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1、自 然 地 理 学实验指导书林惠花、肖宝玉、陈秀玲、刘强 编20078自然地理气象实验部分实验一 气象观测场和温度的观测一 目的与要求了解气象观测场地的建立条件及掌握常见的温度观测方法二 主要内容1 观测场地的选择要求和观测场内的仪器布置；2 百叶箱的结构与作用；3 常用的温度观测仪器与观测方法；三 气象观测场的建立要求及测温仪器构造及原理（一）观测场地的选择要求地面气象观测的主要项目都是在观测场内通过各种仪器进行的，观测场地的选择是否适宜，对观测资料的代表性、准确性和比较性影响很大。观测场地的选择关键在于站址的选择。站址应选择在能代表大范围的天气、气候特点的地区，除某些根据特殊需要而建立的专
2、业台站外，一般要求建在平坦空旷，四周没有高大建筑物、树林和大水库的地方。这是因为：在复杂地形影响下，风、云、温度、湿度等要素均有显著差异，不能真实反映这个地区自由大气的实际变化情况；树林及建筑物等障碍物对辐射、温度、降水，特别是风都有显著影响，如建筑物密集的城市，由于建筑物吸热和散热都较快，人类活动频繁，使得城镇温度比农村偏高，湿度较农村偏低，同时建筑群会影响空气的运行，既减小风速，也能改变风向。此外，城镇空气固体悬浮物多，能削弱太阳辐射，使能见度下降，这对日辐射和日照观测均会造成影响；如果台站设在工业城市最多风向的下风方，经常受吹来烟尘的影响，将会影响资料的代表性。因此观测场地距障碍物应保持
3、一定的距离。通常观测场离的距离应视障碍物的性质而定：孤立的障碍物离观测场地的距离应在3倍以上障碍物的高度；连续的或成片的障碍物离观测场地的距离应在10倍以上障碍物的高度。场地的选择总体要求是要有代表性，避免局地因素的影响。观测场地不宜过小，否则场内安置的仪器难以保持一定的间隔，容易彼此遮挡，影响通风。普通观测场有25m*25m和20m*16m两种规格。观测场地要求平整。由于一般地区绿色植物分布的面积最广，所以观测场内应种植浅草（不长草的地区例外），以更好代表这一地区下垫面特征。为了保护场地和仪器设备，四周最好围有1.2m通风围栏。围栏的北面正中开一小门，以便出入。场内还应铺设宽约0.40.5m
4、的小路，以利于保护草层，保持场内整洁，方便行走。图1 地面气象观测场（二）观测场内的仪器布置要求观测场内仪器的安置应当保持一定距离，互不影响，具体要求如下：（1） 仪器高的安排在北面，低的安在南面，东西成行，大体对称；（2） 仪器设备应安置在东西走向的小路的南侧，便于观测人员观测时能迅速从北面接近仪器。观测次数多的仪器，尽量接近中间小路；（3） 百叶箱内的温度表安置的高度规定为1.5m；（4） 测量降雨量的雨量器的安置高度规定为70cm；（5） 测量风的仪器安置在距地面10m以上；（6） 观测场内的日射、日照仪器应在开阔的地方，并放在平台上。而且日射仪器事先需要测定反射率。（三）百叶箱的结构与
5、作用百叶箱的结构请通过实物的观察来认识。百叶箱，四周是由两排薄的木板百叶组成，木板向内向外倾斜与水平方向成45o角。箱底由三块木板组成，中间木板比两侧的木板高出一些，箱盖有两层，其间空气能流通。为了避免太阳直接照射仪器，百叶箱要漆成白色，以防吸热过多，影响箱内气温。图2 百叶箱百叶箱分大小两种，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。百叶箱应水平地牢固地安装在一个特制的架子上，支架应牢固地埋入地下，其顶端高出地面125cm。箱门朝正北。箱内仪器的安装：小百叶箱内的各种温度表都安置在箱内特制的铁架上，干湿球温度表应垂直固定在铁架两侧，干球在东，湿球在西，球部
6、离地面1.5m，湿球的下方是一个带盖的水杯，水杯口离湿球约3cm，湿球温度表球部包扎一条纱布，纱布通过杯盖上的狭缝引入水杯内。最高温度表平放在铁架下面横梁上的钩中，球部中心离地为1.52m；最低温度表放在最下面的钩上，球部中心离地为1.53m，二支表球部都向东。大百叶箱内的温度计安装在前面的木架上，感应部分中心离地1.5m；湿度计放在后面稍高的木架上。百叶箱的作用如下：（1） 保持一定的通风与风速；（2） 防止太阳的直接辐射；（3） 防止仪器受到风、冰雹等的直接损坏。（四）主要的测温仪器的结构与原理1 玻璃温度表（1） 结构：主要由感应部位、套管、刻度尺、毛细管等组成。（2） 测温液体与测温原
7、理：测温液体是水银或酒精。测温原理是热胀冷缩：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。最高温度表：最高温度
8、表除了与普通温度表所具有的结构外，在球部有一玻璃针毛细管内，使毛细管与玻璃针之间形成窄道，对水银的自由流动产生一定的阻力。这一阻力小于球部水银的膨胀压力，而大于水银自身的收缩力。温度升高时，球部水银体积膨胀，压力增大，迫使水银挤过狭管回至球部，因而水银柱就在狭管处断裂，于是狭管以上这段水银柱的顶端，就保持在过去一段时间内温度表所感受到的最高温度示度上。最低温度表：它的构造特点是：毛细管较粗，内贮透明的酒精，在毛细管内酒精中有一个哑铃形的玻璃游标。当温度下降时，酒精柱收缩，由于酒精柱顶端与游标接触时，其表面张力作用，带动游标下降；当温度上升时，酒精膨胀，酒精柱可以经过游标周围慢慢向前流动，而游标
9、因顶端对管壁的摩擦力及本身的重力作用，仍停留在原位不动，因此它可以指示出一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。图3 最高温度表的结构（玻璃针）图4 最低温度表测定地温用的仪器有：地面温度表、地面最低温度表、地面最高温度表、曲管地温表和直管地温表。地面温度表、地面最低温度表、地面最高温度表这三支温度表与测定气温的干球温度、最高和最低温度表相同，只是由于地面温度变化范围较宽，它们的测量范围也较大。并被安装在观测场的南边的地表面，球部一半埋于土中，一半露于外面，三支地温表并排放在地段中央偏东的地面上；由北向南为地面温度表（1）、地面最低温度表（2）、地面最高温度表（3）、它们相互的距离为56cm。图5
10、 地面温度表的安置曲管地温表是测量浅层地温的仪器。其温度表球部附近的管子弯曲成135角。玻璃套管下部（自球部到温标的起点）用石棉灰充填，再用棉花堵塞和火漆固定，以防止玻璃管内空气的对流。图6 曲管地温表的埋设2 自计温度计自记温度计是气象上常用的几种自记仪器中的一种。自记仪器是自动记录气象要素在一天或一周内连续变化情况的一种仪器。从仪器上还能知道气象要素在某段时间内的极值及其出现时间。图7 自记温度计温度计由感应部分、传递放大部分、自记部分组成。感应部分：是双金属片，它是由两片膨胀系数不同的金属片互相焊接在一起组成，上层为膨胀系数大的黄铜（1=0.000017），下片为膨胀系数小的因钢（2=0
11、.0000015）。当温度变化时，由于上下两片金属的膨胀量不同而发生弯曲，如果双金属片的一端固定，则当温度变化时，另一端（自由端）即发生位移。传递放大部分：感应部分的变化是很小的，因此必须利用杠杆来传递和放大。自记部分：是将传递放大的结果自动记录下来的部分。包括自记钟、自记纸和自记笔等。一般自记钟分日转和周转两类。自记钟上放有记录纸，其纸上与纵轴垂直的水平线表示温度，通常每格为1。竖的弧线为时间线。自记钟旋转一圈之后，就更换自记纸（每日一次或一周一次），规定在14时观测后换纸。自记笔尖内装有特制的墨水，由于自记钟时刻在运转，温度不断在变化，这样笔尖在自记纸上就连续画出温度随时间变化的曲线。四
12、观测方法和步骤1 玻璃温度表观测的注意事项：（1） 熟悉仪器的刻度，温度观测要求记录到0.1，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和10的误差（有时也可能读错1或2）。 2 最高温度表的调整观测最高温度后，应按规定进行调整。其方法是：用右手紧握表中上部，球部向下，把手伸出和身体约成30o角，在水平面45o范围内剧烈甩动几次，待其示度与干球温度相差不到0.2时为止，最
13、后，将调整好的最高温度表放回原来位置上时，注意手不能触及球部，先放球部，后放表身。3最低温度表的调整观测最低温度表之后，要进行调整，先将球部向上抬起，使游标到达酒精柱的顶端，与酒精面相接触，然后将最低温度表水平安装好。4 自计温度计具体操作步骤如下：温度计的观测次数和温度表一样，每次读数后要用笔尖画短线做一记号。换纸时应注意写上年、月、日和上纸的时间及取下纸的时间。将纸裹在钟筒上卷紧，水平线对齐，底边紧贴筒底边缘并以压条固定。转动钟筒，使笔尖正对当时时间。推回笔档，使笔尖与钟筒接触，做记号，重新检查一遍后，关上合盖。自记温度计要注意维护，经常保持清洁，对感应部分不要用手及其他物体碰撞。当感应有
14、灰尘时可用细毛笔及时除掉。经常注意自记录是否清晰、有无中断现象，笔尖墨水是否足够，自记钟是否停摆等。五 思考与练习1 如何选择观测场地才能保证气象站所观测的数据具有代表性？2 观测场内的仪器布置有何要求？3 为什么北半球百叶箱的门要朝北开？4 百叶箱有哪些作用？大、小百叶箱各放置了哪些仪器？5 玻璃液体温度的测温原理是什么？比较水银与酒精温度表的优缺点。6 最高与最低温度表构造与性能是哪些？7 温度表误差的主要来源有哪些。避免或减小使用上误差的方法有哪些？8 在观测完最高与最低气温后，如何调整最高、最低温度表？9 双金属片温度计的工作原理是什么？10 地面温度表是如何放置于地面进行观测的？曲管
15、地温表的结构与普通温度表有何不同？实验二 湿度的观测与查算一 目的与要求掌握湿度观测的常见仪器、工作原理和观测方法。二 主要内容1 常见湿度观测仪器的结构2 湿度的测定原理3湿度的观测与求算方法三 测湿仪器的构造及原理1 固定式干湿球温度表测量湿度原理：固定式干湿球温度表是由两支相同形状的水银（或酒精）温度表组成。球部包有湿润纱布的叫湿球温度表，另一支叫干球温度表，干湿球温度表安置在百叶箱中。当空气中水汽未饱和时，湿球纱布上的水分就会不断蒸发，而蒸发要消耗热量，此热量是从湿球本身及周围的簿层空气中吸得的，当湿球因蒸发所消耗的热量和周围空气中获得热量相平衡时，湿球温度并不再下降，这时干湿球士度就有一个差值，这个差值的大小取决于空气的湿度，湿度越小，蒸发越快，湿球温度降得愈多，干湿球温度差就越大，相反，湿度越大，蒸发越慢，湿球温度降得愈少，干湿球温度差就越小。如果空气已经饱和状态，则蒸发停止，湿球温度就不会下降，于是，干湿球温度相等，此外，湿球蒸发的快慢还和气压、风速有关，气压愈高，风速愈小，蒸发愈慢，反之，蒸发愈快。因此，根据干湿球温度差，计算空气湿度时，还要考虑当时的气压和风速。图8 干湿球温度
