9. Инструментальная метеорология

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;

- скорость и направление ветра;

- облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направление движения облаков;

- количество осадков, 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.

Для метеорологических наблюдений используются метеорологические приборы. Они могут быть предназначены как для непосредственных срочных измерений, так и для непрерывной регистрации тех же элементов во времени.

Приборы для исследования радиационного режима территории. Приборы, определяющие характеристики солнечной, земной и атмосферной радиации, называются актинометрическими. Современные актинометрические приборы бывают:

- абсолютными (пиргелиометр, гелиограф), которые позволяют получать сведения о прямой солнечной радиации в калориях и продолжительности солнечного сияния в часах;

- относительными (все остальные приборы), с помощью которых можно получать лишь относительные значения радиации, которые затем необходимо переводить в абсолютные величины.

Пиргелиометр компенсационный Онгстрема. Предназначен для измерения прямой солнечной радиации, приходящей на перпендикулярную поверхность Земли (у поверхности Земли это максимально возможное количество приходящей энергии). Является абсолютным актинометрическим прибором. Служит эталоном при измерении прямой радиации (рис. 15).

При производстве наблюдений зимой пергелиометр выносится на место наблюдений. Парные наблюдения повторяются 4-5 раз, после чего производится обработка данных и расчет величины прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность.

А ктинометр термоэлектрический. Назначение: для измерения прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность. Актинометр термоэлектрический Савинова-Янишевского является относительным прибором, поскольку при измерении прямой радиации не получает величину непосредственно в калориях, а ее рассчитывают по величине электрического тока, возникшего в термопарах под действием радиации и зафиксированного гальванометром, для чего полученное значение умножают на переводной множитель гальванометра (0,02 или 0,04).

П иранометр термоэлектрический. Назначение: для измерения суммарной и рассеянной радиации. Универсальный термоэлектрический пиранометр М-80 используется как стационарный альбедометр для измерения также отраженной радиации (рис. 16). С помощью пиранометра можно измерять три потока радиации:

- при открытом приемнике – суммарную радиацию;

- при затемнении приемника экраном – рассеянную радиацию;

- при повороте приемника к почве (прибор универсальный) – отраженную радиацию.

А льбедометр термоэлектрический. Предназначен для измерения суммарной, рассеянной и отраженной радиации (универсальный прибор). По этим данным можно рассчитать величину прямой радиации, которая поступает на горизонтальную поверхность, а также поглощенной радиации альбедо подстилающей поверхности по соответствующим формулам (рис.17).

Пиргеометр. Существует несколько моделей прибора: пиргеометр Савинова, пиргеометр компенсационный Онгстрема, термоэлектрический пиргеометр Янишевского, дневные пиргеометры с фильтрами, дифференциальный пиргеометр Лайхтмана-Кугерова и др. Приборы предназначены для измерения баланса длинноволновой радиации, т.е. для измерения эффективного излучения Земли.

Гелиограф универсальный. Прибор предназначен для автоматической регистрации в часах продолжительности солнечного сияния в течение дня. Существует ряд различных систем гелиографов: гелиограф Перса, гелиограф Марвина, гелиограф Величко, но наиболее удобен в пользовании универсальный гелиограф Кемпбела-Стокса. Принцип работы состоит в следующем. Собранные стеклянным шаром прямые лучи в один узкий пучок (фокус), падая на ленту гелиографа, прожигают её. По мере перемещения в течение дня фокуса на ленте остается линия прожога, длина которой показывает продолжительность солнечного сияния, переведенная в часы по шкале ленты. При переменной облачности на шкале образуются разрывы в линии. Примечательно, что благодаря сектору широты гелиограф может фиксировать продолжительность солнечного сияния в любом месте Земли.

Приборы для измерения температуры. Жидкостные стеклянные термометры. В метеорологических термометрах чаще всего используется способность жидкости к расширению и сжатию. Обычно стеклянная капиллярная трубка заканчивается шаровидным расширением, которое служит резервуаром для жидкости. Чувствительность такого термометра находится в обратной зависимости от площади поперечного сечения капилляра и в прямой – от объема резервуара и от разности коэффициентов расширения данной жидкости и стекла. Поэтому чувствительные метеорологические термометры имеют большие резервуары и тонкие трубки, а используемые в них жидкости с увеличением температуры расширяются значительно быстрее, чем стекло. Выбор жидкости для термометра зависит в основном от диапазона измеряемых температур. Ртуть используется для измерения температур выше –39°С – точки ее замерзания. Для более низких температур применяются жидкие органические соединения, например этиловый спирт (рис. 18).

Точность поверенного стандартного метеорологического стеклянного термометра ±0,05°С. Главная причина погрешности ртутного термометра связана с постепенными необратимыми изменениями упругих свойств стекла. Они приводят к уменьшению объема стекла и повышению точки отсчета. Кроме того, ошибки могут возникать в результате неправильного считывания показаний или из-за размещения термометра в месте, где температура не соответствует истинной температуре воздуха в окрестностях метеостанции. Погрешности спиртовых и ртутных термометров сходны. Дополнительные ошибки могут возникать из-за сил сцепления между спиртом и стеклянными стенками трубки, поэтому при быстром понижении температуры часть жидкости удерживается на стенках. Кроме того, спирт на свету уменьшает свой объем.

Минимальный термометр предназначен для определения самой низкой температуры за данные сутки. Для этих целей обычно используется стеклянный спиртовой термометр. В спирт погружается стеклянный штифт-указатель с утолщениями на концах. Термометр работает в горизонтальном положении. При понижении температуры столбик спирта отступает, увлекая за собой штифт, а при повышении – спирт его обтекает, не сдвигая с места, и поэтому штифт фиксирует минимальную температуру. Возвращают термометр в рабочее состояние, опрокидывая резервуаром вверх, чтобы штифт вновь пришел в соприкосновение со спиртом.

Максимальный термометр используется для определения самой высокой температуры за данные сутки. Обычно это стеклянный ртутный термометр, похожий на медицинский. В стеклянной трубке вблизи резервуара имеется сужение. Ртуть выдавливается через это сужение во время повышения температуры, а при понижении сужение препятствует ее оттоку в резервуар. Такой термометр вновь подготавливают к работе на специальной вращающейся установке.

Биметаллический термометр состоит из двух тонких лент металла, которые при нагревании расширяются в разной степени. Их плоские поверхности плотно прилегают одна к другой. Такая биметаллическая лента скручена в спираль, один конец которой жестко закреплен. При нагревании или охлаждении спирали два металла расширяются или сжимаются по-разному, а спираль либо раскручивается, либо туже скручивается. По указателю, прикрепленному к свободному концу спирали, судят о величине этих изменений. Примерами биметаллических термометров являются комнатные термометры с круглым циферблатом.

Электрические термометры. К таким термометрам относится устройство с полупроводниковым термоэлементом – терморезистор, или термистор. Термоэлемент характеризуется большим отрицательным коэффициентом сопротивления (т.е. его сопротивление быстро уменьшается с повышением температуры). Преимуществами терморезистора являются высокая чувствительность и быстрота реакции на изменение температуры. Калибровка терморезистора со временем меняется. Терморезисторы применяются на метеорологических спутниках, шарах-зондах и в большей части комнатных цифровых термометров.

П риборы для измерения давления. Ртутный барометр – это стеклянная трубка длиной около 90 см, заполненная ртутью, запаянная с одного конца и опрокинутая в чашку со ртутью. Под действием силы тяжести часть ртути выливается из трубки в чашку, а из-за давления воздуха на поверхность чашки ртуть поднимается по трубке. Когда между этими двумя противодействующими силами устанавливается равновесие, высота ртути в трубке над поверхностью жидкости в резервуаре соответствует атмосферному давлению. Если давление воздуха возрастает, уровень ртути в трубке поднимается. Средняя высота ртутного столба в барометре на уровне моря составляет около 760 мм.

Барометр-анероид состоит из запаянной коробки, из которой частично откачан воздух (рис.19). Одна ее поверхность представляет собой эластичную мембрану. Если атмосферное давление увеличивается, мембрана прогибается внутрь, если уменьшается – выгибается наружу. Прикрепленный к ней указатель фиксирует эти изменения. Барометры-анероиды компактны и сравнительно недороги и используются как в помещении, так и на стандартных метеорологических радиозондах.

Приборы для измерения влажности. Психрометр состоит из двух расположенных рядом термометров: сухого, измеряющего температуру воздуха, и смоченного, резервуар которого обернут тканью (батистом), увлажненной дистиллированной водой (рис. 20). Воздух обтекает оба термометра. Из-за испарения воды с ткани смоченный термометр обычно показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний термометров. На основе этих показаний при помощи специальных таблиц и определяется относительная влажность.

В олосяной гигрометр измеряет относительную влажность на основании изменений длины человеческого волоса. Для удаления натуральных жиров волос сначала вымачивают в этиловом спирте, а затем промывают в дистиллированной воде. Длина подготовленного таким образом волоса имеет почти логарифмическую зависимость от относительной влажности в диапазоне от 20 до 100%. Время, необходимое для реакции волоса на изменение влажности, зависит от температуры воздуха (чем ниже температура, тем оно больше). В волосном гигрометре при увеличении или уменьшении длины волоса отклоняется стрелка по шкале.

Электролитические гигрометры. Чувствительным элементом этих гигрометров служит стеклянная или пластмассовая пластинка, покрытая углеродом или хлоридом лития, сопротивление которой меняется в зависимости от относительной влажности. Такие элементы обычно используются в комплектах приборов для метеорологических шаров-зондов. При прохождении зонда сквозь облако прибор увлажняется, а его показания в течение довольно длительного времени (пока зонд не окажется за пределами облака и не высохнет чувствительный элемент) искажаются.

П риборы для измерения скорости ветра. Чашечные анемометры. Скорость ветра обычно измеряют при помощи чашечного анемометра. Этот прибор состоит из трех или более конусообразных чашек, вертикально прикрепленных к концам металлических стержней, которые радиально-симметрично отходят от вертикальной оси (рис. 22). Ветер действует с наибольшей силой на вогнутые поверхности чашек и заставляет ось поворачиваться. В некоторых типах чашечных анемометров свободному вращению чашек препятствует система пружин, по величине деформации которых и определяется скорость ветра.

В анемометрах со свободно вращающимися чашками скорость вращения, примерно пропорциональная скорости ветра, измеряется электрическим счетчиком, который сигнализирует, когда определенный объем воздуха обтекает анемометр. Электрический сигнал включает световой сигнал и записывающее устройство на метеостанции. Часто чашечный анемометр механически соединяют с магнето, и напряжение или частоту генерируемого электрического тока соотносят со скоростью ветра.

Анемометр с мельничной вертушкой состоит из трех- четырехлопастного пластмассового винта, укрепленного на оси магнето. Винт при помощи флюгера, внутри которого размещено магнето, постоянно направляется против ветра. Сведения о направлении ветра поступают по телеметрическим каналам на наблюдательную станцию. Электрический ток, вырабатываемый магнето, изменяется в прямой зависимости от скорости ветра.

Приборы для измерения осадков. Атмосферные осадки состоят из частиц воды (как в жидком, так и в твердом виде). Они поступают из атмосферы на земную поверхность. В стандартных незаписывающих осадкомерах приемная воронка вставлена в измерительный цилиндр. Соотношение площади верхней части воронки и поперечного сечения мерного цилиндра 10:1, т.е. 25 мм выпавших осадков будут соответствовать в цилиндре отметке 250 мм.

З аписывающие осадкомеры – плювиографы – автоматически взвешивают собранную воду или подсчитывают, сколько раз маленький измерительный сосуд наполнится дождевой водой и автоматически опорожнится (рис. 23).

Если ожидается выпадение осадков в виде снега, воронка и измерительный стакан убираются, а снег собирается в осадкомерное ведро. Когда снег сопровождается умеренным или сильным ветром, количество снега, попадающее в сосуд, не соответствует действительному количеству осадков. Высота снежного покрова определяется измерением мощности слоя снега в пределах типичной для данного района территории, причем берется среднее значение по меньшей мере трех измерений. Для установления водного эквивалента на участках, где воздействие метелевого переноса минимально, в толщу снега погружают цилиндр и вырезают столбик снега, который растапливают или взвешивают. Количество осадков, измеряемое осадкомером, зависит от его расположения. Турбулентность воздушного потока, вызванная самим прибором или окружающими его препятствиями, приводит к занижению количества попадающих в измерительный стакан осадков. Поэтому осадкомер устанавливается на ровной поверхности как можно дальше от деревьев и других препятствий. Для снижения воздействия вихрей, создаваемых самим прибором, используется защитный экран.

Приборы для измерения высоты облаков. Простейший способ определения высоты облака состоит в измерении времени, которое требуется небольшому воздушному шару, отпущенному с поверхности земли, для достижения основания облака. Высота его равна произведению средней скорости подъема воздушного шара на время полета.

Другой способ заключается в наблюдении пятна света, образованного на основании облака направленным вертикально вверх лучом прожектора. С расстояния около 300 м от прожектора измеряется угол между направлением на это пятно и лучом прожектора. Высота облака рассчитывается методом триангуляции подобно тому, как измеряются расстояния при топографической съемке. Предложенная система может работать автоматически днем и ночью. Для наблюдения за пятном света на основаниях облаков применяется фотоэлемент.

Высота облачности может измеряться при помощи радиоволн – посылаемых радиолокатором импульсов. Высота облака определяется по времени, которое требуется радиоимпульсу для достижения облака и возвращения назад. Поскольку облака частично проницаемы для радиоволн, этот метод применяется для определения высоты слоев при многослойной облачности. Также для определения высоты облаков используют оптические (лазерные) дальномеры.

М етеорологические шары-зонды. Простейший тип метеорологического воздушного шара – так называемый шар-пилот. Это небольшой резиновый шар, наполненный водородом или гелием (рис. 24). Путем оптических наблюдений за изменениями азимута и высотой полета шара и предполагая, что скорость его подъема постоянна, можно рассчитать скорость и направление ветра как функцию высоты над земной поверхностью. Для ночных наблюдений к шару прикрепляется небольшой фонарь, работающий на батарейках.

Метеорологический радиозонд – это резиновый шар, несущий радиопередатчик, терморезисторный термометр, барометр-анероид и электролитический гигрометр. Радиозонд поднимается со скоростью около 300 м/мин до высоты около 30 км. По мере подъема данные измерений постоянно передаются на станцию запуска. Направленная принимающая антенна на Земле прослеживает азимут и высоту радиозонда, по которым рассчитываются скорость и направление ветра на различных высотах, так же как при шар-пилотных наблюдениях. Радиозонды и шары-пилоты запускаются из сотен пунктов по всему миру дважды в сутки – в полдень и в полночь по Гринвичскому среднему времени.

Спутники. Для дневных съемок облачного покрова освещение обеспечивается солнечным светом, в то время как инфракрасное излучение, испускаемое всеми телами, позволяет вести съемки и днем и ночью специальной инфракрасной камерой. Используя фотографии в разных диапазонах инфракрасного излучения, можно даже рассчитать температуру отдельных слоев атмосферы. Спутниковые наблюдения имеют высокую плановую разрешающую способность, однако их вертикальное разрешение намного ниже обеспечиваемого радиозондами.

Н екоторые спутники, как, например, американский TIROS, выведены на круговую полярную орбиту на высоте около 1000 км. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, с такого спутника каждая точка земной поверхности видна обычно дважды в сутки.

Еще большее значение имеют так называемые геостационарные спутники, которые вращаются над экватором на высоте около 36 тыс. км (рис. 25). Такому спутнику требуется 24 ч для полного оборота. Поскольку это время равняется продолжительности суток, спутник остается над одной и той же точкой экватора, и с него открывается постоянный вид на земную поверхность. Таким образом, геостационарный спутник может повторно фотографировать одну и ту же территорию, фиксируя изменения погоды. Кроме того, по движению облаков могут быть рассчитаны скорости ветра.