Meteorologia doświadczalna Wykład 1 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 E. Strauch, Metody i przyrządy pomiarowe w meteorologii i hydrologii. Atlas chmur (IMGW) S. Q. Kidder,T.H.Vonder Haar, Satellite Meteorology Materiały do wykładu: 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 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 In-Situ 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 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 gęstości powietrza nie mierzy się bezpośrednio tylko wyznacza z równania stanu 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 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

Termometr minimalny 5 cm nad gruntem W pokoju obserwatora: Barometr rtęciowy Barograf Deszczomiarka Części zapasowe

Fizyka Pomiarów WE WY czujnik przetwarzanie wskaźnik wskaźnik wzorzec kalibracja

Nowoczesne Systemy zbierania i przetwarzania danych czujnik przetwarzanie rejestracja analiza inne przyrządy wskaźnik 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.