2.                     Руководство по контролю актинометрических наблюдений. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

3.                     Методические указания к учебной практике по методам метеорологических измерений. Часть 1. Общие метеорологические измерения. Пермск. ун-т, 1980.

2. Теплобалансовые (градиентные) наблюдения

2.1.         Общие положения

Наблюдения за составляющими теплового баланса предназначены для получения данных о расходе солнечной радиации, поступающей на деятельную поверхность, поэтому они тесно связаны с актинометрическими наблюдениями, составляя  с ними единое целое.

Под деятельной поверхностью понимается тонкий верхний слой почвы, воды, растительного или снежного покрова, в котором происходят поглощение приходящей солнечной и атмосферной радиации, преобразование ее в тепло и формирование собственного излучения.

Тепловой баланс деятельной поверхности записывается в виде уравнения теплового баланса, которое является частным случаем уравнения сохранения энергии:

B + P + L + V = 0,

где B – радиационный баланс деятельной поверхности; P – поток тепла в почве; L – турбулентный приток тепла в приземном слое атмосферы; V – затрата тепла на испарение  с деятельной поверхности или его выделение при конденсации водяного пара с этой поверхности.

Радиационный баланс деятельной поверхности В (остаточная радиация) представляет сбой разность между приходом и расходом лучистой энергии:

B = Q + Ea – (Rk +Rд +Eз),

где приход лучистой энергии:  Q – суммарная радиация (сумма прямой и рассеянной солнечной радиации), Ea – длинноволновое излучение атмосферы; расход лучистой энергии: Rk – коротковолновая отраженная радиация, Rд – отраженная длинноволновая радиация, Eз – длинноволновое излучение земной поверхности. Если приходная часть больше расходной, то есть поверхность поглощает больше лучистой энергии, чем отражает и излучает, то В положителен: избыток полученной энергии расходуется на испарение с земной поверхности и прогрев почвы и воздуха. В случае отрицательного баланса потеря тепла поверхностью почвы компенсируется теплом, отнимаемым ею от почвы и воздуха и выделяющимся при конденсации водяного пара. В умеренных широтах днем В положителен, ночью – отрицателен (летом).

Поток тепла в почве Р характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и нижележащими слоями. Поток тепла положительный, если температура деятельной поверхности больше температуры нижележащих слоев. В этом случае поток тепла направлен от поверхности почвы вглубь и почва прогревается. Поток отрицателен, если температура деятельной поверхности меньше температуры нижележащих слоев: поток тепла направлен из глубины к поверхности и почва охлаждается.

Турбулентный поток тепла L характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и приземным слоем атмосферы. Этот теплообмен осуществляется благодаря турбулентному перемешиванию атмосферы и прекращается при его отсутствии. Турбулентный поток тепла зависит от разности температур поверхности и прилегающего к ней слоя атмосферы, а также от интенсивности турбулентного перемешивания в слое. Если температура деятельной поверхности выше температуры воздуха, то L направлен от поверхности почвы в воздух и поток считается положительным. Воздух в этом случае получает тепло и нагревается. Если поток отрицателен, то есть в случае, когда температура деятельной поверхности ниже температуры воздуха, воздух охлаждается, отдавая тепло поверхности.

Затрата тепла на испарение V также связана с турбулентным перемешиванием в приземном слое атмосферы и с переносом водяного пара в этом слое. Поток водяного пара, направленный от деятельной поверхности к атмосфере, принято считать положительным. Такой поток возможен лишь при наличии испарения с поверхности. На испарение затрачивается тепло. Следовательно, при положительном потоке водяного пара деятельная поверхность расходует тепло на испарение. Поток тепла, направленный от атмосферы к земной поверхности, принято считать отрицательным. Такой поток связан с конденсацией или сублимацией водяного пара на поверхности. При этих процессах выделяется тепло, которое получает деятельная поверхность.

В настоящее время на сети гидрометеорологических станций непосредственно измеряется только радиационный баланс. Остальные составляющие уравнения теплового баланса рассчитываются по данным градиентных наблюдений за температурой и влажностью воздуха, почвы на различных глубинах, скоростью ветра.

2.2.         Организация наблюдений

Во время летней учебной практики теплобалансовые наблюдения включают в себя:

-              измерение радиационного баланса и его составляющих;

-              измерение температуры и влажности воздуха (парциального давления водяного пара) на уровнях 0,5 и 1,5 м (по пять отсчетов в срок наблюдений на каждом уровне);

-              измерение скорости ветра на тех же уровнях;

-              измерение температуры деятельной поверхности и температуры на глубинах 5, 10, 15, 20 см;

-              наблюдение за направлением ветра, облачностью, состоянием деятельной поверхности, характером погоды.

Для расчета  парциального давления водяного пара проводятся измерения атмосферного давления.

Если теплобалансовые наблюдения проводятся на обычных метеоплощадках, то для измерения радиационного баланса следует установить балансомер и актинометр согласно руководству [3]. Для измерения температуры и влажности воздуха и их градиентов (разностей) используются аспирационные психрометры, а для измерения скорости ветра и его разности – ручные анемометры МС‑13. Наблюдения над температурой почвы выполняются с помощью термометров ртутных ТМ-3 и коленчатых ТМ-5. Направление ветра определяется по флюгеру.

Психрометры устанавливают на кронштейнах специальных стоек в горизонтальном положении так, что резервуары их находились на уровнях 0,5 и 1,5 м над деятельной поверхностью.

На противоположных концах кронштейнов укрепляются ручные анемометры.

На поверхности почвы укладываются термометры ТМ-3 на специальной площадке. Резервуары термометров следует на половину погрузить в дерн или почву так, чтобы они имели с нею хороший контакт. Для этого термометры осторожно вдавливают в землю или плотно укладывают на дерн. Для определения температуры почвы на глубинах устанавливаются коленчатые термометры Савинова по правилам, описанным в  наставлении [1].

Аспирационные психрометры всегда следует содержать в чистоте и сухом состоянии. Между сроками наблюдений они должны храниться в футлярах. Батист на резервуарах смоченных термометров должен быть чистым. Смена батиста производится согласно наставлению [1]. Ручные анемометры следует оберегать от загрязнения, толчков и ударов. В случае попадания на них капель дождя или снега необходимо фильтрованной бумагой осторожно снять капли с корпуса и особенно полушарий.

Над термометрами не должно быть растений, создающих тень, периодически они должны удаляться с места установки термометров.

2.3.         Производство наблюдений и их запись

Теплобалансовые наблюдения производятся в сроки 9, 12, 15, 18 ч местного времени, а также в промежуточные сроки 10.30, 13.30, 16.30, 19.30 (летом).

В указанные сроки проводятся наблюдения за радиационным балансом. При наличии прямой радиации измерения ведутся по затененному балансомеру и актинометру, а в других случаях – только по балансомеру. В сроки наблюдений производятся три отсчета по гальванометру балансомера (Б) и два отсчета по гальванометру актинометра (А): Б-А-Б-А-Б. Отмечается также состояние диска солнца. Методика измерения по этим приборам достаточно полно изложена в «Руководстве по актинометрическим наблюдениям» [3]. 

Последовательность выполнения теплобалансовых наблюдений для некоторых сроков приведена в приложении в таблице 1.

   Наблюдения за температурой и влажностью воздуха выполняются последовательно по двум аспирационным психрометрам на уровнях 0,5 и 1,5 м в течение 14 мин. Наблюдение состоит в проведении пяти отсчетов по каждому термометру. В срок производится 20 отсчетов по всем термометрам.

При этом необходимы следующие условия:

-                психрометры выносят из помещения и размещают на стойках за 25‑30 мин до первого отсчета;

-                смачивание термометра, завод аспиратора и отсчет по термометрам производится сначала на уровне 0,5 , а затем на уровне 1,5 м;

-                первые отсчеты производятся через 3-4 мин после смачивания и завода аспиратора;

-                при непрерывной работе в течение 15-20 мин необходим подзавод психрометров через каждые 5 мин;

-                после подзавода отсчеты показаний термометров производятся через 2-3 мин;

-                при температуре воздуха выше 15°С, относительной влажности менее 50% или скорости ветра более 5 м/с необходимо дополнительное смачивание, которое производится после третьего отсчета; причем перед смачивание нужно остановить аспиратор, пропуская в отверстие головки бумажную полоску или травинку.

Градиентные наблюдения за температурой и влажностью воздуха с помощью аспирационных психрометров  не производятся в следующих случаях:

-                при выпадении осадков, за исключением твердых осадков слабой интенсивности или редких отдельных капель слабого дождя, не смачивающих заметно поверхности балансомера и почвы;

-                при скорости ветра на уровне 10 м более 15 м/с;

-                при туманах, метелях, пыльных и песчаных бурях.

В таких случаях используют показания сухого и смоченного термометров, расположенных в будках на уровне 2 м.

Наблюдения за градиентами скорости ветра состоят в последовательном включении на 10 мин ручных анемометров. Сначала включается анемометр на уровне 0,5, а затем на уровне 1,5 м. Перед включением записываются начальные отсчеты анемометров.

При осадках, тумане, метелях, пыльной бури и при скорости ветра на высоте 10 м 15 м/с скорость ветра измеряется только на уровне 1,5 м.

Все записи наблюдений производятся в соответствующих графах книжки КМ-16.

2.4.          Обработка материалов наблюдений

Из всех отсчетов по сухому и смоченному термометрам на каждом уровне находят среднее значения, вводят шкаловые поправки согласно поверочным свидетельствам. По исправленным значениям с помощью психрометрических таблиц определяют парциальное давление водяного пара, вводят к данному значению поправку на давление. Вычисляют разности температуры и парциального давления водяного пара путем вычитания из значения этих элементов на нижнем уровне их значения на верхнем уровне:

Δt = t0,5 – t1,5 ,

 Δl = e0,5 – e1,5 .

Знак разности определяется характером температурной стратификации. По разности отсчетов анемометров за 10 мин определяют среднее число делений в секунду и по переводному графику или по таблице находят скорость ветра на двух высотах. Таким же образом находят разности скоростей:

ΔU = u0,5 – u1,5 .

Как правило, знак разности скорости положителен, так как обычно по мере уменьшения высоты скорость ветра падает из-за действия сил трения. В случае штилей и скоростей ветра менее 1 м/с на высоте 0,5 м ΔU не вычисляется.

2.5.         Контроль полученного материала

Вся исходная информация теплобалансовых наблюдений должна проходить технический и критический контроль. С этой целью материалы наблюдения, занесенные в книжку КМ-16 необходимо ежедневно просматривать, чтобы своевременно выявить недочеты и устранить их.

Технический контроль включает в себя [2]:

1.     Проверку правильности заполнения соответствующих граф;

2.     Правильное написание цифр во время проверки приборов и в последующем;

3.     Правильное введение всех видов инструментальных поправок;

4.     Вычисление средних величин;

5.     Соблюдение правил использования всех расчетных формул.

Критический контроль проводится по разделам:

1.     Температура почвы.

2.     Температура и влажность воздуха.

3.     Турбулентность тепловых потоков.

4.     Составляющие теплового баланса.

Более подробно о методах критического контроля указано в «Руководстве по теплобалансовым наблюдениям» [2].

Приложение 1

Таблица 1

Последовательность выполнения теплобалансовых наблюдений в основные сроки