в напряжение.

Является основным прибором, используемым в системе гидрометеослужбы.

При измерении скорости ветра по флюгеру Вильда наблюдатель должен отойти от столба в направлении, перпендикулярном положению флюгарки, в продолжении двух минут наблюдать за положением доски, и отметить среднее положение за это время (номер штифта). Оно и будет соответствовать средней за 2 минуты скорости ветра. По верхнему положению флюгарки за время наблюдений отмечается максимальный порыв. Для измерения среднего направления ветра наблюдатель должен, встав около мачты под указателем направления, отметить среднее положение колебаний флюгарки за 2 минуты, определив глазомерно румб.

Анемометр ручной – это один из простых и точных приборов для измерения скорости ветра в диапазоне от 1 до 20 м/с. Обычно используется интервал осреднения от 1 до 10 минут. Чувствительными элементами датчика скорости является вертушка с четырьмя полусферическими чашками. Вращение вертушки передается на счетный механизм с тремя шкалами (тысячи, сотни, десятки и единицы оборотов). Включаться и выключаться прибор может дистанционно с расстояния до 10 метров с помощью шнурка – тяги. Прибор исключительно удобен в полевых условиях, используется он также при градиентных измерениях.

Для измерения скорости ветра с помощью анемометра отсчитывают начальные показания стрелки прибора, затем одновременно включают секундомер и сам прибор и делают конечный отсчет. Разность отсчетов делится на разность времени в секундах и находится число оборотов в секунду. По этой величине с тарировочного графика снимается скорость ветра.

Возможна также непрерывная регистрация хода средних скоростей. Для этого через заданные промежутки времени делаются отсчеты без выключения прибора. При этом надо сначала отсчитывать единицы, затем сотни и потом тысячи.