农业气象学实验实习指导

1、农业气象学实验实习指导塔依尔胡晓棠吕新雷咏雯石河子大学农学院资环系气象教研室目 录实验一太阳辐射、光照强度和日照时数的测定1实验二空气、土壤温度的观测23实验三空气湿度、降水和蒸发的观测34实验四 气压与风的观测48实验五 农业气候资料的整理及统计63实验六 园艺设施小气候观测82实验七 农田小气候观测85教学实习地面气象观测95 实验一 太阳辐射、光照强度和日照时数的测定一、目的和要求了解测量太阳辐射、光照强度及日照时数常用仪器的工作原理、构造特点、安装要求、使用及一般的维护方法。要求同学们正确掌握太阳直接辐射、总辐射、净辐射辐射通量密度和光照强度以及日照时数的观测方法。二、所需仪器（一）太

2、阳辐射仪器大多数太阳辐射仪器是根据辐射对辐射仪器感应器产生的热效应为基础来测量的。太阳辐射是气象观测指标中重要内容，根据国际气象组织WMO标准要求，太阳辐射观测分为总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射和净辐射。测量辐射常用的仪器有：1.直接辐射表：测量垂直于太阳光的单位面积上，单位时间内所接受的太阳辐射能量。2.天空辐射表(又称总辐射表)：测量在水平面上所接受到的太阳总辐射。用特制的圆盘或遮日环挡去太阳直接辐射后可单独测量天空散射辐射；将仪器感应面向下可测量下垫面反射辐射。3.分光谱辐射表：是测量在某一个光谱区辐射能的辐射表。在辐射表的感应面上加不同处理的滤光罩，可测量红外、可见光及紫外区辐射

3、量。4.净辐射表：测量所有波长的净辐射能量交换。 （二）光照强度的观测仪器主要有照度计，用它测量可见光的光照度。（三）光照时间观测仪器观测日照时数的仪器常用的有暗筒式日照计（又叫乔唐式）和聚焦式日照计两种。用于太阳日照时数的测量。三、实验内容1.总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射和净辐射的观测。2.光谱辐射的观测3.太阳辐射记录仪的使用。4.光照度的观测。5.日照时数的观测。四、太阳辐射表的工作原理、结构及安装使用（一）热电偶原理下面介绍的太阳辐射测量仪器，其测量原理是辐射对辐射仪器感应器产生的热效应为基础来测量的，即热电偶原理。两种不同的金属导体，其两端彼此焊接成为一个闭合回路，如图1.1

4、所示，当两个接触点的温度T1、T2不同时，回路中就会有电势，温差越大，回路中热电动势也越大，这种效应称为热电效应，其产生的电动势称之为温差电势。用来作为测量元件的那一端称为工作端（热点、测量端），另一端称为参考端（冷点）。根据热电堆温差与输出电压的关系，可以从理论上计算不同入射辐射下的辐射表输出，图1.2是辐射表输出电压与入射光的辐射通量密度的理论曲线及实际观测曲线。表1.1 常用的几种电偶及其灵敏度（单位10-6V/）热电偶组成铜-康铜锰铜-康铜铂-康铜铁-康铜热电势41413452（二）直接辐射表1.普通直接辐射表(1)普通直接辐射表的构造直接辐射表主要由感应器、进光筒、支架和底座构成如图

5、1.3。直接辐射表所测量的仅仅来自太阳圆盘的辐射,实际上，不可能达到这个目的，因为如果圆盘的进口正好适应了太阳圆盘，则当圆筒方向甚至是很小的改变，也将引起很大的误差。由于它还感受到太阳周围很小一部分天空的散射，因此圆筒长短与进口形状改变，不同的仪器就包括了不同量的环日辐射，所以筒的进口形状，筒的长度是相当重要的。(2)普通直接辐射表的工作原理直接辐射表的感应器是由36对康铜锰铜薄片串联组成的热电堆，置于进光筒的底部，其接受日射面涂有吸收率很高的黑色涂料，背面焊有星盘状温差热电堆的热接点，冷接点焊在底座的铜环上与进光筒外壳相连，便于与气温平衡。为了消除风及旁侧辐射的影响，进光筒内有5个直径逐渐变

6、小的环形光栅，光栅内侧涂黑，外侧(向阳面)镀镍(见图1.4),以减少弱风对感应面的影响,并防止散射辐射落到感应面上,消除光线在筒内的反射。（3）普通直接辐射表的安装和使用测量时，必须将进光筒感应面正对太阳，让穿过小孔(3)的光点正好落在筒尾端的小黑点(4)上。当涂黑的银箔片受日光直射后，温度升高，由此产生温差电流，温差电流的大小与直接辐射的辐射通量密度成正比。通过换算可得到太阳直接辐射的辐射通量密度。进光筒固定在支架上，支架上有螺丝用来对准当地纬度刻度。为使感应面对准太阳，可用螺丝(9)(10)进行调整，其中螺丝(9)能使进光筒口作上下移动，而螺丝(10)能使进光筒做单项圆弧形转动。底座(11

7、)上有一箭头(12)指向北，用此来对准当地子午线。观测完毕，用筒盖(5)盖上进光筒口。2.TBS-2-B直接辐射表这是一种自动跟踪太阳用来测量太阳直接辐射的表，与太阳辐射记录仪连接使用。（1）TBS-2-B直接辐射表的构造该表构造如图1.5，主要由光筒和自动跟踪装置组成。（2）TBS-2-B直接辐射表的工作原理光筒内部由七个光栏和内筒、石英玻璃、热电堆、干燥剂筒组成。七个光栏是用来减少内部反射，构成仪器的开敞角并且限制仪器内部空气的湍流，在光栏的外面是内筒，用以把光栏内部和外筒的干燥空气封闭，以减少环境温度对热电堆的影响。在筒上装置JGS，石英玻璃片，它可透过 0.273.2m波长的辐射光，光

8、筒的尾端装有干燥剂，以防止水气凝结物生成。感应部分是光筒的核心部分，它是由快速响应的线绕电镀式热电堆组成。感应面对着太阳一面涂有美国3M无光黑漆，上面是热电堆的热接点，当有阳光照射时，温度升高，它与另一面的冷结点形成温差电动势。该电动势与太阳辐射强度成正比。自动跟踪装置是由底版、纬度架、电机、导电环、蜗轮箱（用于太阳倾角调整）和电机控制器等组成。驱动部分由石英晶体震荡器控制直流步进电机，电源为直流6V。该电机精度高，24小时转角误差为0.25°以内。当纬度调到当地地理纬度，地板上的黑线与正南北线重合，倾角与当时太阳倾角相同，即可实现准确的自动跟踪。（3）TBS-2-B直接辐射表的安装

9、直表的安置地方要保证在所有季节和时间内(从日出至日落)太阳直射光不受任何障碍物影响。如有障碍物在日出日落方向，其高度角不得超过5°，同时要尽量避开烟、雾等大气污染严重的地方，通常可与其它辐射表一起安在观测场内。如果条件不具备，也可安在房顶的平台上。直表要安装在专用台架上，台架面可用铁板或水泥构成。台柱面的尺寸至少应有300×400mm，台架要安装的很牢固，即使受到严重的冲击和振动(如大风等)也不应改变仪器的水平状态。直表的跟踪精度与仪器的安装是否正确关系极为密切。直表安装必须调好纬度角、对正南北向、调水平。对纬度松开纬度盘上的旋纽9和11，转动刻度盘10，使其对准当地地理纬

10、度(准确至0.25°)，然后再拧固紧。对南北为了使地轴与直表回转中心在同一平面上，直表底座上的方位线必须准确当地南北方向。调水平用底板上的三个水平调整螺丝调水平泡至水平器中央。（4）使用将控制器与直表跟踪部分用导线连接，并接通电源。按下电源键，电源灯亮，系统工作。按下方向键，指示灯亮，电机按一个方向转动：再按一次向相反方向转动； 如果蓄电池电压不足5V，要及时充电。（5）电源供给电源供给出交流电220V转为直流6V电压供给直流步进电机，电机箱电流为200mA。蓄电池可工作15小时。为了使电机准确跟踪，控制器使用时一定要接上蓄电池，然后再接交流电。（二）天空辐射表天空辐射表可测量水平面

11、上所接受到的太阳总辐射、天空散射辐射和地面反射辐射的仪器。1.天空辐射表的构造天空辐射表构造如图1.6，由玻璃罩、干燥器、水平泡、螺丝、遮光板、支杆、玻璃罩盖子、底座构成。2.工作原理及使用天空辐射表(黑白型)的感应面是黑白相间的锰铜片和康铜片，两端彼此紧密焊接，串联组成温差热电堆，形成一块棋盘状的平板。其中黑色部分涂有无光炭黑，白色部分涂有氧化镁，感应面黑色背面串联成热电堆的热端；白色背面串联成冷端。有太阳辐射时，黑色板面强烈吸收太阳辐射能，而白色板面几乎把能量全部反射掉，两者之间产生的温差电流的大小与太阳辐射的辐射通量密度成正比。天空辐射表的感应面上安有一个玻璃罩(1)，它的作用主要有：滤

12、去感应面上的大气及地面长波辐射；防止风吹去黑白片上的热量。当玻璃罩内有水汽时，会影响感应面吸收辐射能的能力，因此在感应面下方一侧，安有一个干燥器(2)，用以存放干燥剂以便于吸收罩内水分。天空辐射表旁边有一水平泡(3)，可通过座架上的三个螺丝(4)来调整仪器水平。仪器还有一遮光板(5)，可用来遮挡感应面上的太阳直接辐射，用以测定散射辐射。遮光板是一直径与玻璃罩相等的圆形黑色铝板，遮光板的一侧固定有支杆(7)，支杆的长度是遮光板直径的5.7倍，被支架上的螺丝(6)夹住，遮光板大约遮住10°立体角的天空。3.天空辐射表的维护保持玻璃罩的清洁、不受损坏或改变位置。若干燥剂失效要及时更换新干燥

13、剂。检查干燥剂口是否密合涂油，不要使罩内有水汽，不要将干燥剂洒落在感应面上。当感应面翻转朝下时，感应面上的玻璃罩就滤去了地面长波辐射，这时黑白片上所接受的辐射，就是地面对太阳辐射的反射辐射。（三）总辐射表该表（如图1.7）用来测量光谱范围为0.3-3m太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，如感应面向下可测量反射辐射，如加遮光环可测量散射辐射。1. 工作原理及构造该表为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，

14、为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。TBQ-2A太阳辐射传感器结构如图1.8所示。2.安装与使用该表应安装在四周空旷，感应面以上没有任何障碍物的地方。然后将辐射表电缆插头正对北方，调整好水平位置，将其牢牢固定，再将总辐射表输出电缆与记录器相连接，即可观测。最好将电缆牢固地固定在安装架上，以减少断裂或在有风天发生间歇中断现象。3.注意事项玻璃罩应保持清洁，要经常用软布或毛皮擦净。玻璃罩不准拆卸或松动，以免影响测量精度。罩内防止结水，应定期更换干燥剂。（四）管状辐射表该表与辐射记录仪连接使用，用于测量植物群落中太阳辐射的透射或辐射总量。1.工作原理该

15、表感应元件由400个热电偶组成，表面涂有高吸收率的黑色涂料和高反射率的白色涂料。当感应元件受到光照时，白色涂层和黑色涂层分别反射和吸收辐射量形成温差产生温差电势，以毫伏信号输出。根据输出电势的大小可以方便地计算出太阳的辐射强度。2.构造该表由感应面、防护罩、水平泡和信号输出/输入端口等部分组成（如图1.9所示）。3.使用方法 使用时，水平仪气泡处于中心圆环内即接收元件表面在水平位置。并与辐射记录仪连接。 当用手操作管型表插入植物群落中做瞬时透射测量时，要尽量端平，使黑色涂料面朝南，按水平面由西向东指向进行测量，在植物群落中进行瞬时或累计测量。4.注意事项仪表要保持光洁,玻璃管表面如有灰尘、水珠

16、、霜等都将影响测量结果，使用前用软布擦干净。仪表经过驱潮处理后密封，使用单位不得随意拆卸，否则会造成损坏或进入潮气，影响测量精度。表体内干燥剂三个月内有效，过期应更换。更换时打开前端盖，取出干燥剂，在大约50烘箱内烘干重新装入即可为了保证测量精度，用户每年可根据使用情况送产品制造单位检定。（五）净辐射表净辐射表是通过测量一个水平面净辐射通量的仪器，用来测量太阳辐射及地面辐射的净差值。它的测量范围为0.273m的短波辐射和350m的地球辐射。下面以防风式净辐射表来说明净辐射表的的工作原理和构造及安装使用。1.工作原理及构造防风式净辐射表的工作原理为热电效应，感应部分是由康铜镀铜组成的热电堆，热电

17、堆的外面紧贴着涂有无光黑漆的上下两个感应面，由于上下感应面吸收辐照度不同，因此热电堆两端产生温差，其输出电动势与感应面黑体所接收的辐照度差值成正比。见图1.10。防风式净辐射表由聚乙烯薄膜罩、信号输出/输入端口、充气口和充气橡皮囊和信号线等部分组成。为了防止风的影响及保护感应面，该表装有即能透过长波辐射、又能透过短波辐射的聚乙烯薄膜罩。聚乙烯薄膜罩厚度0.1mm左右，这种薄膜在0.33m区域中透过率和玻璃相似。从3100m累计透过率为85%，在3.5m、6.9m、14m波长处存在着狭窄的吸收带，见图1.11。由于聚乙烯半球本身很不牢固，需要内部充以氮气或干燥的空气把半球鼓起。2.安装与使用该表

18、安装在支架或三角架上，也可临时装在上，感应面离地高度为1.5米，使水平泡处在水平位置，拧紧固定螺丝。表的输出电缆线连接到记录仪的输入端即可测量。3.注意事项每次测量时应检查薄膜罩是否充气，是否清洁。聚乙烯薄膜长期照射会老化，所以每6个月更换一次半球罩。干燥剂失效，应及时更换。（六）分光谱辐射表该表是与各种记录器及计算机配接使用，用于测量波长700nm的太阳红外辐射能量、波长分别为400、500、600nm的可见光区和波长300nm的紫外辐射区辐射量，一套为5台。1.工作原理及构造 该表采用光电转换感应原理，其感应元件采用多接点热电堆，其感应面涂有高吸收率的黑色涂层，冷热结点产生温差电势，在线性

19、误差范围内，输出与太阳光谱波数的辐射强度成正比，为减少环境温度对表的性能影响，配有温度补偿线路，该表内罩为石英玻璃，外罩经精密冷加工磨制而成的光学玻璃，见图1.12。2.安装与使用安装时应选择周围没有障碍物的空旷地,或从早晨太阳升起到傍晚太阳下落的方位角内,感应元件的平面与障碍物的仰角不超过5°的平面内安装。长期固定在外使用时,可以通过机体上二个孔固定在支架上,调好水平位置,再紧固螺丝。安装用的平台和支架应用足够的稳定性,以便接收面的水平位置不会改变,特别是在大风期间。本表用屏蔽导线与辐射记录仪连接使用。3.注意事项玻璃罩应保持清洁。玻璃罩不准拆卸或松动，以免影响精度。定期更换干燥剂

20、，防止玻璃罩内结水气。五、PC-2太阳辐射记录仪1.记录仪概述PC2型太阳辐射记录仪(以下简称记录仪)（见图1.13）是新一代的太阳辐射记录仪，它与通用的计算机配合使用，外接各种辐射传感器。主要用于观测和记录太阳的总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射、净辐射和不同波段的太阳辐射光谱。计算机、太阳辐射记录仪、各种辐射仪器相互联结组成一个太阳辐射观测、记录、累计、查询、打印等功能的系统（见图1.14）。记录仪的前后面板的示意图见图1.15和图1.16。 2.记录仪的功能说明记录仪前后面板上各功能灯和屏幕显示说明如下：（1）放电指示灯。（2）充电指示灯。（3）测试指示灯。（4）通讯指示灯。（5）通道

21、选择按钮。（6）功能选择按钮 d （表示日累计值）， （表示小时最大值）， （表示日最大值）。 （7）查询按钮。（8）通道按钮和查询按钮同时按下时，可清空记录仪内数据。（9）通道按钮和功能按钮同时按下时，加盖或取消加盖。第一次按键时为加盖，显示屏的左第3位显示“三”；再一次按次复合键时为取消加盖，显示屏的第3为不再显示“三”。3.记录仪的系统的使用（1）取出随机电缆，连接主控计算机的串行口（3针插座）与记录仪后“串行口”，确认连接正确后，用一字螺丝刀拧紧电缆头两侧的紧固螺钉。（2）总辐射表原则上，将连接在记录仪后面板上的通道1上。其它辐射表连接在通道25上。（3）连接主控微机及记录仪的电源线到

22、AC220/50HZ的电源插座。（4）主控计算机上安装记录仪配套的软件。（5）接通记录器电源，记录仪显示屏出现待机状态。（6）在计算机上运行记录仪软件。进入记录仪主程序，输入密码“whm”,回车即进入主画面，如图1.17。（7）设置记录仪的日期和时间点击主画面“系统设置”项，选“输入时间”菜单向记录器写入系统日期及时间。（输入时间为标准北京时间）。（8）设置记录仪的台站名和经纬度点击主画面“系统设置”项，点击“首次录入”，如输入台站名和经纬度，点击“录入经纬度”即可。如果想清除微机内与软件有关的数据记录，点击“清空数据”即可（请慎用！否则数据将全部丢失）。（9）输入辐射表的灵敏度（10）以上操

23、作结束后，记录仪进入正常工作状态，一分钟后即可开始进行自动测量，按功能键，记录仪显示辐射表的各类数据。（11）记录仪数据的保存（12）查看记录仪内存情况（13）报表输出（14）主控计算机功能4.记录仪的故障及维护记录仪不能上电。在主控计算机上对记录仪是行操作时死机或提示检查串行口。录入的数据及时钟混乱。故障现象如遇到无法解决的故障，用户切勿自行拆卸记录仪，请及时与生产厂家或维修人员联系。记录仪输出导线插头使用屏蔽线，屏蔽层接地。六.照度计测量光照度的仪器称为照度计。照度计的型号很多，下面TES1332-数位式照度计为例，说明照度计的构造及原理。1.TES-1332数位式照度计构造及测量原理照度

24、计主要由测光探头和读数器两部分组成（图1.18）。单位是勒克斯 (1x)。2.按钮功能电源开关读值锁定开关档位范围开关（量程键）每按一次图1.18中键，在显示屏右下角依次显示倍数“×200” ，“×2000”，“×20000”，“×200000”。显示屏右上角显示“lx”，表示测量单位为勒克斯（lx）。3.使用方法打开电源。打开光检测器盖子，并将光检测器水平放在测量位置。选择适合测量档位。如果显示屏左端只显示“1”，表示照度过量，需要按下量程键（键），调整测量倍数。照度计开始工作，并在显示屏上显示照度值。显示屏上显示数据不断地变动，当显示数据比较稳定时，

25、按下HOLD键（键），锁定数据。读取并记录读数器中显示的观测值。观测值等于读数器中显示数字与量程值的乘积。比如：屏幕上显示500，右下角显示状态为“×2000”，照度测量值为1000000lx（500×2000）。再按一下锁定开关，取消读值锁定功能。每一次观测时，连续读数三次并记录。每一次测量工作完成后，按下电源开关键，切断电源。盖上光检测器盖子，并放回盒里。4.电池更换a.使用过程中，电池电力不足时，读数部分的示屏上出现“BT”指示，表示须更换电池。b.按图1.20箭头指示方向打开电池盖，取下电池，换上一枚新的9V干电池。c.盖上电池盖。5.记录整理每一测定点的照度值为连

26、续三次读数的平均值。6.照度计的优缺点硅光电池稳定性好，耐强光、耐冲击、线性好、应用广泛。但是在农业生产上，当使用照度计直接测量太阳辐射的光照度时，只能大致反映作物生长与光照度之间的关系。因为在植物光合作用中吸收最强烈的红光(0.610.72um )与蓝光(0.400.51um)，虽然植物对它吸收利用率很高，但由于其光亮感(光照度)较差，硅光电池对该光谱范围的反映及灵敏度较低(小于40)；而对于光感觉最强的黄绿光(0.50.6um)，植物吸收利用则较少，可是硅光电池相对灵敏度反映却高达100。因此，使用照度计测量植物生长所需的光照度有其不足之处。但由于照度计结构简单，使用方便，价格低廉，至今在

27、农业气象观测中仍被应用。7.照度计的维护照度键和扩展键切勿同时按下。若要保持测量数据，可按下锁定键，但切不可在按下量程键之前按下锁定键。温度在0-40，湿度在0-80%的环境下才使用。仪器长期存放时，应在室温、干燥(相对湿度<80)、洁净的环境中。仪器应避免污损和强烈震动或摔打引起的破坏。七、日照时数的观测光照时间对农作物的生长发育有重要作用，直接影响产量和产品的品质。日照时数的观测是为农业生产的作物布局、光能利用提供重要的气象资料。在这里以暗筒式（乔唐式）日照计为例，介绍照度计的工作原理。1.仪器构造仪器构造如图1.21所示，由金属圆筒、隔光板、纬度刻度盘和支架底座构成。金属圆筒底端密

28、闭，筒口带盖，筒的两侧各有一个进光小孔，两孔前后位置错开，与圆心的夹角为120°，筒内附有压纸夹。圆筒固定在支架上，松开固定螺钉可绕轴旋转，使圆筒轴与地平角为当地纬度。日照计圆筒和地球的相对位置见图1.22，日照计中心轴线与地轴平行，仪器的筒轴相当于地轴，因此，太阳一年四季在南北纬度23.5°变化时，就相当于在暗筒洞孔的垂直切面南北23.5°范围内变化，故一年内太阳光照射时，光线都会落到暗筒内。在春、秋分这两天阳光垂直筒身，感光线是一条垂直圆筒轴的直线，图1.23，下半年阳光偏于北半球，感光线位于直线的下方，冬半年阳光偏于南半球，阳光迹线偏于直线上方。2.工作原理暗筒式日照计是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光药剂的日照纸上留下感光迹线如图1.23，通过计算迹线的长度确定一日的日照时数，隔光板的边缘与小孔在同一个垂直面上，它使太阳光除了在正午有1-2min可以同时射入两孔外，其余时间光线只能从一孔射入筒内。3.仪器的安装日照计要安装在开阔的、终年从日出到日没都能受到阳光照射的地方。通常安装在观测场内或平台上，如安装在观测场内，首先埋设铁架(高度以便于观测为宜)，铁架顶部要安装一块水平而又牢固的台座，座面上要精确标出南北线，将日照计安装在铁架平台上，仪器底座要水平，筒口对准正北，并将日照计底座加以固定，然后