实习五降水和蒸发观测

实习三 降水和蒸发观测一、降水的观测我国大部分地区的降水以降雨为主，北方地区冬季以降雪为主。降水量以降落在地面上的雨或雪、雹等融化后的深度表示，以mm 为单位。降水量可采用器测法、雷达探测和利用气象卫星云图估算。器测法用来测量降水量，雷达探测和卫星云图一般用来预报降水量。（一）器测法器测法是观测降水量最常用的方法，观测仪器通常有雨量器和自记雨量计。1、雨量器雨量器是直接观测降水量的器具。它是一个圆柱形金属筒，由承雨器、漏斗、储水瓶和雨量杯组成，如图2-1 所示。承雨器口径为20cm，安装时器口一般距地面70cm，筒口保持水平。雨量器下部放储水瓶收集雨水。观测时将雨量器里的储水瓶迅速取出，换上空的储水瓶，然后用特制的雨量杯测定储水瓶中收集的雨水，分辨率为0.1mm。当降雪时，仅用外筒作为承雪器具，待雪融化后计算降水量。图2-1 雨量器示意图用雨量器观测降水量的方法一般是采用分段定时观测，即把一天分成几个等长度的时段，如分成4 段（每段6 小时）或分成8 段（每段3 小时）等，分段数目根据需要和可能而定。一般采用2 段制进行观测，即每日8 时及20 时各观测一次，雨季增加观测段次，雨量大时还需加测。日雨量是以每天上午8 时作为分界，将本日8 时至次日8 时的降水量作为本日的降水量。2、虹吸式自记雨量计自记雨量计是观测降雨过程的自记仪器。常用的自记雨量计有三种类型：称重式、虹吸式（浮子式）和翻斗式。称重式能够测量各种类型的降水，其余两种基本上只限于观测降雨。按记录周期分，有日记、周记、月记和年记。在传递方式上，有线远传和无线远传（遥测）的雨量计。（1）称重式：这种仪器可以连续记录接雨杯上的以及储积在其内的降水的重量。记录方式可以用机械发条装置或平衡锤系统，降水时全部降水量的重量如数记录下来。这种仪器的优点在于能够记录雪、冰雹及雨雪混合降水。（2）虹吸式：虹吸式自记雨量计是常用的降水自记仪器，它能连续记录液体降水量和降水时数，从降水记录上还可以了解降水强度。日记型虹吸式雨量计的构造如图2-2 所示。虹吸式雨量计是由承水器、浮子室、自记钟、外壳所组成。承水器的承水口直径为200毫米，降水由承水口进入经下部的漏斗汇集，注入小漏斗，导至浮子室。浮子室是由一个园筒内装浮子组成，浮子随着注入雨水的增加而上升，并带动自记笔在附有时钟的转筒上的记录纸上画出曲线。记录纸上纵坐标记录雨量，横坐标由自记钟驱动，表示时间。当雨量达到10mm 时，浮子室内水面上升到与浮子室连通的虹吸管顶端即自行虹吸，将浮子室内的雨水排入储水瓶，同时自记笔在记录纸上垂直下跌至零线位置，以后随雨水的增加而上升，如此往返持续记录降雨过程。记录纸上记录下来的曲线是累积曲线，既表示雨量的大小，又表示降雨过程的变化情况，曲线的坡度表示降雨强度。因此从自记雨量计的记录纸上，可以确定出降雨的起止时间、雨量大小、降雨量累积曲线、降雨强度变化过程等。虹吸式雨量计分辨率为0.1mm，降雨强度适应范围0.014.0mm/min。自记钟固定在座板上，自记钟筒由钟机推动作用回转运动，使记录笔在记录纸上作出降水记录。外壳是用来保护整个仪器的。另外在门上装有观测窗便于在记录降水过程中检查降水及记录情况。虹吸式雨量计安装好后应进行下列主要检查和校正：1、校正笔尖零线位置：往接水器里倒水，检查虹吸作用后笔尖的位置是否恰在自记纸的零线上。如有误差，应该松开直杆上的螺丝加以调整。2、虹吸管位置的检查：若笔尖位置低于10 毫米就开始虹吸，则应将虹吸管的位置适当抬高；若水已经全部倒完，尚未开始虹吸，则应将虹吸管的位置降低一些。3、虹吸作用的检查：虹吸历时应在20 秒以内，虹吸时，管内不应出现气泡，一般发生这种情况，都是因为虹吸管与容器接头处有空隙，应更换橡皮圈或涂白蜡。 图2-2 虹吸式自记雨量计构造示意图 图2-3 翻斗式自记雨量计示意图 (1-承雨器、2-浮球、3- 钩、4-翻斗、5-舌簧管 )3、翻斗式遥测雨量计翻斗式遥测雨量计是由感应器及信号记录器组成的遥测雨量仪器，感应器由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、干簧开关等构成；记录器由计数器、记录笔、自记钟、控制线路板等构成。如图2-3 所示。其工作原理为：下雨时，雨水落入接水漏斗，经漏斗口流入翻斗的右斗，当积水量达到0.1mm（指平地积水量0.1mm 深），翻斗失去平衡，向右边倒，在右斗倒掉雨水的同时，左斗开始接水，积水量达到0.1mm 时，翻斗又倒向左边。若雨下落不停，翻斗就连续翻动。每一次翻斗倾倒，都使开关接通电路，向记录器输送一个脉冲信号，记录器控制自记笔将雨量记录下来，如此往复即可将降雨过程测量下来。自记记录100 次后，将自动从上到下落到自记纸的零线位置，再重新开始记录。由于翻斗每次翻动需要的雨水量是固定的，翻斗式雨量计分辨率为0.1mm，降雨强度适用范围在4.0mm/min 以内, 知道了翻斗翻动次数，就可以知道降雨量了。称重式、虹吸式和翻斗式雨量计的记录系统可以将机械记录装置的运动变换成电讯号，用导线或无线电信号传到控制中心的接收器，实现有线远传或无线遥测。（二）雷达探测(参考资料)气象雷达是利用云、雨、雪等对无线电波的射现象来发现目标的。雷达的回波可在雷达显示器上显示出来，不同形状的回波反映着不同性质的天气系统、云和降水等等。根据雷达探测到的降水回波位置、移动方向、移动速度和变化趋势等资料，即可预报出探测范围内的降水、强度以及开始和终止时刻。气象雷达站（三）气象卫星云图(参考资料)气象卫星按其运行轨道分为极轨卫星和地球静止卫星两类。目前地球静止卫星发回的高分辨率数字云图资料有两种：一种是可见光云图，另一种是红外云图。可见光云图的亮度反映云的反照率。反照率强的云，云图上的亮度就大，颜色较白；反照率弱的云，亮度弱，色调灰暗。红外云图能反映云顶的温度和高度，云层的温度越高，云层的高度越低，发出的红外辐射越强。在卫星云图上，一些天气系统也可以根据特征云型分辨出来。用卫星资料估计降水的方法很多，目前投入水文业务应用的是利用地球静止卫星短时间间隔云图图像资料，再用某种模型估算。这种方法可引入人机交互系统，自动进行数据采集、云图识别、降雨量计算、雨区移动预测等项工作。二、蒸散的观测蒸散是水文循环中自降水到达地面后由液态或固态转化为水汽返回大气的现象，是水面和陆面与大气之间的水量交换的形式之一。陆地上一年的降水约66%通过蒸散发返回大气，由此可见蒸散是水文循环的重要环节。而对径流形成来说,蒸散发则是一种损失。蒸散在水量平衡研究和水利工程规划中是不可忽视的影响因素。水由液态或固态转化为气态的过程称为蒸发，被植物根系吸收的水分，经植物的茎叶散逸到大气中的过程称为散发或蒸腾。蒸散是发生在具有水分子的物体表面上的一种分子运动现象。具有水分子的物体表面如江河、湖泊、水库等称为蒸发面，自然界的蒸发面有各种形态，性质各不相同，因而蒸散也分为不同的类型。蒸发面为水面时称为水面蒸发；蒸发面为土壤表面时称为土壤蒸发；蒸发面是植物茎叶则称为植物散发。由于植物是生长在土壤中，植物散发与植物所生长的土壤上的蒸发总是同时存在的，通常将二者合称为陆面蒸发。流域的表面一般包括水面、土壤和植物覆盖等，当把流域作为一个整体，则发生在这一蒸发面上的蒸发称为流域总蒸发或流域蒸散发，它是流域内各类蒸发的总和。（一）水面蒸发观测水的蒸发是水循环过程中的又一个重要环节，是水库、湖泊等水量损失的一部分。水面蒸发是蒸发中最简单的一种，由于它是在蒸发面充分供水情况下的蒸发，此时影响蒸发的因素较少，主要是温度、湿度、风等气象因素。一定口径蒸发器内的水，经过一段时间因蒸发而消耗的深度，称为蒸发量。蒸发量以毫米为单位，取至小数后一位。确定水面蒸发量的大小，通常有两种途径：器测法和间接计算法。1、 器测法器测法是应用蒸发器或蒸发池直接观测水面蒸发量。我国水文和气象部门多用20cm 口径蒸发皿观测。专门进行水面蒸发研究的蒸发试验站，为了更接近自然水体，使用20m2 或100m2 的大型蒸发池进行水面蒸发的观测。蒸发量每日8 时观测一次，以8 时为日分界，得蒸发器一日（今日8 时至明日8 时）的蒸发水深，即日水面蒸发量。一月中每日蒸发量之和为月蒸发量；一年中每日蒸发量之总和为年蒸发量。小型蒸发器（见图）为一口径20 厘米，高约10 厘米的金属园盆，口缘镶有内直外斜的刀刃形铜圈，器旁有一倒水小咀，为了防止鸟兽饮水，器口附有一个上端向外张开成喇叭状的金属丝网圈。图:小型蒸发器小型蒸发器安置在雨量筒附近，终日能够受到阳光照射的地方。要求器口水平，口缘距地面的高度为70 厘米。蒸发量的测定一般是前一日8 时以专用量杯量清水20 毫米（原量）倒入器内，24 小时后即当日8 时，再量器内的水量（余量），其减小的量为蒸发量，即:蒸发量=原量余量若前一日8 时到当日8 时之间有降水，则计算式为:蒸发量=原量+降水量余量2、间接计算法(参考资料)间接计算法是利用气象或水文观测资料间接推算蒸发量，方法有水汽输送法、热量平衡法、彭曼法、水量平衡法、经验公式等等。如彭曼(H.L.Penman)的水面蒸发公式为：式中 Qn净辐射量；Ea水面温度等于气温时的水面蒸发；气温与饱和水汽压关系曲线的坡度；r 一湿度计常数。这种方法需要专门的气象或水文观测资料，在实际工作中往往难以获得，因而除专门研究外，较少采用。但在理论上应用十分广泛.（二）土壤蒸发土壤蒸发是土壤中所含水分以水汽的形式逸入大气的现象，土壤蒸发过程是土壤失去水分或干化过程。土壤是一种有孔介质，具有吸收、保持和输送水分的能力，因此，土壤蒸发还受到土壤水分运动的影响。由此可知，土壤蒸发比水面蒸发复杂。1、土壤蒸发过程湿润的土壤，其蒸发过程一般可分为三个阶段，如图2-5 所示。第一阶段，土壤十分湿润，土壤中存在自由重力水，并且土层中毛细管也上下沟通，水分从表面蒸发后，能得到下层的充分供应。这一阶段，土壤蒸发主要发生在表层，蒸发速度稳定，蒸发量E 等于或接近相同气象条件下的蒸发能力EM。这一阶段，气象条件是影响蒸发的主要原因。由于蒸发耗水，土壤含水量不断减少，当土壤含水量降到田间持水量W田以下时，土壤中毛细管的连续状态将逐渐被破坏，从土层内部由毛细管作用上升到土壤表面的水分也将逐渐减少，这时进入第二阶段。在这一阶段内，随土壤含水量的减少，供水条件越来越差，土壤蒸发率也就越来越小。此时，土壤蒸发不仅与气象因素有关，而且随土壤含水量的减少而减少。土壤蒸发率与土壤含水量W 大体成正比，即E=WEM/W 田。当土壤含水量减至毛管断裂含水量W断，毛管水完全不能到达地表后，进入第三阶段。在这一阶段，毛管向土壤表面输送水分的机制完全遭到破坏，水分只能以薄膜水或气态水的形式向地表移动，运动十分缓慢，蒸发率微小。在这种情况下，不论是气象因素还是土壤含水量对土壤蒸发均不起明显作用。 图2-5 土壤蒸发过程示意图 图2-6 -500 型土壤蒸发器2、土壤蒸发观测(参考资料)土壤蒸发量的确定一般有两种途径，器测法和间接计算法。（1）器测法土壤蒸发器种类很多，如图2-6 所示为目前常用的-500 型土壤蒸发器。蒸发器有内外两个铁筒。内筒用来切割土样和装填土样，内径25.2cm，面积500cm2，高50cm，筒下有一个多孔活动底，以便装填土样。外筒内径26.7cm，高60cm，筒底封闭，埋入地面以下，供置入内筒用。内筒下有一集水器承受蒸发器内土样渗漏的水量。内筒上接一排水管与径流筒相通，以接纳蒸发器上面所产生的径流量。另设地面雨量器，器口面积500 cm2，以观测降雨量。定期对土样称重，再按下式推算时段蒸发量：E = 0.02 (G1 G2) (R + q) + P式中 E观测时段内土壤蒸发量，mm；G1、G2时段初和时段末筒内土样的重量，g；P观测时段内的降雨量，mm；R观测时段内产生的径流量，mm；q观测时段内渗漏的水量，mm；0.02蒸发器单位换算系数。由于器测时土壤本身的热力条件与天然情况不同，其水分交换与实际情况差别较大，并且器测法只适用于单点，所以，观测结果只能在某些条件下应用或参考。对于较大面积的情况，因流域下垫面条件复杂，难以分清土壤蒸发和植物散发，所以器测法很少在生产上具体应用，多用于蒸发规律的研究。（2）间接计算法间接计算法是从土壤蒸发的物理概念出发，以水量平衡、热量平衡、乱流扩散等理论为基础，建立包括影响蒸发的一些主要因素在内的理论、半理论半经验或经验公式来估算土壤的蒸发量。（三）植物散发的测定和估算(参考资料)植物散发指在植物生长期，水分从叶面和枝干蒸发进入大气的过程，又称蒸腾。植物散发比水面蒸发及土壤蒸发更为复杂，它与土壤环境、植物的生理结构以及大气状况有密切的关系。1.器测法在天然条件下，由于无法对大面积的植物散发进行观测，只能在实验条件下对小样本进行测定分析，过程如下：用一个不漏水圆筒，里面装满足够植物生长的土块，种上植物，土壤表面密封以防土壤蒸发，水分只能通过植物叶面逸出。视植物生长需水情况，随时灌水。试验期内，测定时段始末植物及容器重量和注水重量，按式(2-4)求散发量：E = G 十(G1 G2)式中 E时段散发量，m3；G时段注水量，m3；G1、G2时段初和时段末圆筒内土壤的水量，m3。器测法不可能模拟天然条件下的植物散发，所以上述方法只能在理论研究时应用，实际工作中难于直接引用。2.水量平衡法根据水量平衡原理，测定出一块样地或流域的整片植物群落生长期始末的土壤含水量、蒸发量、降雨量、径流量和渗漏量，再用水量平衡方程即可推算出植物生长期的散发量。此外，还可以用热量平衡法或数学模型进行估算。实习思考题:1 什么是降水量?2 虹吸式雨量计有什么优点和不足?3 有降水时蒸法量的计算公式是什么?根据公式和测量计算结果是负值如何处理?4 降水量和蒸发的观测时段和精度是如何规定的?5 土壤蒸发与水面蒸发有什么异同? 6.画图题(雨量筒的应用):用所给数据计算出1日4个时刻降水量，并画出降水、温度、相对湿度变化曲线，比较各曲线变化的特征。降水水量(mm)08-14时14-20时20-02时02-08时 9.计算:降水量(mm)蒸发量(mm)原量降水量余量蒸发量20.520.020.535.355.120.055.175.220.020.020.015.0