气象仪器
实验报告
题目：气象仪器
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二Ｏ一三年五月一日
一. 风速风向仪
测风设备用于风能资源的测量，可以用于风能资源分析、风场微观选址、风机及风场发电量计算、进行风场风能资源分析，用于对风速、风向、温
度、湿度、大气压力、太阳辐射、雨量等要素值进行全天候的监测。PHWE
数据记录仪可以接4个风速传感器，以及风向、温度、湿度、大气压力、太阳辐射、雨量等传感器，内置大容量数据存储器，可以通过有线、数传
电台、GPRS移动通讯等多种通讯方法与中心计算机进行通讯，将风能数
据传输到中心计算机数据库中，用于统计分析和处理。
概述:
风速风向仪是专为各种大型机械设备研制开发的大型智能风速传感报警
设备，其内部采用了先进的微处理器作为控制核心，外围采用了先进的
数字通讯技术。系统稳定性高、抗干扰能力强，检测精度高，风杯采用
特殊材料制成，机械强度高、抗风能力强，显示器机箱设计新颖独特，
坚固耐用，安装使用方便。所有的电接口均符合国际标准。风速风向仪
由风速风向监控仪表、风速传感器、风向传感器、连接线缆组成，安装
便捷且免调试。风速风向仪具有技术先进，测量精度高，数据容量大，
遥测距离远，人机界面友好，可靠性高的优点，广泛用于气象、海洋、
环境、机场、港口、工农业及交通等领域。
工作原理：
风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。
转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过
轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。风向传感器的变换器为
码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电
组件缝隙中的转动，产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感
器的变换器可采用精密导电塑料电位器，从而在电位器活动端产生变化
的电压信号输出。
风速风向仪的组成:
风速风向仪风速测量部分采用了微机技术，可以同时测量瞬时风速、瞬
时风级平均风速、平均风级和对应浪高等参数。它带有数据锁存功能，
便于读数。风向部分采用了自动指北装置，测量时无需人工对北，简化
测量操作。本仪器为精密仪器，配备高级铝合金手提仪器箱（外形：
300*200*160），为仪器提供良好保护，同时便于携带。本仪器体积小，
重量轻，功能全，可广泛用于农林、环保、海洋、科学考察等领域测量
大气的风参数. 1.风向部分：风向部分由保护风向度盘的回弹顶杆所支
撑。整体结构由风向标，风向轴及风向度盘等组成，装在风向度盘上的
磁棒与风向度盘组成磁罗盘用来确定风向方位。当下拉锁定旋钮并向右
旋转定位时，回弹顶杆将风向度盘放下，使锥形宝石轴承与轴尖相接触，
此时风向度盘将自动定北。风向示值由风向指针在风向度盘上的稳定位置来确定。当左旋转锁定旋钮并使其向上回弹复位时，回弹顶杆将风向度盘顶起并定位在仪器上部，并使锥形宝石轴承与轴尖相分离，以保护风向度盘及轴承与轴尖不受损坏。（注：当仪器使用完毕后必须及时回复此状态）。2.风速部分：风速的传感器采用的是传统的二杯旋转架结构。它将风速变成旋转架的转速。为了减小启动风速，采用特殊材料的轻质风杯和宝石轴承支撑。通过固定在旋转架上的装置经传感器检测后将信号传送到主机内进行测算。
1、风速技术指标测量范围0～30m/s 起动风速0.8m/s测量精度±（0.3+0.03v）m/s（v指示风速）风速参数瞬时风速、平均风速、瞬时风级、平均风级、及其对应浪高显示分辨率0.1m/s（风速）1级（风级）0.1m（浪高）
2、风向技术指标测量范围0～360度，16个方位起动风速1.0m/s测量精度±1/2方位风向定北自动
3、工作环境温度-10～45°C湿度≦100%RH（无凝结）
4、供电电源3V（3.4～2.68V）5号电池2节
5、尺寸和重量尺寸410x100x100立方毫米重量0.5kg技术指标项目风速传感器风向传感器
测量范围 0～70m/s 0～360°
精度±（0.3+0.03V）m/s ±6°（± 3°）
最大回转半径 90 m m 365 m m
分辨率 0.1 m/s 5.6°（ 2.8°）
起动风速≤0.5m/s ≤0.5m/s
输出形式方波 6位（7位）码（或电压）
工作电压 5V～12V 5V～12V
工作电流 10mA 20mA （或2～3mA）
工作环境温度-60℃～50℃湿度≤100%RH 温度-60℃～50℃湿度≤100%RH
风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。
风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感器的变换器可采用精密导电塑料电位器，从而在电位器活动端产生变化的电压信号输出。
三杯式风向风速仪，仪器测量部分采用了单片技术，可以同时测量瞬时风速，平均风速，瞬时风级，平均风级和对应浪高等5个参数。该仪器所采用的液晶显示屏为专业定制，国内独创，其中测量参数和测量单位直接用汉字显示在液晶屏上，而测量数据显示的数字高达18mm，便于教学演示时较远距离观察。
风速计内的单片机对风传感器的输出信号进行采样，校正，计算，最后由仪器输出瞬时风速/一分钟平均风速/瞬时风级/一分钟平均风级/平均风级对应的浪高5个参数。测得的参数在仪器的液晶显示器上采用数字直接显示出来。为了减少仪器的功耗，仪器中的传感器和单片机都采取了一系列降低功耗的专门措施。为了保证数据的可靠，当电源电压太低时，显示器下部电池标记显示缺电，提示用户电源电压太低数据已不可靠，需要及时更换电池。
本仪器采用低功耗设计并采用液晶（LCD）显示，大大减少了仪器的功耗。而且带有数据锁存功能，便于读数，在风向部分采用了自动定北装置，测量时无需人工对北，简化测量操作。仪器具有体积小，重量轻，功能全，耗电省，字符大，显示直观，方便携带等的优点，可广泛用于农林，环境，海洋，科学考察等领域测量大气的风参数。
风速风向仪的总体种类可分为三类，分别是：机械式、传统超声波式和超声波共
振式。
机械式风速风向仪
机械式风速仪与风向仪是两者分离的，结构简单、价格低廉是其最大优点。最大缺点是有旋转件，存在磨损损耗，易被风沙损耗，易受冰冻、雨雪干扰，需定期
维护。
传统超声波式风速风向仪
传统超声波式最大优点是无机械式的摩擦损耗带来的系列缺点。与身俱来的缺点是尺寸大、不易加热、易结冰，同时易受雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影
响。
超声波共振式风速风向仪
声波共振式集风速风向传感器于一体，具有结构紧凑、小巧，易于实现加热补偿，适用于低温、潮湿、沙石环境，并具有先进的EMC和防雷保护性，高可靠性。是世界上唯一一款专为风力发电机组设计开发的风传感器。
在地面上观测高空风肘，要放出以一定速度上升的氢气球，用测风经纬仪跟踪；要么装上发射机，用探测器跟踪；或者装上反射扳，用雷达跟踪。这样可求出每经一定时间气球的空间位置，其略任投影到水平面上，再把气球漂动的方向和速
度作为风向和风速。
特别弱的风的测量，要使用转短小的微风表或热线微风表。测量湍流往往使用热线风速表和超声波风速表。简易的观测，使用手持风速表更为便利。
二．降水量观测仪器
从天空降落到地面上的雨水（或融化后的固体降水）既不流走，也不渗透到地里，同时也不被蒸发掉而积聚起来的一层水的深度，通常以毫米为单位。降雨量可以用雨量器来测量，同时还可以用雨量计来自动记录雨势的变化和雨量的大小，有关雨量的测量：
在气象上通常用某一段时间内降水量的多少来划分降水强度。最常用的对降雨的分类方法是按降水量的多少来划分降雨的等级。根据国家气象部门规定的降水量标准，降雨可分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六种：
种类24小时降水量12小时降水量
小雨小于10.0 小于5.0
中雨10.0-24.9 5.0-14.9
大雨25.0-49.9 15.0-29.9
暴雨50.0-99.9 30.0-69.9
大暴雨100.0-249.0 70.0-139.9
特大暴雨250.0以上140.0以上
同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪，中雪和大雪三类：
种类24小时降水量12小时降水量
小雪 2.5以下 1.0以下
中雪 2.6-5.0 1.1-3.0
大雪大于5.0 大于3.0
但是，由于各地具体情况不同，各地气象预报部门对于当地各类降水的标准也有些自己的规定。例如，在广东，24小时内下50-70毫米雨的机会较多，当地气象部门规定24小时降水量在80毫米以上的雨才算作暴雨。在新疆、甘肃、宁
夏、内蒙等地，24小时内下50毫米雨的场合极少，则规定24小时降水量在30毫米以上的雨都可算作暴雨。
仪器组成：
1、指示灯：正常指示灯：当液晶屏关及其它指示灯都不工作时，该指示灯闪。
翻斗指示灯：翻斗动作一下，该指示灯亮一下。
电池指示灯：当电池电压低于3.0V，该指示灯闪
2、液晶显示，按键切换液晶显示。显示内容有：日期时间、2小时雨量、今日雨量、昨日雨量、年累积雨量。
3、数据通讯，RS-232接口与计算机相连，通过自动雨量站监测软件可读出历史雨量信息及存储器时间、雨量存储器型号（即分辨力）、日分界、电池电压、波特率、本分钟雨量、当前两小时雨量、今日雨量、昨日雨量、年累积雨量等信息。
4、数据存储，雨量存储器内部有125KB的存储空间用于存储雨量信息，并且系统采用循环存储，当存储空间存满时，覆盖最早的数据，重复存储。例：某测量点年降雨量为3000mm，使用0.5mm型翻斗雨量计及数据采集器可存储最近十年的历史雨量信息。
测雨雷达：
测雨雷达组成部分测雨雷达是利用物体对电磁波的散射作用来对云、雨、雪、雹等进行观测的.当雷达天线发射出去的电磁波在空间传播时，若遇到云、雨、雪、雹等目标物，就有一部分辐射能会被反射回来，并被雷达天线接收，这时在显示器上就会出现许多亮度不等的区域，即云、雨、雪、雹等的回波图像，简称气象回波。所以，用测雨雷达可似随时提供几百公里范围内的降水分布和结构等气象情报.与气象卫星云图相比，测雨雷达提供中尺度的降水信息，对于补充地面站的不足十分有效.利用雷达回波可以测定降雨云团的方位、高度、距离等三维信息，通过纪录还可以测定降雨的历时和变化过程，配合地面雨量站的实时校
正，雷达测雨的精度很高
三．自动雨量站
简介
无线自动雨量站由翻斗式雨量传感器，雨量微电脑采集器和GPRS无线数传模块构成，雨量微电脑采集器具有雨量显示，自动记录，实时时钟，历史数据纪录，超限报警和数据通讯等功能。翻斗式雨量传感器得到的雨量电信号传输到雨量微电脑采集器，雨量微电脑采集器将采集到的雨量值通过RS232串口传输给GPRS 数传模块，再传送给数据中心计算机。
概述
自动雨量监测站是用于收集地面降雨信息的自动观测仪器，它可精确的记录每分钟的降水。主要应用于气象、水文、农业和环保等领域。自动雨量监测站是无人全自动雨量记录仪器，它可作为无人职守的可移动式自记站使用。
产品特点
1、带时钟功能，可用面板按键调整时间或用与计算机通信的方法调整时间
2、面板可显示时间、两小时雨量、今日雨量、昨日雨量和年雨量
3、供电方式可用3节1号干电池供电或用市电220V经电源适配器（产品附件）供电，两种供电方式自动切换
自动雨量站
4、面板上带有三个指示灯，分别用于正常工作指示、雨量信号指示和电池电压低告警指示
5、面板上带有四个按键，用于切换显示菜单及修改设备时间
6、可记录八年以上雨量信息（每年3500mm降雨量）
7、数据通讯由RS-232通讯接口读出历史数据（此功能仅在市电供电时可用）
本仪器的技术性能远高于国际、国内现有雨量传感器，适于装备各地、各种不同气候环境条件下的国家基本雨量站、加密自动气象（雨量站）和遥测站，完成降水过程的自动测量及数据采集，尤其是用于替代传统的纸记录式虹吸雨量计，可使现有虹吸雨量站实现无人值守和资料自动整编、自动传输。感雨灵敏度、测量精度、雨强适用范围均优于其它形式雨量计，适于装备我国南方强降雨区、北方沙尘环境条件的各种类型的雨量测站。
翻斗式雨量传感器
翻斗式雨量计是可连续记录降水量随时间变化和测量累积降水量的有线遥测仪器。分感应器和记录器两部分，其间用电缆连接。感应器用翻斗测量，它是用中间隔板间开的两个完全对称的三角形容器，中隔板可绕水平轴转动，从而使两侧容器轮流接水，当一侧容器装满一定量雨水时（0.1或0.2毫米），由于重心外移而翻转，将水倒出，随着降雨持续，将使翻斗左右翻转，接触开关将翻斗翻转次数变成电信号，送到记录器，在累积计数器和自记钟上读出降水资料。
四.日照、日射观测仪器
定义：
日照系指某地实际所受日光照射之时间，是为该地之日照时数。日射则指太阳辐射能中，近紫外线至近红外线（ 300 - 4000 nm）间所有直射、散射及反射等光波之总称。
日照、日射观测仪器的历史：
1837年：法国人Pouillet设计日射计并定义「太阳常数」。
1838年：英国人Jordan 设计约旦日照计。
1854年：德国人J.F. Campbell 发明康培日照计。
1897年：英国人G.G. Stokes 改良康培日照计之缺失而成现今使用之康培司托克日照计。
1903年：美国人Abbot发明绝对日射计。
1909年：美国人Abbot发明银盘日射计。
种类：
银盘日射计（Silver-disk pyrheliometer ）
使用时间：民国三十年代至五十年代
用途：量测太阳光线垂直面所受之直达日射量
构造及原理：
木制圆筒底部有一表面漆黑之银制圆板，是为银盘。侧面有一曲管温度计，其感应部安置在银盘下方，圆筒内及银盘上面有数个光圈板，以约制进入筒内之阳光，同时避免风吹入筒内，并防止筒内产生对流。圆筒上面有白色圆板一枚，黑色圆板二枚活动快门。此圆筒架设在赤道仪式之架上，安装于四季不受障碍物影响之空旷之水泥台上，赤道仪与子午线面平行，温度计调在北边读数，圆筒开口则对准太阳。观测时从圆筒盖及活动快门盖住时开始，每经一定时间开关活动快门，并分别读取银盘之温度，而日射量即由日射引起之银盘升温及仪器常数求得。
全天日射计（Pyranometer）
用途：量测全天日射量用
构造及原理：
日射感应部在半球形玻璃罩下面，外部以圆形铸铁槽盛装，感应器系以锰（ Mangaan）及康铜（ Constantan）作成之多数热电对连接而成，上面涂上黑色，半球形玻璃罩边以白色盖子罩住，以防辐射热影响测值。感应部受到太阳照射时，随温度差而产生热起电力，再以电位差计测之，即可求得全天日射量。全天日射计安装时，应选四周空旷场所为宜。
太阳电池式日照计（Solar-cell sunshine recorder）
使用时间：民国七十年代迄今（逐步汰换中）
用途：量测日照时数用
构造及原理：
太阳电池式日照计，其感应部以三个太阳电池构成，分别装置于三角柱之二侧及顶端，二侧之太阳电池各自对准东西向，以接受太阳直射光，顶端之太阳电池则接受漫射光。为保护太阳电池乾燥及性能，外面套紧硬质玻璃罩，罩内填入惰性气体，使玻璃内侧不致产生雾翳，影响测值，下端装置于角度调整臂上，可随各地方之纬度调整其仰角。安装时，应注意三角柱过顶点垂直底边之直线，必须与
子午线面平行。太阳电池在210W.m*-2时，会产生20mV之直流电压，因此量测20mV以上直流电压之持续时间，即可求得日照时数
五.蒸发测量仪器
定义：
国际水文学术语表（WMO/UNESCO,1992）提到下列定义：
实际蒸发量：地表处于自然湿润状态时来自土壤和植物蒸发的水总量。
潜在蒸散量：在给定气候条件下，覆盖整个地面且供水充分的成片植被蒸发的最大水
量的能力。因此，它包括在给定地区、给定时间间隔内的土壤蒸发和植被蒸腾，以深度表
示。
蒸腾：植被的水分以水蒸气的形式传输进入大气中的过程。
单位和标尺：
蒸发率定义为单位时间内从单位表面面积蒸发的水量，可以表示为在单位时间内单位
面积所蒸发的液态水的质量或容积，通常表示为单位时间内从全部面积上所蒸发的液态水
的相当深度。时间单位一般为一天，深度单位可用mm 也可用cm 表示。根据仪器的精密
程度，通常测量的准确度为0.10 到0.01mm。
测量方法：
用蒸发器测量标准的饱和水面水分的损失，可分为蒸发表和小型或大型蒸发器。这些
仪器既不直接测量自然水面的蒸发及实际的蒸散，也不测量潜在的蒸发。因此，所获得的
观测是不能直接使用的，只有对此加以修正，才能得出湖面蒸发或自然表面实际的和可能
的蒸散的可靠估计值。
蒸散器（蒸渗器）是一种置于地表以下，装满土壤并栽培植物的器皿或容器，对于研
究自然条件下的多相水文循环，它是一种用于多种目的的仪器。蒸散（或裸露土壤的蒸发）
的估计可通过测量和平衡容器的所有其它水的收支水分，即降水、地下水排出、土壤体积
储水量的变化。通常，不考虑表面径流。如果保持野外土壤水分的容量，蒸散器也可用于
估计土壤潜在的蒸发或覆盖植被的土壤的潜在蒸散。
蒸发器和蒸发池的测量
通过从储水罐将水倒入蒸发器，或者当降水发生时从蒸发器内放水来保持蒸发器的水面的高度不变，同时将加入的水量或放掉的水量记录下来。
在某些蒸发器或蒸发池内，借助于在静水管内的浮子操纵一个记录器也可连续记录水面高度。
蒸发器对蒸发的测量，构成估算所关注的自然表面蒸发和蒸散引起的水分损耗的几种方法的基础。通过蒸发器进行的测量之所以有优点，在于这些测量是所有气象变量影响的结果，而且任何时段均可获得仪器的数据。因此，在观测站网通常采用蒸发器在日常工作的基础上获得日常蒸发的数据。
蒸发器和蒸发池的安装：
蒸发器和大型蒸发池的安装主要有三种方式：
（a）低于地面，蒸发池的主体安置于地面以下，蒸发表面与周围地面处于或接近同
一高度；
（b）地面以上，整个蒸发器和蒸发面处于稍高于地面的位置；
（c）装置在湖泊或其它水体中的锚系浮标平台上。
蒸发站应位于相当平坦的地方，并避开树、建筑物、灌木或仪器百叶箱等障碍物，这
些障碍物距蒸发器的距离，应大于它们高出蒸发器高度的5 倍。对于成群障碍物，此距离
应增至10 倍。蒸发站占地要足够大，以保证读数不受农作物或其它不同区域的喷灌漂散
或上风边缘效应的影响。此类效应可以延伸至100m，要用栅栏把蒸发站围起来，以保护
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仪器并防止动物侵扰水面，但这种栅栏不能影响蒸发器上风的结构。
蒸发站的地面覆盖，应尽可能接近周围地区一般的自然覆盖。经常修剪蒸发站的草坪
及杂草等，以使它们保持低于蒸发器边缘的高度（7.5cm）。低于7.5cm 的草高对于A 级蒸
发器也是适用的。无论如何也不能将蒸发器装置在混凝土板上或柏油地上或碎石层上。这
种类型的蒸发器不应被挡住阳光。
蒸发表的误差来源
蒸发表测量中最主要的问题之一是要保持蒸发表面清洁。脏的表面将会以类似于干湿
表的湿球受玷污的方式而显著影响蒸发率。
进而蒸发表的暴露状况差异对蒸发测量的影响通常很显著，这尤其适用于当仪器被遮
蔽时，影响蒸发表面周围经受的空气的运动状况。
蒸散器（蒸渗器）：
蒸散器是由装满土壤的内置容器和档土墙或外置容器以及测量渗漏和土壤
水分含量变化的特定设备组成的。
蒸散率可以从蒸散器的水分收支的一般方程进行估计。蒸散量等于降水/灌水量减去渗漏量，再减去水储量的变化。
体积测量方法的应用对蒸散量长期值的估计是相当令人满意的。采用这种方法，可测出降水和渗漏的量。假定观测期间水储量的变化为零，则在观测开始和结束时通过将土壤水分增至田间持水量，就可确定土壤含水量的变化。
蒸散器的安置：
为了模拟具代表性的蒸散率，蒸散器的土壤和植被覆盖应和周围环境相一致，而且应将仪器本身引起的干扰减小到最低程度。对蒸散器安装的最重要的要求如下所述。
为了保持土壤相同的流体力学属性，建议将蒸散器作为一个未受干扰的部件整块置入容器中。就疏松的可视为各自同性的土壤以及大的容器而言，必须一层一层
地按一样的次序填充容器并具有自然纵断面相同的密度。
为了模拟容器中的自然排水过程，必须防止底部限量排水。根据土壤结构，可能有必要人为造成空虚保持底部空吸能力。
不同于土壤蒸发的微型蒸散器，蒸散器必须具有相当大的面积和足够的深度，其边缘应尽可能低，以确保培育的植被具有代表性且其生长不受限制。
通常，蒸散器的安置应适应观测的要求，像蒸发器那样，地段应避开建筑物、单棵树及气象仪器等的影响。为了使平流的影响减至最小，蒸散器观测场应位于远离周围环境上风边沿相当距离的地方，即不小于100m 到150m。防止平流影响对于灌溉地表的测量来说特别重要。
蒸散器的误差来源
蒸散器的测量误差起源于仪器本身对自然状态的干扰引起的。几个主要影响是：（a）根系生长的限制；
（b）蒸散器内和周围环境的植冠之间的不连续性引起的涡动扩散的变化。各种不连
续性都可由于包容体和挡土墙形成的环及植冠自身的差异引起的。
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（c）由于以下几个方面造成的蒸散器和周围环境的热力平衡的不充分引起的：（i）与下层土的热力隔绝；
（ii）容器和挡土墙之间空气的上升或下降运动的热效应；
（iii）由土壤结构和水分状态的改变造成的土壤热力特性的变化；
（d）由于以下几个方面造成的蒸散器对周围环境的水分收支平衡的不充分引起的：
（i）土壤结构受干扰；
（ii）对排水的限制；
（iii）墙体上的垂直渗漏；
（iv）阻止表面径流及土壤水分的侧向运动。
有几种合适的做法可使蒸散器测量的误差减到最小，如控制容器下面的温度变化，用
凸缘环减少墙体上的垂直渗漏等。此外，除了仔细设计蒸散器设备外，植被和土壤类型具有充分的代表性等也是非常重要的。蒸散器的场地位置必须完全代表野外的自然状态。
实验小结：通过这几次的实验学习，了解了各种气象仪器的作用和测量原理，
加深了自己对气象仪器的浓厚兴趣，使自己能够将书本理论与实际相结合，为以后的学习带来了帮助。