|
Temperatuur -
hoofdstuk 2
|
|
|
| Benaming van de grootheid |
| Algemene benaming: Temperatuur |
| Internationale aanduiding WMO: Temperature |
| |
| Definitie: omschrijving van het begrip |
| |
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 bijbe horende schaal gebaseerd op een definitieafspraak.
De internationaal gedefini eerde 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. Voor een verdere definitie van deze schaal zie onder 1.3, eenheden. |
| |
| Eenheden |
De blijvend erkende eenheid volgens SI voor de thermodynamische temperatuur T is kelvin (K). Deze eenheid is gedefinieerd als de fractie
1/273,16 van de temperatuur van het tripel punt van water. Naast de thermodynamische temperatuur T (ook wel kelvintemperatuur
genoemd)) kent men de grootheid celciustemperatuur t. De erkende SI- erkende eenheid daarvoor is de graad Celcius, symbool °C,
die gelijk is aan de kelvin. |
| |
| De celciustemperatuur is gedefinieerd als het verschil t = T – To, waarbij To = 273,15 K. Dus: t/°C = T/K – 273,15. |
| De eenheid graden fahrenheit , symbool °F, waarvoor geld t F/°F = 9/5 t/°C + 32, wordt in Nederland niet als erkende grootheid gebruikt. |
|
De huidige internationale temperatuurschaal waarvoor T en t sinds 1990 zijn gedefinieerd.
Uitgedrukt in de celciustemperatuur geldt voor deze schaal: |
| |
| t 90 [vriespunt H2 O] = 0,000 °C |
| t 90 [tripelpunt H2 O] = 0,010 °C |
| t 90 [kookpunt H2 O] = 99,974 °C |
| |
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. De behandeling van zeewatertemperatuur staat in het hoofdstuk over maritieme waarnemingen,
terwijl bodemtemperatuur in het desbetref fende hoofdstuk staat beschreven. Dit hoofdstuk heeft verder alleen betrekking op de
luchttemperatuur, te meten boven het aardoppervlak. |
|
| Beschrijving van de variabelen |
| |
De meteorologie kent meerdere variabelen gebaseerd op de grootheid temperatuur. Deze zijn te splitsen in een primair gemeten temperatuur
en eensecundaire, 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: |
|
| - drogebol temperatuur luchttemperatuur |
Aanduiding: T of t (Tair).
De luchttemperatuur wordt bepaald op 150 cm hoogte boven het aardoppervlak. Deze variabele wordt in de praktijk ook wel de
temperatuur genoemd. |
| |
| - maximum temperatuur |
Aanduiding: Tmax of tmax.
De maximum temperatuur is de hoogst bereikte luchttemperatuur op 150 cm hoogte in een tijdvak, bijvoorbeeld 6 uur of12 uur.
Voor de knmi: tussen 06 en 18 utc. |
| |
| - minimum temperatuur |
Aanduiding:Tmin of tmin.
De minimum temperatuur is de laagst bereikte luchttemperatuur op 150 cm hoogte in tijdvak, bijvoorbeeld 6 uur of 12 uur.
Voor de knmi: tussen 18 en 06 utc. |
| - 10 cm temperatuur of luchttemperatuur op 10 cm hoogte |
Aanduiding:T10.of t10
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 (zie ook hieronder) |
| |
| - minimum 10 cm temperatuur |
Aanduiding: T10, min.
De minimum 10 cm temperatuur is de laagst bereikte luchttemperatuur gemeten op 10 cm hoogte in een tijdvak, bijvoorbeeld 6 uur.
Voor de knmi:.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 |
Aanduiding: Tdew.
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, terwijl tdew ≤ t. |
| |
| - rijptemperatuur |
Aanduiding: Tice of tice
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 drogebol luchttemperatuur meet en een sensor, die de temperatuur meet van een
bevochtigd en belucht kousje en daarmee de verzadigingstemperatuur van de lucht grenzend aan dat kousje meet. Deze temperatuur
wordt daarom ook wel de natte bol temperatuur genoemd voor metingen op 2m hoogte. 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. Het gebruik van de zgn. droge bol temperatuur dient alleen in
combinatie met de natte bol temperatuur te worden gebruikt. |
| |
| - virtuele temperatuur |
De virtuele temperatuur is een afgeleide grootheid, vooral in gebruik ter ver eenvoudiging 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 Tv wordt afgeleid via de algemene
gaswet en wordt gegeven door: |
| |
| Tv = T (1 + r/ε)/(1 + r) |
| |
Waarbij r staat voor de vochtige/droge lucht mengverhouding (mixing ratio) en ε voor de verhouding tussen het molecuul gewicht van
waterdamp en droge lucht, te weten ε = 0,62198. De virtule temperatuur wordt o.a. gebruikt bij de herleiding van luchtdruk naar zeeniveau. |
| |
| - potentiële temperatuur |
De potentiële temperatuur van onverzadigde vochtige lucht θ 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
mixing ratio r. |
In deze paragraaf worden de operationele eisen beschreven met betrekking tot het waarnemen van de luchttemperatuur op 150 cm
en 10 cm boven het waarneemterrein maaiveld. De operationele eisen met betrekking tot de dauwpunt temperatuur zijn beschreven in
Hoofdstuk 4, Vochtigheid. |
| |
| meetbereik |
| Het operationeel gebied voor de waarnemingen van de luchttemperatuur op 150 cm en 10 cm boven het aardoppervlak is: −30 - +40°C. |
Dit betreft zowel voor de puntwaarden, gemiddelden als de extremen. De wmo-norm is weliswaar −60 - +60°C. Omdat de kans op
een temperatuur beneden −30°C of boven +40°C in Nederland verwaarloos baar klein is, is voor nationaal gebruik het bovenvermelde
bereik voldoende. |
|
| waarneemresolutie in verband met de berichtgeving |
In de synoptische meteorologie en de klimatologie is de vereiste resolutie in de waarnemingen van de lucht temperatuur op 150 cm
en 10 cm hoogte: 0,1°C. |
| In de berichtgeving voor de luchtvaart , dat wil zeggen via de metar, is de resolutie van de temperatuur echter in hele graden Celsius, dus 1°C. |
|
| operationeel vereiste nauwkeurigheid |
- De vereiste nauwkeurigheid in de gemeten luchttemperatuur op 150 cm en 10 cm hoogte is: 0,1°C.
Deze eis is conform wmo. De extremen (tx, tn) dienen aan dezelfde conditie te voldoen: vereiste nauwkeurigheid 0,1°C.
De wmo voorschriften een staan een onzekerheid van 0,5 °C toe. |
- De maximaal acceptabele operationele onzekerheid in de luchttemperatuur op 150 cm en 10 cm hoogte, inclusief voor maxima
en minima in de synoptische berichtgeving (synop) en voor klimatologische doeleinden is: 0,2°C. Dit is conform wmo voorschriften. |
- De gewenste operationele nauwkeurigheid van de (lucht)temperatuur op 150 cm hoogte ten behoeve van berichtgeving in de luchtvaart-
meteorologie (metar) is : 1°C. |
| |
| vereiste waarneemfrequentie |
| |
| 1-minuut gemiddelden |
Overeenkomstig de richtlijnen van de wmo dient de berichtgeving gebaseerd te zijn op 1-minuut gemiddelde waarden. deze gemiddelden
betreffen steeds het rekenkundig gemiddelde van de continue waarnemingen van de afgesloten periode, in dit geval een minuut. |
| |
| 10-minuut gemiddelden |
Ofschoon uurlijkse (synop) en halfuurlijkse (metar) berichtgeving nog wel gebruikelijk is, is er een duidelijke internationale ontwikkeling gaande
in het presenteren van gegevens met een 10 minuten resolutie. Om hieraan te vol doen is de generatie van 10-minuten gemiddelden en
de bijbehorende standaard deviaties wenselijk. Overigens zijn deze parameters een goed hulpmiddel voor de validatie van de metingen zelf. |
Voor het bepalen van de standaard deviatie, gemeten met digitale instrumenten, dient de sample frequentie voldoende hoog te zijn.
Voor temperaturen zijn 12-seconden samples goed geschikt. |
| |
| extremen: maxima en minima |
Iedere 12 seconden berekent een temperatuur siam het 10’ maximum en het 10-minuten minimum temperatuur, gemeten op 150 cm
c.q. 10 cm hoogte over de afgelopen 10 minuten. Deze extremen zijn gebaseerd op een gemiddelde uit een tijdvak van 1 minuut, dus bij
een waarneeminterval van 12 s gebaseerd op 5 aaneengesloten waarnemingen. Voor een 10-minuten extreem is dus sprake van een
van de 50 overlappende 1-minuut gemiddelden |
| |
| gemiddelde en standaard deviatie |
De 10-minuten gemiddelde temperatuur en bijbehorende standaard deviatie, gemeten op 150 cm c.q. 10 cm hoogte heeft betrekking op
de afgelopen 10 minuten. Dit is het rekenkundig gemiddelde van een voldoende groot aantal metingen, bijvoorbeeld op basis van vijftig
12-seconde waarden, inbegrepen de momentane temperatuur op het laatste tijdstip van het 10 minuten vak. |
| |
| uurwaarde (synop) |
De temperatuurwaarde op 150 cm hoogte gemiddeld over de afgelopen minuut en bepaald op precies 10 minuten voor het gehele uur
(dit is dus de 1 minuut gemiddelde waarde over het tijdvak van 11 minuten voor het gehele uur tot precies 10 minuten voor het gehele uur)
wordt gebruikt voor het bepalen van de temperatuurwaarden t in °C. Deze waarneemtijd ligt binnen de periode die (internationaal) gesteld
wordt voor het verrichten van de synop waarneming (ca. 15 minuten voor het gehele uur tot uiterlijk 2 minuten voor het gehele uur. |
| |
| halfuurwaarde temperatuur metar |
Het tijdstip voor het metar-bericht is precies 5 minuten vóór het gehele uur c.q. precies 5 minuten vóór het halve uur. De temperatuurwaarde t
in de metar is de 1-minuut gemiddelde temperatuurwaarde op 150 cm hoogte op precies 5 minuten vóór het tijdstip metar-bericht, dat wil
zeggen op precies 10-minuten voor het hele uur c.q. precies 10 minuten voor het halve uur. |
| |
| maximum- en minimumwaarden in synop |
Op de uren dat synop en/of klim vermelding vereisen van de maximum- of de minimumwaarde van de temperatuur op 150 cm of 10 cm
hoogte over een bepaalde, gunstig gekozen periode (6 uur, of 12 uur, of 14 uur), wordt dat bepaald op precies 10 minuten voor dat gehele uur.
De maximumwaarde voor de synop, is de hoogste waarde van alle 10-minuten maxima en de minimum waarde voor de synop is de laagste
waarde van alle 10-minuten minima. |
Als standaardsensor voor de operationele metingen temperatuur op 150 cm en 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 Ω), omdat hierbij de warmte dissipatie gering genoeg is om met de vereiste
onzekerheid van <0,1 °C te kunnen meten, dit is met een 100 Ω Pt element 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 zoda nig 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 stralings afscheming. Dit instrument 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 |
| |
|
| PT500 meetnaald sensor |
|
|
 |
| Opstelling in een opengewerkte schotelhut |
|
|
| 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 erkende standaard. De instrumentele afdeling van het knmi instrumentele Afdeling is verantwoordelijk voor deze procedures die vastgelegd zijn in de kalibratie procedures van het knmi-ijklaboratorium. |
| Procedures bij uitval automatische waarnemingen |
Aanvulling bij uitval van automatisch gegenereerde gegevens in synop en metar vindt niet plaats. Op bemande stations waar back-up apparatuur aanwezig is, kunnen eventueel de waarnemingen van deze apparaten als alternatief gebruikt worden voor alleen lokaal gebruik en niet voor in
de synop of metar. Alleen bij uitzonderingssituaties kan hiervan worden afgeweken. |
|
| Procedures voor achteraf validatie temperatuurwaarden (zie handboek H02) |
|
| Procedures voor inspectie |
Iedere thermometer met operationele functie in het knmi waarneemnet wordt gemiddeld 2 maal per jaar geïnspecteerd door een stations-
inspecteur. Deze procedure betreft zowel de sensoren op 1,50 m hoogte als de sensoren op 10 cm hoogte. Ook kan een extra tussentijdse
nspectie plaatsvinden, indien de validatie van data daartoe aanleiding geeft. Ook de eventueel op bemande stations gebruikte back-up sensoren
vallen onder dit inspectie regime. De waarnemers op de betrokken stations worden geacht de onzeker heid van deze hulpmiddelen continu in de gaten te houden. Bij voorkeur vindt inspectie plaats: |
|
| a) in het geval van plaatsing van een sensor op een nieuw meetstation. |
| b) indien op een locatie de sensor vervangen is. |
|
| De inspectie omvat de volgende controles: |
a) Vergelijking van een door de operationele sensor gemeten momentane 12-seconde waarde met de corresponderende en synchrone
momentane waarde, zoals gemeten door een gekalibreerde Pt 500 referentie thermometer. Van alle inspectiebezoeken wordt een rapport
opgesteld door de stations-inspecteur. Op grond van geconstateerde afwijkingen (absolute afwijking ≥ 0,2 °C) informeert de inspecteur het
meetsysteem beheer en treedt in overleg, c.q. maakt afspraken voor eventuele correctieve acties. Deze afspraken worden vastgelegd en de
inspecteur ziet toe op het verloop van deze afspraken |
b) Controle of de ijktermijn van het meetinstrument nog niet is verlopen. Is dit wel het geval dan wordt het meetsysteem beheer hierover
geïnformeerd, opdat uitwisseling zal plaatsvinden. |
c) Een visuele beoordeling of de meetomstandigheden en de omgeving aan de gestelde condities voldoen. Ook hierover wordt gerapporteerd
in het inspectierapport. Afhankelijk van de situatie beoordeelt de stationsinspecteur welke correctieve acties ondernomen dienen te worden
om een en ander te herstellen conform de operationele eisen. De acties kunnen variëren van een opdracht, c.q. verzoek aan de beheerder
van het betreffende waarneemterrein tot aanpassing van de terreinsituatie tot de start van een procedure om een nieuw waarneemterrein
te zoeken. Bij defecten aan de meetopstelling wordt een opdracht voor herstel aan het meetsysteem beheer gestuurd. |
| |
| Herleiding parameters |
| |
| Voor de bepaling of herleiding van een aantal parameters wordt gebruik gemaakt van temperatuurwaarden: |
| a) referentie gewasverdamping volgens Makkink o.a. uit daggemiddelde temperatuur. |
b) maximale dampspanning (uit o.a. de temperatuur op 1,50 m hoogte) ten behoeve van de berekening van de dauwpunt-temperatuur
(uit relatieve vochtigheid en temperatuur). |
| c) herleiding luchtdruk naar ander niveau, bijv. msl. |
| d) vaststellen stabiliteit atmosfeer uit t, t10 en zo mogelijk de 10-minuten standaard deviatie. |
e) natte bol temperatuur (uit vochtigheid en luchttemperatuur) t.b.v. een algoritme voor het vaststellen van onderkoelde neerslag
(present weather) |
| |
| Opstellingseisen en omgevingscondities |
| |
| Luchttemperatuur 1,50 m hoogte |
De sensoren voor de meting van de temperatuur dienen volgens de wmo op 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. 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. |
|
|
|
|
|
 |
| schotelhut
op 10 cm |
|
|
|
 |
opstelling met de schotelhut
op een landstation (De Bilt) |
|
|
 |
| Opstelling schotelhut
op een zeestation (Meetpost Noordwijk) |
|
| |
| 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 sneeuw vrij te worden gemaakt. |
| |
| Condities m.b.t. omgeving en meetlocatie/representativiteit waarnemingen |
In de nabijheid mogen zich geen obstakels als gebouwen en bomen bevin den, 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 da” 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. |
|
|
|
|
|
|
