氣象觀測空氣濕度的測量

1、氣象觀測空氣濕度的測量第1頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五大氣探測觀測站第2頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五水熱輸送觀測儀器第3頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五11.1 概述降水蒸發(fā)觀測的意義。微氣象觀測系統(tǒng)第4頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.1 濕度參數(shù)的定義濕度：表示空氣中水汽含量的物理量。參數(shù)有：1.混合比 濕空氣中水汽質量為MV，干空氣質量為Ma：2.比濕q3.絕對濕度v,單位體積的濕空氣中所含的水汽, 即:水汽密度、水氣濃度 (6.1) (6.2)(6.3)第5頁，共64頁，2022年

2、，5月20日，0點10分，星期五4.水汽的摩爾分數(shù)（水汽相對克分子數(shù)）其中：5.水汽壓當 時，(6.4)(6.5)(6.6)(6.7)第6頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.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，純冰面達到氣液平衡時的水汽壓世界氣象組織(WMO)1966年推薦戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式：( 1)純水表面飽和水汽壓的對數(shù)為（0-100）(6.8)第7頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五(2).冰面的飽和水汽壓對數(shù)（0- -100）7.相對濕度壓力為P

3、、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)。(6.9)(6.10)(6.8),(6.9)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).書上P.44表3.1和P.46表3.2分別給出了純水表面和冰面飽和水汽壓的數(shù)值.要會查表,課堂查表練習:第8頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五8.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時的溫度(6.11)(6.12)第9頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五

4、另外可導出以下常用關系式:第10頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.2 干濕球溫度表第11頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五干濕球溫度表第12頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五干濕球溫度表 L 水的蒸發(fā)潛熱，h熱擴散系數(shù) k 水汽擴散系數(shù)， p 大氣壓強其中 A為干濕表系數(shù)第13頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五干濕球溫度表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；但 是V3m/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，差異很小；（3）元件的特征尺度d

5、越小，A隨風速的變化越小。第14頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五干濕球溫度表的測濕精度誤差來源：溫度表的示值誤差； 通風誤差； 沾污或結冰誤差玻璃溫度表的讀數(shù)可估讀到0.1C；對相對濕度產(chǎn)生的誤差為： 30C時，誤差約 1%； -30C時，誤差約 18%。我國規(guī)范規(guī)定：-10C以下停止使用干濕球溫度表。第15頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五溫濕度傳感器第16頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五高分子濕敏電容濕度計第17頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五高分子濕敏電容濕度計測量原理測量電路安裝與防污染資料要

6、求：每10秒鐘采集1次，每分鐘6個數(shù)據(jù)中去掉一個最高和一個最低值后取平均，作為每分鐘觀測值。每小時以正點00分觀測值為正點觀測值。全部測量值都要存儲。第18頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五干濕球溫度表的原理一.基本原理 1.結構：由于蒸發(fā)，濕球表面不斷有耗散蒸發(fā)潛熱，使?jié)袂驕囟认陆担挥捎跐袂蚺c四周空氣有溫差，則在穩(wěn)定平衡時，濕球溫度表蒸發(fā)支出的熱量應等于與四周熱空氣交換得到的熱量h：熱擴散系數(shù);T為干球溫度;TW為濕球溫度.單位時間通過單位濕球面積蒸發(fā)水分的質量：k：水汽擴散系數(shù)(6.13)(6.14)第19頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五濕球蒸

7、發(fā)消耗的熱量為：式中為空氣的混合比;s(Tw)為濕球溫度TW時的飽和混合比;為水汽擴散系數(shù).(6.15)在濕球未結冰時,L(TW)為水的蒸發(fā)潛熱; s(Tw) 為濕球溫度下水面的飽和混合比;當濕球結冰時, L(TW)為冰的升華熱; s(Tw) 為濕球溫度下冰面的飽和混合比.第20頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五故其中 稱為干濕表系數(shù),可取作(6.16)(6.16)式稱為干濕表(絕對濕度)方程.第21頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五二、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A值的定義可知，熱

8、擴散系數(shù)h和水汽擴散系數(shù)k是通風速度的函數(shù)，所以，A值必然與風速有關。即d=10mmd=4mm式中V的單位為m/s,在p=1013hPa，T=17C，Tw=11C條件下的實驗結果。（1）N.Sworykin：A與風速的關系（2）Wylie ard lalas(1981) 被WMO定第22頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五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；但 是V3m/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，差異很??；（3）元件的特征尺度d越小，A隨風速的變化越小。HM-5型通風干濕表A值與風速的關系圖第23頁

9、，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五二、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)(6.17)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： 式變?yōu)椋?6.16)(6.18)第24頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五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。(6.19)第25頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五三、濕球結冰時的濕度計算公式濕

10、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。因此（6.15）式將改寫為：則：(6.20)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。第26頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五四、干濕球溫度表的測濕精度玻璃溫度表的讀數(shù)可估讀到0.1C；對相對濕度產(chǎn)生的誤差為：30C時，誤差約1%；-30C時，誤差約18 %。我國規(guī)范規(guī)定：-10C以下停止使用干濕球溫度表。第27頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.3 露點的測量方法 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

11、霜）凝成。此時的溫度叫露點溫度（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。露點儀就是根據(jù)此原理設計的。 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)第28頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五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： 這是一次完整記錄第29頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五露點儀測濕精度

12、：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；為露滴的曲率半徑。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：(6.21)(6.22)(6.23)第30頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五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。(6.21)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

13、度有關。這種效應將使露點值偏高。 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)這種效應將使露點溫度值偏高。 第31頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五3、部分壓力效應： 儀器的空氣循環(huán)系統(tǒng)可使測試空間內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5%，則在大氣壓力為1000 hpa 時，室內外壓差應小于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

14、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，將露珠蒸發(fā)完時，往往加熱過量，導致測量過高。第32頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.4 毛發(fā)濕度表一.測濕原理： 濕度從0100% 時，毛發(fā)伸長2.5% 伸長量與濕度變化成正比二.毛發(fā)伸長量與相對濕度的關系 相對濕度0100%時，長度變化L三.毛發(fā)的滯后效應：第33頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五毛發(fā)吸收水汽使長度變化，設：.單位體積含水量；A.橫切面積變化為：第34頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五毛發(fā)濕度表第35頁，共64頁，

15、2022年，5月20日，0點10分，星期五毛發(fā)濕度計第36頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五6.5 其他測量方法一、吸濕稱重法 利用吸濕劑P2O5吸收一定容積空氣中的水汽，只要精確測定空氣的容積和吸濕劑的重量變化，即可直接計算出1立方米空氣中所含的水量，即： 水汽壓： V：為容器的容積（初始容積）；P0、T0為初始容器內的氣壓和溫度；P1、T1為抽氣后容器內的氣壓和溫度；P2、T2為進氣后容器內的氣壓和溫度；m2、m1為吸濕后和吸濕前干燥管的質量。 第37頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五二、光譜吸收法 根據(jù)空氣中水對紅外輻射的吸收原理確定空氣濕度的

16、方法。主要以兩束波長不同的光線，一束波長=1.37m，對水汽有很強的吸收；另一束波長=1.24m（參考光），對水汽不吸收。將兩束光線交替通過被測氣層，并比較這兩束光線的能量，確定大氣（含水量）濕度。三、氯化鋰測濕 1.電阻式氯化鋰元件：水汽多，電阻??；水汽少，電阻大 2. 露點式氯化鋰元件：測量其飽和溶液水汽壓與環(huán)境水汽壓平衡時的露點。四、碳膜濕敏元件 根據(jù)高分子聚合物吸濕后膨脹，使懸浮于其中的碳粒子接觸率減小，元件的電阻增大；反之當濕度降低時，聚合物脫水收縮，使碳粒子相互接觸率增加，元件的電阻減小。通過測量元件的電阻值的變化，即可確定大氣中的濕度。第38頁，共64頁，2022年，5月20日，

17、0點10分，星期五 6.6 GPS氣象探測技術GPS氣象探空技術 利用GPS定位技術改進探空儀定位方法，提高定位精度，增強適用性。GPS大氣參數(shù)探測系統(tǒng)。 發(fā)展全球定位系統(tǒng)氣象參數(shù)探測（GPS/MET）技術，利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡的GPS基準站，建立我國地基GPS水汽測量網(wǎng)。第39頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS全球定位系統(tǒng)Gl0bal Positioning System1958年，美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS） 6顆星，軌道高度1100Km， 載波頻率150/400MHz1973年開始研制“授時與測距導航系統(tǒng)/ 全球定位系統(tǒng)”（NSTR/GPS）1993年

18、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第40頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS全球定位系統(tǒng)體制：多星、高軌、高頻、測時測距系統(tǒng)構成：空間衛(wèi)星星座系統(tǒng) 地面監(jiān)控系統(tǒng) 用戶設備特點：全球覆蓋、全天候、連續(xù)實時、高精度三維導航與定位、被動式、抗干擾性能好、保密性強。第41頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五第42頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS探空系統(tǒng) 通過探空儀上的GPS自動測定探空儀所在位置的三維座標，無須雷達跟蹤即可計算風隨高度的分布。探空儀上的

19、氣象參數(shù)傳感器進行氣象要素測量。 完成了原理機的研制，進行了探測試驗，開發(fā)了配套軟件，已可進行實驗性探測。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS探空儀子系統(tǒng)結構示意圖第44頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五Outward appearance of antenna第45頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS探空儀(室內部分)第46頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五Temperature measuring range: -90-105Temperature accuracy: 0.5Humidit

20、y measuring range: 0-100%RHHumidity accuracy: 5%RHPressure measuring range: 5-1050HpaPressure accuracy: 1HpaWind direction accuracy: 3Wind speed accuracy: 0.3m/sTransmission frequency: 400-406MHzTransmission power: 300mWChannel band width: 20kHzData rate: 1200bitModulation mode: FMTransmission anten

21、na: 1/4Receiving frequency: 400-406MHzSpecifications第47頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五 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。第48頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五 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，有相當高的時空密度。還可利用低軌衛(wèi)星（LEO）低

22、功率激光器測風。第49頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS/MET 探測空基： 低軌衛(wèi)星 LEO 掩星技術 測密度氣壓溫度濕度廓線 LEO 低功率激光器測風地基： 測整層水汽總量 傾斜路徑水汽總量及時間 變化 層析技術反演大氣水汽量 垂直分布第50頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS / MET ProgramLEO 低軌道衛(wèi)星和ROT無線電掩星技術 低軌衛(wèi)星高度750Km，每天可以觀測到500次GPS衛(wèi)星升降過程，電磁波在大氣中由于折射率變化改變傳播方向和時間，從而可以反演溫度、水汽垂直分布，亦可得到電離層電子濃度垂直分布。第51頁，共64

23、頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS / MET Observations空基GPS氣象學 第52頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五 第53頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五1 Hour Global Data 200 LEO Satellites第54頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五Global Winds from LEO Satellites第55頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五GPS/MET氣象探測的優(yōu)勢1、對對流層中高層-平流層溫度垂直探測、水汽垂直分布探測有明顯優(yōu)勢2、垂直分辨率高，平流層1.5Km，對流層200-500m3、不受氣溶膠、云、降水影響4、不需要用探空資料作初值場5、經(jīng)濟，穩(wěn)定，可靠局限性：水平分辨率差，低對流層精度差第56頁，共64頁，2022年，5月20日，0點10分，星期五 美國正在努力推進，并與臺灣合作（COSMIC），與俄羅斯和歐洲合作（AMORE），在極軌氣象衛(wèi)星上安裝GPS接收機等。通過國際互聯(lián)網(wǎng)，可以獲得有關探測資料，加以應用。美國已決定使民事定位精度由100米提高到10米以下，并宣布在2010年將建成精確度更高的