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第一章 气象及水均衡要素观测要求

已有 3813 次阅读 2008-6-20 10:21 |个人分类:学习交流|系统分类:科普集锦

水文与水资源工程教学实习指导

作者: 肖长来, 曹剑峰, 卞建民

编著出版社: 吉林大学出版社

出版日期: 2005-06-30...本实习指导书是在总结我校多年实习教学成果基础上编写而成的。

第一章 气象及水均衡要素观测要求

第一章 气象及水均衡要素观测要求

气象观测:要求了解各种气象要素的主要观测仪器、相应的观测方法和常用的记录格式,掌握各种气象要素特别是与水资源密切相关的降水、蒸发、气温等要素的统计分析内容和方法。

水均衡要素观测:通过测定包气带含水率、湿度、水动力参数,确定入渗系数和蒸发系数等。了解各种测试仪器的测试原理,掌握观测及测试方法,能够利用观测得到的资料分析、计算有关水均衡参数。

§1.1气象观测

气象站是进行气象观测的基本机构,也是气象部门对外提供气象信息的基层机构。气象站按不同的标准可分为各种种类。按性质分,有气候站、天气站、农业气象站、航危站、日射站、天气雷达站、海洋气象站、专业(温场、盐场、林场和水库等)气象站、流动气象站(如为跨越长距离的重大活动或体育赛事所设立)等有人气象站,以及无人自动气象站等。按站所的地形特点可以分为高山气象站、海岛气象站、山地气候站等。而按照气象观测资料的处理和交流特征,由气象专门机构主管的气象站又划分成一般气象观测站、基本气象观测站、基准气象观测站、辐射观测站、高空探测站、高空探测交换站、酸雨观测站和天气雷达布点站等。

气象观测一般采用定时观测,即按规定的时次为积累气候资料进行定时气象观测。自动观测项目每天进行24次定时观测;人工观测项目,昼夜守班站每天进行02081420时四次定时观测,白天守班站每天进行081420时三次定时观测。气象站主要观测项目包括降水、蒸发、气温、地温、日照、风速、风向、湿度、气压等。基准站使用自动气象站后仍然保留每日进行气压、气温、湿度、风向、风速等项目24次人工定时观测。

1.1.1气温和地温

热量资源指农业生产可利用的热量,它来源于太阳辐射,通常用温度指标加以表示,包括大气温度(气温)和土壤温度(地温)。

(1) 气温

气温即大气的温度。通常指的是离地面1.5 m左右、处于通风防辐射条件下温度表读取的温度。气温是大气热力状况的数量度量。气温的变化特点通常使用平均温度和极端值——绝对最高温度、绝对最低温度来表示,地理位置、海拔高度、气块运动、季节、时间以及地面性质都是影响气温分布和变化的因素。

气温观测采用温度表(计),通常放置于百叶箱内。百叶箱壁用双层百叶木片做成,一面向内倾斜,一面向外倾斜,空气可自由流通。百叶片宽26 mm,厚6 mm。百叶箱离地面要有一定的高度标准,一般是1.5 m左右;箱门朝北,安置在固定的架子上,架底高出地面1.25 m。箱门前面安置一个小矮梯。在百叶箱里一般放有温度表(最高温度表、最低温度表)及湿度表等。天气预报中每天报告的最高温度或最低温度,就是根据百叶箱中温度表的观测数据而确定的。

平均气温是空气温度的平均值。因要求不同,故有各种计算方法。在地面气象观测中,一般以一日内各次定时气温观测值的平均值作为日平均气温。按候、旬、月和年等的逐日平均气温的平均值,分别作为候、旬、月和年等的平均气温。当观测资料有多年时,亦可计算出任一指定时段内的历年平均气温,如历年一月平均气温,即是各年一月平均气温的平均值。

最高气温是一定时间或一定空间内空气温度的最高值,例如大陆上一日内最高气温一般出现在14时前后。最低气温是一定时间或一定空间内空气温度的最低值,例如大陆上一日内最低气温一般出现在拂晓前后。

极端气温是极端最高气温与极端最低气温的统称。极端最高气温是指多次最高气温值中的极大值,极端最低气温是指多次最低气温值中的极小值。就一地而言,有候、旬、月、年和历年的极端最高气温和极端最低气温,均由逐日最高、最低气温值中选出。最热月气温指一年中气温最高的月份的各日平均气温的平均值。最冷月气温指一年中气温最低的月份的各日平均气温的平均值。

气温日变化是二日内气温高低的变化,一般指一日中气温的周期性变化。一日内气温最高值与最低值的差称为气温日较差,它反映了一日内气温变化的幅度。气温年变化是一年内气温高低的变化,一般指一年中气温的周期性变化。一年内最热月气温与最冷月气温的差值称为气温年较差,它反映了一年内气温变化的幅度。

温度变幅是气温变化的幅度,有日变幅和年变幅之分。日变幅是指一日内最高气温与最低气温之差,年变幅是指一年内最高气温与最低气温之差。

2)地温

地温是指地面温度和地中温度。地面温度用地面温度表测定,其感应部分水银管的上半部分暴露在空气中,而下半部分则埋入土壤中;这样测出的温度已不是气温,而是大气与地表结合部的温度状况。地中温度指地表面以下一定深度处的土壤温度,用曲管地温表、直管地温表或插入式地温表测定。气象站一般观测地面以及地面以5 cm10 cm15 cm20 cm40 cm80 cm160 cm320 cm深度的地温,以及地面每天的最高、最低温度。从地面到20 cm深度每天观测4次,40 cm及以下每天观测一次,因为地下深处地温的日变化很小。

1.1.2降水

降水主要指从云中下降的液态或固态水,如雨、雪、冰雹等。降水量观测项目一般包括测记降雨、降雪、降雹的水量;单纯的雾、露、霜可不测记。必要时部分站还应测记雪深、冰雹直径、降水强度、初霜和终霜日期等特殊观测项目。水量的观测时间以北京时间为准,记起止时间者,观测时间记至分;不记起止时间者,记至小时。每日降水以北京时间8时为日分界,即从昨日8时至今日8时的降水为昨日降水量。降水量为一定时段内,降落在平地上(假定无渗漏、蒸发、流失等)的降水所积成的水层厚度(如为固态降水则须折合成液态水计算),以mm表示。

气象站主要采用雨量测定降水量。雨量器由承雨器、储水筒、储水器和器盖等组成,并配有专用量雨杯。雨量是一个直径20 cm的金属圆筒。筒高58 cm,分为上下两节,下节高35 cm,里面装有一个储水瓶。把储水瓶中的水倒进特制的量杯,就可以知道当日的降雨量(水深)。应用能自记雨量的自记雨量器,可以测量各个时段中降水的强度。雨量器和自记雨量计的承雨器口内径采用200 mm,允许误差为0~0.6 mm。雨量器的安装高度为0.70 m,自记雨量计的安装高度为0.70 m1.20 m;杆式雨量器的安装高度不超过3.0 m

降雨分级标准见表1-1

 

 

1-1   雨量等级

12h 降水总量/mm

24h 降水总量/mm

小雨、阵雨

<5.0

0.1--9.9

中雨

5.0--14.9

10.0--24.9

大雨

15.0--29.9

25.0--49.9

暴雨

30.0--69.9

50.0--99.9

大暴雨

70.0--139.9

100.0--249.9

特大暴雨

>140.0

>250.0

 

 

降水的季节分配指月降水量(或季降水量)占年降水总量的比例。降水的年际变化指年与年之间降水量的变化。一般年降水量多的地区,降水的年际变化小;而年降水量少的地区,降水的年际变化大。

降水变率是一定时段内(一般取月、季或年)历年降水量的变化程度。常用绝对变率和相对变率表示。绝对变率是指一定时段内逐年降水量绝对值的平均数;相对变率是指绝对变率与该时段的历年平均降水量的比值。降水变率大,表示降水量的年际变化大,容易发生旱涝灾害。

降水保证率是降水量在一定数值以上所可能发生的频率,即累积频率,称为降水保证率。降水保证率的大小决定了农业水分保证程度的高低。

降水日数指一定时期内降水的总日数。我国气象观测中规定:以日降水量等于、大于0.1 mm的日数作为降水日数。气象气候中一般按旬、月或年进行统计。在农业气候资源计算中,常需要统计作物生长期中的降水日数。

降水量观测记录可采用表1-2规定的格式。

1-2 降水量观测记录表

月份          (采用        段次)                                                                                 

观测时间

实测降水量

日降

水量

备注

观测时间

实测降水量

日降

水量

备注

 

 

(mm)

mm

 

 

 

(mm)

mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.3蒸发

蒸发是温度低于沸点时,水分子从液态或固态水的自由面逸出而变成气态的过程或现象。发生于河流、湖泊、水库等自由水面的蒸发称为水面蒸发,发生于陆地表面的蒸发称为陆地蒸发。

蒸发量是一定时段内从一定的表面积的水面或冰雪面上可能逸出的水汽量。通常所指的蒸发量实际上是指水汽分子从蒸发而逸出的通量与水汽分子返回蒸发面的通量之差,即蒸发而净逸出的水汽通量。气象上通常用所蒸发的水层厚度(mm)来表示蒸发量的大小。

水面或土壤的水分蒸发量,分别用不同的蒸发器测定。一般温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低,则蒸发量就越大;反之蒸发量就越小。土壤蒸发量和水面蒸发量的测定,在农业生产和水文工作上非常重要。雨量稀少、地下水源及流入径流水量不多的地区,如蒸发量很大,即易发生干旱。

测定蒸发量的仪器叫蒸发皿。它的规格大都和雨量筒一样,也是20 cm直径的圆形器皿,皿口上沿也高出地面70 cm;蒸发皿深10 cm。正是因为它的厚度小于直径才称为皿。水文部门还采用大型蒸发皿(直径601 mm)观测蒸发量,用以代替水面实际蒸发量(通常E20>E601)。

每天向蒸发皿中加进2 cm深的水层,晚上把余水倒进量杯,量出剩余水深。把2 cm减去剩余水深就是当天的蒸发量。如果当天有雨,余水中还要扣除当天的降水量。这就是蒸发皿的直径和离地面高度都要和雨量筒一致的原因。否则,两者就不能简单相减。由于蒸发量和降水量一样,都是每天20时观测一次,因此测得的日蒸发量。日降水量实际上都是昨天20时到今天20时的量。

蒸发量观测记录格式见表1-3

 

1-3  蒸发皿观测记录表

编号:                                马氏瓶截面:                  年:

月日

观测时分

观测值

cm

注水后观测值(cm

蒸发截面

*高差

入渗量

观测员

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.4湿度

湿度是表示空气中水汽含量或空气干湿程度的物理量。有绝对湿度、相对湿度、饱和差和露点等多种表示方法。湿度的大小和增减,会直接或间接地引起云、雾、降水等现象的演变。

气象部门测定的空气湿度有好几种,包括相对湿度、绝对湿度、水汽压和露点等。相对湿度是其中最常用的。相对湿度的单位是百分数(%),空气中没有水汽时相对湿度为零,空气中容纳水汽已达到最大限度时(称为空气已经饱和),相对湿度就是100%

测量空气湿度通常用干湿球温度表。它是两支同样的温度表,干球温度表用来测量气温;湿球温度表的水银球用湿润纱布包裹着,纱布下端浸在水盂里。使湿球纱布始终保持湿润状态(因而称为湿球温度表)湿球纱布上的水在空气没有达到饱和时会不断蒸发。蒸发的快慢决定于空气相对湿度,湿度大时蒸发慢,湿度小时蒸发快。湿度是100%时,空气中所含水汽已饱和,水分停止蒸发。水分蒸发是要消耗热量的,这样湿球温度表的读数就会减小。因此,除了空气饱和,即相对湿度为100%(此时湿球温度表的读数和干球温度表一样)。此外,干球温度表的读数总比湿球温度表的读数要高。两者差值越大表示空气越干燥,相对湿度越低。因此利用干湿球温度差可以知道空气相对湿度的高低。利用气象部门已出版的对照表册,可以很方便地查所需数据。

绝对湿度是单位体积空气中所含水汽的质量,一般用一立方米空气中所含水汽的克数表示,单位为g/m3。相对湿度是大气中实际水汽含量与饱和时水汽含量的比值。由于水汽含量与水汽压成正比,所以相对湿度数值上也等于实际水汽压与同温度下饱和水汽压之比值,即f (%) = ×100%,式中f为相对湿度,以百分数表示,表示实际水汽压,单位为hPaE为饱和水汽压(同一温度下,水汽压的最大值)。

干燥度某一时期的可能蒸发量与同期降水量的比值,用以大致表示降水对植物需水的保证程度。 ,式中,K为干燥度,E为可能蒸发量,T为日平均气温10的积温;0.16T大约相当于同期间的可能蒸发量;R为同期降水量。

1.1.5气压

气压是与大气接触的表面上,由于空气分子的碰撞在单位面积上所受到的力。其值等于单位横截面上所承受的垂直空气柱的重量。气压的单位为hPa。气压按指数律随高度递减。

目前我国气象站上一般都用水银气压表测定大气压力,也就是应用托里拆利实验的原理。当外界气压升高时,大气压力会自动把水银槽中的水银压进管腔中使水银柱长高;反之,气压下降时,水银柱会自动降低,水银自动流回槽里。不过,在实际业务观测中,水银柱高度的读数还要进行三项订正,也就是气温订正(订正到0 ),海拔高度订正(订正到海平面上)和纬度订正(订正到45°纬度上)。因为只有这样,世界各地的气压值才能进行比较。气压的三项订正都有表可查,十分简单方便。

1.1.6日照

太阳照射时间的长短称为日照时数,简称日照。单位为h,它又分为可照时数和实照时数两种。从日出到日没的时间叫可照时数,在这段时间内实际有太阳照射的时间叫实照时数。可照时数和实照时数的百分比叫日照百分率。日照百分率可以衡量一个地区在某一时期的日照条件。2004年新推出的《地面气象观测规范》中规定,用直接辐射≥120 W·m-2作为有日照时间。

观测日照时间长短的仪器叫日照计。我国大多数气象台站用的是暗筒式日照计,其主体是一个圆筒,筒上两侧各有一小孔,让阳光照到筒内涂有感光剂的感光纸上。除正午一二分钟内两孔可同时进光外,其余时间都是一孔进日光,东侧孔射进上午阳光,西侧孔射进下午阳光。因此感光纸上每天有两道感光迹线,迹线的长度就是日照时间。上下午日照时间加起来就是全天的日照时间。

日照计一般安装在观测场南面,离地1.2 m高的木架上,也可安装在观测方便的平台或屋顶上。安装时要使仪器的底座水平,筒口一端对准正北方,使正午时的日光恰恰同时射入日照仪两边的小孔,并须调整指针使其所示刻度与当地的纬度相符。日照纸上纵线为时间线,每格一小时。它是用柠檬酸铁氨和赤血盐按比例配制成的感光液,均匀涂在纸上,阴干后再放入日照计暗筒内,并用压纸铜条将纸压好,盖上筒盖。每天傍晚日落后换日照纸。根据日照纸上感光迹线的长度,可以算出日照时数。

1.1.7

风是指空气流动的现象。气象上常将空气在水平方向的流动称为风,垂直方向的空气运动则称为升降气流。通常用风向和风速(或风级、风力)表示风风是促使广大地区产生冷、热和干、湿交换以及天气变化的重要条件,风是自然能源之一。

现在我国的测风仪器主要是国产的电接风向风速仪,是风杯式的。由于风速总有阵性,读瞬时风速代表性不大,因此观测风速规定取2 min的平均。只要风速仪的指针一旦达到17 m/s,气象员就必须记载这一天为大风日,而不管它持续多长时间。大风日数是一种很重要的天气日数。如果观测时没有风,则称为静稳,用符号C表示,写在观测簿内。对风的观测还要进行年、月的统计。

风向常以168个方位表示,也可用矢量相对于子午线的角度来表示,取北为0º或360º(表1-4),风向的变化常常很快,因而气象上观测风向有瞬间风和平均风向之分。通常所说的风向不是瞬间的风向,而观测约1min(或2 min)的平均风向。空中风向是施放测风气球、雷达(探)测其方位角和仰角,然后经过计算得出来的。离地面10 m上空的风向,通常用电动式测风器测得。

1-4  风向与方位角对照表

中文

英文

度数

中文

英文

度数

N

0360

S

180.0

北北东

NNE

22.5

南南西

SSW

202.5

东北

NE

45.0

西南

SW

225.0

东北东

ENE

67.5

西南西

WSW

247.5

E

90.0

西

W

270.0

东南东

ESE

112.5

西北西

WNW

292.5

东南

SE

135.0

西北

NW

315.0

南南东

SSE

157.5

北北西

NNW

337.5

 

风向频率是某地一定时段内不同风向出现的百分率。常根据不同风向频率绘出风向频率图,也称为“风玫瑰”

风速是单位时间内风的行程,常以m/skm/hmile/h表示。风速变化常显示气流运动的特征,有时为天气变化的先兆。平均风速是一定时段内风速的平均值。通常目测风速以2 min平均值为准,风速仪测定风速以10 min平均值为准。一日内各次风速的平均值为日平均风速,日平均风速的月平均值为月平均风速,日平均风速的年平均值为年平均风速。最大风速是一定时段(一般是10 min)内平均风速的最大值。通常有日、月和年最大风速三种。

风级是根据风对地面(或海面)物体影响程度而定出的风的等级,常用以估计风力的大小。最初由英国人蒲福拟定,故又称蒲福风级。原来共定自零到1213个等级,后又几经修改,增加到18个等级(表1-5)。

大风是风力大到对生产、生活有影响的风。我国气象观测规定:瞬时风速等于或大于17.0 m/s,或风力达8级或其以上者称大风。造成大风的原因很多,主要是低气压的发生、发展和冷空气南下所致。大风全年都能发生,但以春季最为频繁。

 

 

 

1-5   风力等级标准(蒲福风级表)

风力级数

名称

风速 /m·s-1

 

风力级数

名称

风速 /m·s-1

0

静风

0--0.2

 

9

烈风

20.8--24.4

1

软风

0.3--1.5

 

10

狂风

24.5--28.4

2

轻风

1.6--3.3

 

11

暴风

28.5--32.6

3

微风

3.4--5.4

 

12

飓风

32.7--36.9

4

和风

5.5--7.9

 

13

——

37.0--41.4

5

清劲风

8.0--10.7

 

14

——

41.5--46.1

6

强风

10.8--13.8

 

15

——

46.2--50.9

7

疾风

13.9--17.1

 

16

——

51.0--56.0

8

大风

17.2--20.7

 

17

——

56.1--61.2

 

 

 

§1.2原位观测试验

1.2.1 土壤含水量测定

包气带是指地下水面以上至地表面之间与大气相通的含有气体的地带。从地面向下,岩石和土中的水分分布可划分为结合水带、孔角毛细水带、悬挂毛细水带、支持毛细水带和饱水带,其中前四个带属于包气带。

目前通常采用中子水分仪测定包气带的水分,所测的土壤含水量一般情况下是半径为10~15cm球体内的平均含水量,测点间距采用10 cm制。测量时间一般分为16 s64 s16 min64 min4个计数档次,多采用16 s计,可反复多测几次。表层0~30 cm土层的含水量可以采用烘干法测定。

中子仪孔观测记录格式见表1-6

 

 

1-6  中子仪孔观测记录

     

编号:     标准计数:                                                 编号:     标准计数: 

测深/cm

 

 

测深/cm

 

20

 

 

20

 

40

 

 

40

 

60

 

 

60

 

80

 

 

80

 

100

 

 

100

 

120

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

纪录人:                     观测人:

 

1.2.2 土水势能测定

总土水势(土壤水分势能)是指土水系统在各种因素综合作用下所具有的总势能。总土水势由压力势、基质势、溶质势、重力势和温度势五部分组成。压力势是土水系统中任一点承受超过基准压力的静水压力,YP= gwh,为水容重gw和地下水面以下的深度h之积,在包气带(非饱和土壤)中,YP =0。基质势Ym是由于土水系统中土壤颗粒(基质)具有吸引、保持水分的特性所引起的势能。重力势YZ是由重力对土壤水作用的结果,其大小仅仅取决于由测定点到参照基准面的垂直距离。溶质势Ys是土壤水中所有溶液对土水势影响作用的结果。温度势YT是由于温度变化所产生的水势。

由于土壤中不存在半透膜,溶质势可认为是零,在恒温条件下温度势也为零,因此总土水势一般为压力势、基质势、重力势三者之和,通常称为水力势。

基质势可用负压计(张力计)测定,负压计法设备简单,操作方便。土壤负压计由陶土头(直径2 cm,长度6 cm)、集气管和负压表三部分组成。试样罐由筒身(厚壁有机玻璃,内径10.2 cm,高14.8 cm,壁厚5 mm)、筒盖和底托盘三部分组成。其它装置有真空饱和装置、小型鼓风机、天平、烘箱、温度计等。

负压计观测记录格式见表1-7

1-7  负压计观测记录

     

编号:                                                                  编号:    

测深 /cm

 

 

测深 /cm

 

20

 

 

20

 

40

 

 

40

 

60

 

 

60

 

80

 

 

80

 

100

 

 

100

 

120

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

纪录人:                     观测人:

1.2.3土壤入渗与蒸发观测

利用试验场地中蒸渗仪结合马氏瓶等,可以测定土壤水分入渗及蒸发量。

1.2.4 地下水位观测

采用测钟法、电测水位计法及其它仪器,对长观井和其它井孔进行地下水位长期监测。



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