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Guide to Instruments and Methods
of Observation
Volume I –Measurement of Meteorological Variables
2018 edition
WMO-No. 8
WEATHER
CLIMATE
WATER

Guide to Instruments and Methods
of Observation
Volume I – Measurement of Meteorological Variables
WMO-No. 8
2018 edition

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WMO-No. 8
© World Meteorological Organization, 2018
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FOREWORD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
CHAPTER 1. GENERAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Meteorological observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Representativeness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Metadata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Meteorological observing systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 General requirements of a meteorological station. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Automatic weather stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Observers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 Siting and exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3.1 Site selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3.2 Coordinates of the station. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3.3 Operating equipment in extreme environments. . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.4 Changes of instrumentation and homogeneity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.5 Inspection and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.5.1 Inspection of stations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.5.2 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 General requirements of instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Desirable characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Impact of the Minamata convention. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 Mechanically recording instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Measurement standards, traceability and units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.1 Definitions of standards of measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.2 Traceability assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.3 Symbols, units and constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3.1 Symbols and units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3.2 Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Uncertainty of measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 Meteorological measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1.2 Definitions of measurements and measurement errors . . . . . . . . . . . 15
1.6.1.3 Characteristics of instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.2 Sources and estimates of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.3 The measurement uncertainties of a single instrument. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.3.1 The statistical distributions of observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.3.2 Estimating the true value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6.3.3 Expressing the uncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6.3.4 Measurements of discrete values. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6.4 Accuracy requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.4.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.4.2 Required and achievable performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Annex 1.A. Operational measurement uncertainty requirements and instrument
performance requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Annex 1.B. Strategy for traceability assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Annex 1.C. Regional Instrument Centres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Annex 1.D. Siting classifications for surface observing stations on land. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Annex 1.E. Operating equipment in extreme environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Annex 1.F. Station exposure description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References and further reading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Page
CONTENTS

CHAPTER 2. MEASUREMENT OF TEMPERATURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1.3 Meteorological requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.1.3.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.1.3.2 Measurement uncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
2.1.3.3 Response times. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.1.3.4 Recording the circumstances in which measurements are taken. . . . 82
2.1.4 Methods of measurement and observation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.1.4.1 General measurement principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.1.4.2 General exposure requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.1.4.3 Sources of error – general comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.1.4.4 Maintenance – general comments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.1.4.5 Implications of the Minamata Convention for temperature
measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2 Electrical thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.1 General description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.1.1 Metal resistance thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.1.2 Thermistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.2.1.3 Thermocouples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.2.2 Measurement procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.2.2.1 Electrical resistance thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.2.2.2 Thermocouples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.2.3 Exposure and siting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.2.4 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.2.4.2 Thermocouples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.2.5 Comparison and calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.2.5.2 Thermocouples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.2.6 Corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.2.7 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.3 Liquid-in-glass thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.3.1.1 Ordinary (station) thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.1.2 Maximum thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.1.3 Minimum thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.1.4 Soil thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.2.1 Reading ordinary thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.3.2.2 Measuring grass minimum temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.3.3 Thermometer siting and exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.4 Sources of error in liquid-in-glass thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.4.1 Elastic errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.4.2 Errors caused by the emergent stem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.4.3 Parallax and gross reading errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.3.4.4 Errors due to differential expansion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.3.4.5 Errors associated with spirit thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.3.5 Comparison and calibration in the field and laboratory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.5.1 Laboratory calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.5.2 Field checks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.6 Corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.7 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.7.1 Breakage in the liquid column. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3.7.2 Scale illegibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.3.8 Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
vi GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

2.4 Mechanical thermographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.4.1.1 Bimetallic thermograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.4.1.2 Bourdon-tube thermograph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.4.4 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.4.5 Comparison and calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.4.5.2 Field comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.4.6 Corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.4.7 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.5 Radiation shields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.5.1 Louvred screens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.5.2 Other artificially ventilated shields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.6 Traceabilitty assurance and calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Annex. Defining the fixed points of the International Temperature Scale of 1990. . . . . . . . . . . 111
CHAPTER 3. MEASUREMENT OF ATMOSPHERIC PRESSURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1.4.1 General measurement principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1.4.2 General exposure requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1.4.3 Sources of error: general comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.1.4.4 Maintenance: general comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.1.4.5 Implications of the Minamata Convention for pressure
measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2 Electronic barometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2.1 Integrated-circuit-based variable capacitive sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2.2 Digital piezoresistive barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2.3 Cylindrical resonator barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.4 Aneroid displacement transducers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.5 Exposure of electronic barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2.6 Reading electronic barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2.7 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2.7.1 Drift between calibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2.7.2 Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.2.7.3 Electrical interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.2.7.4 Nature of operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3 Aneroid barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.1 Construction requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.2 Achievable measurement uncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.3 Exposure of aneroid barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.4 Reading aneroid barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.4.1 Accuracy of readings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.4.2 Reductions applied to barometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.5 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.5.1 Incomplete compensation for temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3.5.2 Elasticity errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.4 Barographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.4.1 General requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.4.2 Construction of barographs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.3 Exposure of barographs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
vii
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3.4.4 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.5 Reading a barograph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.5.1 Accuracy of readings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.5.2 Corrections to be applied to barograph readings. . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.4.5 Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.5 Barometric change and Pressure tendency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.5.1 Pressure tendency and pressure tendency characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.5.2 Measurement of a barometric change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.6 Traceability assurance and calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.6.1 General comments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.6.2 Laboratory calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.6.2.1 General equipment set-up. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.6.2.2 Laboratory standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.6.2.3 Method of calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.6.2.3.2 Calculation of reversibility (hysteresis). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.6.3 Field inspections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.7 Adjustment of barometer readings to standard and other levels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.7.1 Standard levels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.7.2 General reduction formula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.7.3 Reduction formula for low-level stations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Annex 3.A. Methods of measurement with mercury barometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Annex 3.B. Correction of mercury barometer readings to standard conditions. . . . . . . . . . . . . 144
CHAPTER 4. MEASUREMENT OF HUMIDITY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.4.1 Overview of general measurement principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.1.4.4 Maintenance: general comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.5 Implications of the Minamata Convention for humidity measurement . . . . . . . 155
4.2 Electrical capacitance hygrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2.1 General considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2.2 Electrical capacitance hygrometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2.3 Observation procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.5 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.6 Calibration and field inspection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.2.7 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3 The psychrometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3.1.1 Psychrometric formulae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3.1.2 The specification of a psychrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3.1.3 The wet-bulb sleeve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3.1.4 Operation of the wet bulb below freezing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.1.5 General procedure for making observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.1.6 Use of electrical resistance thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.1.7 Psychrometric formulae and tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.1.8 Sources of error in psychrometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3.2 Assmann and other aspirated psychrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.3.2.1 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.3.2.2 Observation procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.2.3 Exposure and siting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.2.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
viii GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
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4.3.2.5 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.3 Screen psychrometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3.3.1 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3.3.3 Exposure and siting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.3.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.3.5 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.4 Sling or whirling psychrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.4.1 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.4 The chilled-mirror dew-point hygrometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.1.1 Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.1.2 Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.2 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4.2.1 Sensor assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4.2.2 Optical detection assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4.2.3 Thermal control assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4.2.4 Temperature display system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.4.2.5 Instrument format. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.4.2.6 Auxiliary systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.4.5.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.5.2 Field inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.5 Hygrometers using absorption of electromagnetic radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.6 The hair hygrograph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.6.2 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.6.5 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.6.5.1 Changes in zero offset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.6.5.2 Errors due to contamination of the hair. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.6.5.3 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.6.7 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7 Traceability assurance and calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.1 Principles involved in the calibration of hygrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.2 Primary standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.2.1 Gravimetric hygrometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.2.2 Dynamic two-pressure standard humidity generator. . . . . . . . . . . . . 177
4.7.2.3 Dynamic two-temperature standard humidity generator . . . . . . . . . 178
4.7.3 Secondary standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.7.4 Working standards (and field reference instruments). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.7.5 Salt solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.7.6 Calibration methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.7.6.1 General comments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.7.6.3 Field calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.8 Time constants, Protective filters and Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.8.1 Time constants of humidity sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.8.2 Protective filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.8.3 Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Annex 4.A. Definitions and specifications of water vapour in the atmosphere . . . . . . . . . . . . . 184
Annex 4.B. Formulae for the computation of measures of humidity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
ix
CONTENTS
Page

Annex 4.C. Instruments and methods in limited use, or no longer used. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
CHAPTER 5. MEASUREMENT OF SURFACE WIND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.2 Estimation of wind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.1 Wind speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.2 Wind direction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.2.3 Wind fluctuations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.3 Simple instrumental methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.3.1 Wind speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.3.2 Wind direction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.4 Cup and propeller sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.5 Wind-direction vanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.6 Other wind sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.7 Sensors and sensor combinations for component resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.8 Data-processing methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.8.1 Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.8.2 Peak gusts and standard deviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.8.3 Recommendations for the design of wind-measuring systems. . . . . . . . . . . . . . 205
5.9 Exposure of wind instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.9.1 General problems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.9.2 Anemometers over land. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
5.9.3 Anemometers at sea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.9.4 Exposure correction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.10 Calibration and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Annex. The effective roughness length. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
CHAPTER 6. MEASUREMENT OF PRECIPITATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.1.3 Meteorological and hydrological requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.4 Measurement methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.4.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.4.2 Reference gauges and intercomparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.1.4.3 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.2 Siting and exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.3 Non-recording precipitation gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.1 Ordinary gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.1.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.1.2 Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.1.3 Calibration and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.3.2 Storage gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.4 Precipitation gauge errors and corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.5 Recording precipitation gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.5.1 Weighing-recording gauge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.5.1.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.5.1.2 Errors and corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
x GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

6.5.2 Tipping-bucket gauge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.5.2.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.5.2.2 Errors and corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.5.3 Float gauge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.4 Other raingauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.6 Measurement of dew, ice accumulation and fog precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
6.6.1 Measurement of dew and leaf wetness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.6.2 Measurement of ice accumulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.6.2.1 Measurement methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.6.2.2 Ice on pavements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.6.3 Measurement of fog precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Annex 6.A. Standard reference raingauge pit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Annex 6.B. Precipitation intercomparison sites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Annex 6.C. Standardized procedure for laboratory calibration of catchment type
rainfall intensity gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Annex 6.D. Suggested correction procedures for precipitation measurements. . . . . . . . . . . . . 240
Annex 6.E. Procedure for field calibration of catchment type rainfall intensity gauges. . . . . . . 241
CHAPTER 7. MEASUREMENT OF RADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.1.2.1 Units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.1.2.2 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.1.3.1 Data to be reported. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.1.3.2 Uncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.1.3.3 Sampling and recording. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.1.3.4 Times of observation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.1.4 Measurement methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.2 Measurement of direct solar radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.2.1 Direct solar radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.2.1.1 Primary standard pyrheliometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.2.1.2 Secondary standard pyrheliometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.2.1.3 Field and network pyrheliometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.2.1.4 Calibration of pyrheliometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.2.2 Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3 Measurement of global and diffuse sky radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3.1 Calibration of pyranometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.3.1.1 By reference to a standard pyrheliometer and a shaded
reference pyranometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3.1.2 By reference to a standard pyrheliometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3.1.3 Alternate calibration using a pyrheliometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.3.1.4 By comparison with a reference pyranometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.3.1.5 By comparison in the laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.3.1.6 Routine checks on calibration factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.3.2 Performance of pyranometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.3.2.1 Sensor levelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.3.2.2 Change of sensitivity due to ambient temperature variation. . . . . . . 262
7.3.2.3 Variation of response with orientation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.3.2.4 Variation of response with angle of incidence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.3.2.5 Uncertainties in hourly and daily totals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
xi
CONTENTS
Page

7.3.3 Installation and maintenance of pyranometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.3.3.1 Correction for obstructions to a free horizon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.3.3.2 Installation of pyranometers for measuring global radiation. . . . . . . 265
7.3.3.3 Installation of pyranometers for measuring diffuse sky radiation . . . 265
7.3.3.4 Installation of pyranometers for measuring reflected radiation. . . . . 266
7.3.3.5 Maintenance of pyranometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.3.3.6 Installation and maintenance of pyranometers on special platforms.266
7.4 Measurement of total and long-wave radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.1 Instruments for the measurement of long-wave radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.2 Instruments for the measurement of total radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.4.3 Calibration of pyrgeometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.4.4 Installation of pyrradiometers and pyrgeometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.4.5 Recording and data reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5 Measurement of special radiation quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5.1 Measurement of daylight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5.1.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.5.1.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.5.1.3 Recording and data reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.6 Measurement of Ultraviolet radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.6.1 Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.6.1.1 Broadband sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.6.1.2 Narrowband sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.6.1.3 Spectroradiometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.6.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Annex 7.A. Nomenclature of radiometric and photometric quantities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Annex 7.B. Meteorological radiation quantities, symbols
and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Annex 7.C. Specifications for World, Regional and National Radiation Centres. . . . . . . . . . . . . 287
Annex 7.D. Useful formulae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Annex 7.E. Diffuse sky radiation – correction for a shading ring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Annex 7.F. Governance and traceability of atmospheric longwave irradiance. . . . . . . . . . . . . . 296
CHAPTER 8. MEASUREMENT OF SUNSHINE DURATION
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.1.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.1.3.1 Application of sunshine duration data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.1.3.2 Correlations to other meteorological variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.1.3.3 Requirement of automated records. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.2 Instruments and sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2.1 Pyrheliometric method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2.1.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2.1.2 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2.2 Pyranometric method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.2.2.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.2.2.2 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.2.3 The Campbell-Stokes sunshine recorder (burn method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.2.3.1 Adjustments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.2.3.2 Evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.2.3.3 Special versions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.2.3.4 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
xii GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

8.2.4 Contrast-evaluating devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.2.5 Contrast-evaluating and scanning devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.2.5.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.2.5.2 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
8.3 Exposure of sunshine detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.4 General sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.5 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.5.1 Outdoor methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.5.1.1 Comparison of sunshine duration data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.5.1.2 Comparison of analogue signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.5.1.3 Mean effective irradiance threshold method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.5.2 Indoor method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.6 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Annex 8.A. Algorithm to estimate sunshine duration from direct global irradiance
measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Annex 8.B. Algorithm to estimate sunshine duration from 1 min global irradiance
measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
CHAPTER 9. MEASUREMENT OF VISIBILITY
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
9.2 Visual estimation of meteorological optical range. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9.2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9.2.2 Estimation of meteorological optical range by day. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.2.3 Estimation of meteorological optical range at night. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.2.4 Estimation of meteorological optical range in the absence of distant objects. . 323
9.2.5 Accuracy of visual observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
9.2.6 Usage of cameras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
9.3 Instrumental measurement of the meteorological optical range. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
9.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
9.3.2 Instruments measuring the extinction coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.3.3 Instruments estimating the scatter coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
9.3.4 Instrument exposure and siting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.3.5 Calibration and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9.3.5.1 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9.3.5.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9.3.6 Accuracy estimates for the measurement of meteorological optical range . . . . 334
9.3.6.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.3.6.2 Accuracy of transmissometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.3.6.3 Accuracy of forward-scatter meters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.3.6.4 Accuracy of telephotometers and visual extinction meters. . . . . . . . . 335
CHAPTER 10. MEASUREMENT OF EVAPORATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.2 Atmometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.2.1 Instrument types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
xiii
CONTENTS
Page

10.2.2 Measurement taken by atmometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.2.3 Sources of error in atmometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.3 Evaporation pans and tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.3.1 United States Class A pan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.3.2 Russian GGI-3000 pan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.3.3 Russian 20 m2
tank. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.3.4 Measurements taken by evaporation pans and tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10.3.5 Exposure of evaporation pans and tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10.3.6 Sources of error in evaporation pans and tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10.3.7 Maintenance of evaporation pans and tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
10.4 Evapotranspirometers (lysimeters). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
10.4.1 Measurements taken by lysimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.4.2 Exposure of evapotranspirometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.4.3 Sources of error in lysimeter measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.4.4 Lysimeters maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
10.5 Estimation of evaporation from natural surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
CHAPTER 11. MEASUREMENT OF SOIL MOISTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
11.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
11.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
11.1.2 Units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11.2 Gravimetric direct measurement of soil water content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
11.3 Soil water content: indirect methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
11.3.1 Radiological methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
11.3.1.1 Neutron scattering method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
11.3.1.2 Gamma-ray attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
11.3.2 Soil water dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
11.3.2.1 Time-domain reflectometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
11.3.2.2 Frequency-domain measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
11.4 Soil water potential instrumentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
11.4.1 Tensiometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
11.4.2 Resistance blocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
11.4.3 Psychrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
11.5 Site selection and sample size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
11.6 Remote-sensing of soil moisture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.6.1 Microwave remote-sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.6.1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.6.1.2 Multi-frequency radiometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
11.6.1.3 Scatterometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
11.6.1.4 Synthetic aperture radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
11.6.1.5 Dedicated L-band missions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
11.6.1.6 Soil moisture retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
11.6.2 Thermal infrared remote-sensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
CHAPTER 12. MEASUREMENT OF UPPER-AIR PRESSURE, TEMPERATURE AND
HUMIDITY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
12.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
12.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
12.1.2 Units used in upper-air measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
12.1.3.1 Radiosonde data for meteorological operations . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
xiv GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

12.1.3.2 Relationships between satellite and radiosonde upper-air
measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
12.1.3.3 Maximum height of radiosonde observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.1.4 Accuracy requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12.1.4.1 Geopotential height: requirements and performance . . . . . . . . . . . . 376
12.1.4.2 Temperature: requirements and performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.1.4.3 Relative humidity: requirements and performance. . . . . . . . . . . . . . . 377
12.1.5 Methods of measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.1.5.1 Constraints on radiosonde design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.1.5.2 Radio frequency used by radiosondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
12.1.6 Radiosonde errors: general considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12.1.6.1 Types of error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12.1.6.2 Potential references. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
12.1.6.3 Sources of additional error during radiosonde operations. . . . . . . . . 380
12.2 Radiosonde electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.2.1 General features. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.2.2 Power supply for radiosondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.2.3 Methods of data transmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.2.3.1 Radio transmitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.3 Pressure sensors (including height measurements). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.3.1 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.3.2 Aneroid capsules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383
12.3.3 Aneroid capsule (capacitive). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
12.3.4 Silicon sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
12.3.5 Pressure sensor errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
12.3.5.1 Relationship of geopotential height errors to pressure errors . . . . . . 385
12.3.6 Use of geometric height observations instead of pressure sensor observations.387
12.3.6.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
12.3.6.2 Method of calculation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
12.3.7 Sources of error in direct height measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
12.3.7.1 In GPS geometric height measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
12.3.7.2 In radar height measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
12.4 Temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
12.4.1 General requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
12.4.2 Thermistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
12.4.3 Thermocapacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
12.4.4 Thermocouples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
12.4.5 Scientific sounding instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
12.4.6 Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
12.4.7 Temperature errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
12.4.7.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
12.4.7.2 Thermal lag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
12.4.7.3 Radiative heat exchange in the infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
12.4.7.4 Heating by solar radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
12.4.7.5 Deposition of ice or water on the sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
12.4.7.6 Representativeness issues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
12.5 Relative humidity sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
12.5.1 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
12.5.2 Thin-film capacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
12.5.3 Carbon hygristors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
12.5.4 Goldbeater’s skin sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
12.5.5 Scientific sounding instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
12.5.6 Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
12.5.7 Relative humidity errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
12.5.7.1 General considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
12.5.7.2 Relative humidity at night for temperatures above –20 °C. . . . . . . . . 408
12.5.7.3 Relative humidity in the day for temperatures above –20 °C. . . . . . . 409
12.5.7.4 Relative humidity at night for temperatures between –20 °C
and –50 °C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
xv
CONTENTS
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12.5.7.5 Relative humidity in the day for temperatures between
–20 °C and –50 °C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
12.5.7.6 Relative humidity at night for temperatures between –50 °C
and –70 °C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
12.5.7.7 Relative humidity in the day for temperatures between
–50 °C and –70 °C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
12.5.7.8 Wetting or icing in cloud. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
12.5.7.9 Representativeness issues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
12.6 Ground station equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
12.6.1 General features. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
12.6.2 Software for data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
12.7 Radiosonde operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
12.7.1 Control corrections immediately before use. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
12.7.2 Deployment methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
12.7.3 Radiosonde launch procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
12.7.4 Radiosonde suspension during flight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
12.7.5 Public safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
12.8 Comparison, calibration and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
12.8.1 Comparisons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
12.8.1.1 Quality evaluation using short-term forecasts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
12.8.1.2 Quality evaluation using atmospheric time series. . . . . . . . . . . . . . . . 420
12.8.1.3 Comparison of water vapour measurements with remote-sensing. . 420
12.8.1.4 Radiosonde comparison tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
12.8.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
12.8.3 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.9 Computations and reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.9.1 Radiosonde computations and reporting procedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.9.2 Corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
12.10 Procurement Issues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
12.10.1 Use and update of the results from the WMO Intercomparison of High
Quality Radiosonde Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
12.10.2 Some issues to be considered in procurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
Annex 12.A. Current breakthrough and optimum accuracy requirements for
radiosonde measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Annex 12.B. Estimates of goal, breakthrough and threshold limits for upper wind,
upper-air temperature, relative humidity and geopotential height (derived from the
WMO Rolling Review of Requirements for upper-air observations). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .428
Annex 12.C. Environmentally friendly radiosondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Annex 12.D. Guidelines for organizing radiosonde intercomparisons and for the
establishment of test sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
CHAPTER 13. MEASUREMENT OF UPPER WIND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
13.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
13.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
13.1.2 Units of measurement of upper wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
13.1.3.1 Uses in meteorological operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
13.1.3.2 Improvements in reporting procedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
13.1.3.3 Accuracy requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
13.1.3.4 Maximum height requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
13.1.4 Methods of measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
13.1.4.1 Tracking using radionavigation signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
13.1.4.2 Tracking using a directional aerial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
xvi GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

13.2 Upper-wind sensors and instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
13.2.1 Optical theodolite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
13.2.2 Radiotheodolite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
13.2.3 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
13.2.3.1 Primary radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
13.2.3.2 Secondary radars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
13.2.4 Navaid tracking systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
13.2.4.1 Availability of navaid signals in the future. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
13.2.4.2 Global positioning system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
13.2.4.3 LORAN-C chains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
13.3 Measurement methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
13.3.1 General considerations concerning data processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
13.3.2 Pilot-balloon observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
13.3.3 Observations using a directional aerial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
13.3.4 Observations using radionavigation systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
13.4 Exposure of ground equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
13.5 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
13.5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
13.5.1.1 Target tracking errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
13.5.1.2 Height assignment errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
13.5.1.3 Target motion relative to the atmosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.5.2 Errors in pilot-balloon observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.5.3 Errors of systems using a directional aerial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.5.4 Errors in the global positioning system windfinding systems . . . . . . . . . . . . . . . 462
13.5.5 Errors in ground-based LORAN-C radionavigation systems. . . . . . . . . . . . . . . . . 465
13.5.6 Representativeness errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
13.6 Comparison, calibration and maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.6.1 Comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.6.1.1 Operational monitoring by comparison with forecast fields . . . . . . . 467
13.6.1.2 Comparison with other windfinding systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
13.6.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
13.6.3 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
13.7 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
CHAPTER 14. OBSERVATION OF PRESENT AND PAST WEATHER; STATE OF THE
GROUND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
14.1 GeneraL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
14.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
14.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
14.1.4 Observation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
14.2 Observation of present and past weatheR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
14.2.1 Precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
14.2.1.1 Objects of observation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
14.2.1.2 Instruments and measuring devices: precipitation type. . . . . . . . . . . 474
14.2.1.3 Instruments and measuring devices: precipitation intensity
and character. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
14.2.1.4 Instruments and measuring devices: multi-sensor approach. . . . . . . 477
14.2.2 Atmospheric obscurity and suspensoids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
14.2.2.2 Instruments and measuring devices for obscurity and
suspensoid characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
14.2.3 Other weather events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
14.2.3.2 Instruments and measuring devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
xvii
CONTENTS
Page

14.2.4 State of the sky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.2.4.2 Instruments and measuring devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.3 Observation of state of the ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.3.1 Objects of observation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.3.2 Instruments and measuring devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.4 Observation of special phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
14.4.1 Electrical phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
14.4.2 Optical phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Annex. Criteria for slight, moderate and heavy precipitation intensity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
CHAPTER 15. OBSERVATION AND MEASUREMENT OF CLOUDS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
15.1.4 Observation and measurement methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
15.1.4.1 Cloud amount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
15.1.4.2 Cloud-base height. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
15.1.4.3 Cloud type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
15.2 Estimation and observation of cloud amount, cloud-base height and cloud
type by human observer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
15.2.1 Making effective estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
15.2.2 Estimation of cloud amount. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
15.2.3 Estimation of cloud-base height. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
15.2.4 Observation of cloud type. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
15.3 Instrumental measurement of cloud amount. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
15.3.1 Measurement of cloud amount by laser ceilometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
15.3.2 Measurement of cloud amount by infrared detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
15.3.3 Measurement of cloud amount by sky camera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
15.4 Instrumental measurement of cloud-base height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
15.4.1 Measurement of cloud-base height by laser ceilometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
15.4.1.1 Measurement method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
15.4.1.2 Exposure and installation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
15.4.1.3 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
15.4.2 Measurement of cloud-base height by rotating-beam ceilometer . . . . . . . . . . . 498
15.4.2.3 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
15.4.3 Measurement of cloud-base height by searchlight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
15.4.3.3 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
15.4.4 Balloon measurement of cloud-base height. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
15.4.4.2 Sources of error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
15.5 Instrumental measurement of cloud type. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
15.6 Other cloud-related properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
15.6.1 Vertical visibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
xviii GUIDE TO INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION - VOLUME I
Page

CHAPTER 16. MEASUREMENT OF ATMOSPHERIC COMPOSITION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
16.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
16.1.1 Definitions and descriptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.1.2 Units and scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.1.3 Measurement principles and techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
16.1.4 Quality assurance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
16.2 (Stratospheric) ozone measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
16.2.1 Ozone total column . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
16.2.2 Ozone profile measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.2.2.1 Umkehr method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
16.2.2.2 Ozonesonde measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
16.2.2.3 Other measurement techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
16.2.3 Aircraft and satellite observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
16.3 Greenhouse gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
16.3.1 Carbon dioxide (including Δ14
C, δ13
C and δ18
O in CO2
, and O2
/N2
ratios). . . . . . 515
16.3.2 Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
16.3.3 Nitrous oxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
16.3.4 Halocarbons and SF6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
16.3.5 Remote-sensing of greenhouse gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
16.4 Reactive gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
16.4.1 Tropospheric (surface) ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
16.4.2 Carbon monoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
16.4.3 Volatile organic compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
16.4.4 Nitrogen oxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
16.4.5 Sulphur dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
16.4.6 Molecular hydrogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
16.5 Atmospheric wet deposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
16.5.1 Sample collection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
16.5.2 Chemical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .527
16.6 Aerosols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
16.6.1 Aerosol chemical measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
16.6.2 In situ measurements of aerosol radiative properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
16.6.3 Particle number concentration and size distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
16.6.4 Cloud condensation nuclei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
16.6.5 Aerosol optical depth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
16.6.6 GAW aerosol lidar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
16.7 Natural radioactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
Annex. GAW central facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
xix
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