大氣探測學 濕度的測量

1、.,濕度的測量,.,本章要求,掌握大氣濕度測量儀器的基本原理和特點,.,主要內(nèi)容,濕度參數(shù)的定義 干濕球濕度表 毛發(fā)濕度表 露點測定法 電學濕度表 光學濕度計 濕度的控制和檢定,.,3.1 濕度參數(shù)的定義,濕度：表示空氣中水汽含量或干濕程度的物理量。,.,(3.4),(3.5),.,5.飽和水汽壓,水面飽和水汽壓 ：固定氣壓、溫度下，純水面達到氣液平衡時的水汽壓 冰面飽和水汽壓 ：固定氣壓、溫度下，純冰面達到氣固平衡時的水汽壓,.,式中T1 為水的三相點溫度,等于273.16(K); T為大氣絕對溫度(K).,.,(2).冰面的飽和水汽壓對數(shù)（0- -100）,式中T1 為水的三相點溫度,等于

2、273.16(K); T為大氣絕對溫度(K).,.,6.相對濕度 壓力為P、溫度為T的濕空氣，其水汽壓 與水面飽和水汽壓 的比值的百分數(shù)。,.,7.露點溫度(Td )、霜點溫度(Tf),Td定義：T、的濕空氣，P不變，降溫至Td使其對水面飽和時的溫度,Tf定義：T、的濕空氣，P不變，降溫至Tf使其對冰面飽和時的溫度,.,另外，可導出以下常用關系式:,.,常用濕度測量方法,稱量法（準確度最高） 熱力學法（干濕法） 吸濕法（毛發(fā)、腸衣、濕敏電阻、濕敏電容） 凝結法（露點儀） 光學法（紅外、微波濕度計）,.,3.2 干濕球濕度表,用一對并列裝置的、形狀完全相同的溫度表 一支測氣溫，稱干球溫度表 另一

3、支包有保持浸透蒸餾水的脫脂紗布，稱濕球溫度表。,.,測量原理,L : 蒸發(fā)潛熱 Q1: 蒸發(fā)消耗熱量,hc : 對流熱交換系數(shù) S : 熱交換面積，即濕球球部表面積 Q2：熱傳導,C : 水汽擴散系數(shù) : 濕球表面飽和水汽壓 : 實際水汽壓 P : 大氣壓 M : 蒸發(fā)水量 S：濕球球部表面積,.,2、干濕表系數(shù)A值的特性,一、影響A值的因子 利用干濕表方程計算濕度的主要問題是確定干濕表系數(shù)A值。從定義可知，A值由熱擴散系數(shù)hc和水汽擴散系數(shù)C覺定，這兩者都是通風速度的函數(shù)，所以，A值必然與風速有關。 書，P134，圖6.8,.,A值存在以下現(xiàn)象： （1）A值隨風速變化大，風速增加，A迅速減小

4、；但 是V2m/s時，A基本不變； （2）不同類型的溫度表A值有差異，但是在風速高的 時候，差異小； （3）元件的特征尺度d越小，A值越小，A值風速的變化也越小。,Wylie ard lalas(1981)，WMO采用,.,二、濕球溫度表與空氣之間的熱交換特性,對流熱交換 輻射熱交換 對流、輻射熱交換系數(shù),考慮到整個濕球溫度表的熱交換過程是在蒸發(fā)消耗潛熱與輻射熱交換和對流熱交換之間平衡，即：,濕球溫度表與空氣之間的輻射熱交換為：,變?yōu)椋?.,Monteith 提出：,實際的干濕表系數(shù),根據(jù)n=0.5，即實際A的相對誤差與風速的二次方根成反比，與濕球的直徑的二次方根成正比。,.,三、濕球結冰時的

5、濕度計算公式,濕球結冰時，濕球的冰面直接升華成水汽。冰的升華損失的熱量與對流熱交換相互平衡。,則：,由上述關于A值的公式可知：,式中Lw(tw)為水蒸發(fā)潛熱；Li(tw)為冰升華潛熱。,.,四、干濕球溫度表的測濕精度（P136，圖6.9）,玻璃溫度表的讀數(shù)可估讀到0.1C； 對相對濕度產(chǎn)生的誤差為： 15C時，誤差約2%； -15C時，誤差約20 %。 我國規(guī)范規(guī)定：-10C以下停止使用干濕球溫度表。,.,毛發(fā)濕度表,利用脫脂人發(fā)具有空氣潮濕時伸長，干燥時縮短的特性，制成毛發(fā)濕度表或濕度自記儀器。 濕度從0100% 時，毛發(fā)伸長2.5% 伸長量與濕度變化成正比。,它的測濕精度較差，毛發(fā)濕度表通

6、常在氣溫低于-10時使用,.,毛發(fā)濕度表,.,自記溫濕度計,毛發(fā),.,3.4 電學濕度表,電阻型 電容型,.,3.4.1 碳膜濕度片,利用吸濕膜片隨濕度變化改變其電阻值的原理 常用的有 碳膜濕敏電阻 氯化鋰濕度片 兩種。,.,3.4.1 碳膜濕度片（續(xù)）,碳膜濕敏電阻 用高分子聚合物和導電材料碳黑，加上粘合劑配成一定比例的膠狀液體，涂覆到基片上組成的電阻片。 氯化鋰濕度片 是在基片上涂上一層氯化鋰酒精溶液，當空氣濕度變化時，氯化鋰溶液濃度隨之改變從而也改變了測濕膜片的電阻。 這類元件測濕精度較干濕表低，主要用在無線電探空儀和遙測設備中。,.,3.4.2 高分子薄膜濕敏電容,是以高分子聚合物為介

7、質的電容器，因吸收（或釋放）水汽而改變電容值。 它制作精巧，性能優(yōu)良，常用在探空儀和遙測中。,.,3.4.2 高分子薄膜濕敏電容（續(xù)）,由芬蘭Vaisala公司最先開發(fā)，稱作“Humicap”，其結構如圖 濕敏電容通常采用多諧波震蕩器和低通濾波電路完成電容電壓的轉換。,.,3.4.2 高分子薄膜濕敏電容（續(xù)）,濕敏電容的其它特性： 溫度系數(shù)：0.05% 0.1% / 滯差在相對濕度為 5% 90% 內(nèi)低于 1% 采取防污措施后，工作壽命為1年 元件的滯后系數(shù)在常溫下可保持在 1s 以下,.,3.3 露點測定法,在氣壓不變條件下，濕空氣冷卻達到水面飽和（或冰面飽和）時，會有露（或霜）凝成。此時的

8、溫度叫露點溫度（或霜點溫度）。,.,一、露點儀原理： 若使空氣通過一個光潔的金屬鏡面時等壓降溫，直到鏡面上出現(xiàn)露（或霜），讀取這瞬間的鏡面溫度，就是露點（或霜點）溫度。此露點（霜點）對應的飽和水汽壓就是實際水汽壓。 露點儀的組成： 1.感應器：高度拋光的金屬鏡面 2.熱控裝置：冷卻器、加熱器 3.凝結觀測裝置：光源系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng),.,露點儀原理 如圖所示：,露點溫度的測量： 一般5次取平均 先降溫，鏡面出現(xiàn)露點時，記為： 再升溫，最后一個露珠消失時，記為： 這是一次完整記錄,.,1，進氣口 2，出氣口 3，金屬鏡面,光學測量系統(tǒng),.,影響露點儀測濕精度的因子,1、凱爾文效應： 彎曲水面飽和水

9、汽壓esw.r；純水平面飽和水汽壓esw,式中K為波爾茲曼常數(shù)； 為水表面張力系數(shù)；為水分子容積；r為露滴的曲率半徑。,露滴的飽和水汽壓高于平面飽和水汽壓。 因此，鏡面的結露溫度低于真實露點溫度，誤差約為-0.1。,在同溫、同壓下，彎曲水面飽和水汽壓與平面飽和水汽壓的關系為：,.,2、拉烏爾特（Rault)效應： 由于空氣和鏡面有雜質，特別是有一定量的可溶性物質時，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。降低的數(shù)值與溶液的克分子濃度有關。,其中esw,n :為空氣中和鏡面有雜質時的飽和水汽壓； n:雜質的克分子數(shù)； N：總克分子數(shù),這種效應將使測量的露點溫度值偏高。,.,3、部分

10、壓力效應： 儀器的空氣循環(huán)系統(tǒng)可使測試空間內(nèi)外存在一定的氣壓差。根據(jù)道爾頓分壓定律，進入測試空間空氣樣本的水汽壓，將按壓差以同樣的比例降低。 如果要求水汽壓測量的精度為0.5%，則在大氣壓力為1000 hpa 時，系統(tǒng)內(nèi)外壓差應小于5 hpa。,4、正確判斷鏡面凝結相態(tài)： 當露點溫度低于0 時，注意判斷鏡面的凝結相態(tài)。將水滴判斷為冰晶，或將冰晶判斷為水滴，都將造成測量誤差。溫度越低，誤差越大。,5、正確的操作 操作不當將給測量結果帶來較大誤差。如降溫太快，鏡面將生成大露珠，導致測量偏低；將露珠蒸發(fā)完時，往往加熱過量，導致測量過高。,.,3.5 光學濕度計,吸收光譜法在現(xiàn)代濕度測量中占有一定的位

11、置，而且是唯一用來測量快速脈動的方法。 強水汽吸收帶可在紅外和紫外波段找到。,.,3.5 光學濕度計,根據(jù)Beer定律，單色光學輻射透過吸收介質的衰減可表示為： ln ( F() / F0() = - ww L F0()發(fā)射光源的通量密度； F()到達檢測器的通量密度； w 水汽對該波長的吸收系數(shù)； w 水汽密度（絕對濕度）； L 光學路徑。,.,3.5 光學濕度計（續(xù)）,在w和 l 固定的情況下，測定比值F() / F0() ，或某個輸出電壓 V 值，即可標定出相應的 w 值。 現(xiàn)代光學濕度計多采用雙通道的方式，以便達到絕對標定的目的。 有兩種方式： 選擇兩個波長，一個是強水汽吸收帶，一個是

12、弱水汽吸收帶 選擇一個已知水汽密度的樣本通道，使用同一水汽吸收探測波長，比較待測樣本和基準樣本的值，以確定待測值,.,3.5 光學濕度計（續(xù)）,最早開始投入使用的光學濕度計為紫外波段的拉曼阿爾法濕度計 工作波長為0.1216um， 其光源管為充有氫氣的直流激發(fā)的冷陰極電離管。 管內(nèi)加入了鈾化氫，使譜線比較純。 光源管內(nèi)還沖有適量的氖氣作為緩沖氣體。,.,3.5 光學濕度計（續(xù)）,拉曼阿爾法濕度計缺陷： 在紫外水汽吸收線附近，存在著較強的氧氣和臭氧吸收線，導致測量誤差。 光源管和檢測管的壽命太短，只有幾百到1000小時。 儀器的分辨率為0.03露點，精度為0.6 露點，不能探測大氣中較小的濕度脈

13、沖。,.,3.5 光學濕度計（續(xù)）,紅外濕度計 優(yōu)勢： 吸收譜線附近較少受到其它大氣成分的干擾 光源管和檢測管可以使用通用的電子器件，使用壽命高達8000小時。 缺陷： 需要較長的吸收路徑 L，光源和檢測元件有較大的溫度系數(shù)。,.,.,3.6 濕度的控制和檢定,絕對測濕法 恒濕鹽控濕法 露點控濕法 部分壓力法,.,3.6.1 絕對測濕法（稱重法）,實驗室內(nèi)測濕的標準方法。 原理： 使體積為 V 的濕空氣流過一個干燥管（或幾個串聯(lián)的干燥管），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量，同時確定干燥管的空氣體積或干空氣的質量，便可直接確定空氣的混合比或絕對濕度。,.,3.6.1 絕

14、對測濕法（稱重法）,絕對測濕法精度高，但周期長。 為了提高恒濕箱的控制精度，可設法使其他物理量來確定箱內(nèi)的濕度值。 介紹三種常用方法。,.,3.6.2 恒濕鹽控濕法,試驗證實，某些溶液（如硫酸）的平衡相對濕度的溫度效應很弱 改變?nèi)萜鲀?nèi)溶液的濃度，可調(diào)整容器內(nèi)空氣的相對濕度，這種溶液稱為恒濕鹽。 避免溶液在吸收時或釋放水分后改變本身的濃度，多采用它們的飽和溶液。,.,3.6.3 露點控濕法（雙溫法）,原理： 利用控制溫度來控制濕度。 優(yōu)點： 借助控溫和測溫就可以直接控制和確定濕度。 注意： 保持管道的清潔，室內(nèi)空氣要除塵凈化。,.,3.6.4 部分壓力法,假定檢定容器內(nèi)的氣壓為 p ，水汽壓為

15、e，若使容器內(nèi)的氣壓降低一半，其中的水汽壓同時也降低一半，在氣溫保持不變的條件下，相對濕度的數(shù)值也降低一半；反之壓縮部分空氣，使氣壓加大一倍，水汽壓同時也加大一倍，同時相對濕度也加大了一倍。 因此，只要知道初始的水汽壓數(shù)值，就可獲得不同的空氣相對濕度。,.,GPS全球定位系統(tǒng)Gl0bal Positioning System,1993年基本建成，24顆星，分布在6個軌道平面，平均高度20200Km，載波頻率1227.60/1575.42MHz,GPS氣象探測技術,.,Outward appearance of antenna,.,全球定位系統(tǒng)氣象參數(shù)探測（GPS/MET）技術，是利用GPS衛(wèi)星信號電波穿過大氣層時受到的折射及延遲來反演推算大氣溫度濕度和氣壓等參數(shù)，是近年來發(fā)展的一種全新的大氣空間遙感技術，具有極大的實用潛力。,.,包括：空基GPS氣象學和地基GPS氣象學： 空基GPS氣象學利用低軌衛(wèi)星（LEO），用掩星技術測定大氣密度氣壓溫度濕度廓線，有相當高