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1、降水、积雪和蒸发的测量,9.1 概述9.2 降水的观测9.3 雪深和雪压的观测9.4 蒸发的观测9.5 复习思考题,9.1 概述,降水、蒸发观测的意义：云中的水分以液态水或固态水下降到达地面，成为陆上水分的主要来源，同时地上的水分又以蒸发(蒸腾)的形式进入大气，这种水分循环对人类的生产、生活有着极为密切的关系。降水指从天空降落到地面上的液态或固态（融化后）的水。雨、冰雹、雪、露、雾凇、白霜等。,9.2 降水的观测,一、要素：降水量、降水时数、降水强度 1.降水量：指某一段时间内降落在地面上未经蒸发、渗透或流失的液态或固态降水，在水平面上的积累深度，单位为mm，取一位小数，气象站观测每分钟、时、
2、日降水量。2.降水强度：单位时间内的降水量，以mm/h为单 位，通常测定5分钟、10分钟和1小时内的最大降水量。3.降水时数：降水持续的时间，以h,min为单位。,降水强度的划分,液态降水测量仪器：承水法、光学法、雷达微波法和卫星遥感法。承水法是直接测量方式，先用一个一定口径的承雨器来收集雨水，再利用雨水的容积、重量、压力、导电特性、介电特性的变化随降水而变化的特性来测量降水量，有雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、双阀容栅式雨量传感器等。,（1）雨量筒： 用于承接降水量；包括承水器、贮水瓶和外筒，正圆形承水器，其口缘镶有内直外斜刀刃形的铜圈，以防雨滴溅失和筒口变形。 （2）雨量杯： 用于测量
3、降水量；,二、常用降水量测量仪器有： 1.雨量器原理：包括：,若承接口的半径为R，量杯的半径为r，则降水量1mm时，在量杯中应为hmm，即： （11.1) 我国现用的雨量器R=10cm,r=2cm。由此可知，桶内积水深度为1mm时，量杯内水深为25mm，因此，可将量杯上每2.5mm刻制一条线，代表降水量为0.1mm。,（3）雨量器的安装： 雨量器应安装在观测场内固定的架子上，承接口保持水平。我国规定承接口距地面70cm，冬季积雪较深的地区，当积雪深度超过30cm时，应距地1.0-1.2m高。单纯测量降水的站点不宜选择在斜坡或建筑物顶部，应尽量选在避风地方。不要太靠近障碍物，最好将雨量仪器安在低
4、矮灌木丛间的空旷地方.,（4）雨量器的观测和记录 每天08、20时分别量取前12小时降水量做为正式记录。,2.雨量计的测量原理： 能连续记录降水量、降水时间，表示降水随时间变化，并由此可计算降水强度。常用的有：虹吸式雨量计；翻斗式雨量计两种。,虹吸原理图： 包括：承接口、漏斗、自记系统（自计钟、自记纸、自记笔）、浮子、浮子室、虹吸管、盛水器等。 当有液体降水时，降水从承接口经漏斗进入浮子室。浮子室是一个圆桶容器，内装浮子，外接虹吸管，降水使浮子上升，带动自记笔在钟筒自记纸上画出记录曲线。,2.1 虹吸式雨量计的测量原理,当自记笔尖升到自记纸刻度的10mm时，浮子室内的水恰好上升到虹吸管顶端，虹
5、吸管开始迅速排水，使自记笔尖回到刻度“0”线，重新开始记录。因此，自记曲线的坡度可以表示降水强度。由于虹吸过程中落入雨量计的降水也随之一起排出，因此要求虹吸排水时间尽量快，以减少测量误差。 虹吸原理示意图：,虹吸式雨量计,雨量计的安装： 雨量计应安装在雨量器的附近的木桩或水泥基坐上。承接口应水平，并用绳索拉紧。内部机件的安装：先将浮子室安好，使进水管刚好在承水器漏斗的下端；再用螺钉将浮子室固定在座板上；将装好自记纸的钟筒套入钟轴；最后把虹吸管插入浮子室的侧管内，用连接螺帽固定。虹吸管下部放入盛水器。开始使用前必须按顺序进行调整检查：, 调整零点，往承水器里倒水，直到虹吸管排水为止。待排水完毕，
6、自记笔若不停在自记纸零线上，就要拧松笔杆固定螺钉，把笔尖调至零线再固定好。 用10mm清水，缓缓注入承水器，注意自记笔尖移动是否灵活；如摩擦太大，要检查浮子顶端的直杆能否自由移动，自记笔右端的导轮或导向卡口是否能顺着支柱自由滑动。, 继续将水注入承水器，检查虹吸管位置是否正确。一般可先将虹吸管位置调高些，待10mm水加完，自记笔尖停留在自记纸10mm刻度线时，拧松固定虹吸管的连接螺帽，将虹吸管轻轻往下插，直到虹吸作用恰好开始为止，再固定好连接螺帽。此后，重复注水和调节几次，务必使虹吸作用开始时自记笔尖指在10mm处，排水完毕时笔尖指在零线上。,雨量计的观测和记录： 自记纸的更换 无降水时，自记
7、纸可连续使用8-10天，用加注1.0mm水量的办法来抬高笔位，以免每日迹线重叠。 有降水（自记迹线上升0.1mm）时，必须换纸。自记记录开始和终止的两端须做时间记号，可轻抬自记笔根部，使笔尖在自记纸上划一短垂线；若记录开始或终止时有降水，则应用铅笔做时间记号。, 当自记纸上有降水记录，但换纸时无降水，则在换纸前应作人工吸虹（给承水器注水，产生吸虹），使笔尖回到自记纸“0”线位置。若换纸时正在降水，则不作人工虹吸。, 自记纸的整理 在降水微小的时候，自记迹线上升缓慢，只有累积量达到0.05mm或以上的那个小时，才计算降水量。其余不足0.05mm的各时栏空白。,误差在虹吸过程中的降水被吸走，虹吸管
8、不能把水完全吸净，两者有一定的抵消作用浮子室内径上下不均匀，承水口内径与浮子室内径比例不是9.7倍。,翻斗式雨量计由:感应器、记录器、电源组成; 感应器安装在室外由:承接器、上翻斗、计量翻斗、 计数翻斗、干簧管组成; 记录器安装在室内由:计数器、记录系统、电路控制系统组成;二者用导线连接，用来遥测并连续采集液体降水量。,2.2 翻斗式雨量计的测量原理,2.2 翻斗式雨量计的测量原理（续）感应器的工作过程是,承接器中收集的降水通过漏斗进入上翻斗,当降水积到一定量时,由于水的重力作用,使翻斗翻转,使降水进入汇集漏斗。 由汇集漏斗进入计量翻斗，当计量翻斗中的降水量为0.1mm时，计量翻斗将降水倒入计
9、数翻斗，使计数翻斗翻转1次。,计数翻斗翻转时，与它相联的磁钢对干簧管扫描一次。干簧管因磁化而瞬时闭合一次，这样，降水量每达到0.1mm，就送出一个开关信号，通过记录器在记录纸上记下0.1mm的降水量。降水承接器上翻斗汇集漏斗计量翻斗计数翻斗翻转一次送出一个信号记录一个0.1mm的降水量。,翻斗式雨量计,翻斗雨量计原理,如发现差值超过4%时，应作基点调整。调整方法：旋动计量翻斗的两个定位螺钉。将一个定位螺钉旋动一圈，其差值改变量为3%左右；如两个定位螺钉都往外或往里旋动一圈，其差值改变量为6%左右。如差值(排水量-记数值 100% )是负2%时，可将其中的一个定位螺钉往外旋动2/3圈。,调整与维
10、护,排水量 如差值是正6%时，可将两个定位螺钉都往里旋动一圈。为使调节位置准确，在松开定位螺帽前，需在定位螺钉上作位置记号。调节好后，需拧紧定位螺帽。每一次降水过程将计数值与自身排水总量比较，如多次发现10mm以上降水量的差值超过4%，则应及时进行检查。必要时应调节基点位置。,改进型翻斗传感器,断流翻斗 误差主要来源于翻斗在翻转瞬间，中间隔板未越过中心线之前，漏斗内仍有雨水向翻斗注水。溢水翻斗导流翻斗虹吸翻斗 P202,自记纸的整理,a时间差订正 自记钟运行24小时日时差达一分钟或以上时，对自记记录均需进行时间差订正。其订正方法与电接风向风速记录相同。b按上升迹线计算出两个正点记号间水平分格线
11、实际上升的格数，即为该时降水量。如换纸时有降水，致使换纸时间内的降水未记录上，这一部分量应作为换纸所在时段里的降水量。没有上升迹 线的各时段空白。 c降雹时按自记迹线读取各时降水量，但应在自记纸背面注明降雹起止时间(夜间不守班班的站，夜间降雹可只注明情况)。,由承水器（口径为159.6mm）、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号（1脉冲为0.1mm）传输到采集系统。,2.3 单翻斗雨量传感器,该传感器也是用来自动测量降水量的仪器，主要由
12、承水器、贮水室、浮子与感应极板，以及信号处理电路等组成。,2.4 双阀容栅式雨量传感器,它是利用降水量贮水室内浮子随雨量上升带动感应极板，使容栅移位传感器产生的电容量变化，经转换为位移计量的原理测得降水量。,水导式雨量传感器 利用雨水的高阻值导电特性，在贮水容器里等间距地设置n个金属电极，降水使贮水器内水位升高，并使雨水依次与各个电极接触，测量电路根据接通电极数即可计算出降雨量。测量电路可以是多谐振荡器，雨水接通的电极数不同，则振荡器的频率不同，即可将降雨量转换为脉冲频率的变化。,光学雨量计：工作原理：无降水时喷嘴中水柱重力、喷嘴口外半球形水滴重力和半球形水滴表面的张力相平衡，喷嘴不滴水；降水
13、时，贮水器内液面升高，静压力增大，水滴从喷嘴滴出。测量雨滴经过一束光线时，由于雨滴的衍射效应引起光的闪烁，闪烁光被接收后进行谱分析，其谱分布与单位时间通过光路的雨强有关。输出信号的数值及其组合可以得到降水强度及其降水性质的信息。,2.5 光学雨量计,2.6降水量测量误差,由于地形和天气系统引起的降水分布不均匀造成降水量的测量代表性交差。动态误差溅水误差 边沿设计成刀刃形、周围地面种植草坪蒸发误差 承水器接水面光滑，实时自动测量风造成的误差 承水器口尽可能低，安装场地气流成水平流动，距离高大障碍物高度2-4倍距离。静态误差承水器口的公差 截面变形，截面积变小沾水误差 采用憎水材料安装和使用误差
14、承水器口与地面平行，防止昆虫、树叶堵塞。,雪深 积雪表面到地面的垂直深度，以厘米为单位取整；雪压是单位面积上的积雪重量，克/平方厘米，取一位小数。当气象站四周视野地面被雪(包括米雪、霰、冰粒)覆盖超过一半时要观测雪深；每月5、10、15、20、25、最后一日，若雪深达5厘米以上，在雪深观测后，观测雪压。,9.3雪深和雪压,观测地段 观测场附近平坦、开阔地，入冬前平整好清除杂草，做好标记。雪深 符合观测雪深的日子，每日8点用木制有厘米刻度的直尺，做3次测量（彼此相距应在10m以上 ），求平均。超声波雪深传感器 利用超声波在声阻抗不同的两种物质界面上产生反射的性质测量界面距离的原理。,量雪尺,雪压
15、观测1、体积量雪器是测量雪压用的一种仪器。由一内截面积为100cm2的金属筒、小铲、带盖的金属容器和量杯组成。测雪压取三个样本，并取其平均值。雪压计算公式为：P=M/100 P为雪压（g/cm2）；M为样本重量(g)，分母100为量雪器内截面积(cm2)。,体积量雪器,称雪器,2、称雪器由带盖的圆筒、秤和小铲等组成 。 取样时，将圆筒(锯齿形的一端)向下垂直插入雪中，直到地面。然后拨开圆筒一边的雪，把小铲插到圆筒底沿下面，连同圆筒一起拿起，再将筒翻转，擦净粘在筒外的雪，把筒挂在秤钩上，移动秤锤，直到秤杆水平为止，读出秤锤准线对应于秤杆上的刻度数，取一位小数。P=M/S=m,称重式雨量传感器 利
16、用电子秤称出容器内收集的液体或固态降水的重量，挡板和海绵可以消除雨水从漏斗口落入容器时产生的动力冲量。电子秤还可以做成半导体应变片、石英振梁式压力传感器、压电式压力传感器等形式。浮筒式雨雪量计 主容器和测量容器连通，雨雪通过承水口进入采集浮筒内，使不冻液的液面升高，测量容器内的温度补偿浮筒随着升高，触针与测高机构的石墨平面相接触，通过测量电路发出一个脉冲信号，同时使测量机构抬高一个相对于0.1mm降水量的高度。,9.4 蒸发的观测,由于蒸发而消耗的水量称蒸发量。气象台站测定的蒸发量是水面蒸发量，即指一定口径的蒸发器中水面，在一定时间间隔内因蒸发损失的水层厚度，以 mm为单位，取一位小数。,影响
17、蒸发的因子,气象因子 能量方面，潜热消耗 动力方面，水汽输送表面因子 水面性质，水量，器壁浸润性等,一、测量蒸发量的台站仪器,1、小型蒸发器 小型蒸发器为一口径为20cm，高10cm的金属筒。为防止鸟兽饮水，器口装有辐射状的铁丝网罩。蒸发器安装在观测场的雨量器旁边，器口水平，离地面高70cm。,观测和记录,每天20时进行观测，测量前一天20时注入的20mm清水(即今日原量)经24小时蒸发剩余的水量，记入观测簿余量栏。然后倒掉余量，重新量取20mm(干燥地区和干燥季节须量取30mm)清水注入蒸发器内，并记入次日原量栏。蒸发量计算式如下： 蒸发量=原量+降水量-余量 因降水或其它原因，致使蒸发量为
18、负值时，记0.0。蒸发器中的水量全部蒸发完时，按加入的原量值记录，并加“”,如20.0。 如结冰期有风沙，在观测时，应先将冰面上积存的尘沙清扫出去，然后秤重。,没有E601B型蒸发器的气象站，全年使用小型蒸发器进行观测；有E601B型蒸发器的，且冬季结冰期较长的气象站，停止E601B型观测，用小型蒸发器进行冰面蒸发量观测，用秤量法测量。二种仪器替换时间应选在结冰开始和化冰季节的月末20时观测后进行。E601B型和小型蒸发器测得的蒸发量分别记在“大型”与“小型”栏内。,2、E601蒸发器 图示 主要由：蒸发桶、水圈、溢流桶、测针组成； 蒸发桶器口面积为3000cm。在桶壁上开有溢流孔，用胶管与溢
19、流桶相连，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。桶涂成白色，以减少太阳辐射。水圈是装置在蒸发桶外围的套，用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。测针用于测量蒸发器内的水面高度。,观测和记录,每日20时进行观测。观测时先调整测针针尖与水面恰好相接，然后从游标尺上读出水面高度。如果由于调整过度，使针尖伸入到水面之下，此时必须将针尖退出水面，重新调好后始能读数。 蒸发量=前一日水面高度+降水量(以雨量器观测值为准)-测量时水面高度,观测和记录,观测后检查蒸发桶内的水面高度，如水面过低或过高，应加水或汲水，使水面高度合适。每次水面调整后，应测量水面高度值，记入观测簿次日蒸发量的“原量”栏，作为次日观测器内水面
20、高度的起算点。如因降水，蒸发器内有水流入溢流桶时，应测出其量(使用量尺或3000cm2口面积的专用量杯；如使用其它量杯或台秤，则须换算成相当于3000cm2口面积的量值)，并从蒸发量中减去此值。,观测和记录,为使计算蒸发量准确和方便起见，在多雨地区的气象站或多雨季节应增设一个蒸发专用的雨量器。该雨量器只在蒸发量观测的同时进行观测。 有强降水时，通常采取如下措施对E601B型蒸发器进行观测： 降大到暴雨前，先从蒸发器中取出一定水量，以免降水时溢流桶溢出，计算日蒸发量时将这部分水量扣除掉。,观测和记录, 预计可能降大到暴雨时，将蒸发桶和专用雨量筒同时盖住（这时蒸发量按“0.0”计算），待雨停或转小
21、后，把蒸发桶和专用雨量筒盖同时打开，继续进行观测。,冬季结冰期很短或偶尔结冰的地区，结冰时可停止观测，各该日蒸发量栏记“B”；待某日结冰融化后，测出停测以来的蒸发总量，记在该日蒸发量栏内。但不得跨月、跨年。当月末或年末蒸发器内结有冰盖时，应沿着器壁将冰盖敲离，使之呈自由漂浮状后，仍按非结冰期的要求，测定自由水面高度。冬季结冰期较长的地区停止观测，整个结冰期改用小型蒸发器观测冰面蒸发 ，但应将E-601B型蒸发器内的水汲净，以免冻坏。,3、蒸发自动测量传感器 图示该传感器由超声波传感器和不锈钢圆筒组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对E601B型蒸发器内水面高度变化进行检测，转换成电
22、信号输出。并配置温度校正部分，以保证在使用温度范围内的测量精度。它的测量范围为0-100mm，分辨率0.1mm ，测量准确度1.5%(0+50)。俄罗斯GGI-3000蒸发器俄罗斯20m2蒸发池 (国际参考标准),4、Lysimeter 蒸散量测量仪（蒸渗仪）图示土壤表面与植被系统的蒸散量的测量是较复杂的。包括土壤表面的蒸发、植被的蒸腾等，它们与土壤含水量、水的径流、渗漏及大气的温度、湿度和风速有关。,蒸散量=当日土柱重量-前日土柱重量-降水量-浇灌量,若降水量=0；浇灌量=0蒸散量=当日土柱重量- 前日土柱重量,把蒸发器埋入地中，有助于减少不良边界的影响，如侧壁上的辐射和大气与蒸发器之间的热交换，但也存在不利之处：1、导致蒸发器内聚集更多的杂物，难以消除；2、渗漏不易检测与纠正；3、邻近蒸发器的植被高度影响更大；4、在蒸发器和土壤之间存在明显的热交换5、大雨和强风可能导致蒸发器内的水溅出，致使测量无效。故蒸发器内的水面高度很重要。过高易造成降水溅出，蒸发量偏高；太低，由于边缘的过分屏障，蒸发量偏低；非常浅，则增强了水表加热而使得蒸发率增大。,蒸发器的主要误差来源,9.5 复习思考题,1、我国气象台站降水观测包括哪三个要素？它们的单位是什么？2、降水观测的仪器主要有哪三种？简述测量原理？3、蒸发量观测的仪器有哪些？简述E601蒸发器的测量原理？,
