Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
Метеорологические станции. Метеостанция - совокупность
различных приборов для метеорологических измерений (наблюдения за погодой).
Различают аналоговые и цифровые метеорологические
станции.
На классической (аналоговой) метеостанции имеются:
- термометр для измерения температуры;
- барометр для измерения давления;
- гигрометр для измерения влажности воздуха;
- анемометр для измерения скорости ветра;
- флюгер для измерения направления ветра;
- осадкомер для измерения осадков.
В узком смысле метеостанция - учреждение, проводящее
метеорологические наблюдения. Основным официальным метеостанциям мира присвоены синоптические индексы. В России
большинство метеостанций находятся в ведении Росгидромета. В
зависимости от установленного объёма наблюдений метеостанции имеют определённый разряд.
Цифровые метеостанции бывают различного назначения
(дорожные, лесные, бытовые).
Дорожная метеостанция – комплекс цифровых приборов
для определения основных метеорологических характеристик.
Кроме того, в дорожных метеорологических станциях используют датчик температуры поверхности и датчик температуры на
глубине 30 см (под покрытием), а также контроллер и GPRS модуль для передачи данных в информационные центры. Для информирования водителей о погодной обстановке используют информационные табло, с температурой поверхности и воздуха. Так
же могут на табло могут появляться предупреждения «Мокрая
дорога», «Сильный боковой ветер» и другие.
Лесные метеостанции служат для предупреждения возможности лесных пожаров. Чаще всего такие метеостанции работают
от аккумуляторов. Станции собирают климатические данные, такие, как влажность дерева, почвы и температура на различных
уровнях высотности лесов. Данные обрабатываются и моделируется карта пожарной активности, что помогает справится пожар-
231
ным с возможным воспламенением, либо предотвратить распространение пожара.
Бытовые домашние метеостанции появились на рынке
сравнительно недавно. Родоначальниками бытовых метеостанций
являются обыкновенные барометры. Функциональность домашней метеостанции схожа с метеорологической станцией, только
обрабатывается гораздо меньше данных, которые поступают с
одного или нескольких датчиков, устанавливаемых за окном и в
других помещениях. Домашние метеостанции показывают температуру в помещении, температуру вне помещения, измеряют
влажность, атмосферное давление и исходя из обработки процессором полученных данных формируют прогноз погоды на сутки.
Работают как от электрической сети, так и от сменных элементов
питания.
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 передаются по средствам связи 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 величины:
- Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхно-
стью.
- Атмосферное давление.
- Влажность воздуха - парциальное давление 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 об-
лаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направление движения облаков.
232
- Количество осадков, выпавших из облаков, их типы
(дождь, морось, снег и пр.).
- Наличие и интенсивность различных осадков, образую-
щихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана.
- Горизонтальная видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов.
- Продолжительность солнечного сияния.
- Температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве.
- Высота и плотность снежного покрова.
На некоторых станциях - испарение воды с водных поверх-
ностей 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. На большом числе дополнительных станций (постов) производятся наблюдения только над осадками и снежным
покровом, так как для лучшего выяснения распределения этих
величин нужна более густая сеть наблюдений. В программу работы станций, имеющих определенный производственный профиль, например сельскохозяйственных, транспортных, авиационных, включаются особые дополнительные наблюдения.
Не все метеорологические величины наблюдаются в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется
четыре раза в сутки, высота снежного покрова - один раз в сутки,
плотность снега - один раз в пять дней и т. д.
В программы наблюдений обсерваторий и отдельных станций входят еще актинометрические наблюдения над солнечной
радиацией, земным излучением, отражательными свойствами
(альбедо) поверхности земли и воды; наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое
воздуха (градиентные наблюдения); измерения содержания в воз-
233
духе 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.
Метеорологические приборы. Наблюдения на метеорологи-
ческих станциях в основном имеют характер измерений и ведутся с помощью специальных приборов. Лишь немногие метеорологические величины 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.
Метеорологические приборы устанавливаются на площадке
станции под открытым небом. Только приборы для измерения
атмосферного давления (барометры) устанавливаются в закрытом
помещении станции, так как разница между давлением воздуха
под открытым небом и внутри помещения ничтожно мала (практически отсутствует) .
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. Отсчеты по приборам делаются наблюдателем в установленные сроки. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерывную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических величин (особенно температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра).
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 ХVII -- ХIХ вв. В настоящее время в метеорологическом приборостроении наблюдается быстрый прогресс. Создаются новые конструкции приборов с использованием возможно-
234
стей 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.
Как упоминалось выше, достигнуты успехи в конструировании автоматических станций, передающих свои наблюдения в
течение более или менее длительного времени без вмешательства
человека, анализе данных с метеорологических спутников.
Измерение температуры. Проводят с помощью термомет-
ров.
Термометр - прибор для измерения температуры воздуха,
почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров: жидкостные, механические, электрические, оптические, газовые.
Кроме того, для измерения температуры применяют термографы и комбинированные приборы (метеометры).
Жидкостные термометры основаны на принципе изменения
объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт
или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.
При температуре выше 0 0С следует пользоваться ртутными термометрами, так как ртуть при нагревании расширяется
равномерно, при низких температурах - спиртовыми, так как ниже -39 0С ртуть замерзает.
Термометры механического типа действуют по тому же
принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.
Термографами регистрируется температура окружающего
воздуха во времени. Приемной частью термографов МТ-22Н, М-16
является изогнутая металлическая пластина, связанная при помощи рычага и стрелки с пером. Запись осуществляется на ленте,
опоясывающей барабан, который приводится в движение часо-
235
вым механизмом. Продолжительность одного оборота барабана в
приборе М-16с - 24 ч, в приборах МТ-22Н и М-16н - 176 ч.
Принцип работы электрических термометров основан на
изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.
Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов,
зависящую от температуры). Наиболее точными и стабильными
во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику.
Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление
при 0 °C - 100 Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C - 1000 Ω).
Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных
параметров.
Измерение влажности. Относительная влажность воздуха
определяется при оценке состояния воздушной среды. Относительная влажность - это отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженная в процентах.
Абсолютная влажность - упругость водяных паров в момент исследования, выраженная в миллиметрах ртутного столба,
или массовое количество водяных паров, находящихся в 1 м3 воздуха в момент исследования, выраженное в граммах.
Максимальная влажность - упругость или масса водяных
паров, которые могут насытить 1 м3 воздуха при данной температуре.
Относительную влажность определяют на психрометрах,
гигрометрах, гигрографах.
Психрометр аспирационный состоит из двух одинаковых
ртутных термометров, закрепленных в специальной оправе,
имеющей заводской механизм с вентилятором. Вентилятор, помещенный в верхней части корпуса, приводится в движение и
просасывает воздух со скоростью 2 м/с. Через 4-5 мин. после запуска вентилятора (не выключая его) можно снимать показания
236
термометров. Шарик влажного термометра обвязывают тонкой
755
⋅−⋅
материей и смачивают водой. Вода, испаряясь, охлаждает поверхность термометра, вследствие чего показания влажного термометра всегда ниже показаний сухого.
Абсолютная влажность (Р) по показаниям аспирационного
термометра вычисляется по формуле
B)(5,0
tt
РP
−=
m
влсух
,
где Рм - максимальная упругость водяных паров при температуре влажного термометра (табличные данные), мм. рт. ст.;
0,5 - постоянный психрометрический коэффициент;
t
- показания сухого термометра, 0С;
сух
tвл - показания влажного термометра, 0С;
В - барометрическое давление, мм. рт. ст.;
775 - среднее барометрическое давление, мм. рт. ст.
Для прямого определения относительной влажности служат
гигрометры и гигрографы.
Весовой (абсолютный) гигрометр состоит из системы
U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом,
способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после измерения, а
также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.
Действие волосного гигрометра основано на свойстве
обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении
влажности воздуха. Например, волосяной гигрометр МБ-1 представляет собой металлическую рамку, на которую вертикально
натянут и закреплен на оси стрелки. Изменение длины волоса под
влиянием относительной влажности воздуха передается стрелке
прибора, которая перемещается вдоль шкалы и указывает процент относительной влажности воздуха. Предел измерения - 100 %
237
относительной влажности при измерении температуры от -50 до
+50 0С.
Плёночный гигрометр имеет чувствительный элемент из
органической плёнки, которая растягивается при повышении
влажности и сжимается при понижении. Изменение положения
центра плёночной мембраны передаётся стрелке. Волосной и
плёночный гигрометр в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного
и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора - психрометра, который также
применяется для измерения влажности воздуха.
В электролитическом гигрометре пластинку из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают гигроскопическим слоем электролита - хлористого лития - со связующим материалом. При изменении влажности воздуха меняется
концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление,
недостаток этого гигрометра - зависимость показаний от температуры.
Действие керамического гигрометра основано на зависимости электрического сопротивления твёрдой и пористой керамической массы (смесь глины, кремния, каолина и некоторых окислов
металла) от влажности воздуха.
Конденсационный гигрометр определяет точку росы по
температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент
появления на нём следов воды (или льда), конденсирующейся из
окружающего воздуха. Конденсационный гигрометр состоит из
устройства для охлаждения зеркальца, оптического или электрического устройства, фиксирующего момент конденсации, и термометра, измеряющего температуру зеркальца. В современных
конденсационных гигрометрах для охлаждения зеркальца пользуются полупроводниковым элементом, принцип действия которого основан на Пельтье эффекте, а температура зеркальца измеряется вмонтированным в него проволочным сопротивлением
или полупроводниковым микротермометром.
Всё большее распространение находят электролитические
гигрометры с подогревом, действие которых основано на прин-
238
ципе измерения точки росы над насыщенным соляным раствором
(обычно хлористым литием), которая для данной соли находится
в известной зависимости от влажности. Чувствительный элемент
состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет
чулок из стекловолокна, пропитанный раствором хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных
поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.
Гигрографами регистрируются измерения относительной
влажности воздуха во времени. Чувствительным элементом гигрографа служит пучок обезжиренных человеческих волос или
органическая плёнка. Запись происходит на разграфленной ленте,
надетой на барабан, вращаемый часовым механизмом. В зависимости от продолжительности оборота барабана гигрографы бывают суточные и недельные. Предел измерения относительной
влажности от 30 до 100 % при температуре от -35 до +45 0С. Точность отсчета по прибору составляет 1 % относительной влажности.
В последнее время широкое распространение получили полупроводниковые комбинированные приборы для измерения
температуры и влажности марок ИВТМ-7 МК, ИВТМ-7 С, термогигрометры марок TESTO 615/625, HI 93640, HI 960 конструктивно состоящие из блока измерения и выносного зонда. Они
снабжены микропроцессорами, автономными источниками питания. Их достоинство - высокая чувствительность и простота эксплуатации, компактность.
Определение направления ветра и скорости движения воздуха. Для определения направления ветра служит флюгер, уста-
навливаемый на метеорологической станции на специальной
мачте высотой 10-12 метров. Флюгер свободно вращается на оси
и показывает направление, откуда дует ветер. Под стрелой флюгера закрепляют указатели, показывающие восемь частей света.
Направление ветра может определяться по горизонтальным
штифтам, ориентированным по восьми румбам, а на современных
флюгерах - с помощью электронного прибора (энкодера).
Флюгер, измеряющий одновременно направление и силу
ветра, называют флюгером Вильда. На флюгере перпендикулярно
239
направлению ветра может устанавливаться свободно качающаяся
металлическая пластина, по углу отклонения которой от вертикали определяется сила ветра. В современных флюгерах для определения силы ветра используется легкий пропеллер.
Для измерения скорости движения воздуха применяется
анемометры.
АнемоOметр - это метеорологический прибор для измерения
скорости ветра. Состоит из чашечной (или лопастной) вертушки
укреплённой на оси, которая соединена с измерительным механизмом. При возникновении воздушного потока, ветер толкает
чашечки, которые начинают крутиться вокруг оси.
В зависимости от конструкции анемометра он либо замеряет число оборотов чашечек вокруг оси за заданное время, что
равно определённому расстоянию, после чего рассчитывается
средняя скорость ветра, расстояние делится на время (анемометр
ручной). Либо чашечки соединены с электрическим индукционным тахометром, что позволяет прибору сразу показывать скорость ветра на данный момент без дополнительных вычислений и
следить за изменениями в скорости ветра в режиме реального
времени (анемометр индукционный).
Самый простой тип анемометров - это чашечный анемометр. Он был изобретён доктором Джоном Томасом Робинсоном
Ромни в обсерватории Армы, в 1846 году. В чашечном анемометре приемной частью служит крестовина с четырьмя полушариями, укрепленная на вертикальной оси. При замерах ось чашечного анемометра должна быть перпендикулярной направлению
движения воздушного потока. Под действием ветра полушария
вращаются, что отмечается счетчиком, включаемым арретиром.
Пределы измерения от 1 до 20 м/с, порог чувствительности анемометра 0,8 м/с.
Крыльчатый ручной анемометр применяется при замерах
скоростей от 0,5 до 10 м/с. Приемная часть анемометра - легкая
крыльчатка, посаженная на трубчатую ось, внутри которой проходит натянутая стальная струна. С помощью червячной передачи вращения крыльчатки передается на стрелки прибора. При замерах ось крыльчатого анемометра должна быть параллельной к
направлению движения воздушного потока.
240
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]