现代大气探测学-第9讲(1)-降水与蒸发的观测(南京信息工程大学 大气探测学)

1、南京信息工程大学南京信息工程大学 夏俊荣夏俊荣 致 谢 本课程多媒体教材是在兰州大学 张文煜教授的同类教材基础之上修 改完成，此外还得到了其他诸位老 师的帮助，在此谨表示衷心感谢。 第九讲（第九讲（1 1） 降水与蒸发降水与蒸发 的观测的观测 1 1、概述、概述 （1 1）降水）降水 （2 2）蒸发）蒸发 （3 3）降水和蒸发观测的意义）降水和蒸发观测的意义 1 1、概、概 述述 降降 水水 从云中降落或从大气沉降到地面的从云中降落或从大气沉降到地面的 液态或固态的水汽凝结物，包括：雨、液态或固态的水汽凝结物，包括：雨、 雹、雪、露、雾凇、白霜和雾降水雹、雪、露、雾凇、白霜和雾降水 1 1、概

2、、概 述述 在此同时，地表和水面的水分，又通过蒸在此同时，地表和水面的水分，又通过蒸 发包括陆面蒸发、水面蒸发以及植物蒸腾等，发包括陆面蒸发、水面蒸发以及植物蒸腾等， 不断地进入大气，再通过降水落到地面，由此不断地进入大气，再通过降水落到地面，由此 形成地气体系内水分的闭合循环形成地气体系内水分的闭合循环 由于自然界中水分的循环处于某种稳定状由于自然界中水分的循环处于某种稳定状 态，则在这种情况下，降落到地球表面的降水态，则在这种情况下，降落到地球表面的降水 量应与蒸发量相等。全球的降水总量估计为量应与蒸发量相等。全球的降水总量估计为 5.11017kg，由此可见，自然界所发生的，由此可见，自

3、然界所发生的 水分循环是非常强烈的水分循环是非常强烈的 1 1、概、概 述述 降水量和蒸发量的资料对于我降水量和蒸发量的资料对于我 们利用和改造自然，为国民经济建们利用和改造自然，为国民经济建 设服务有着重要的作用设服务有着重要的作用 2、降、降 水水 观观 测测 1.1.降水观测降水观测 2.2.降水量降水量 3.3.降水强度降水强度 4.4.降水量观测的误差来源降水量观测的误差来源 5.5.测定降水量的主要仪器测定降水量的主要仪器 a.a.基本组成及各部分的作用基本组成及各部分的作用 （1 1）雨量器）雨量器 b.b.观测时的注意事项观测时的注意事项 测量原理测量原理 a.a.虹吸式雨量计

4、虹吸式雨量计 观测时的注意事项观测时的注意事项 （2 2）雨量计）雨量计 基本组成基本组成 b.b.翻斗式遥测雨量计翻斗式遥测雨量计 测量原理测量原理 （3 3）雨量传感器）雨量传感器 降水量降水量 降水强度降水强度 降水量降水量是指从天空降落到地面上的是指从天空降落到地面上的液态或固液态或固 态（经融化后）态（经融化后）降水，降水，未经蒸发、渗透、汇聚和未经蒸发、渗透、汇聚和 流失流失而在水平面上积聚的而在水平面上积聚的深度深度。以。以mmmm为单位，取为单位，取 一位小数。纯雾、露、霜、雾淞、吹雪、冰针的一位小数。纯雾、露、霜、雾淞、吹雪、冰针的 量按无降水处理，当其与降水伴见时也不扣除其

5、量按无降水处理，当其与降水伴见时也不扣除其 量量 降水强度降水强度：指单位时间的降水量指单位时间的降水量 通常测定通常测定5 5分钟、分钟、1010分钟和分钟和1 1小时内小时内 的最大降水量的最大降水量 降水强度分类降水强度分类：降水根据强度大小可分为降水根据强度大小可分为4 4类类 小雨（小雨（0.10.12.5mm/h2.5mm/h） 中雨（中雨（2.62.68.0mm/h8.0mm/h） 大雨（大雨（8.18.115.9mm/h15.9mm/h） 暴雨（暴雨（16.0mm/h16.0mm/h） 雨水溅失雨水溅失 大到暴雨时，大到暴雨时，1-2% 蒸发损失蒸发损失 单次观测误差单次观测误

6、差0.3-0.5mm 风造成的误差风造成的误差 风是造成降水测量误差的主要原因，风是造成降水测量误差的主要原因， 误差占总降水量的误差占总降水量的10%以上以上 （1）雨量器）雨量器 雨量器由承水器（漏斗）、储水桶（外桶）、雨量器由承水器（漏斗）、储水桶（外桶）、 储水瓶组成，并配有与其口径成比例的专用量杯。储水瓶组成，并配有与其口径成比例的专用量杯。 目前我国所用的雨量器承水口为目前我国所用的雨量器承水口为314cm314cm2 2。 。 h=R2/r2 R-承水器半径承水器半径 我国我国10cm r-雨量杯半径雨量杯半径 2cm h-雨量杯中降水高度雨量杯中降水高度 若承水器水深若承水器水

7、深1mm时，则量杯水深时，则量杯水深 25mm 将量杯上每将量杯上每2.5mm刻制一条线，那么刻制一条线，那么 代表降水量为代表降水量为0.1mm 承水器和储水筒承水器和储水筒 承水器和储水承水器和储水 筒是用镀锌铁皮或筒是用镀锌铁皮或 其它金属材料制成。其它金属材料制成。 承水器口为正圆形承水器口为正圆形 并镶有铜制金属圈，并镶有铜制金属圈， 成内直外斜的刀刃成内直外斜的刀刃 形，其目的在于防形，其目的在于防 止器口变形及雨水止器口变形及雨水 溅入。承水器内的溅入。承水器内的 漏斗是活动的。漏漏斗是活动的。漏 斗的作用是防止雨斗的作用是防止雨 量桶中收集到的降量桶中收集到的降 水发生蒸发水发

8、生蒸发 储水瓶和雨量杯储水瓶和雨量杯 储水瓶是有一储水瓶是有一 定容量并有倒水咀定容量并有倒水咀 的玻璃瓶的玻璃瓶 雨量杯为特制雨量杯为特制 的玻璃杯，杯上的的玻璃杯，杯上的 刻度一般从刻度一般从0.05mm0.05mm 到到10.5mm10.5mm，每一小，每一小 格代表格代表0.1mm0.1mm降水量，降水量， 每一大格为每一大格为1.0mm1.0mm降降 水量，量杯的刻度水量，量杯的刻度 大小直接表示了降大小直接表示了降 水量，不必要再进水量，不必要再进 行换算行换算 观测与记录观测与记录 每天每天08、20时时分别量取前分别量取前12h降水量降水量 降雪降雪时，取下承水器，换上承雪口。

9、将雪时，取下承水器，换上承雪口。将雪融化融化 后再量取。或直接将固体降水连外筒用专用台后再量取。或直接将固体降水连外筒用专用台 秤称量（扣除外筒重量）秤称量（扣除外筒重量） 在在炎热干燥炎热干燥的日子，为防止蒸发，降水停止后，的日子，为防止蒸发，降水停止后， 要要及时观测及时观测 降水大降水大时，时，增加增加人工观测次数人工观测次数 无降水时，降水量栏空白不填。不足无降水时，降水量栏空白不填。不足0.05 mm， 记记0.0。纯雾、露、霜、冰针、雾凇、吹雪的量。纯雾、露、霜、冰针、雾凇、吹雪的量 按无降水处理（吹雪量必须量取，供计算蒸发按无降水处理（吹雪量必须量取，供计算蒸发 量用）。出现雪暴

10、时，应观测其降水量量用）。出现雪暴时，应观测其降水量 雨量器观测时的注意事项雨量器观测时的注意事项 a.a.雨量器安置在观测场内固定架子上，器口雨量器安置在观测场内固定架子上，器口 要保持水平，口沿离地面高度为要保持水平，口沿离地面高度为70cm70cm，仪器四，仪器四 周不受障碍物影响，以保证准确收集降水周不受障碍物影响，以保证准确收集降水 b.b.在冬季积雪较深地区，应在其附近装一备在冬季积雪较深地区，应在其附近装一备 份架子份架子 c.c.当雨量器安在此架子上时，口沿距地面高当雨量器安在此架子上时，口沿距地面高 度为度为1.01.01.2m1.2m，在雪深超过，在雪深超过30mm30mm

11、时，就应该把时，就应该把 仪器移至备份架子上进行观测仪器移至备份架子上进行观测 d.d.冬季降雪时，须将漏斗从承水器内取下，冬季降雪时，须将漏斗从承水器内取下， 并同时取出储水瓶，直接用外筒接纳降水并同时取出储水瓶，直接用外筒接纳降水 雨量器雨量器缺点缺点 完全人工操作完全人工操作 必须在降水后才能进行测量必须在降水后才能进行测量 -无法实现气象观测的自动化与遥测化无法实现气象观测的自动化与遥测化 （2）虹吸式雨量计）虹吸式雨量计 （已淘汰）（已淘汰） a、测量原理、测量原理 当雨水通过承水器和漏斗进入浮当雨水通过承水器和漏斗进入浮 子室后，水面即升高，浮筒和笔杆也子室后，水面即升高，浮筒和笔

12、杆也 随着上升（由于笔杆总是做上下运动，随着上升（由于笔杆总是做上下运动， 因此雨量自记纸的时间线是直线而不因此雨量自记纸的时间线是直线而不 是弧线），下雨时随着浮子室内水集是弧线），下雨时随着浮子室内水集 聚的快慢，笔尖即在自记纸上记出相聚的快慢，笔尖即在自记纸上记出相 应的曲线表示降水量及其强度。当笔应的曲线表示降水量及其强度。当笔 尖到达自记纸上限时（一般相当于尖到达自记纸上限时（一般相当于 10mm），室内的水就从浮子室旁的），室内的水就从浮子室旁的 虹吸管排出，流入管下的盛水器中，虹吸管排出，流入管下的盛水器中， 笔尖即落到笔尖即落到0线上。若仍有降水，则线上。若仍有降水，则 笔尖又

13、重新开始随之上升，而自记纸笔尖又重新开始随之上升，而自记纸 的坡度就表示出了降水强度的大小。的坡度就表示出了降水强度的大小。 由于浮子室的横截面积与承水口的面由于浮子室的横截面积与承水口的面 积不等，因而自记笔所记出的降水量积不等，因而自记笔所记出的降水量 是是经过放大经过放大了的。了的。 放大率放大率？ 虹吸雨量计的放大率虹吸雨量计的放大率 设设A A1 1为承水器口为承水器口 的横截面积，的横截面积，A A2 2为进为进 水管的横截面积，水管的横截面积，A A3 3 为浮子室的横截面积，为浮子室的横截面积， A A4 4为虹吸管的横截面为虹吸管的横截面 积，积，为虹吸管与浮为虹吸管与浮 子

14、室的夹角。当降水子室的夹角。当降水 量为量为H H时，浮子上升时，浮子上升 的高度为的高度为h h hAAAH)(A 4321 n H h 1 234 A AAA 令 n n即为虹吸雨量计即为虹吸雨量计 的的放大率放大率 虹吸式雨量计观测时的虹吸式雨量计观测时的注意事项注意事项 a.a.虹吸管应经常保持虹吸管应经常保持清洁清洁，使发生虹吸的时间小，使发生虹吸的时间小 于于1414秒。因为虹吸过程中落入雨量计的降水将随秒。因为虹吸过程中落入雨量计的降水将随 之排出仪器外，而不计入降水量，虹吸时间过长之排出仪器外，而不计入降水量，虹吸时间过长 将使仪器误差加大。将使仪器误差加大。 b.b.在记录时

15、要注意雨量计的在记录时要注意雨量计的型号型号，因为对于每，因为对于每 一种型号的雨量计，其虹吸管的规格都是一定的，一种型号的雨量计，其虹吸管的规格都是一定的， 不能乱用，任一参数的改变都将影响记录的准确不能乱用，任一参数的改变都将影响记录的准确 性。性。 （3）翻斗式遥测雨量计翻斗式遥测雨量计 基本组成基本组成 翻斗式遥测雨量计是翻斗式遥测雨量计是 由由感应器感应器、记录器记录器和和电源电源 组成的有线遥测雨量仪器。组成的有线遥测雨量仪器。 感应器由承水器、上翻斗、感应器由承水器、上翻斗、 计量翻斗、计数翻斗、干计量翻斗、计数翻斗、干 簧管等组成。记录器由计簧管等组成。记录器由计 数器、记录笔

16、、自记钟、数器、记录笔、自记钟、 控制线路板等构成控制线路板等构成 承水器收集的降水通过接水承水器收集的降水通过接水 漏斗进入上翻斗，积到一定量时漏斗进入上翻斗，积到一定量时 由于重力作用上翻斗翻转，水进由于重力作用上翻斗翻转，水进 入汇集漏斗。再注入计量翻斗时，入汇集漏斗。再注入计量翻斗时， 将不同强度的降水将不同强度的降水调节调节为较均匀为较均匀 的降水强度，以减少由于降水强的降水强度，以减少由于降水强 度不同造成的测量误差。当计量度不同造成的测量误差。当计量 翻斗承受的降水量为翻斗承受的降水量为0.1mm时，时， 计量翻斗将降水倒入计数翻斗，计量翻斗将降水倒入计数翻斗， 使使计数翻斗翻转

17、计数翻斗翻转一次。计数翻斗一次。计数翻斗 在翻转时，与其相关的磁钢对干在翻转时，与其相关的磁钢对干 簧管扫描一次，干簧管因磁化而簧管扫描一次，干簧管因磁化而 瞬间瞬间闭合闭合一次。这样，降水量每一次。这样，降水量每 次达到次达到0.1mm时，就时，就送出一个送出一个 开关信号开关信号，采集器就自动采集存，采集器就自动采集存 储储0.1mm降水量降水量 定位螺钉定位螺钉 上翻斗上翻斗 定位螺钉定位螺钉 计量翻斗计量翻斗 计数翻斗计数翻斗 承水器承水器 自记钟自记钟 履带履带 控制线路板控制线路板 计数器计数器 翻斗式遥测雨量计感应器翻斗式遥测雨量计感应器翻斗式遥测雨量计记录器翻斗式遥测雨量计记录

18、器 （3）翻斗式遥测雨量计）翻斗式遥测雨量计 测量原理测量原理 利用翻斗每翻转一次的雨量是已知的，而翻利用翻斗每翻转一次的雨量是已知的，而翻 斗翻转的次数是可以记录下来的。根据记录下来斗翻转的次数是可以记录下来的。根据记录下来 的翻斗翻转的次数，即可遥测出降水量的值以及的翻斗翻转的次数，即可遥测出降水量的值以及 得到降水量随时间的变化曲线。得到降水量随时间的变化曲线。 （4）双阀容栅式雨双阀容栅式雨 量传感器量传感器 是用来连续采集是用来连续采集 液体降水量的，由承液体降水量的，由承 水器、贮水室、浮子水器、贮水室、浮子 与感应极板，以及信与感应极板，以及信 号处理电路等组成。号处理电路等组成

19、。 测量原理是利用贮水测量原理是利用贮水 室内浮子随雨量上升室内浮子随雨量上升 带动感应极板，使容带动感应极板，使容 栅移位传感器产生的栅移位传感器产生的 电容量变化，经转换电容量变化，经转换 为位移计量的原理测为位移计量的原理测 得降水量得降水量 back 称重式雨量计称重式雨量计 3、蒸、蒸 发发 量量 的的 观观 测测 1.1.蒸发量蒸发量 2.2.测定蒸发量的主要仪器测定蒸发量的主要仪器 （1 1）小型蒸发器）小型蒸发器 （2 2）E-601BE-601B型蒸发器型蒸发器 （3 3）超声蒸发传感器）超声蒸发传感器 3.3.蒸发量观测存在的问题蒸发量观测存在的问题 蒸发与蒸发量蒸发与蒸发

20、量 蒸发？蒸发？ 蒸发是指温度低于水的沸点时，水汽蒸发是指温度低于水的沸点时，水汽 从水面、冰面或其它含水物质表面逸从水面、冰面或其它含水物质表面逸 出的过程出的过程 蒸发量？蒸发量？ 由于蒸发而消耗掉的水层厚度由于蒸发而消耗掉的水层厚度 以以mm为单位，取一位小数为单位，取一位小数 3 3、测定蒸发量的主要仪器、测定蒸发量的主要仪器 （1 1）小型蒸发器小型蒸发器 一般情况下蒸发器安装在口缘距地面一般情况下蒸发器安装在口缘距地面70cm高处，高处， 冬季积雪较深地区的安置同雨量器。每天冬季积雪较深地区的安置同雨量器。每天20时进行观测，时进行观测， 测量前一天测量前一天20时注入的时注入的2

21、0mm清水（即今日原量）经清水（即今日原量）经24小小 时蒸发剩余的水量，蒸发量计算公式如下：时蒸发剩余的水量，蒸发量计算公式如下： 蒸发量原量降水量余量蒸发量原量降水量余量 蒸发器内的水量全部蒸发完时，记为蒸发器内的水量全部蒸发完时，记为20.020.0，此种情，此种情 况应避免发生，平时要注意蒸发情况，增加原量。况应避免发生，平时要注意蒸发情况，增加原量。 结冰时用称量法测量，其它季节用杯量法或称量法均结冰时用称量法测量，其它季节用杯量法或称量法均 可。可。 有降水时，应取下金属丝网圈；有强烈降水时，应随有降水时，应取下金属丝网圈；有强烈降水时，应随 时注意从器内取出一定的水量，以防止溢出

22、时注意从器内取出一定的水量，以防止溢出 （1）小型蒸发器 3 3、测定蒸发量的主要仪器、测定蒸发量的主要仪器 （2 2） E-601BE-601B型蒸发器型蒸发器 （2 2）E-601BE-601B型蒸发器型蒸发器 蒸发桶蒸发桶 是一个器口面积为是一个器口面积为30003000平方厘米、有圆锥底平方厘米、有圆锥底 的圆柱形桶，器口要求正圆，口缘为内直外斜的刀刃形。的圆柱形桶，器口要求正圆，口缘为内直外斜的刀刃形。 桶底中心装有一根直管，在直管的中部有三根支撑与桶壁桶底中心装有一根直管，在直管的中部有三根支撑与桶壁 连接，以固定直管的位置并使之垂直。直管的上端装有测连接，以固定直管的位置并使之垂

23、直。直管的上端装有测 针座，座上装有器内水面指示针，用以指示蒸发桶中水面针座，座上装有器内水面指示针，用以指示蒸发桶中水面 高度。在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶高度。在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶 管与溢流桶相连通，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。管与溢流桶相连通，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。 桶身的外露部分和桶内侧涂上白漆，以减少太阳辐射的影桶身的外露部分和桶内侧涂上白漆，以减少太阳辐射的影 响。响。 水圈水圈 是装置在蒸发桶外围的环套，用以减少太阳辐是装置在蒸发桶外围的环套，用以减少太阳辐 射及溅水对蒸发的影响。它由四个相同的、其周边稍小于射及溅水对蒸发

24、的影响。它由四个相同的、其周边稍小于 四分之一的圆周的弧形水槽组成。水槽用较厚的白铁皮制四分之一的圆周的弧形水槽组成。水槽用较厚的白铁皮制 成，宽成，宽2020厘米，内外壁高度分别为厘米，内外壁高度分别为13.713.7厘米和厘米和15.015.0厘米。厘米。 每个水槽的外壁上开有排水孔，孔口下缘离水槽均应按蒸每个水槽的外壁上开有排水孔，孔口下缘离水槽均应按蒸 发桶的同样要求涂上白漆。水圈内的水面应与蒸发桶内的发桶的同样要求涂上白漆。水圈内的水面应与蒸发桶内的 水面接近。水面接近。 溢水桶溢水桶 用金属或其它不吸水的材料制成。它用来承接因暴雨用金属或其它不吸水的材料制成。它用来承接因暴雨 从蒸

25、发桶溢出的水量。用量尺直接观测桶内水深的溢流桶，应从蒸发桶溢出的水量。用量尺直接观测桶内水深的溢流桶，应 做成口面积为做成口面积为 300300平方厘米的圆柱桶；不用量尺观测的，所用平方厘米的圆柱桶；不用量尺观测的，所用 的溢流桶的形式不拘，其大小以能容得下溢出的水量为原则。的溢流桶的形式不拘，其大小以能容得下溢出的水量为原则。 放置溢流桶内的箱要求耐久、干燥和有盖。须注意防止降落在放置溢流桶内的箱要求耐久、干燥和有盖。须注意防止降落在 胶管上的雨水顺着胶管流入溢流桶内。不出现暴雨的地方，可胶管上的雨水顺着胶管流入溢流桶内。不出现暴雨的地方，可 以不设置溢流以不设置溢流桶。桶。 观测与记录观测

26、与记录 每日每日20时观测时观测 蒸发量蒸发量=前一日水面高度前一日水面高度+降水量（雨降水量（雨 量器观测值）量器观测值）-测量时水面高度测量时水面高度 3 3、测定蒸发量的主要仪器、测定蒸发量的主要仪器 （3 3）超声蒸发传感器超声蒸发传感器 超声蒸发传感器由超声波传感器超声蒸发传感器由超声波传感器 和不锈钢圆筒组成。根据超声波测距和不锈钢圆筒组成。根据超声波测距 原理，选用高精度超声波探头，对原理，选用高精度超声波探头，对 E601BE601B型蒸发器内水面高度变化进行型蒸发器内水面高度变化进行 检测，检测， ，C CW W水中声速、水中声速、t t 超声波脉冲往返于水面高度超声波脉冲往

27、返于水面高度H H经历的经历的 时间，转换成电信号输出。并配置温时间，转换成电信号输出。并配置温 度校正部分，以保证在使用温度范围度校正部分，以保证在使用温度范围 内的测量精度。它的测量范围为内的测量精度。它的测量范围为0-0- 100mm100mm，分辨率，分辨率0.1mm 0.1mm ，测量准确度，测量准确度 1.5%1.5%，在气温，在气温0 - +500 - +50范围使用范围使用 2/ tCH W 存在的问题存在的问题 降水的测定主要是代表性问题，降水的测定主要是代表性问题， 基本上不存在准确性问题，而蒸发的基本上不存在准确性问题，而蒸发的 观测则不仅存在代表性的问题，而且观测则不仅

28、存在代表性的问题，而且 也存在测定的准确性问题也存在测定的准确性问题 国际参考标准蒸发器国际参考标准蒸发器俄罗斯俄罗斯20 m2蒸蒸 发池发池 （4）气象应用）气象应用 农谚说：农谚说：“清明要明，谷雨要雨清明要明，谷雨要雨”。这说明适时适量的降。这说明适时适量的降 水对农业生产能提供有利的条件，是人类生存发展和生态系水对农业生产能提供有利的条件，是人类生存发展和生态系 统得以维系的淡水资源供应源。而反常降水则会带来灾害。统得以维系的淡水资源供应源。而反常降水则会带来灾害。 我国大部分地区降水都集中在下半年，而这时正是农作物的我国大部分地区降水都集中在下半年，而这时正是农作物的 生长季节，大型

29、降水的多少能造成大面积的涝旱。尤其是时生长季节，大型降水的多少能造成大面积的涝旱。尤其是时 间长、面积大的暴雨，还能引起洪水泛滥，不仅对生产建设间长、面积大的暴雨，还能引起洪水泛滥，不仅对生产建设 造成极大的危害，而且对人民的生命财产也带来巨大的威胁。造成极大的危害，而且对人民的生命财产也带来巨大的威胁。 因此，工农业生产、交通运输、水利建设、防涝抗旱等都需因此，工农业生产、交通运输、水利建设、防涝抗旱等都需 要及时准确的降水观测资料。要及时准确的降水观测资料。 降水在军事上也有很重要的影响，比如降水对舰艇舱面人降水在军事上也有很重要的影响，比如降水对舰艇舱面人 员的健康力和战斗力影响较大，对武器装备也会产生一定的员的健康力和战斗力影响较大，对武器装备也会产生一定的 不良影响；降雪会迅速改变海岸目标的伪装条件，使舰艇目不良影响；降雪会迅速改变海岸目标的伪装条件，使舰艇目 力通信和利用天体及沿岸目标定位的工作受到限制。力通信和利用天体及沿岸目标定位的工作受到限制。 蒸发在地球的水表面、土壤以及雪和冰表面不停的发生，蒸发在