Handboek waarnemen -  Temperatuur
 
De thermodynamische temperatuur (kortweg: temperatuur) is een maat voor de warmtetoestand van een bepaalde stof of lichaam. Temperatuur kenmerkt zich door het feit dat bij een temperatuurverschil tussen twee aangrenzende stoffen of lichamen, er een warmtestroom zal optreden in de richting van de stof of het lichaam met de laagste temperatuur totdat de temperatuur van beide lichamen gelijk is.

Temperatuur geeft een toestand weer en is daarmee een bijzondere grootheid, die niet direct herleidbaar is naar primaire tastbare grootheden zoals massa of lengte. In het algemeen geldt voor dat voor de temperatuur van een gas dat deze evenredig is met de gemiddelde kinetische energie van
de moleculen. Omdat de temperatuur een toestand aangeeft is de bijbehorende schaal gebaseerd op een definitieafspraak. De internationaal gedefinieerde temperatuurschaal is ondermeer bepaald aan de hand van tripelpunten en stolpunten van elementaire stoffen. Deze schaal wordt regelmatig herzien vanwege steeds nauwkeurigere technologie om faseovergangen te bepalen en met steeds zuiverdere stoffen.

Eenheden

De kelvin (symbool: K) is de eenheid van thermodynamische temperatuur, een van de zeven basiseenheden van het SI-stelsel.

De definitie van de kelvin-temperatuurschaal bestaat uit twee delen:

0 K is gelijk aan het absolute nulpunt, de laagste temperatuur die theoretisch bereikbaar is (alle moleculaire beweging is bij deze temperatuur afwezig). 1 K is het 1/273,16e deel van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water. Dit tripelpunt ligt 0,01 °C (graden Celsius) hoger dan het smeltpunt van ijs.  Vandaar dat in de omrekening naar graden Celsius de waarde -273,15 gebruikt wordt, want 0 °C is gedefinieerd
als de temperatuur van smeltend ijs in water bij p = p0.

De schaal van Kelvin is in feite afgeleid van de schaal van Celsius, met een ander nulpunt. De Celsiusschaal kan worden uitgedrukt in kelvin maar
er is een belangrijk verschil. In de thermodynamica kent men het begrip thermische energie. Grofweg is dat de energie die in de thermische
beweging van de moleculen opgeslagen is. Deze energie is evenredig met de absolute temperatuur T:

Celsius

Formeel is afgesproken dat temperaturen in de SI-eenheid kelvin worden uitgedrukt.  In bepaalde gevallen, bijvoorbeeld bij het aangeven van de buitentemperatuur in een weerbericht, worden echter graden Celsius (°C) gebruikt, enerzijds omdat men dit gewend is en anderzijds omdat met behulp van deze eenheid de temperatuur in handzamere getallen kan worden uitgedrukt. In de Verenigde Staten en Jamaica wordt meestal de
schaal van Fahrenheit gebruikt.

Oorspronkelijk was de Celsiusschaal gedefinieerd met twee ijkpunten:

de temperatuur waarbij water bevriest bij een luchtdruk van 1 bar is gedefinieerd als 0 °C;
de temperatuur waarbij water kookt bij een luchtdruk van 1 bar is gedefinieerd als 100 °C.

Het bereik hiertussen wordt verdeeld in 100 gelijke delen.

Omdat zowel het vriespunt van water als het kookpunt afhankelijk is van de heersende luchtdruk ontstond op termijn behoefte aan een betere definitie. Sindsdien is de schaal van Celsius gedefinieerd door de volgende twee punten:

het tripelpunt van water ligt per definitie bij 0,01 °C;
het verschil tussen twee graden is gedefinieerd aan de hand van het gedrag van een ideaal gas.

Het tripelpunt is een punt waar de drie fasen van water (gas, vloeistof en vaste stof) bij elkaar kunnen bestaan. Het tripelpunt is een vaste
combinatie van temperatuur en druk.

Fahrenheit

Temperatuurmeting in graden Fahrenheit wordt alleen nog gebruikt in de Verenigde Staten van Amerika en Belize. Graden Fahrenheit worden ook
nog wel gebruikt door de oudere generatie van het Verenigd Koninkrijk, Australië, Zuid-Afrika, Canada, Ierland, India en Jamaica omdat de temperatuurschaal van Fahrenheit vroeger ook in deze landen in gebruik was. In andere landen wordt de temperatuur in graden Celsius uitgedrukt.

In de meteorologie wordt de grootheid temperatuur gebruikt voor directe metingen van lucht, bodem en water en als afgeleide grootheid, in relatie
tot de vochtigheid van de lucht.
 
Beschrijving van de variabelen
 
De meteorologie kent meerdere variabelen gebaseerd op de grootheid temperatuur. Deze zijn te splitsen in een primair gemeten temperatuur en
een secundaire, of herleide temperatuur. De primair gemeten temperatuur betreft uitsluitend de instantane luchttemperatuur, gemeten op een vastgestelde hoogte. De andere variabelen zijn bepaald aan de hand van een tijdreeks, onder beïnvloeding van de lucht of op basis van een
herleiding, waarbij andere (gemeten) grootheden zijn meegenomen. De variabelen met betrekking tot temperatuur zijn:
1 primair gemeten
a) luchttemperatuur
2. aan de hand van een tijdreeks herleide temperaturen:

a) minimum luchttemperatuur
b) maximum luchttemperatuur
3. overige herleide temperaturen

a) dauwpunt-temperatuur en rijptemperatuur
b) verzadigingtemperatuur
c) virtuele temperatuur 


Drogeboltemperatuur luchttemperatuur

De luchttemperatuur wordt bepaald op 150 cm hoogte boven het aardoppervlak. Deze variabele wordt in de praktijk ook wel de “temperatuur" genoemd.

Maximum temperatuur

De maximum temperatuur is de hoogst bereikte luchttemperatuur op 150 cm hoogte in een tijdvak tussen 06 en 18 utc.

Minimum temperatuur

De minimum temperatuur is de laagst bereikte luchttemperatuur op 150 cm hoogte)in tijdvak  tussen 18 en 06 utc.

10 cm temperatuur of luchttemperatuur op 10 cm hoogte

De 10 cm temperatuur is de actuele luchttemperatuur op 10 cm hoogte boven het aardoppervlak. Deze variabele wordt veelal verward met de ongedefinieerde variabele grastemperatuur.

Minimum 10 cm temperatuur

De minimum 10 cm temperatuur is de laagst bereikte luchttemperatuur gemeten op 10 cm hoogte in een tijdvak tussen 18 en 08 utc.
Deze minimum temperatuur kan in verband worden gebracht met de zgn. grasminimumtemperatuur. De grasminimumtemperatuur wordt echter vastgesteld op basis van de gemeten luchttemperatuur ter hoogte van de toppen van de sprietjes van kort gemaaid gras, iets dat voor automatische metingen zeer omslachtig is.

Dauwpunt- temperatuur

De dauwpunt-temperatuur is de temperatuur op 150 cm hoogte waartoe de lucht (bij gelijkblijvende overige omstandigheden) moet worden
afgekoeld om een volledige verzadiging van de in de lucht aanwezige waterdamp te bereiken en waaronder condensatie gaat optreden.
De dauwpunt-temperatuur is onafhankelijk van de luchttemperatuur zelf en wordt bepaald door de dichtheid van de waterdamp in de lucht.
Dauwpunt-temperatuur kent een groot bereik tot ver onder 0°C.

Rijptemperatuur

De rijptemperatuur is het analogon van de dauwpunt-temperatuur, maar dan voor vaste depositie en alleen gedefinieerd voor waardes onder 0°C.
Beneden deze temperatuur zal rijp ontstaan.

Andere verzadigingstemperaturen, waaronder de natte bol temperatuur

Naast de dauwpunt-temperatuur, waarbij afgezien van afkoeling de samenstelling van lucht zelf niet veranderd, kunnen ook verzadigings-
temperaturen worden bepaald, waarbij de lucht zelf wel wordt beïnvloed en een thermodynamisch evenwicht ontstaat. De bekendste techniek is
de psychrometrie, die wordt gebruikt voor vochtmetingen (ook bekend als natte en droge bol metingen). Hierbij komt lucht in contact met een
vochtig lichaam hetgeen resulteert in een verzadigde lucht/vocht mengel bij een verzadigingstemperatuur.

Voor thermodynamische toepassingen is de adiabatische verzadigingstemperatuur de meest voor de hand liggende, vanwege de eenvoudige berekeningsgrondslag ter bepaling van de vochtigheid. In de praktijk is het echter vrijwel ondoenlijk om aan de adiabatische eis te voldoen en zijn
er psychrometers ontworpen, elk met hun eigen calibratie diagram.

Een psychrometer bestaat uit een sensor die de luchttemperatuur meet (ook wel de droge boltemperatuur genoemd) en een sensor, die de temperatuur meet van een bevochtigd en belucht kousje (en daarmee de verzadigingstemperatuur van de lucht grenzend aan dat kousje).
Deze temperatuur wordt daarom ook wel de natte bol temperatuur genoemd. Omdat er geen goede fundamentele relatie bestaat tussen
bevochtiging, verdamping, beluchtiging, straling of warmtegeleiding, waardoor deze natte bol temperatuur niet herleidbaar is, kan de vochtigheid
alleen op basis van kalibraties worden bepaald.

Virtuele temperatuur

De virtuele temperatuur is een afgeleide grootheid, vooral in gebruik ter vereenvoudiging van formules, waarbij vocht een rol speelt. De virtuele temperatuur is gedefinieerd als de temperatuur die een denkbeeldig systeem van droge lucht zou moeten hebben in relatie tot de actuele toestand
 van de (vochtige) lucht en met dezelfde dichtheid en druk. Deze virtuele temperatuur word afgeleid via de algemene gaswet en wordt gegeven door
de vochtige/droge lucht mengverhouding en de verhouding tussen het molecuulgewicht van waterdamp en droge lucht. De virtuele temperatuur wordt o.a. gebruikt bij de herleiding van luchtdruk naar zeeniveau

Potentiële temperatuur

De potentiële temperatuur van onverzadigde vochtige lucht is gedefinieerd als de temperatuur die een hoeveelheid lucht bij druk p en
temperatuur T zou krijgen indien dat langs adiabatische weg zou worden herleid naar standaard druk (po = 1000 hPa) en bij gelijkblijvende mengverhouding.
 
Instrumenten en techniek
 
Als standaardsensor voor de operationele metingen temperatuur op 150 cm c.q 10 cm boven het aardoppervlak (maaiveld) gebruikt het knmi een platina weerstandselement (Pt 500), welke geplaatst is in de top van een zgn. temperatuur meetnaald van roestvrij staal. Gekozen is voor een vrij hoge weerstandswaarde (500 Ohm), omdat hierbij de warmtedissipatie gering genoeg is om met de vereiste onzekerheid van <0,1 °C te kunnen meten (met een 100 Ohm Pt element is dit namelijk niet mogelijk).

Om ervoor te zorgen dat de warmtelekken van sensor naar meetdraden minimaal is, is de sensor en de verdere bedrading aan elkaar gesloten via manganine bedrading, dat warmte slecht geleid. Gebruik wordt gemaakt van vier draads meettechniek omdat daarmee significante systematische fouten worden voorkomen, die kunnen optreden door thermo-elektrische effecten, stroomlekken of te grote extra weerstand door lange bedrading.
De kwaliteit van het Pt500 element is zodanig dat binnen het gestelde bereik de systematische fout, uitgedrukt in °C, niet groter is dan 0,05 °C.
De temperatuur meetnaald wordt vervolgens geplaatst in een schotelhut die dient voor stralingsafscherming. Dit instrument (sensor, incl. transmitter) is kalibreerbaar met een onzekerheid van <0,1°C. De resolutie is in 0,1 °C. Het bereik is -30 tot +40°C.   De instrumentele specificaties zijn dus conform de gesteld operationele eisen 
 
figuur 1a: meetnaald met sensor figuur
1b: opstelling van de meetnaald in een opengewerkte schotelhut  
 
  opstelling met de schotelhut
op een landstation (De Bilt) 
 
  opstelling schotelhut op een zeestation (Meetpost Noordwijk) 
 
Onderhoud- en kalibratieprocedures
De meetinstrumenten dienen te voldoen aan de nauwkeurigheidseisen. Hiertoe is periodiek onderhoud nodig, waarbij instrumenten door middel
van calibratie en justering op door ervaring bepaalde intervallen worden getoetst of aan de gestelde eisen is voldaan. Voor elk interval wordt een calibratiecertificaat vastgesteld, waarbij de referentie meetwaarden volledig herleidbaar zijn naar een door de rva/nko erkende standaard.
De instrumentele afdeling van het knmi insa is verantwoordelijk voor deze procedures die vastgelegd zijn in de kalibratie procedures van het knmi ijklaboratorium.

Op zich voldoen deze procedures aan het kwaliteitshandboek van insa,  dat is erkend volgens aan iso 9001 (ref. 5). Aan de Europese norm voor kalibratie en testlaboratoria, en 45001, of aan enige nko certificering wordt (nog) niet voldaan

Luchttemperatuur 1,50 m hoogte

De sensoren voor de meting van de temperatuur dienen volgens de  World Meteorologic Organization een hoogte tussen 1.25 en 2.00 meter boven vlak terrein gesitueerd te zijn. Het knmi hanteert als standaardhoogte: 150 cm. Het terrein waarboven gemeten wordt dient bedekt te zijn met kort gemaaid gras, eventuele sneeuw hoeft niet te worden verwijderd.
 
  schotelhut op 10 cm
   Het meetelement mag niet significant worden beïnvloed door zonlicht, straling en weersverschijnselen, zoals neerslag, dauw, rijp en wind. Hiertoe is het meetelement geplaatst in stralingsafschermende schotelhut.
Deze hut is aan de buitenkant wit en van binnen zwart, zodat minimale stralingsinvloed bestaat.  De ruimte tussen de schotels is zodanig dat zonlicht en warmtestraling geen invloed heeft op het meetelement, maar
de ruimte in de hut wel op een natuurlijke wijze goed kan ventileren.

Luchttemperatuur 10 cm hoogte

De sensoren voor de meting van de luchttemperatuur op 10 cm hoogte dienen volgens hetzelfde principe als
bij de meting op 150 cm geplaatst te zijn. De sensor wordt opgesteld in een speciale stralingsafscherming, mede vanwege het feit dat zeer dicht bij het aardoppervlak gemeten wordt. Het terrein rond de meetapparatuur dient bedekt te zijn met zeer kort geschoren gras, maximaal 3 cm hoog. In het geval dat het terrein met sneeuw is bedekt, dient dit terrein met een straal van 50 cm rond de opstelling sneeuwvrij te worden gemaakt  
 
Condities m.b.t. omgeving en meetlocatie/representativiteit waarnemingen 
 
In de nabijheid mogen zich geen obstakels als gebouwen en bomen bevinden, die van invloed kunnen zijn op de te meten variabele.
Deze kunnen door uitstraling de temperatuur beïnvloeden en aldus de representativiteit van de waarneming aantasten. Bovendien ontstaat als
gevolg van dergelijke objecten een soort dalstructuur waarbinnen warme of koude lucht blijft “hangen". De temperatuur van de lucht in dit “dal" kan
zo (sterk) afwijken van de luchttemperatuur in de omgeving.

Concreet gaat het er om dat het omliggende terrein ten aanzien van gewassen, beplantingen en bebouwing rondom het waarneemterrein voldoende vrij is, waarbij op een gebied met een straal:

a) van 25 m er zich geen gewassen en/of beplanting bevinden die een hoogte van 50 cm te boven gaan
b) tussen 25 m en 50 m er zich geen gewassen en/of beplanting bevinden met een hoogte tot 1,50 m
c) van 100 m geen obstakels zoals bomen en struiken
d) van 400 m geen obstakels zoals schuren of andere gebouwen en bossen; Voor eventuele objecten buiten de straal van 100 m zal de hoogte
   minder dan 1/10-de van de afstand van het object tot het meetterrein dienen te zijn  
 
Bron: KNMI handboek waarnemen