降水、蒸发的测量

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蒸发器安装在观测场的雨量器旁边,器口水平,离地面 高70cm。观测时,应在前一天用雨量杯取请水20mm, 倒入蒸发器内,经24小时后,再测蒸发器内所剩的水量, 减少的水量即为蒸发量,如24小时内有降水,蒸发量的 计算公式为:
蒸发量=原量+降水量-余量
2、E601蒸发器 图示
主要由:蒸发桶、水圈、溢流筒、测针组成; 蒸发桶器口面积为3000cm²。在桶壁上开有溢流孔,用胶 管与溢流孔相连,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。 观测时,调整测针与水面相切,从游标尺上读出水面高 度,读数可精确到0.1mm,则:
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。
蒸发量=前一日水面高度+降水量-测量时水面高度 其中降水量以雨量器的观测值为准。
3、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
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。
虹吸原理示意图:
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,并用绳琐拉紧。
虹吸式雨量计
翻斗式雨量计
翻斗雨量计原理
&11.3 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,即一定面积的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。 一、测量蒸发量的台站仪器 1、小型蒸发器 图示
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。
小型蒸发器
雨量计
影响蒸发的因子
• 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
二、常用降水量测量仪器有:雨量器、虹吸式雨 量计、翻斗式雨量计。
1.雨量器原理:
包括:
(1)雨量筒: 用于承接降水量;
(2)雨量杯: 用于测量降水量;
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:
水体表面的蒸发如何计算? 森林表面的蒸腾、地表蒸发如何计算?
微气象观测系统
&11.1 概述 降水蒸发观测的意义。
微气象观测系统
EBEX2000试验场地
森林与大气界面物质、能量输送研究
&11.1 概述 降水蒸发观测的意义。
微气象观测系统
co2
Rn
Photosynthesis Measurement System
送,显然也是因为湍流脉动的结果,于是,动量、热量、水汽的垂
直输送可写成:
uw
(11.6)
H Cp w
LE LV w q
FCO2 w c
FN 2O


wc N
2O
FCH4 wcC H4
(11.7) (11.8) (11.9) (11.10) (11.11)
u、v、w、的 测 量 一 般 是 采 用 超 声 风 速 温 度 仪 ( ultra-sonic anemometer/thermometer)测量,而 q 则用Layman Arfa(L—)湿 度仪测量。这样,我们了解了动量、热量以及水汽在近地面层中交 换的过程。但是,问题远没有解决,、H、LE的进一步确定,有没 有更方便的方法?下面我们就来讨论由此而引起的一些问题。
若降水量=0;浇灌量=0 蒸散量=当日土柱重量-
前日土柱重量
&11.4 微气象法计算蒸发 散量的观测方法
蒸发、蒸腾与蒸散的关系
由湍流及热力作用从地面损失的水分,称之为蒸发; 从植被冠层损失的水分称之为蒸腾;蒸发与蒸腾之和之 为蒸散。一般蒸发与土壤含水量、大气热力、动力及大 气层的水汽压、饱和水气压有关。另外,风速的增大 有助于水汽的扩散输送,故蒸发率随风速增大而增大, 所以,蒸发率E可简单地表示为
式中
u z

z

q z
、分zc别为风速、温度、比湿和二氧化碳的垂直梯度
。K为湍流交换系数,可以理解为:当物理量的梯度为L时,单位时间
内,单位质量空气中所含物理量S,因湍流作用而沿垂直方向输送的
数量。K的量纲是 L2S1,以厘米2 秒1或米2 秒表1 示。
这样,我们把计算各种物理量沿垂直方向输送的任务归结于计 算K的大小,只要把K确定了,计算各种物理量的通量地问题就解决 了。但是,K如何确定呢?
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。 2.1 虹吸式雨量计的测量原理
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。
u v w 0
但是不能肯定脉动风速的平方及乘积的平均值(如) u2、u、v等必然为0。
风速的上述特性,同样适用于其它要素,如,温度、湿度等, , q 分别为位温脉动(或温度脉动)和比湿脉动,则
;q q q
(11.3)
1
2、梯度法原理(湍流扩散法)
因为 u、v、w、、q 的测量和数据的处理相对比较复杂,那么,有 没有能用这些要素的平均值及其梯度值来计算的方法呢?于是人们 首先就想到了湍流运动与分子运动的相似性,进行模拟。即用虚拟 的粘滞性系数、传导系数、扩散系数来表示动量或任何其它的物理 属性的输送,这些系数的定义,与分子方面的相应各系数的定义极 为相似,这些系数统称为湍流交换系数。根据这种设想,可以写出 任一物理属性的垂直扩散方程
h R2 r2
(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1.01.2m高。
8.1~15.9 ≥16.0
特大暴雨
≥200.0
降雪等级 小雪 强度mm/h ≤2.5 水平能见度m ≥1000
中雪 2.6-4.9 500≤∽≤1000
大雪 >5.0 < 500
蒸发的测量
• 气象测量的蒸发量指水面蒸发量 • 蒸发量:在一定口径的蒸发器中,在
一定时间间隔内因蒸发而失去的水层 深度。以毫米为单位,取一位小数。
Ts
Ws
Rp
G
蒸发散量计算的微气象法
1、涡动相关法
地球表面能量、物质的输送是由大大小小的极不规则 的湍流涡旋完成的。通常把这种湍流运动分成两部分:即平 均运动和脉动运动。对风速来说,若平均运动用平均速度用 u、v、w表示,脉动速度u、v、w用 表示。因此,对任意时刻水平 和垂直运动的瞬时值可表示为
z1
于是得
(11.21)
2
K=
u2 u1
z
ln z2
z1
(11.22)
式中 u2 、u1即为高度z2 、z上1 的平均风速。从上式可以看出, 交换系数K的大小与两个高度的风速差(实际上就是风切变)成 正比,同时还随离地面高度z的增加而线性增大。这是不难理解 的,因为上下层之间风速切越大,垂直方向的动量交换就越多 ,湍流就越发展,K就越多。另外,离地面愈高,地面影响就愈 小,因而也愈有利于湍流运动的发展。
2.2 翻斗式雨量计的测量原理
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;
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。
第十一章 降水、蒸发的测量
&11.1 概述 &11.2 降水的观测 &11.3 蒸发的观测 &11.4 微气象法计算蒸发散量的方法 &11.5 复习思考题
&11.1 概述
降水、蒸发观测的意义。
&11.2 降水的观测
一、要素:降水量、降水时数、降水强度
1.降水量:降落在地面上未经蒸发、渗透或流失 的液态或固态降水的积水量。以积水的深度表 示,单位为mm,取一位小数。
处,在这里这个“湍涡”重新与主流相混合。
L z,
(11.17)
为Karman常数, =0.35-0.40;z为高度.
K=Lu*
(11.18)
u*

L
u z
(11.19)
u*


z
u z
(11.20)
如果能在两个高度上进行风速观测,得:

u*
u2 u1 ln z2
T
T
t
0
2 T
dt;
q
t0 2

1 T
T
t
0
2 T
qdt
t0 2
(11.4)
q 0
(11.5)
对于近地气层,考虑到本层的特点,各种物理量:动量、热量和 水汽通量等的垂直输送作用要比水平方向输送的作用大得多,所以 ,我们着重考虑的将是这些物理量的垂直输送。
从以上分析中可以得到启发,对于近地层动量、热量和水汽的输
S Fs KS z
(11.12)
式中 S 为任一要素值。对应相应的动量、热量、水汽、二氧化碳
等的垂直扩散方程为:
H CP w CP K z
q LE LV wq Lv K z
FCO2

w c

K c z
(11.14) (11.15) (11.16)
2.降水强度:单位时间内的降水量,以mm/h为单 位。
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
降雨等级 小雨
降 mm/24h <10 雨 强 mm/1h ≤2.5 度
中雨 大雨
暴雨 大暴雨
10.0~24.9 25.0~49.9 50.0~99.9 100.0~199.9
2.6~8.0
Chamber
Rn
Measurement
T,RH,U; CO2, H2O T,RH,U; CO2, H2O T,RH,U; CO2, H2O
Rp, PAR, Sn,Rn,Ta, Ts,RH, LW, SW,CO2, H2O
T,RH,U; CO2, H2O
T,RH,U; CO2, H2O
Rp, PAR, Sn,Rn,Ta, Ts,RH, LW, SW,CO2, H2O
u u u;v v v;w w w,
(11.1)
u 1
T
T
t0 2
t
0

T 2
udt;
v

1 T
T
t0 2
t
0

T 2
vdt;
w

1 T
T
wdt t0 2Baidu Nhomakorabea
t
0

T 2
(11.2)
这种平均的示意图见图3.6。上述式中T为进行平均的时间 间隔,t0是时间间隔的中心,代表均值出现的时刻。脉动风 速的平均值理论上应都等于0,即
E f ues e
式中f(u)通常采用以下形式: f u A1 Bu 或f u un
式中A、B和n为经验常数。 因此,在蒸发面适当高度上测得风速、大气压力、干、 湿球温度,即可计算蒸发率E。其中
e es AP Td Tw
A 0.622104 C1
要确定K还需要更进一步求助于分子交换理论,引进所谓的混合
长度的概念,这就是所谓的普兰德混合长理论。
根据这个理论,混合长可以比拟为“分子平均自由程”。假定:
由于湍流运动,有一个湍涡,(在湍流运动中类似于分子的最小单
体,是由一团靠得很近的流体组成)从原来的高度z处脱离出来,
带了与该高度平均运动相应的动量,沿垂直方向到达新的高度z+L
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