大氣探測學(xué) 精品課件

1、大氣探測學(xué) 第1頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二7.1 概述大氣壓力單位：1Pa=1N/m2; 1hpa=100Pa; 1hpa=1mb1hpa=0.750069mmHg=3/4mmHg1mmHg=1.333238hPa=4/3hPa 氣壓是大氣壓力的簡稱。其數(shù)值上等于單位面積上從所在地點向上直至大氣層上界的整個空氣柱的重量。即： （ kg.m/s2) （7.1）其中h為測站的海拔高度；Ph為海拔高度為h的測站所受的大氣壓力，它與空氣密度a 、重力加速度g及空氣柱的厚度有關(guān)。第2頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二氣壓測量cmHg (汞柱高)mb

2、 (毫巴)hPa (百帕)=mb標準大氣壓Pa=1牛頓/平米第3頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二測量氣壓的儀器水銀氣壓表1644年發(fā)明第4頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二水銀氣壓表第5頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二測量氣壓的儀器空盒氣壓表氣壓計第6頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二測量大氣壓力的儀器主要有：1、水銀氣壓表（作為標準）2、空盒氣壓表、空盒氣壓計（氣象臺站）3、沸點氣壓表（作研究用）第7頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二 7.2 水銀氣壓表一、測量原理 如

3、圖7.1所示，利用一根抽成真空的玻璃管插入水銀槽內(nèi)，就可形成一支最簡單的水銀氣壓表。式中 為溫度 時的水銀密度; 為測站緯度為 、海拔高度為h處的重力加速度; 氣壓表讀數(shù)。 由于大氣壓力的作用，玻璃管內(nèi)的水銀柱將維持一定的高度。當(dāng)管內(nèi)水銀柱對水銀槽面產(chǎn)生的壓力與作用于水銀槽面的大氣壓力相平衡時的高度，即可表示為大氣壓力。 如果在水銀柱旁邊樹立一標尺，標尺的零點對準水銀面，就可直接讀取水銀柱的高度（Hhg），即可求得大氣壓力（Ph）（7.2）第8頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二 由(7.2)式可見,大氣壓力與水銀氣壓表所處環(huán)境的溫度、重力加速度及緯度有關(guān)，為了便于比較,

4、國際上統(tǒng)一規(guī)定,以溫度0C為標準, g以緯度為45的海平面為標準。如果不在標準條件下,則讀得的水銀柱高度必須訂整到標準條件下。 (7.2)式可表示為：第9頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二（7.3）（7.4）第10頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二 從理論上說，任意一種液體都可以用來制造氣壓表，但是水銀有其獨特的優(yōu)點： （1）水銀密度大。在標準條件下， 在通常大氣壓力下，它的液柱高度適合人在自然狀態(tài)下的觀測。 （2）水銀的蒸汽壓小。在溫度60以下，在管頂內(nèi)的水銀蒸汽附加壓力對讀數(shù)準確度的影響可忽略不計。 （3）水銀的性能穩(wěn)定。易于提煉純凈的水銀。

5、 （4）水銀不沾濕玻璃，管內(nèi)水銀面形成凸起的彎月面，容易判斷水銀柱頂?shù)臏蚀_位置。 思考題：如果用水作為液體制成氣壓表，會有哪些優(yōu)缺點？ 提示：水的密度問題；凝固點問題；蒸汽壓問題等；第11頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二二、動槽式水銀氣壓表 動槽式水銀氣壓表是法國人福?。↗.Fortin）于1810年發(fā)明制造的，故稱福丁式水銀氣壓表。 它的主要特點是標尺上有一個固定的零點。每次讀數(shù)時，須將水銀槽的表面調(diào)到這個零點處，然后讀出水銀柱頂?shù)目潭?。外形和結(jié)構(gòu)： 1、感應(yīng)部分：水銀、玻璃內(nèi)管、水銀槽 2、刻度部分：標尺、游標尺、象牙針 3、附屬部分：附屬溫度表讀數(shù)順序： 先讀溫

6、度表；再調(diào)水銀面與象牙針相切；再調(diào)游標尺與水銀柱頂相切；最后讀數(shù)。讀數(shù)結(jié)束后，將象牙針與水銀面斷開。第12頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二三、定槽式水銀氣壓表 定槽式水銀氣壓表也稱寇烏（kew）式水銀氣壓表.外形和結(jié)構(gòu)：定槽式與動槽式區(qū)別在水銀槽部。它的水銀槽是一個固定容積的鐵槽，沒有皮囊、水銀面調(diào)節(jié)螺釘以及象牙針。原理:當(dāng)氣壓變化時，水銀柱在玻璃管內(nèi)上升或下降所增加或減少的水銀量，必將引起水銀槽內(nèi)的水銀減少或增加，使槽內(nèi)的水銀面向下或向上變動。即正個氣壓表的基點隨水銀柱頂?shù)母叨茸儎印５?3頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二當(dāng)氣壓升高1mmHg

7、，表內(nèi)水銀柱上升xmm，而槽內(nèi)水銀面同時下降ymm，則令： x+y=1因為水銀槽內(nèi)水銀體積的減少，必將等于管內(nèi)水銀體積的增加，即（體積相等）式中a為水銀柱玻璃管的內(nèi)橫截面積；A為水銀槽的內(nèi)橫截面積； a為插進水銀槽中的表管心尾端的外橫截面積。將 代入 式得：（7.5）（7.6）（7.6）（7.5）（7.7）第14頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二對 式右邊分子+a-a從 式可看到，定槽式水銀氣壓表的刻度1mm長度將短于1mm，實際等于 ，以補償氣壓表水銀面基點的變動，這種刻度的標尺又稱補償標尺。國產(chǎn)定槽氣壓表則，因此，氣壓表上1mm刻度實際只有0.98mm。（7.7）（

8、7.8）（7.8）第15頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二7.3 水銀氣壓表的讀數(shù)訂正為使水銀柱的高度能表示大氣壓力，必須將其訂正到標準狀態(tài)下，即溫度為0C時水銀密度值，時的水銀柱高度的大氣壓力，即 因此， 1.先將氣壓表的讀數(shù)值經(jīng)過儀器誤差的訂正; 2. 然后再進行氣壓表讀數(shù)的溫度訂正和重力訂正（緯度重力訂正和高度重力訂正）。(7.9)第16頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二一.儀器誤差訂正： 由于制造條件的技術(shù)及材料的物理特性等因素，導(dǎo)致水銀氣壓表具有一定的儀器誤差。因此，制成的氣壓表必須進行標定（檢定），給出儀器在各個刻度上的訂正值。氣壓表

9、主要的儀器誤差有：1、儀器基點和標尺刻度不準確；2、真空度不良；3、毛細管液面張力誤差； 這是由于液面的表面張力所造成的一種指向液體內(nèi)部的壓力。這個壓力的大小隨液體的種類和液體表面的曲率而變化。在槽式氣壓表中，這個誤差是由于內(nèi)管的壓力比槽部大而產(chǎn)生的一個使水銀柱偏低的誤差。第17頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二式中Ps為毛細管內(nèi)與槽內(nèi)彎曲液面的壓力差；為表面的張力系數(shù)；R為液面的曲率半經(jīng)；為液面與管壁接觸角。水銀管參數(shù)如圖所示：壓力Ps使得水銀氣壓的讀數(shù)偏低。偏低值主要隨管直徑d ，液面與管壁接觸角而變。d 越大，影響越??；越小，曲率越大，影響越大。設(shè)Ps作用下，使水

10、銀柱降低了h，則：(7.11)(7.10)式中為水銀的密度；g為重力加速度。由拉普拉斯公式，彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力（壓力差）為：第18頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二例：某水銀氣壓表檢定證上氣壓讀數(shù)從810.001100.00 hpa，儀器的誤差訂正為-0.2 hpa。某次觀測氣壓讀數(shù)988.6hpa,經(jīng)儀器誤差訂正后的氣壓為：988.6 hpa+(-0.2 hpa)=988.4 hpa第19頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二二、溫度訂正1、動槽式氣壓表的讀數(shù)溫度訂正： 假設(shè)水銀氣壓表的附溫溫度表的標尺為銅尺； 如果在水銀槽上另立一支沒有溫度系

11、數(shù)的標準尺，如圖所示：在tC，銅尺刻度Ht與水銀柱頂相齊，而標準尺測得的水銀柱高度為Lt,如圖所示。如果氣壓不變，只將環(huán)境溫度降至0C 標準條件，此時，銅尺刻度為H0，標準尺測得的水銀柱高度為L0，銅尺H0刻度與水銀柱頂相齊，H0=L0。氣壓表的溫度訂正除了把水銀的密度訂正到0C標準外，還要考慮銅尺的長度隨溫度變化的伸縮。第20頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二已知為水銀的熱膨脹率系數(shù)，為銅的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度從0C變化到t C時，則對標準尺有：而對銅尺有：合并上面兩式得：第21頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二故有：其中：則：在實際工作中，可將

12、上式制成查算表，以Ht和t為變量，列出相應(yīng)的Ht值。該訂正值是-Ht，應(yīng)減去。因水銀的熱膨脹系數(shù)大于銅的熱膨脹系數(shù)，溫度的影響使讀數(shù)偏低。(7.12)第22頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二其中A為水銀槽的截面積;V為氣壓表內(nèi)的水銀體積; 為鐵的熱膨脹系數(shù).該訂正值應(yīng)從讀數(shù)中減去.2、定槽式氣壓表讀數(shù)的溫度訂正：對于定槽式氣壓表,必須將水銀槽的熱膨脹效應(yīng)考慮在內(nèi),而寫成下述形式：(7.13)第23頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二三、氣壓表讀數(shù)的重力訂正氣壓表讀數(shù)經(jīng)儀器誤差、溫度訂正后記作：(7.14) 為經(jīng)儀器誤差訂正后的氣壓讀數(shù)； 為經(jīng)儀器誤

13、差、溫度和重力訂正后的氣壓讀數(shù)；其中 為標準重力加速度； 為位于緯度，海拔高度h處的重力加速度。由 可見，重力訂正分緯度重力訂正和高度重力訂正。(7.14)第24頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二1、緯度重力訂正在海平面上，由重力加速度與緯度的關(guān)系則緯度訂正：由 可知：(7.15)由（ 7.14 ）式：(7.16)(7.16)第25頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二2、高度訂正在同一緯度上，重力加速度隨高度的變化關(guān)系為：對高山站：hR(R=6370000m,地球半徑），h以m為單位。則高度訂正：由上式可知：當(dāng)測站海拔高度h0, H0, 訂正值為負

14、值；反之，為正值。(7.17)(7.18)(7.19)(7.20)第26頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二世界氣象組織推薦的水銀氣壓表重力訂正公式：1、緯度訂正 在海平面，重力加速度隨緯度的變化： 2.高度重力訂正： 陸地臺站： 水面站： (7.21)(7.22)(7.23)式中h為測站的海拔高度；h為以測站為中心，半徑為150km范圍內(nèi)的平均海拔高度。式中D為測站正下方的水深；D為以測站為中心，半徑150km范圍內(nèi)的平均水深。第27頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二海岸附近測站：式中為150km范圍內(nèi)，陸地面積所占的比例?？偵纤觯y氣壓表的

15、讀數(shù)經(jīng)過了儀器誤差訂正、溫度訂正、緯度重力和高度重力訂正后，獲得的氣壓數(shù)據(jù)稱作為本站氣壓（場面氣壓）。(7.24)第28頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二四、海平面氣壓在繪制天氣圖時，僅僅知道場面氣壓是不能繪制等壓線的。高山上的場面氣壓比平原低。因此，必須將各點的場面氣壓都訂正到同一高度上海平面上。如圖所示：設(shè)A點為某站，其場面氣壓為Ph，海拔高度為h，將它的場面氣壓訂正到海平面上，就是把A點所在平面至海平面（圖中B所在平面）這段空氣柱的壓力加到Ph上。根據(jù)壓高公式可得：(7.25)式中P0為海平面氣壓；tm為A、B兩點之間空氣柱的平均溫度。第29頁，共49頁，2022

16、年，5月20日，23點28分，星期二(7.27)M可寫成： (7.28)(7.26)第30頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二計算步驟：(7.30)第31頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二例1：已知Ph=730.05mmHg，to=7.4C，th=- 3.2，h=255m，求Po,C？解：第32頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二例2：已知Ph=735.0mmHg，h=200m,th=10.0, =0.6 /100,求Po,C？解：第33頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二 水銀氣壓表讀數(shù)訂正總結(jié)： 從氣

17、壓讀數(shù)訂正到海平面氣壓。1、經(jīng)儀器誤差訂正： 器差訂正后 原始讀數(shù) 器差訂正值2、經(jīng)儀器誤差、溫度訂正： (7.31)(7.30)(7.32)第34頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二水銀氣壓表讀數(shù)訂正總結(jié)：3、經(jīng)溫度、緯度、高度重力訂正（本站氣壓）：4、海平面氣壓：(7.33)(7.36)(7.35)(7.34)第35頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二7.4 氣壓表的安裝和觀測方法一、氣壓表的安裝：氣壓表應(yīng)該安裝在氣壓室內(nèi)，嚴格垂直懸掛在墻上；對氣壓室的要求：氣壓室內(nèi)溫度均勻少變，無冷熱源；避免陽光直射；減少氣流流動。二、氣壓表的讀數(shù)步驟：1、測

18、定附屬表溫（準確到0.1C）；2、調(diào)整槽內(nèi)水銀面與象牙針相切（動槽）；3、調(diào)整游標尺恰好與水銀柱頂相切；4、讀取、記錄氣壓值（準確到0.1mmHg或0.1hpa)5、降下水銀面使其與象牙針脫離。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二7.5 空盒氣壓表 2003/11/7 1、結(jié)構(gòu)： 空盒氣壓表的感應(yīng)元件是由一組具有彈性的、抽成真空的（或殘留少量空氣）空盒組成。 將空盒底部固定，頂部可自由移動，用以操作指示讀數(shù)的機械系統(tǒng)。 包括：感應(yīng)部分、傳動放大部分、顯示部分。2、讀數(shù)：讀表的附溫，準確到0.1 C;輕敲盒面，克服機械摩擦；待指針平穩(wěn)后，視線垂直表面讀數(shù)，精確到0.1

19、mmHg或 0.1hpa)復(fù)讀一次。一、空盒氣壓表第37頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二3、讀數(shù)訂正 （1）刻度訂正 是訂正儀器制造不夠精密造成的誤差，如指針軸與刻度盤中心不相重合或刻度不均勻等造成的誤差。 刻度訂正值可從儀器的檢定證上查出。 （2）溫度訂正 是訂正由于溫度的變化，引起的空盒彈性改變造成的誤差。例如，當(dāng)氣壓不變時，氣溫升高，空盒彈性減弱導(dǎo)致氣壓示度偏高；反之，當(dāng)氣溫降低時，氣壓示度偏低。溫度訂正值可由下式計算：式中為溫度系數(shù)，可從檢定證上查得；t為附溫。(7.37)第38頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二（3）補充訂正訂正由于空

20、盒的殘余形變所引起的誤差。補充訂正值可從檢定證上查得。例：用空盒氣壓表（19287號）讀得附溫20.8 C,氣壓955.6hpa，求 本站氣壓？解：1、刻度訂正：從檢定證上查得：-0.3hpa; 2、溫度訂正： 3、補充訂正：從檢定證上查得：1.3hpa; 綜合訂正值：（-0.13)+(-1.5)+(1.3)=-0.5hpa 本站氣壓：P=955.6-0.5=955.1(hpa)第39頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二二、空盒氣壓計1、結(jié)構(gòu)空盒氣壓計是利用空盒感應(yīng)元件制成的連續(xù)記錄氣壓的儀器。其結(jié)構(gòu)包括：感應(yīng)部分；傳動放大部分；自記部分 外形結(jié)構(gòu)第40頁，共49頁，20

21、22年，5月20日，23點28分，星期二三、空盒彈性后效 空盒測壓元件的測壓精度低于水銀氣壓表。它具有彈性元件的缺點彈性后效。有兩個主要特點： 1、當(dāng)氣壓變化停止后，空盒形變還繼續(xù)一段時間； 2、升降壓曲線不重合（滯差環(huán)）。第41頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二四、空盒彈性溫度效應(yīng)1、雙金屬片補償法 雙金屬片補償器安裝在空盒的底部.設(shè)溫度升高影響厚度減小,使自由端下降了; 但雙金屬片的變形作用使空盒基底提高了dS, 空盒的溫度效應(yīng)位移，剛好由雙金屬片的位移S相抵消, 空盒的楊氏模量具有負溫系數(shù)。溫度升高時，彈性力減弱。如果大氣壓力維持不變，在升溫時空盒的厚度將變薄，因

22、此，需要采取措施加以補償。補償?shù)霓k法有兩種：第42頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二此時空盒的溫度誤差正好得到補償.上式中的K, 和ds的數(shù)值是固定的,顯然只在氣壓為p0時才能有完全的補償作用,其它數(shù)值下的大氣壓力只能部分地得到補償. P0則稱為補償點. 假設(shè)大氣壓力為p0,與它相平衡的彈性應(yīng)力為f0, f0 = p0空盒彈性溫度系數(shù)為,因此溫度升高1C彈性應(yīng)力的減小為 p0(hpa/C),它所引起空盒自由端的位移為 d=K p0K為儀器的靈敏度(mm/h p0).選擇合適的雙金屬片,使空盒基底的位移ds=d,因此 ds= K p0(7.38)第43頁，共49頁，202

23、2年，5月20日，23點28分，星期二第44頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二2、殘余氣體補償法 空盒內(nèi)留有一定壓力的氣體，在氣壓為P時，空盒所受壓力為P-，空盒的彈性應(yīng)力為F，壓力平衡時，F(xiàn)=P-。 升溫1C時，彈性力減弱了F=(P-)；而盒內(nèi)殘余氣體的壓力升高了；當(dāng)=（P-）或 時，空盒的溫度效應(yīng)就可得到補償。P點是完全補 償點。是空盒的彈性溫度系數(shù)（1/ C ）；為 殘余氣體的熱膨脹系數(shù)（1/C）。 雙金屬片和殘余氣體補償方法結(jié)合起來使用，可使空盒在兩點得到補償。其它各點得到補償?shù)某潭纫脖葐吸c補償要好的多。(7.39)第45頁，共49頁，2022年，5月20日，23點28分，星期二7.6 沸