現(xiàn)代大氣探測學第五講濕的測量詳解演示文稿

現(xiàn)代大氣探測學第五講濕度的測量詳解演示文稿當前第1頁\共有58頁\編于星期二\12點優(yōu)選現(xiàn)代大氣探測學第五講濕度的測量當前第2頁\共有58頁\編于星期二\12點第五講濕度的觀測當前第3頁\共有58頁\編于星期二\12點主要內(nèi)容1.表示空氣濕度的參量及測濕方法

2.測濕儀器的基本原理及精度

3.濕敏電容傳感器

4.氯化鋰濕度片測濕

5.光學濕度計

6.冷鏡露點濕度表

7.復(fù)習思考題當前第4頁\共有58頁\編于星期二\12點濕度？

空氣的濕度(簡稱濕度)是表示空氣中的水汽含量和潮濕程度的物理量地面觀測中測定的是離地面1.50米高度處的濕度

測量濕度的儀器主要有：干濕球溫度表、毛發(fā)濕度表、通風干濕表、露點儀、濕度計和濕敏電容濕度傳感器等當前第5頁\共有58頁\編于星期二\12點１.混合比r：空氣中水汽質(zhì)量mv與干空氣質(zhì)量ma之比。單位用千克／千克

２.比濕ｑ：空氣中水汽質(zhì)量mv

與空氣總質(zhì)量mv+ma之比。單位用千克／千克

一、表示空氣濕度的參量當前第6頁\共有58頁\編于星期二\12點３.絕對濕度（又叫水汽密度或水汽濃度)ρv：單位容積空氣中所含的水汽質(zhì)量。單位用千克／米3４.水汽摩爾分數(shù)：空氣中，水汽的摩爾數(shù)nv(nv=mv/Mv)與總摩爾數(shù)na

+nv(na=ma/Ma)之比。Mv、Ma

分別是水汽和干空氣的摩爾質(zhì)量

一、表示空氣濕度的參量當前第7頁\共有58頁\編于星期二\12點一、表示空氣濕度的參量

空氣中水汽部分的壓力，單位用hPa，取一位小數(shù),Ｐ為氣壓水汽壓5e當前第8頁\共有58頁\編于星期二\12點

飽和水汽壓Ew和Ei：水汽中的水汽壓不能無限制的增加，在一定溫度下，能夠容納的水汽含量有一個極限值，如果超過這個極限值，就會有一部分水汽凝結(jié)成液態(tài)水或凝華成冰，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。分為水面Ew和冰面Ei兩種

在同一溫度下，冰面上的飽和水汽壓要小于水面上的飽和水汽壓一、表示空氣濕度的參量當前第9頁\共有58頁\編于星期二\12點一、表示空氣濕度的參量

空氣中實際水汽壓與當時氣溫與氣壓下的飽和水汽壓之比。以百分數(shù)（％）表示，取整數(shù)

6.相對濕度U？UU=e/E×100％當前第10頁\共有58頁\編于星期二\12點

空氣在水汽含量和氣壓不變的條件下冷卻達到飽和時的溫度。單位以攝氏度(℃)表示，取一位小數(shù)。當空氣中的水汽已達到飽和時，氣溫與露點溫度相同t=td

，而水汽未達到飽和時，t＞td

td與t

的差值就表示了空氣距飽和的程度（防雷）一、表示空氣濕度的參量7.露點溫度td當前第11頁\共有58頁\編于星期二\12點測濕方法１.熱力學方法：利用蒸發(fā)表面冷卻降溫的程度隨濕度而變的原理來測定濕度。主要是干濕表法

２.吸濕法：利用吸濕物質(zhì)吸濕后的尺度變化或電性能變化來測濕度。有毛發(fā)、腸膜元件、氯化鋰元件、氧化鋁元件等等

３.露點法：測量凝結(jié)面降溫產(chǎn)生凝結(jié)時的溫度，即露點溫度。主要儀器是露點儀當前第12頁\共有58頁\編于星期二\12點４.光學法：利用測量水汽對光輻射的吸收衰減作用，來測定水的含量。主要儀器有紅外濕度計和賴曼－α濕度計

５.稱量法：直接稱量出一定體積濕空氣中的水汽含量。此法測量的要求較高，需要時間長，操作較繁，但其測濕準確度相當高，可優(yōu)于0.2％，是濕度計量基準的一級標準，通常作為檢定校準的基準測濕方法當前第13頁\共有58頁\編于星期二\12點觀測項目

濕度觀測一般包括水汽壓、相對濕度、露點溫度。配有濕度計的臺站作相對濕度的連續(xù)記錄并挑選相對濕度的日最小值back當前第14頁\共有58頁\編于星期二\12點二、測濕儀器的基本原理及精度

1.干濕球溫度表（1）測濕原理（2）測濕系數(shù)A

（3）測濕誤差2.毛發(fā)濕度表和濕度計（1）毛發(fā)的特性（2）毛發(fā)感濕的物理機制（3）毛發(fā)濕度表使用時的注意事項（4）毛發(fā)濕度表和濕度計當前第15頁\共有58頁\編于星期二\12點

（1）測濕原理干球溫度表及干濕球溫度表的安置當前第16頁\共有58頁\編于星期二\12點當前第17頁\共有58頁\編于星期二\12點溫度零上時濕球紗布包扎示意圖濕球紗布凍結(jié)時紗布包扎示意圖當前第18頁\共有58頁\編于星期二\12點1、干濕球溫度表—

（1）測濕原理

將干球溫度表和濕球溫度表置于相同的環(huán)境中。濕球周圍空氣未達到飽和時，表面的水分蒸發(fā)，不斷地消耗蒸發(fā)潛熱，使?jié)袂驕囟认陆?。同時，由于氣溫與濕球的溫差使四周空氣與濕球產(chǎn)生熱交換。在穩(wěn)定平衡的條件下，濕球溫度表蒸發(fā)支出的熱量將等于由于與四周空氣熱交換得到的熱量濕球表面降溫的程度，與周圍空氣的濕度有關(guān)當前第19頁\共有58頁\編于星期二\12點干濕球溫度表測濕公式的推導(dǎo)當前第20頁\共有58頁\編于星期二\12點

根據(jù)道爾頓蒸發(fā)定律，單位時間從濕球表面蒸發(fā)出來的水量M與濕球表面附近的飽和差E-e成正比，與當時的氣壓P成反比，與濕球球部表面積s成正比，即

M=CS(E-e)/P

式中Ｃ為與通風速度有關(guān)的交換系數(shù)。則濕球因表面蒸發(fā)所消耗的熱量為

Q1=ML=LCS(E-e)/p

式中Ｌ為蒸發(fā)潛熱。同時，由于濕球蒸發(fā)耗熱降溫，周圍空氣必然向濕球球部傳遞熱量，根據(jù)牛頓換熱公式，此熱量為

Q2=hcS(t-tw)

式中hc為熱交換系數(shù)，(t-tw)為干濕球溫度差。當消耗的熱量與獲得的熱量相等時，濕球溫度就不變化了，此時，Q1=Q2，即

LCS(E-e)/P=hcS(t-tw)

令A(yù)=hc/(CL)

得

e=E-AP(t-tw)

當前第21頁\共有58頁\編于星期二\12點e=E-AP(t-tw)A稱為測濕系數(shù)。從式中可以看出，干濕球溫度差越大，空氣濕度就越小當t=tw時，e=E，空氣達到飽和干濕球溫度表測濕公式back當前第22頁\共有58頁\編于星期二\12點（2）測濕系數(shù)A

影響測濕系數(shù)A的因子主要是

其次是濕球的形狀、大小、濕潤方式等。A值可以從理論上進行計算，但實用上決定A值的是用實驗的方法直接測定流經(jīng)濕球的風速當前第23頁\共有58頁\編于星期二\12點測濕系數(shù)A與風速的關(guān)系一般當風速超過2.5m/s時，A值就趨近于一個最小臨界值，風速再增大時，A值基本維持不變

當前第24頁\共有58頁\編于星期二\12點A值與風速的這種變化關(guān)系主要與濕球附近的流場結(jié)構(gòu)有關(guān)風速較小時風速較大但小于2.5m/s時風速大于2.5m/s

濕球周圍為層流狀結(jié)構(gòu)，熱阻力比較大，熱量交換主要以輻射方式進行

層流結(jié)構(gòu)逐漸變薄，熱阻力減小，對流熱交換的強度增大

濕球周圍流場呈湍流結(jié)構(gòu)，熱量交換主要靠對流進行，熱交換量基本保持不變，A值就趨于常數(shù)back當前第25頁\共有58頁\編于星期二\12點（3）測量誤差溫度表的讀數(shù)誤差

在我國規(guī)定，在-10℃，即停止使用干濕表測濕

氣溫（℃）（±0.1）-30-20-1001530相對濕度的誤差（%）±1884211當前第26頁\共有58頁\編于星期二\12點氣溫（℃）0-10-40t-tw(℃)3<20.25

溫度越低，相應(yīng)的干濕表差值的變化量越小

不同氣溫下，相對濕度變化范圍20-100%時，干濕球差的變化量

當前第27頁\共有58頁\編于星期二\12點（3）測量誤差風速造成的誤差

風速不穩(wěn)定造成的誤差風速達不到規(guī)定要求造成的誤差當前第28頁\共有58頁\編于星期二\12點

濕球結(jié)冰造成的誤差濕球紗布結(jié)冰時，將會增加溫度表滯后效應(yīng)而造成誤差。因此在觀測前應(yīng)先進行濕球溶冰濕球紗布及蒸餾水受到污染造成的誤差

濕球紗布及蒸餾水受到污染時，能減少水分蒸發(fā)，從而使A值增加。因此應(yīng)定期用蒸餾水清洗和更換濕球紗布（3）測量誤差(環(huán)工)back當前第29頁\共有58頁\編于星期二\12點2、毛發(fā)濕度表和濕度計隨空氣濕度大小而改變長度的特性相對濕度增大時，毛發(fā)會增長。反之，毛發(fā)會縮短索修爾研究指出，當相對濕度從０％變到100％時，毛發(fā)總伸長量是原有長度的2.5％。后來蓋·

呂薩克研究發(fā)現(xiàn)，在濕度很小時，毛發(fā)延伸極快，到相對濕度為28％時，毛發(fā)可達到其延伸量的一半，以后逐漸減小。當前第30頁\共有58頁\編于星期二\12點⊿L0相對濕度從0%到100%時毛發(fā)的總伸長量⊿L

毛發(fā)隨相對濕度的改變量相對濕度>30%蓋·呂薩克尺度當前第31頁\共有58頁\編于星期二\12點2、毛發(fā)濕度表和濕度計溫度效應(yīng)癱瘓效應(yīng)隨空氣濕度大小而改變長度的特性滯后效應(yīng)相對濕度增大時，毛發(fā)會增長。反之，毛發(fā)會縮短

毛發(fā)在相對濕度低于30％的空氣中放置過久時，當濕度再回升時，毛發(fā)示度總是低于空氣的實際濕度，感濕速度也顯著下降。消除的辦法是將毛發(fā)放在飽和空氣中，使其逐漸復(fù)原毛發(fā)指示的示度常常落后于實際濕度的變化。毛發(fā)的滯后系數(shù)與氣溫、濕度、風速成反比毛發(fā)的熱膨脹系數(shù)極不規(guī)則。愛勒斯等實驗指出，毛發(fā)在1.5℃時最長，從1.5℃至15.0℃時，隨著溫度的升高其伸長量逐漸縮短，而在1.5℃以下時，隨著溫度的降低其伸長量迅速縮短。

當前第32頁\共有58頁\編于星期二\12點毛發(fā)濕度表當前第33頁\共有58頁\編于星期二\12點微孔假說蛋白質(zhì)假說當前第34頁\共有58頁\編于星期二\12點（3）毛發(fā)濕度表使用時的注意事項

氣象臺站規(guī)定當氣溫降低到-10.0℃時，停止觀測濕球溫度，改用毛發(fā)濕度表測濕

毛發(fā)測濕的精度較低，影響毛發(fā)測濕精度的因子有很多

毛發(fā)濕度表在使用前的一個半月應(yīng)與干濕球溫度表進行對比觀測，編制毛發(fā)濕度訂正圖一般來說，沒有制定訂正圖的毛發(fā)濕度表是不能使用的當前第35頁\共有58頁\編于星期二\12點（4）毛發(fā)濕度表一根脫脂人發(fā)

當前第36頁\共有58頁\編于星期二\12點當前第37頁\共有58頁\編于星期二\12點（4）毛發(fā)濕度計

當前第38頁\共有58頁\編于星期二\12點3、濕敏電容傳感器

常用的濕敏電容濕度傳感器是用有機高分子膜作介質(zhì)的一種小型電容器濕敏電容器上電極是一層多孔金膜，能透過水汽；下電極為一對刀狀或梳狀電極，引線由下電極引出?；迨遣Ａ?。整個感應(yīng)器是由兩個小電容器串聯(lián)組成傳感器置于大氣中，當大氣中水汽透過上電極進入介電層，介電層吸收水汽后，介電系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容器電容量發(fā)生變化。電容量的變化正比于相對濕度在某些自動氣象站中，鉑電阻溫度傳感器與濕敏電容濕度傳感器制作成為一體濕敏電容傳感器應(yīng)安裝在百葉箱內(nèi)，傳感器的中心點離地面1.50m

當前第39頁\共有58頁\編于星期二\12點原理——溶液濃度隨濕度變化實驗指出：具有固定濃度的酸或鹽的溶液，在一定溫度下，有一定的飽和水汽壓4、氯化鋰濕度片測濕當前第40頁\共有58頁\編于星期二\12點拉烏爾定律Ep

酸或鹽的水溶液表面上的飽和水汽壓E∞

水平面上的飽和水汽壓N溶劑的克分子數(shù)n溶質(zhì)的克分子數(shù)當前第41頁\共有58頁\編于星期二\12點Ep<E∞且當空氣中的實際水汽壓>溶液表面的飽和水汽壓時，水汽向溶液表面凝結(jié)—>溶液濃度降低，N增大，n不變，故Ep增加，直到空氣中的水汽壓與溶液表面的飽和水汽壓平衡為止當空氣中的實際水汽壓<溶液表面的飽和水汽壓時，水汽從溶液中蒸發(fā)出來，溶液濃度變大，N減小，n仍不變，故溶液表面上的飽和水汽壓Ep隨之減小，直至與空氣中的水汽壓平衡為止當前第42頁\共有58頁\編于星期二\12點實驗指出——

只要溶液的溫度與外界溫度相等，則溶液濃度隨空氣相對濕度而改變的關(guān)系不受溫度變化的影響溶液濃度的大小能反映出空氣的相對濕度大小溶液濃度難以直接測量，但溶液的電阻隨溶液濃度變化而變化，電阻相對好測量溶液越稀，電阻越??；越濃則越大當前第43頁\共有58頁\編于星期二\12點氯化鋰晶體氯化鋰晶體吸濕能力強氯化鋰濕度片—在一塊塑料片或玻璃片等絕緣片上，涂氯化鋰的酒精溶液，在片的兩頭鍍錫作為電極RH15%-100%電阻40000Ω-5000Ω優(yōu)點：元件體積小，反應(yīng)速度快，能直接指示RH，可連續(xù)自記和遙測缺點：在低濕與高濕情況下存在嚴重缺點，濕度片性能不穩(wěn)定當前第44頁\共有58頁\編于星期二\12點5、光學濕度計（遙感）比爾-朗伯定律F0(λ)發(fā)射光源的通量密度F(λ)到達檢測器的通量密度αw

水汽對該波長的吸收系數(shù)ρw

水汽密度（絕對濕度）

l

光學路徑長度當前第45頁\共有58頁\編于星期二\12點水汽吸收帶紫外—

Lyman-α濕度計（賴曼-α濕度計）（典型測量路徑長度為幾cm）紅外—

紅外濕度計（測量路徑一般0.2-1.0m）單波長—

使用單一波長（與水汽吸收波段重合）進行測量雙波長—

選取兩個相近的波長，一個對應(yīng)于強水汽吸收帶，一個對應(yīng)于弱水汽吸收帶（差分）當前第46頁\共有58頁\編于星期二\12點光學濕度計優(yōu)點：時間常數(shù)很小，典型值幾毫秒，測量濕度脈動Lyman-α濕度計（紫外）缺點：與O2、O3吸收線有重疊光源管和檢測管的壽命短低溫干燥條件下，難以探測濕度脈動紅外濕度計吸收譜線受干擾小器件壽命長吸收路徑較長當前第47頁\共有58頁\編于星期二\12點6、冷鏡露點濕度表露點濕度表測量濕空氣經(jīng)冷卻后達到飽和狀態(tài)并可在一個固體表面（通常為鏡面）上檢測到露（或霜）沉積時的溫度當前第48頁\共有58頁\編于星期二\12點誤差來源1開爾文效應(yīng)露滴（表面彎曲）的飽和水汽壓高于平面飽和水汽壓

影響結(jié)果-鏡面結(jié)露溫度低于真實露點溫度，誤差約0.1℃2拉烏爾（Rault）效應(yīng)空氣與鏡面之間有雜質(zhì)，特別是有一定量的可溶性物質(zhì)時，使飽和水汽壓低于同溫度下的潔凈空氣和鏡面的飽和水汽壓。

影響結(jié)果-使露點溫度值偏高當前第49頁\共有58頁\編于星期二\12點其它濕度測量儀器微波輻射計1.35cm波長當前第50頁\共有58頁\編于星期二\12點7、濕度的標準儀器和校準7.1濕度表的校準原理測濕傳感器校準在很大程度上由于在常溫下空氣樣品中存在很少量的水汽，而且常存在分離和容納各種氣體特別是水汽的困難，到現(xiàn)在才僅僅形成一個濕度標準器國際溯源性的等級序列。濕度的絕對標準器可以由稱重測濕法來達到。在野外使用的所有測濕傳感器都必須定期校準，校準的工作中經(jīng)常使用通風干濕表和露點傳感器作為工作標準器。專用的標準器都必須和高級別的標準器經(jīng)過仔細的比對以進行溯源。用作標準器的任何儀器都必須逐個地對其在計算濕度時包含的所有變量進行校準，其他影響性能的因素也必須檢查當前第51頁\共有58頁\編于星期二\12點7、濕度的標準儀器和校準7.2校準周期和校準方法干濕表、冷鏡濕度表和加熱露點濕度表等所用的濕度檢測器，要在每次例行的定期維修時對其校準數(shù)據(jù)進行檢測，用工作級標準器（阿斯曼通風干濕表）進行的比較工作應(yīng)當至少每月一次。標準型的通風干濕表，其完善性可以用干、濕球溫度表的比對得到證明，而充分的通風可從有良好的風扇得到。參考標準器應(yīng)按適合自身需要的周期進行校準飽和鹽類溶液可應(yīng)用于只要求小容量樣本的傳感器，它需要非常穩(wěn)定的環(huán)境溫度，對其在野外應(yīng)用難以令人滿意。當鹽類溶液用于控制工作時，要注意，鹽類溶液所給出的標準濕度值并未經(jīng)過任何溯源基準器的工作當前第52頁\共有58頁\編于星期二\12點7、濕度的標準儀器和校準7.3實驗室校準實驗室校準是保持準確度的主要方法：（1）野外用儀器和工作級標準器應(yīng)當按照與其他常規(guī)濕度表相同的規(guī)則進行實驗室校準。儀器的運行是否正確可在穩(wěn)定的室內(nèi)條件下用與參考標準儀器相比較的方法予以驗證。如果野外用儀器帶有冰檢測器，則應(yīng)對此系統(tǒng)的運行正確性也進行驗證（2）對參考標準器與標準器的實驗室校準需要有一臺精密的濕度發(fā)生器和一臺適合傳遞的標準濕度計。雙壓力法濕度發(fā)生器和雙溫度法濕度發(fā)生器都能夠發(fā)送一股按預(yù)定溫度和露點控制好的氣流。應(yīng)當至少每12個月對儀器量程應(yīng)用范圍進行全程校準一次。對冷鏡濕度表的校準和對溫度顯示系統(tǒng)的校準應(yīng)當單獨進行，至少每12個月一次

當前第53頁\共有58頁\編于星期二\12點7、濕度的標準儀器和校準7.4一級標準器

1、稱重測濕法稱重測濕法是實驗室內(nèi)測濕的標準方法。使體積為V的濕空氣流過一個干燥管，讓干燥管把空氣中的水汽全部吸收，然后稱量干燥管所增加的質(zhì)量，同時確定流經(jīng)干燥管的空氣體積或干空氣的質(zhì)量，便可直接確定空氣的混合比或絕對濕度。絕對測濕法的測量精度很高，但測試一次需要很長的周期，否則既不能使空氣中的水汽完全被干燥劑吸收，也無法使足夠體積的空氣流過干燥管

2、動態(tài)的雙壓法標準濕度發(fā)生器這種試驗裝置用于提供以絕對方法確定相對濕度的濕氣源。一股載氣氣流通過壓力為P1的飽和容器并進入氣壓為低壓P2的第二個容器進行絕熱膨脹。兩個容器均安裝在同一個油槽中且溫度相同。根據(jù)道爾頓分壓定律，這股水汽與載氣混合物的相對濕度直接與這兩個容器中各自的總壓相關(guān)；低壓容器中的水汽壓為e′與高壓容器中的水汽壓ew′之比，等同于低壓容器中的總壓與高壓飽和容器中的總