Pomiary optyczne w atmosferze

Meteorologia doświadczalna
Wykład 1
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Sprawy formalne
Wykład: 3 godziny tygodniowo
Ćwiczenia: 1 godzina tygodniowo w tym:
Wyjazdy do stacji badawczych w:
Legionowie, Świdrze, Krakowie i zajęcia
praktyczne
Zaliczanie przedmiotu - egzamin ustny
Plan wykładu
Wprowadzanie do pomiarów meteorologicznych
Historia pomiarów meteorologicznych w Polsce i
na świecie
Problemy związane ze zmianą standardowych
przyrządów meteorologicznych w ostatnich
latach
Współczesne systemy pomiarowe – sieci
pomiarowe
Rodzaje stacji pomiarowych oraz terminy
wykonywania obserwacji
Miejsce pomiarów meteorologicznych
Definicje wielkości związanych z pomiarami
Standardowe pomiary meteorologiczne
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Promieniowanie słoneczne i ziemskie
Temperatura powietrza
Wilgotność powietrza
Prędkości i kierunek wiatru
Opady atmosferyczne, pokrywa śnieżą
Parowanie
Zachmurzenie (stopień i rodzaje, odmiany, gatunki
chmur)
Aerozole atmosferyczne (Athelometr, Nephelometr)
Monitoring zanieczyszczeń powietrza
Widzialność
Aerologia – sondaże
Ozon
Pomiary strukturalne (małe stałe czasowe)
Pomiary gradientowe
Pomiary specjalne – kampanie pomiarowe
– Logistyka i cele kampanii pomiarowych
– Pomiary samolotowe
– Boje, dryftery, statki badawcze.
Kalibracje przyrządów
– Przyrządy radiacyjne
– Wybrane metody kalibracyjne
Teledetekcja
– Aktywna i pasywna
– Satelitarna
– Naziemna (Radary, Ceilometry, Systemy wyładowań
atmosferycznych)
Dane pomiarowe
– Formaty danych
– Systemy zbierania danych (DataLoggery)
– Systemy archiwizacji danych
Literatura
Różdżyński K. - "Miernictwo Meteorologiczne"
tom I, II , Warszawa 1995
2. E. Strauch, Metody i przyrządy pomiarowe w
meteorologii i hydrologii.
3. Atlas chmur (IMGW)
4. S. Q. Kidder,T.H.Vonder Haar, Satellite
Meteorology
Materiały do wykładu:
1.
http://www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/wyklady/MeteorologiaDoswiadczalna
Trochę historii meteorologii
Przez tysiące lat ludzie starali się przewidywać pogodę. Około 340
p.n.e. Arystoteles opisał zjawiska pogodowe w pracy "Meteorologica".
W Chinach prognoza pogody była praktykowana przynajmniej od 300
p.n.e. Starożytne metody polegały zazwyczaj na lokalnych
obserwacjach. Np. czerwone słońce o zachodzie zazwyczaj
zwiastowało „dobrą pogodę” następnego dnia.
Ta lokalna wiedza o pogodzie tworzona była przez stulecia.
Dopiero wynalazek telegrafu w 1837 zapoczątkował nowoczesny
rozwój prognoz pogody głównie ze względu na możliwość zebrania
początkowych danych jednocześnie w czasie.
Dwóch naukowców jest uznawanych za pionierów prognoz pogody.
Francis Beaufort i Robert Fitzroy. Obydwaj mieli duże wpływy w
Brytyjskiej Marynarce Wojennej. Mimo, że ich wysiłki były ośmieszane
w prasie tego okresu to ich idee zostały zaakceptowane przez
środowiska naukowe i stanowią podstawy współczesnych prognoz
pogody.
W XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój meteorologii jako dziedziny
wiedzy. Idea numerycznej prognozy pogody została zapoczątkowana
przez angielskiego naukowca i pacyfistę Lewisa Richardsona w 1922
roku. Niestety jego schemat obliczeniowy był niewłaściwy, a obliczenia
wykonywano ręcznie. Dopiero konstrukcja komputerów po II wojnie
światowej i rozwój metody numerycznych umożliwiły gwałtowny rozwój
numerycznych prognoz pogody i ich operacyjny charakter.
Zarys historii pomiarów
meteorologicznych
1612 termoskop- przyrząd do mierzenia
różnic temperatur
1643 Torricelli konstruuje barometr rtęciowy
1644 pierwszy termometr (bez skali)
1714 pierwsza skala Fahrenheita
1736 Celsius konstruuje nową skalę
1783 Powstaje higrometr włosowy
1817 Humboldt wykreśla pierwsza mapę
izoterm
1825 August buduje psychrometr
1826 Prof. Brandes wykreśla pierwszą
mapę synoptyczną
1844 Prawo Corliolisa
1892 pierwsze pomiary balonowe
1902 odkrycie stratosfery
1918 Teoria frontów Bjerknesa
1928 pierwsza radiosonda
1940 prądy strumieniowe
1960 wystrzelenie I-go satelity meteorologicznego
W Polsce
1664 demonstracja barometru rtęciowego w Warszawie
1654 pierwsza meteorologiczna sieć pomiarowa, sieć
florentyńska (11 stacji)
Od 1779 zachowały się dane pomiarowe z terenów
Warszawy prowadzone na tarasie zamku królewskiego
(ciśnienie, wiatr, zachmurzenie i temperatura powietrza)
1781 działa 30 stacji meteorologicznych w Europie w
tym jedna w Polsce (Żagan)
1792 Zaczyna działać obserwatorium astronomiczne
Uniwersytetu Jagielońskiego
Od 1825 Obserwatorium astronomiczne w Warszawie
prowadzi nieprzerwane obserwacje meteorologiczne
W latach 1886-1915 Muzeum przemysłu i
rolnictwa w Warszawie prowadzi serie
obserwacji meteorologicznych
1932 powstaje stacja na Okęciu
1938 stacja na Bielanach
1959 Stacja na Uniwersytecie Warszawskim
(przy wydziale geografii)
Tradycyjne przyrządy meteorologiczne a
nowe systemy pomiarowe
Lata 90-te to początek szerokich zmian przyrządów
pomiarowych używanych w meteorologii i klimatologii.
Stare przyrządy „analogowe” zostają zastępowane
elektronicznymi, pojawiają się automatyczne stacje
meteorologiczne.
Rozwijane są całe systemy pomiarowe obejmujące
kompleksowe pomiary atmosferyczne
Zmieniają się standardy co szczególnie z punktu
widzenia klimatologii jest niekorzystne.
Pojawia się problem porównywalności starych i nowych
przyrządów pomiarowych. Przyrządy te najczęściej mają
inne charakterystyki co może mieć potencjalne znacznie
dla badań klimatycznych
Monitoring Środowiska
Monitoring – to system wielokrotnych obserwacji
parametrów zmiennych w czasie i przestrzeni mający
określony program badawczy.
GEMS - Globalny System Monitoringu
EEA - Europejska Agencja Ochrony Środowiska
EMEP - Europejski program monitoringu i Oceny
Transportu Zanieczyszczeń Powietrza na Dalekie
Odległości
WMO- Światowa organizacja meteorologiczna
TEGIMO – Komisja techniczna
IPCC - Międzynarodowy Panel ds. Zmian Klimatu.
Typy badań (pomiarów) środowiska
1)
2)
In Situ – pomiary w miejscu (ustalone ,,h,t)
Metody teledetekcyjne (zdalne) przy wykorzystaniu
fal elektromagnetycznych (mikrofale, ultrafiolet,
promieniowanie widzialne i podczerwone) fale
akustyczne. Pozwalają wyznaczyć rozkład
przestrzenny parametru
Miejsce obserwacji meteorologicznych InSitu
Ogródek meteorologiczny o
minimalnych rozmiarach 10x15 m.
Obszar otwarty i reprezentacyjny
dla danego (jak największego)
obszaru.
Pokrycie terenu niska trawa
Oddalony od przeszkód
terenowych (dokładne informacje
specyfikuje WMO)
Położenie ogródka
w odległości 30 m od ogródka nie mogą znajdować się
żadne budynki, drzewa, krzewy oraz uprawy sztucznie
zraszane;
w odległości ponad 30 m od ogródka mogą stać małe
pojedyncze obiekty np. parterowy dom czy drzewo,
jednak ta odległość nie może być mniejsza niż 10-cio
krotna ich wysokość;
w odległości ponad 100 m od ogródka może być luźna
zabudowa i małe grupy drzew
w odległości ponad 300 m od ogródka mogą znajdować
się zwarte zespoły drzew (sady i parki);
w odległości co najmniej 500 m od ogródka mogą stać
już wielopiętrowe bloki mieszkalne.
Klatka meteorologiczna
Zadania klatki:
Ustabilizować przepływ powietrza w koło przyrządów znajdujących się w środku
Minimalizować efekty promieniowania słonecznego
Chronić przyrządy przed opadami atmosferycznymi
Przyrządy w klatce meteorologicznej
Typy stacji
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Meteorologiczne (około 60 w Polsce) –
wykorzystywane głownie przez służby
meteorologiczne WMO. Obserwacje prowadzone co
godzinę
Posterunki meteorologiczne (około 260). Obserwacje 3
razy w ciągu doby (06 12 18 UTC)
Posterunki opadowe (około 2300) pomiary wysokości
opadu i pokryw śnieżnej o godzinie 06 UTC
Stacje specjalne:
Aerologiczne (3 w Polsce)
Agrometeorologiczne
Biometeorologiczne
Lotnicze
Fenologiczne
Naukowe
Wielkości mierzone
Temperatura powietrza, gruntu, wody
Ciśnienie
Wilgotność, zasolenie
Parowanie z wody, z gleby z roślin
Chmur, zachmurzenie, rodzaj, wysokości podstawy
Opady, suma opadu, natężenie, rodzaj opadu
Pokrywa śniegu
Promieniowanie słoneczne i ziemskie
Wody, stan, przepływ
Widzialność
Zanieczyszczenia (aerozol, radioaktywne)
Pomiary aerologiczne
Związki pomiędzy mierzonymi wielkościami
p  RT 
gęstości powietrza nie mierzy
się bezpośrednio tylko
wyznacza z równania stanu
  (T, RH )
  (Tw )
Powietrze o większej zawartości pary wodnej ma mniejsza
gęstości niż powietrze o mniejszej ilości pary wodnej.
Przyrządy na stacjach meteorologicznych –
standard na początku lat 90-tych
1.
2.
3.
4.
W klatce meteorologicznej znajduje się:
2 termometry Augusta (suchy i zwilżony)
Termometr maksymalny i minimalny (wszystkie
zbiorniczki na wysokości 2 metrów nad gruntem)
Higrometr włosowy
Ewaporometr Piche’a
Samopisy (termograf i higrometr)
Wyskalowana menzurka
Deszczomierz Hellmanna (wlot na wysokości 1 m)
Wiatromierz Wilda (na wysokości 10 m)
Termometru glebowe na głębokościach: 5, 10, 20 i
50 cm
5.
6.
Termometr minimalny 5 cm nad gruntem
W pokoju obserwatora:
Barometr rtęciowy
Barograf
Deszczomiarka
Części zapasowe
Fizyka Pomiarów
WE
czujnik
przetwarzanie
wzorzec
wskaźnik
wskaźnik
kalibracja
WY
Nowoczesne Systemy zbierania
i przetwarzania danych
czujnik
przetwarzanie
wskaźnik
rejestracja
inne
przyrządy
analiza
model
Parametry opisujące czujnik
Czułość (sensitivity) S=d(Wy)/d(We)
pochodna krzywej kalibracyjnej.
Rozdzielczość (resolution) - najmniejsza
zmiana wielkości na wejściu jaka można
wykryć na wyjściu
Precyzja (precision) – minimum odchylenia
od wartości najbardziej prawdopodobnej
Dokładność (odtwarzalność) – precyzja +
zgodność z wybranym wzorcem
Ponadto:
Zakres – określa dynamikę przyrządu
Histereza powtarzalność pomiaru w rożnych
warunkach
Próg działania (np. anemometr)
SNR = log(S/N) – stosunek sygnału (S) do
szumu N wyrażony w [dB]
Dokładność pomiaru
określa, jak bardzo rezultat pomiaru jest zbliżony do
wartości prawdziwej. Wyniki o dużej dokładności
otrzymuje się stosując mierniki i wzorce o małej
niepewności wzorcowania
Precyzja pomiaru
określa, jak dobrze został określony rezultat pomiaru,
bez odnoszenia się do wartości prawdziwej. Wyniki o
dużej precyzji otrzymuje się poprzez taką modyfikację
warunków pomiaru, aby niepewności przypadkowe były
jak najmniejsze.