Meteorologia doświadczalna Wykład 1

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 1 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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.

8. 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

9. 1892 pierwsze pomiary balonowe • 1902 odkrycie stratosfery • 1918 Teoria frontów Bjerknesa • 1928 pierwsza radiosonda • 1940 prądy strumieniowe • 1960 wystrzelenie I-go satelity meteorologicznego

10. 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

11. 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)

12. 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

13. 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.

14. 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

15. 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)

16. 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.

17. Klatka meteorologiczna Zadania klatki: Ustabilizować przepływ powietrza w koło przyrządów znajdujących się w środku Minimalizować efekty promieniowania słonecznego Chronić przyrządy przed opadami atmosferycznymi

18. Przyrządy w klatce meteorologicznej

19. 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

20. 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

21. 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.

22. 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

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

24. Fizyka Pomiarów WE czujnik przetwarzanie wskaźnik WY wskaźnik wzorzec kalibracja

25. Nowoczesne Systemy zbierania i przetwarzania danych czujnik analiza przetwarzanie rejestracja inneprzyrządy model wskaźnik

26. Parametry opisujące czujnik • Czułość (sensitivity) S=d(Wy)/d(We) pochodna krzywej kalibracyjnej.

27. 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]

28. 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.