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气象与气候学实验指导书
气象与气候学实验指导书
（适用于林学、生态学和环境科学等本科专业）
森林资源与环境学院生态环境科学系教研室
2007年6月
目录
实验一光照强度的测定3
实验二温度的观测5
实验三空气湿度的测定8
实验四贴地层风速的测定12
实验五小气候观测16
实验六气象资料的整理和使用18
实验七自动气象观测21
实验一光照强度的测定
一、器具
照度计、钢卷尺、500瓦灯泡、镀锌铁皮制聚光筒、透明玻璃片
二、测定内容
1、测距光源不同距离的照度
以装在聚光灯筒内的500瓦灯泡作为光源，接通电交流电，用照度计测定与光源部10、20、50、100cm距离处的光照强度。
每测点连续读取三次读数，以其平均值代表该点的光照强度，单位勒克司。
观测记录见附表1-1。
2、测定玻璃片的平均透明度P
测定通过玻璃后的照度，找出透过玻璃后的光照强度I与玻璃片数的（m）的实验表达式。
玻璃片数m为正整数。
p的求解
（1）设通过玻璃前和玻璃后的光照迁都分别是
、
，玻璃透明程度P，玻璃片数m之间遵循公式：
则lgI=lg
+（lgP）m
似Y=a+bx的直线方程，式中a,b可通过测定的数据用统计相关的方法求得。
因为a=lg
b=lgP,所以
、P即可求得。
（2）按投射率公式求P
m=1,
m=2,
观测记录见附表1-2
三、注意事项
1.测试时感应元件的接收板应正对发光源的中心。
2.各玻璃片应重叠，且与筒口面平行，第一块玻璃片以贴近筒口面为宜。
四、思考题
1.验收接收点照度（用实测值）与光源的距离的平方成反比。
2.如将本实习测定内容“2”中的透明玻璃换成毛玻璃结果会怎样？
3.用实测值做I-d曲线，用实验方程做I-m曲线
4.在室外，全光照下测到的照度是否就是太阳直接光照强度？
为什么？
实验二温度的观测
空气的温度（简称气温，下同）是表示空气冷热程度的物理量。
地面观测中测定的是离地面1.5米高度处的气温。
测定的项目和单位：
定时气温，日最高、日最低气温。
配有温度计的台站作气温的连续记录。
气温的单位以摄氏度（℃）表示，取一位小数。
一·测温原理
任何物质温度变化都会引起它本身的物理特征与几何形状的改变。
利用物质这一特性，确定它与温度间的数量关系，就可以作为测温仪器的感应部分，制成各种各样的温度表。
常用的温度表有以水银或酒精为感应液的玻璃液体温度表。
水银和酒精都具有比较明显的热胀冷缩的特性。
水银和酒精相比较，具有导热快，比热小，易提纯，沸点高（356.9℃）蒸汽压小，不与玻璃发生浸润作用等优点，所以用水银用感应液的温度表灵敏度和精确度都较高。
但是由于水银冰点比酒精高（－38.9℃），测定低温不适宜，而酒精冰点低（－117.3℃），用来测定低温比较好。
但酒精本身具有膨胀系数不够稳定，纯度较差，容易蒸发，以及与玻璃起浸润作用等缺点，所以一般情况下，不使用酒精温度表，只有在气温低于－36℃时，才按照《地面气象观测规范》规定使用酒精温度表。
因此，除了最低温度表用酒精作为感应液外，一般温度表多用水银。
二、百叶箱
百叶箱的四边是由两排薄的木板及叶组成，木板向内倾斜成450角，箱底由三块木板组成，每块宽101mm，中间一块比边上两块稍高些，箱盖有两层，其间空气能自由流通。
百叶箱应具有良好的反辐射能力，故内外均涂以白色，以减少辐射影响。
百叶箱有大、小两种，大百叶箱是安装温度、湿度自记仪器的，小百叶箱是安装干湿球和最高、最低温度表的。
三、百叶箱内仪器安装
小百叶箱内各仪器都安置在箱内特别的铁架上，干湿球温度有应垂直固定在铁架的两端，干球在东，湿球在西，球部地面1.5米，湿球的下方是一个带盖的水盂，水盂固定在铁架下面的横梁上，盂口离湿球约3cm，湿球纱布通过杯盖的狭缝引入盂内，浸入水中。
最高温度表应水平放置在铁架下面横梁上的铁钩上（头部略高），球部中心离地面1.5米，最低温度计放在较低的钩上，球部中心离地1.52米，二支表球部均向东。
大百叶箱内的温度计安置在前面的木架上，感应部分中心离地1.5米；温度计应放在后面稍高的木架上，其高度以便于观测为准。
四、温度表的观测
观测程序，先读干球，后读湿球。
记录后复读干球和湿球温度再读毛发湿度表，然后读最高、最低温度，复读记录后，调整最高、最低温度表，放回最高温度表时应先放球部后放头部。
然后观测大百叶箱的温度计，湿度计并做时间记录。
五、观测注意事项：
（1）熟悉仪器的刻度，温度观测要求记录到0.1度，初次使用一支温度表，应先了解其最小刻度单位。
（2）避免视差，视线应于水银柱顶端附近刻度线是否直来较正。
（3）动作迅速。
因温度表感应较快所以读数时动作要迅速，先读小数后读整数，同时注意勿使头、手和灯接近球部，并尽量不要对温度表呼吸。
（4）复读，复读是为了防止产生5度和10度的误差。
图1干球温度表图图2干湿球温度表的安装
六、几种液体温度表
普通温度表（干湿球温度表）：
普通温度表是由球部、套管、白磁刻板及顶部所组成的水银温度表。
如图2－1。
它的特点是：
如前所述毛细管内水银柱的示度，随着被测物的温度变化而变化。
因而可以测出任意时刻被测物的温度。
气象站、哨是用一对规格相同的普通温度表测定空气的温度和湿度，因此又称为干湿球温度表。
最高温度表：
最高温度表的构造与一般温度表不同，它的感应部分内有一玻璃针，伸入毛细管，使感应部分和毛细管之间形成一窄道（见图3）。
当温度升高时，感应部分的水银体积膨胀，挤入毛细管；而温度下降时，毛细管内的水银，由于通道窄不能缩回感应部分，因而能指示出上次调整后这段时间内的最高温度。
图3最高温度表
最低温度表：
最低温度表的感应液是酒精，它的毛细管内有一哑铃形游标（见图4），当温度下降时，酒精柱便相应下降，由于酒精柱顶端表面张力作用，带动游标下降；当温度上升时，酒精膨胀，酒精柱经过游标周围慢慢上升，而游标仍停在原来位置上。
因此它能指示上次调整以来这段时间内的最低温度。
图4最低温度表
实验三空气湿度的测定
空气的湿度（简称湿度，下同）是表示空气中水汽含量和潮湿程度的物理量。
地面观测中测定的是离地面1.5米高度处的气温和湿度。
湿度有：
水汽压（e）----空气中水汽部分的压力。
单位以毫巴（mb）表示，取一位小数。
相对湿度（U）----空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之比。
以百分数（%）表示，取整数。
露点温度（td）----空气在水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度。
单位以摄氏度（℃）表示，取一位小数。
一干湿球温度表的制作
有两支形状、大小、规格相同的套管式温度表组成，一支成为“干球”；另一支球部包上湿润的纱布称为“湿球”。
测试原理：
水分蒸发与温度有关。
在空气中水汽含量未饱和时，湿球纱布上的水分随时都在蒸发，蒸发过程中所消耗的热量来自“湿球”及其周围的空气层。
“干球”的示度即表示当时的气温值，“湿球”的示度必然低于“干球”，从而得到干、湿温度示度差，称为“干湿差”。
湿度表面的蒸发（耗热）同时还与当时空气的潮湿程度、风速、气压有关。
“干湿差”越大，表示空气越干燥；“干湿差”越小，表示空气越潮湿。
湿球纱布的包扎方法：
先用清洁的水将纱布浸润，使其上端服帖无皱折的包卷在水银球上（包卷纱布的重叠部分不超过球部周长德1/4），然后用纱线把球部上、下端的纱布扎紧。
百叶箱内纱布长约10cm，当纱布结冰时应将湿球扎口下端2-3mm处剪去。
通风干湿表中湿球表中湿球纱布扎口下端宜留2-3mm。
二、通风干湿表结构原理
通风干湿表主要用于野外考察或自动气象站在气温或湿度采集出现故障时进行补测时使用。
它由干湿球温度表、通风装置、金属套管、双层保护管和上水滴管等组成（见图5）。
其作用、原理与百叶箱干湿球温度表基本相同。
主要不同处是：
温度表球部装在与风扇相通的管形套管中，利用机械或电动通风装置，使风扇获得一定转速，球部处于≥2.5m/s（电动通风可达3m/s以上）的恒定速度的气流中。
由于球部双层金属护管表面镀有镍或铬，是良好的反射体，能防止太阳对仪器的直接辐射。
图5通风干湿表图6毛发湿度表
三、湿度查算表制作公式
按道尔顿公式，湿球蒸发耗热量为
:
式中：
M为单位时间湿球蒸发的水量；
L为汽化耗热；
E’为湿球温度下的饱和水气压；
e为空气中的实际水汽压；
C为与风速有关的系数；
P为气压
湿球耗热吸收的热量来自湿球周围的空气层，需供给热量为
，
式中：
B为热交换系数；
S为热交换面积（同前式）
t为干球温度；
为湿球温度；
由热量平衡原理得
=
即
所以
令A=B/CL
则
（1）
公式
（1）即为用干湿球温度值求算空气水汽压的依据。
式中：
A为湿度系数或干湿表系数，其值随干、湿表安置方式而变化；
P、e（单位：
hpa）;
t、
（单位：
摄氏度）；
饱和水汽压求算式：
（2）
相对湿度和饱和差的公式各为：
（3）
（4）
四、湿度的查算
查算步骤
（1）由观测的t、
查的n值；
（2）用n、p（个位数“四舍五入”）查湿球温度订正值
；
（3）再由t、
+
查得e、U、
；
（4）由t值查得
；
（5）计算空气绝对湿度a、比湿q
五、毛发湿度表
利用脱脂的人发随空气湿度的增大（减少）而增长（缩短）的特性制作的毛发湿度表和温度计，用以测定空气相对湿度（图6）。
思考题
1．何谓湿球温度表？
为何用干湿差可反映空气潮湿程度？
2．表示空气湿度的物理量有哪些？
试说明它们的意义和关系？
3．查算湿球订正值应注意什么？
4．若测湿度方式不同，t不变、P变时，饱和水汽压值会如何？
5．湿球用水为何需蒸馏水？
实验四贴地层风速的测定
空气的水平运动叫风。
空气作水平运动时即有风向和风速两项。
风向是指风的来向，用十六向表示，通常以符号表示，如：
N，SSE等。
风速是指空气在单位时间内所移动的水平距离，通常以米/秒表示，有时也用千米/小时，日常用风力等级来表示。
测定风向风速的方法通常用电接风向标风速仪或轻便风速表。
一、器具
铁架、木杆、卷尺、轻便风向风速表。
轻便风向风速表由风向部分（包括风向标、方位盘、制动小套）、风速部分（包括十字护架、风杯、风速表主机体）和手柄三部分组成（见图7）。
图7轻便风向风速表图8电传风速风向传感器
轻便三杯风向风速表用于测量风向和一分钟时间内的平均风速。
轻便三杯风向风速表由风向仪，风速、手柄三部分组成。
风向仪：
包括风向指针、方位盘、制动小套管部件。
风速表：
由十字护架，感应组件旋杯，和风速表主机体组成。
旋杯是风速表的感应元件，它的转速与风速有一个固定的关系。
风速表主要就是根据这个基本原理制成的。
手柄：
由一段空心管和一个带螺纹的零件组成。
以上三部分可以通过螺纹连接在一起。
安置和使用：
风向风速表可以手持使用，也可安置在固定地点使用。
仪器安在四周开阔无高大障碍物的地方。
安装高度以便于观测为限，并保持仪器垂直，机壳侧面向风。
观测时将方向下小套管拉下再右转一角度，此时方向盘就可以按地磁子午线的方向稳定下来。
风向与方向盘所对的读数就是风向。
如果指针摆动，可读摆动的中间值。
用手指压下风速按钮，风速指针就回到零位。
放开风速按钮后，红色时间小指针就随风速指针开始走动，经一分钟后铜指针停止转动。
接着时间指针转到最初位置也停止下来，结束了风速的测量。
风速指针所示数值称为指示风速。
以这个风速值从风速检定曲线图中查出实际风速值即为所测之平均风速。
如欲进行下一次观测时，只要再压一下风速按钮就可以了。
当观测完毕时，务必将小套管向左转一角度，使其恢复原来位置，这时方向盘就可以固定不动。
小心地将风向仪和手柄退下，放入仪器盒内。
二、注意事项
1观测时应将仪器带至空旷处，由观测者手持仪器，高出头部并保持垂直，风速表刻度盘与当时风向平行；然后，将方位盘的制动小套向右转一角度，使方位盘按地磁子午线的方向稳定下来，注视风向标约二分钟，记录其摆动范围的中间位置。
手持风速仪时应握在记数器外壳，切忌握在风杯处。
2在观测风向时，待风杯转动约半分钟后，按下风速按钮，启动仪器，又待指针自动停转后，读出风速示值（m/s）；将此值从该仪器订正曲线上查出实际风速，取一位小数。
3观测完毕，将方位盘制动小套向左转一角度，固定好方位盘。
4高度计算以风杯中心点离地面距离计,风杯转动平面应平行地面
三观测程序
1.测定20、50、150、300cm四个不同高度的风速值。
2用一架风速表作梯度观测的方法。
开启风速表，一分钟后红色小指针自动停止转动，记下指针指示的风速值，取小数一位。
每个高度上连续测两次。
观测顺序由20cm到300cm，然后由300cm到20cm，上下来回一次，每个高度上共测定四次。
3将各高度几次风速求平均，以示各高度上的平均指标风速值。
并通过风速查表查的实际风速值。
4风速—高度之间遵循公式：
式中：
取
=3m处的平均风速值；
为粗糙度，因下垫面性质而异（表4-1），单位：
cm;
为高度z处的风速（m/s）
根据风对地面或海面物体的影响而引起的各种的征象，将风分为13级，最小为0级，最大为12级。
如以目测风力作为正式记录，则应估计风力等级并换算成相当的风速。
目测风向一般是根据炊烟的方向，旌旗、布条展开的方向以人体的感觉等方法，按八个方向进行估计。
目测估计方向、风力时，观测者应站在空旷地方，多选几个物体，认真地观测，尽量减少主观估计误差。
观测时，应连续观看两分钟，以平均情况来记录。
（风力等级附后）
表1风力等级表
风力等级
海波高（米）
海面和渔船征象
陆地上地物征象
相当风速米/秒
一般
最高
范围
中速
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
--
0.1
0.2
0.6
1.0
2.0
3.0
4.0
5.5
7.0
9.0
11.5
14.0
--
0.1
0.3
1.0
1.5
2.5
4.0
5.5
7.5
10.0
12.5
16.5
--
平静
有微风
有小波动,渔船摇动
有浪渔船渐觉簸动
浪顶有白色泡沫,渔船满帆时可使船倾于一側
浪顶白色泡沫
浪顶白色泡沫被吹离浪尖,渔船缩帆大部分
浪顶白色泡沫被吹成明显条纹壮,进港渔船停留不出
被风吹起的浪花使水平能见度减小
机帆船航行困难被风吹起的浪花使水平能见度明显减小
被风吹起的浪花使水平能见度显著减小,机帆船航行极险,海浪滔天.
静,烟直上
烟能表示风向树叶略有摇动
人面感觉有风,树叶微响旗帜开始飘动,高草庄稼开始摇动
树叶小树枝摇动不息,旗子展开高草庄稼摇动不息
能吹起地面灰尘和纸张,树枝摇动,高草庄稼显波浪壮
有叶小树摇动,内陆水面有波
大树枝摇动,电线呼呼作响,撑伞苦难,高草庄稼不时倾于地面
全树摇动,大树枝弯下,迎风步行感到不便可折断小树枝,迎风步行感到困难
草房遭受破坏,屋瓦被掀起,大树枝可折断
树木被吹倒,一般建筑物被破坏
大树可被吹倒,一般建筑物严重破坏
陆地上少见,摧毁力极大
0.0-0.2
0.3-1.5
1.6-3.3
3.4-5.4
5.5-7.9
8.0-10.7
10.8-13.8
13.9-17.1
17.2-20.7
20.8-24.4
24.5-28.4
28.5-32.6
732.6
0.1
0.9
2.5
4.4
6.7
9.4
12.3
15.5
19.0
22.6
26.5
30.6
732.6
表2不同性质下垫面的粗糙度（cm）
地面性质
粗糙度
冰面或平滑泥面
0.01
积雪面
0.3
草地（草高1cm）
0.1
草地（草高10cm）
2.3
植被（稀疏高50cm）
5
植被（密度高50cm）
9
思考题
1气象台、站是如何测定风向风速的？
2风向用什么表示，风速呢？
3何谓风的阵性？
4用实际值做z-V廓线图，用计算值作z-
廓线图。
实验五小气候的测定
一、器具
铁钩、木杆、曲管地温表（5cm、10cm、15cm、20cm）4支，蒸馏水、地面普通、最高、最低温度表、通风干湿表、空盒气压表、钢卷尺
二、注意事项
1．保持场地的自然状况
2．通风干湿表使用时，手应握在风扇外壳或温度表外保护板上。
3．温度表读数
应先读小数，后读整数。
干湿表的读数依次是：
先干球、后湿球。
读数切忌用手去触摸温度表球部。
人眼与测温质的平面应在同一水平面或垂直面上，即观测者的视线与测温质（或指标）的顶端齐平。
酒精柱读凹面最低点，水银读数读凸面最高点。
地温读数时人应下蹲，不得将地温表取离地面（土中）。
在进行不同高度观测时，温度表的球部不能离开所测定的高度。
高度是指温度表球部中点至地表的距离。
4．地面温度表的埋置：
球部向东，一半埋入土中，一半暴露空气中。
不同深度的地温表的埋置是5、10、15、20cm，由浅到深排列，各表间的距离约为10cm。
地温表观测顺序：
地表普通、最低、最高，地内5、10、15、20cm，最高、最低温度表读数后应调整复原位。
5．通风干湿表水平悬挂时应与地表面平行放置，球部切勿上翘，球部双重护管的开口处应避免直接对着阳光。
三、观测程序
1．气温（湿）观测。
10、20、50、150cm四个高度上的干湿球读数。
2．地温观测，0cm（地面普通、最低、最高温度），浅层的土温：
5、10、15、20cm（图9,10）。
测定前应让通风干湿表暴露于观测环境中一定时间：
冬季约30分钟，夏季15分钟左右。
3．用一架通风干湿表作梯度观测的方法：
将通风干湿表挂在10cm高度上，湿润纱布，上紧发条，约3.5分钟后进行该高度的第一次干湿球读数，并记录，紧接再做第二次读数、记录。
移动仪器至第二高度（20cm）后再湿润纱布，上紧发条，按上述方法取两次读数。
将仪器分别移至第三、四高度，重复上述操作方法，各两次读取干湿球的读数。
然后将仪器从第四高度返回到第一高度，重复上述操作过程。
在测定的过程中，应注意保持纱布湿润。
图9地面温度表安装示意图
图10曲管地温表安装示意图
观察记录见附表3
记录中的“气压”一栏直接从空盒气压计上读取；“天气状况”一栏记录测定时的天气（如晴、多云等）。
思考题
1大气中气温、气湿是如何测定的？
土温呢？
2最低温度表的测温质用什么？
如何读取最低温度值？
3说明最高温度表的构造上的特点，读数后如何处理？
4测定土壤表面温度时，地温表应如何安置？
5用本实习中各高度t、
的实测值，查算各高度的湿度表示量，并作出z-U、z-t曲线图。
6试用本次实习记录值，求各高度层的气温铅直递减率r。
7何谓温度层结？
试判断观测时各高度层的大气稳定度。
实验六气象资料的整理和使用
主要的气候要素资料有气温、降水、风。
一、气温的资料整理
在气温资料中，一般要整理统计的是平均温度（日平均、候平均、旬平均、月平均和年平均），确定四季长短，绝对最高与最低，各界限温度（0、5、10、15℃）和起迄日期和持续日数及计算积温等。
1、制作气温直方图和气温年变化曲线
制作气温直方图
月平均温度变化直方图是用两个坐标决定的平面图，横坐标表示日期，其比例是1mm代表1日，纵坐标表示月平均温度，其比例是1cm代表1℃。
为了便于研究冬季温度的变化，图不是从1月份开始，而是从10月开始，以后10月到12月又重复一次。
在作图时，首先将各月平均温度点在该月月中的相应日期上（大月在16日，小月在15日，2月在14日）。
然后根据逐月平均温度作直方图，直方块的高为月平均温度，底为各月日数，直方块的面积表示全月各日温度的总和。
绘制气温年变化曲线
在一年中，温度变化是平滑的，因此就要根据直方图画出温度的年变化曲线。
这条曲线的要求是：
曲线要异常光滑；画曲线时应从方块一边切去的面积和从另一边增加的面积相等，此时，曲线与横轴间的面积就等于直方块的面积，这样，全月中的温度总和并未改变。
只有根据上述两个原则才能保证曲线的正确绘制。
2、从图上求候、旬平均数温度和确定四季
求候温：
5天为一候，全年365天可分73候（月限，或跨月）候温是读每候中间那天对应的温度。
如第一候读1月3日所对应的温度。
求旬温：
10天为1旬，1个月分为三旬，旬温即旬中那天的温度，上、中旬皆为10天，分别读5日或15日所对应的温度，下旬为8、9、10或11天，分别读24、25、26日所对应的温度。
确定四季：
四季的标准是候平均气温≥22℃为夏，＜10℃为冬，介于10-22℃之间为春秋，候温为10.0℃之候的第1日春季开始，候温为22℃之候的第1日为夏季的开始，余类推。
3、求各界限温度和计算积温
求出各界温度的起迄日期和持续日数，在农业生产上仅仅知道各项平均温度还不够，为了要充分了然一个地方的热量情况，必须知道该地日平均气温≥0℃（温暖期），≥5℃（生长期），≥10℃（生长活跃期），≥15℃（喜温植物生长适宜时期）的起迄日期和持续日数。
计算积温：
积温就是温度的总和，某个地点在一定界限温度内的积温，通常被用来描述该地的热量条件。
因为积温可用以表示某一种植物在其全部生产期间和各个发育期间对温度的总的要求，通常计算气温≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃的积温。
二、降水
在整理降水资料时，必须考虑平均降水量、降水的季节分配、降水变率等主要项目。
1、平均降水量
因为降水不是一个连续发生的气候要素，在一年中并不是时时刻刻都有降水现象，因此日降水量的统计是没有意义的。
一般只统计月、季、年降水量。
月、季、年降水量是各该时期内降水的总和，平均月、季、年降水量乃是相应的降水量总和的多年平均值。
这些指标是表征降水最基本的量值。
降水量随时间和空间的变化都是相当大的。
为了获得必要精确度的平均月降水量和年降水量，应当有长时期的观测资料，许多研究结果表明，如果有30-50年以上的资料，平均降水量就比较具有代表性。
有直接统计的方法求候、旬降水量是困难的。
有类似于求候、旬气温的图解法计算候、旬降水量，比直接计算较为优越。
用图解法计算候、旬降水量的方法如下：
绘制降水量直方图：
以横坐标表示月，纵坐标表示降水量，分别以1mm表示1天或1mm降水量。
绘制降水量折线图：
绘制原理与气温年变化图相同。
2、降水的季节分配
降水的季节分配可以通过比较各月的降水量百分率、降水相对系数及季降水百分率来表示。
月降水量百分率：
在生产上不仅要了解一个地方的年总降水量，还要知道其他降水季节分配是否均匀。
月降水量百分率就是适应这种需要而计算的，其计算方法如下：
P=r/R×100%
式中P为月平均百分率；r为该月降水量（mm）；R为该地年降水量（mm）。
月降水相对系数：
用各月降水百分率固然能够表示出一年内
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