试验一太阳常数的测定试验.docx

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试验一太阳常数的测定试验

气候学实验

兰州大学资源环境学院

2009年

实验一气候要素观测实验

一、实验目的

通过气象学与气候学实习，培养学生实际动手进行观测、分析、统计、考察和判别的能力；使学生在掌握基本技能的同时不但知其然而且知其所以然；此外通过实验课补充和巩固课堂讲授的内容，做到两者相辅相成。

二、实验要求

1、气象观测站基本规范和要求

1.1环境条件要求

（1）观测场是取得地面气象资料的主要场所,地点应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。

（2）在城市或工矿区，观测场应选择在城市或工矿区最多风向的上风方。

（3）观测场的周围环境应符合相关法规、规定的要求。

（4）应注意保护气象站的观测环境。

（5）气象站周围观测环境发生变化后要进行详细记录。

（6）无人值守气象站和机动气象观测站的环境条件可根据设站的目的自行掌握。

1.2观测场 

（1）观测场一般为与周围大部分地区的自然地理条件相同的25米×25米的平整场地。

（2）要测定观测场的经纬度（精确到分）和拔海高度（精确到0.1米）。

（3）观测场四周一般设置约1.2米高的稀疏围栏，围栏所用材料不宜反光太强。

场地应平整，保持有均匀草层（不长草的地区例外），草高不能超过20厘米。

对草层的养护，不能对观测记录造成影响。

场内不准种植作物。

（4）为保持观测场地自然状态，场内铺设0.3-0.5米宽的小路（不用沥青铺面），只准在小路上行走。

1.3观测场内仪器设施的布置 

观测场内仪器设施的布置要注意互不影响，便于观测操作。

具体要求：

（1）高的仪器设施安置在北边，低的仪器设施安置在南边； 

（2）各仪器设施东西排列成行，南北布设成列，相互间东西间隔不小于4米，南北间隔不小于3米，仪器距观测场边缘护栏不小于3米； 

（3）观测场围栏的门一般开在北边，仪器设备紧靠东西向小路南侧安设，观测员应从北面接近观测仪器； 

（4）辐射观测仪器一般安装在观测场南边，观测仪器感应面不能受任何障碍物影响。

因条件限制不能安装在观测场内时，总辐射、直接辐射、散射辐射、以及日照观测仪器可安装在天空条件符合要求的屋顶平台上，反射辐射和净全辐射观测仪器安装在符合条件的有代表性下垫面的地方。

（5）观测场内仪器设施的布置可参考图1。

图1观测场仪器设备布置位置参考图

2、基本操作及仪器的要求

学生除了应掌握气象观测站建站的条件外，还应对气象与气候学实习所用仪器的工作原理、基本构造、使用方法及使用中的注意事项有一个基本了解。

这些仪器有：

日记温度计；日记湿度计；干、湿温度表；日记雨量计；电接风向风速仪；动槽式气压表；蒸发皿；雨量筒；通风干湿温度表，轻便三杯风向风速仪。

3、实验记录和观测记录的统计方法

学会仔细观察各种大气物理现象，并准确、完整记录原始观测时的特征和数据。

3.1日、候、旬、月平均值的统计

（1）气压、气温、水汽压、相对湿度、总低云量、风速、地温等项的日平均值为该日相应要素各定时值之和除以定时次数而得；自动观测24次记录和基准站人工观测24次记录，须同时做02、08、14、20时4次日平均。

（2）气压、气温、水汽压、相对湿度、总低云量、风速、地温等项的各定时及日平均，每旬应作旬平均，月终应作月平均（含自记风速）。

旬、月平均值，均用纵行统计，即各定时及日平均的旬、月平均值，分别为该旬、月各定时及日平均的旬、月合计值除以该旬、月的日数而得。

3.2月极值及出现日期（或起止日期）的挑选

（1）最高、最低本站气压和气温的月极值及出现日期，分别从逐日最高、最低值中挑取，并记其相应的出现日期。

无自记仪器，月极值及出现日期，从逐日各定时记录中挑取。

（2）最小相对湿度的月极值及出现日期，分别从逐日的最小值中挑取，并记其相应的出现日期。

无自记仪器，月极值及出现日期，从逐日各定时记录中挑取。

（3）最大风速和极大风速的月极值及其风向、出现日期和时间，分别从逐日的日极值中挑取，并记其相应的出现日期和时间。

（4）地面、草面（雪面）最高、最低温度的月极值及出现日期，分别从逐日地面和草面（雪面）最高、最低温度中挑取。

（5）水汽压和无自记仪器的本站气压、相对湿度的月极值及出现日期，从逐日各定时记录中挑取。

（6）降水量、雪深和雪压的月极值及出现日期，分别从各日记录中挑取。

（7）月最长连续降水日数及其降水量、起止日期：

从降水量日总量栏中，挑取一个月内日降水量≥0.1mm的最长的连续日数，并统计其相应的连续各日降水量的累计值，记其相应的起止日期。

（8）月最多风向及频率：

从各风向（包括静风）频率中，挑选出现频率最大者，即为月最多风向。

当月最大频率有两个或以上相同时，挑其出现回数最多者；若回数又相同时，挑其平均风速最大者：

若平均风速又相同时，挑取其中与邻近的两个风向频率之和最大者为最多风向。

挑选月最多风向时，若某风向出现频率与静风C同时为最多，则只挑该风向，不挑C。

若C的出现频率为最多时，则C挑为月最多风向，但须另挑次多风向。

4、实验报告

完成实验报告是本课程的基本训练。

一个实验成功与否，只有通过报告形式才能体现。

所以做实验报告能培养学生正确、有效的表达能力，它将使学生在对数据的处理、作图、问题归纳总结等方面得到训练和提高，学生实验报告的质量在很大程度上反映了学生的实际操作能力。

实验报告应包括：

（1）利用历史的气候要素资料进行制图，并通过资料的分析，对这些资料反映的气候型进行判读。

此项报告要求学生单独完成；

（2）通过对小区域下垫面的大气物理特征的连续观测记录，分析整理所观测记录的资料，并总结该地区小气候的特征。

此项报告要求学生按观测小组合作完成。

三、实验内容

1、参观兰州市气象局、兰州市气象科技园

2、了解气象观测站建站的条件并对空气温度和湿度进行观测

气象观测站建站的条件参考前述的气象观测站基本规范和要求。

对于地面观测中测定的是离地面1.50米高度处的气温和湿度。

需要获取的项目及其单位：

气温有定时气温，日最高、日最低气温；湿度有水汽压、相对湿度、露点温度。

配有温度计的气象站应作气温的连续记录。

以摄氏度（℃）为单位，取一位小数。

测量气温和湿度的仪器主要有干球温度表、湿球温度表、最高温度表、最低温度表、毛发湿度表、通风干湿表、温度计和湿度计、铂电阻温度传感器和湿敏电容湿度传感器。

3、对气压和风进行观测

测定气压主要用动槽式水银气压表、定槽式水银气压表、空盒气压表。

气压以百帕（hPa）为单位，取一位小数。

人工观测时，定时观测要计算本站气压，分析天气报告还须计算海平面气压，我国以黄海海面平均高度为海平面基准点，本站气压统一订正到此高度上，即为海平面气压。

水银气压表是利用作用在水银面上的大气压力，与以之相通、顶端封闭且抽成真空的玻璃管中的水银柱对水银面产生的压力相平衡的原理而制成的。

空盒气压表湿利用空盒弹力与大气压力相平衡的原理制成的。

空盒气压表不如水银气压表准确，而且订正值容易发生变化，因此一般台站上，只作为参考仪器。

由于它使用与携带都比较方便，适用于野外考察使用。

地面气象观测中测量的风是两维矢量（水平运动），用风向和风速表示。

最多风向是指在规定时间段内出现频数最多的风向；最大风速是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值；极大风速（阵风）是指某个时段内出现的最大瞬时风速值；瞬时风速是指三秒钟的平均风速；风的平均量是指在规定时间段的平均值，有三秒钟、二分钟和十分钟的平均值。

人工观测时，测量平均风速和最多风向。

自动观测时，测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。

测量风的仪器主要有EL型电接风向风速计、EN型系列测风数据处理仪、海岛自动测风站、轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器等。

4、对云和降水、蒸发进行观测

云的观测主要包括：

判定云状、估计云量、测定云高和选定云码。

云的观测应尽量选择在能看到全部天空及地平线的开阔地点或平台进行，为获得正确的观测记录，应对云进行连续观测，并根据云的外形特征、结构、排列、透光程度等情况，结合天气形势进行综合分析判断。

降水观测包括降水量和降水强度。

降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。

降水强度是指单位时间的降水量，通常测定5分钟、10分钟和1小时内的最大降水量。

气象站观测每分钟、时、日降水量。

常用测量降水的仪器有雨量器、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和双阀容栅式雨量传感器等。

气象站测定的蒸发量是水面蒸发量，它是指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（mm）为单位，取一位小数。

测量蒸发量的仪器有E601B型蒸发器和小型蒸发器。

5、对风向、气温、降水量等气候资料进行统计

实验二太阳常数的测定实验

一、实验目的

1、了解计算太阳常数的两种方法即“长法”和“短法”。

2、掌握直射日射强度计、散射辐射计和分光辐射计三种仪器的使用方法。

3、计算太阳常数，进而计算太阳有效温度和太阳颜色温度。

二、实验原理：

“长法”和“短法”

“长法”（longmethod）：

假定大气状况不改变，通过同一天中几个不同天顶角时太阳光谱的单色辐照度的观测而确定太阳常数的方法。

根据比尔定律，地面上观测波长（λ）的直接太阳辐射的辐照度（F）为：

这里：

是大气顶的太阳单色辐照度，

是单色质量消光截面，

为单色透过率，

表示太阳和观测者之间的大气质量与当地天顶距处的大气质量之比。

上式两端取对数后，可得出：

如观测期间大气状况不改变的话，则透过率

对m的直线可以外推到零点，此处代表大气顶（m=0）。

如果对整个太阳光谱按波长进行单色辐照度的观测，则有

式中N是所测量的单色辐照度的总数。

令d表示日地之间的实际距离，则由能量守恒可得太阳常数为：

这里

为日地平均距离。

用此法确定一次太阳常数，大约需要2—3小时，以保证m有相当大的变化范围。

一般利用日出或日落的机会，使太阳天顶距变化于45°至85°，相应的m值为1.5至11之间。

长法观测成功的关键在于这段时间中大气的光学厚度不能变化，否则观测值就不可能组成一条直线，因此必须选择晴朗稳定的天气。

但要保证整个观测期间光学厚度不变是很困难的。

长法存在着许多固有误差，例如：

（1）太阳光谱的紫外和红外部分在地面上观测不到或观测不全，需要用高空或大气外的观测资料来补足。

臭氧紫外吸收的经验订正，以及水汽和二氧化碳在太阳光谱区红外吸收的经验订正；

（2）进入观测仪器孔径之内的漫射辐射量未知；（3）在整个观测期间kλ的变化和气溶胶的可能影响；（4）测量误差。

图1太阳单色辐照度

的观测值随有效路径长度变化的理想情况

“短法”（shortmethod）:

根据一个天顶角下，对太阳光谱的单色辐照度而确定太阳常数的方法。

在太阳单色辐照度（

）、大气质量（m）以及透过率（

）之间有下列关系：

如果对已知地点事先进行长期观测，据此，对给定的

便可绘制出

对m的图形。

因此对于已知m的特定

的测量，可由图上找出相应的

。

一旦

被确定，则由上述方程可以确定大气顶的太阳辐照度（

），而这以后太阳常数的求值方法即与长法相同。

用此法进行一次测量仅需10～15分钟，比长法所需时间短得多，故名“短法”。

计算太阳的有效温度和颜色温度。

太阳的有效温度Te可由太阳常数S0利用黑体辐射定律得到。

因为以日心为中心，以太阳半径

和日地平均距离

为半径的两个球面上通过的太阳辐射能量应该相等，即

根据

、

和

的数值，得出太阳的有效温度Te。

太阳的颜色温度Tc可根据维恩定律、由太阳光谱中的最强波长λmax=0.48μm计算得到

1981年世界气象组织（WMO）推荐了太阳常数的最佳值是So=1367±7W·m-2。

三、实验内容

用直接