現(xiàn)代大氣探測(cè)學(xué)-第4講-溫度的測(cè)量-夏俊榮(南京信息工程大學(xué) 大氣探測(cè)學(xué))

南京信息工程大學(xué)夏俊榮現(xiàn)代大氣探測(cè)學(xué)

致謝

本課程多媒體教材是在蘭州大學(xué)張文煜教授的同類教材基礎(chǔ)之上修改完成，此外還得到了其他諸位老師的幫助，在此謹(jǐn)表示衷心感謝。

第四講溫度的觀測(cè)知識(shí)結(jié)構(gòu)概述玻璃液體溫度表雙金屬片溫度計(jì)地溫的測(cè)量測(cè)溫儀器的熱滯現(xiàn)象氣溫測(cè)量中的防輻射設(shè)備電測(cè)溫度表氣象應(yīng)用？？

從宏觀上講，溫度是反映物體冷熱程度的一個(gè)物理量；從微觀上講，溫度是描述大量分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的一個(gè)物理量，也就是說它反映了大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度

當(dāng)兩個(gè)冷熱不同的物體相互接觸時(shí)就會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，較熱的物體總是將熱量傳送到較冷的物體，直到這兩個(gè)物體的冷熱程度相同為止，這就是熱平衡§1概述用溫度表來(lái)測(cè)量物體溫度的依據(jù)是什么呢？達(dá)到熱平衡的不同物體具有相同的溫度§1概述§1概述我們把衡量溫度的尺度稱為溫標(biāo)。那么常用的溫標(biāo)有哪幾種呢？（1）攝氏溫標(biāo)（℃）：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將純水的冰點(diǎn)定為0℃，純水的沸點(diǎn)定為100℃，中間作100等分，以每一等分為1℃，用t表示（2）華氏溫標(biāo)（℉）：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將純水的冰點(diǎn)定為32℉，純水的沸點(diǎn)定為212℉，中間分為180等分，每一等分為1℉，用τ表示（3）熱力學(xué)溫標(biāo)（K）：亦稱為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)或絕對(duì)溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)。這是一個(gè)理想而又科學(xué)的溫標(biāo)，它用單一固定點(diǎn)來(lái)定義，它規(guī)定水的三相點(diǎn)為273.16K，用T表示三種溫標(biāo)之間的換算關(guān)系：§1概述§1概述

從1990年開始，通用的溫標(biāo)是“國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90）”，它是根據(jù)若干個(gè)可再現(xiàn)的平衡狀態(tài)溫度的認(rèn)定值和在這些溫度下校準(zhǔn)的專用儀器確定的。在ITS定義的固定點(diǎn)之外，設(shè)置了一些氣象上關(guān)注的二類參考點(diǎn)ITS定義的固定點(diǎn)和二類參考點(diǎn)類型平衡態(tài)國(guó)際溫標(biāo)的認(rèn)定值K℃ITS固定點(diǎn)氬的固相、液相和氣相間的平衡（氬的三相點(diǎn)）83.8058-189.3442水銀的固相、液相和氣相間的平衡（水銀的三相點(diǎn)）234.3156-38.8344水的固相、液相和氣相間的平衡（水的三相點(diǎn)）273.160.01鎵的固相和液相間的平衡（鎵的凝固點(diǎn)）302.914629.7646銦的固相和液相間的平衡（銦的凝固點(diǎn)）429.7485156.5985二類參考點(diǎn)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0時(shí)，二氧化碳的固相和氣相間的平衡（二氧化碳的升華點(diǎn)）。溫度t作為二氧化碳蒸汽壓的函數(shù)，由下式給出：其中p是大氣壓，溫度范圍從194K到195K194.686-78.464在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，水銀的固相和液相間的平衡（水銀的凝固點(diǎn)）234.296-38.854在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，冰與含飽和空氣的水之間的平衡（冰點(diǎn)）273.150.00苯酚鹽（二苯醚）的固相、液相和氣相間的平衡（苯酚鹽的三相點(diǎn)）300.01426.864§1概述

從-259.34℃到630.74℃之間使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器是鉑電阻溫度表，它的電阻比R100/R0是1.3850，其中R100是100℃時(shí)的電阻，R0是0℃時(shí)的電阻為了建立標(biāo)準(zhǔn)儀器的指示值與ITS-90的值之間的關(guān)系，采用一些公式在固定點(diǎn)之間進(jìn)行內(nèi)插從0℃到630.74℃，在溫度t時(shí)的電阻由下式給出：

從-189.3442℃到0℃，在溫度t時(shí)的電阻由下式給出：式中：Rt是鉑絲在溫度t時(shí)的電阻，R0是鉑絲在溫度0℃時(shí)的電阻，而A、B和C是在水的沸點(diǎn)、鋅的凝固點(diǎn)和氧的沸點(diǎn)時(shí)由Rt的測(cè)量值得出的常數(shù)§1概述1直接接觸的測(cè)溫方法

常規(guī)測(cè)溫儀器有溫度表和溫度計(jì)兩類，都是將儀器的感溫元件和被測(cè)物體接觸，待兩者達(dá)到熱平衡時(shí)，測(cè)得感溫元件的形體和特性變化，從而可知被測(cè)物體的溫度2遙感的測(cè)溫方法

遙感的測(cè)溫方法是根據(jù)接收來(lái)自被測(cè)物的電磁波或聲波信息，來(lái)探測(cè)被測(cè)物溫度。這類儀器不需要使感應(yīng)元件與被測(cè)物直接接觸，因此稱為遙感測(cè)溫

溫度觀測(cè)一般包括空氣的溫度（簡(jiǎn)稱氣溫）、地溫以及水面溫度。單位以攝氏度（℃）表示，取一位小數(shù)氣溫的測(cè)定項(xiàng)目有：定時(shí)氣溫，日最高氣溫，日最低氣溫，配有溫度計(jì)的氣象站做氣溫的連續(xù)記錄。地溫是下墊面溫度和不同深度的土壤溫度的統(tǒng)稱。下墊面溫度包括裸露土壤表面的地面溫度、草面（或雪面）溫度及最高、最低溫度。淺層地溫包括離地面5，10，15，20厘米深度的地中溫度。較深層地溫包括離地面40，80，160，320厘米深度的地中溫度。測(cè)量氣溫的儀器主要有干球溫度表、最高溫度表、最低溫度表、溫度計(jì)、鉑電阻溫度傳感器；測(cè)量地溫的儀器主要有玻璃液體地溫表和鉑電阻地溫傳感器§2玻璃液體溫度表

玻璃液體溫度表的感應(yīng)部分是一個(gè)充滿液體的玻璃球或柱，一根一端封閉的玻璃毛細(xì)管與它相連。常用的測(cè)溫液體有水銀、灑精和甲苯等，它們的物理性質(zhì)見下表。溫度表可以根據(jù)不同的測(cè)溫目的，選用不同的測(cè)溫液體液體凝固點(diǎn)(℃)

沸點(diǎn)（℃）熱膨脹系數(shù)（18℃時(shí)）導(dǎo)熱系數(shù)(J/cm2.s.℃)比熱(J/g.℃)對(duì)玻璃的作用易否變質(zhì)純度水銀-38.86356.9182×10-6

83.6×10-3

0.1256不沾濕玻璃不易易得酒精-117.378.5110×10-5

18.0×10-4

2.15沾濕玻璃易不易甲苯-95.1110.5109×10-5

15.9×10-4

1.63沾濕玻璃易易得水銀、酒精、甲苯的物理性質(zhì)

§2玻璃液體溫度表

§2玻璃液體溫度表玻璃液體溫度表的構(gòu)造原理是什么？

玻璃液體溫度表是利用裝在玻璃容器中的測(cè)溫液體隨溫度改變引起的體積膨脹，從液柱位置的變化來(lái)測(cè)定溫度的

設(shè)溫度為0℃時(shí)，表內(nèi)液體的體積為Ｖ０，液體和玻璃的膨脹系數(shù)為μ和γ，毛細(xì)管的截面積為Ｓ，當(dāng)溫度改變△ｔ℃時(shí)，液體的體積改變△Ｖ，液柱的長(zhǎng)度改變△Ｌ，則

△Ｖ＝V0[1+(μ-γ)Δt]-V0=V0(μ-γ)Δt△Ｌ＝△V/S=V0(μ-γ)Δt/S△Ｌ/△ｔ＝V0(μ-γ)/S玻璃液體溫度表的靈敏度？§2玻璃液體溫度表（1）基點(diǎn)的永恒位移玻璃液體溫度表球部的容積隨時(shí)間增加而縮小，以致基點(diǎn)不斷提高，即所謂基點(diǎn)的永恒位移。這在制成溫度表的初期很明顯，以后位移逐漸減小。一般制造溫度表均需用特種玻璃。采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫玻璃制造的溫度表，五年中基點(diǎn)的永恒位移僅為0.05℃，以后提高甚微測(cè)量誤差§2玻璃液體溫度表

（2）玻璃變形引起的誤差當(dāng)溫度由低溫升至高溫后，再令其急速冷卻到初始的溫度時(shí)，溫度表的指示會(huì)偏低。爾后逐漸恢復(fù)正常，稱之暫時(shí)跌落。升溫的范圍，升溫和降溫的速率，以及玻璃的種類對(duì)跌落值的大小都有影響。反之，當(dāng)高溫降至低溫，再令急劇增溫時(shí)，則溫度表的指示會(huì)偏高。這是由于玻璃升溫或降溫后其剩余膨脹不能立即消失的緣故。溫度表經(jīng)過重復(fù)處理后，可以人為地“老化”，可大大減小暫時(shí)跌落測(cè)量誤差§2玻璃液體溫度表

（3）刻度誤差劃分刻度是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行等分。由于標(biāo)尺刻度不均勻，標(biāo)尺零點(diǎn)位置不準(zhǔn)確，毛細(xì)管截面積不均勻，液體和玻璃膨脹系數(shù)的非線性，都將使溫度表的刻度出現(xiàn)誤差測(cè)量誤差

上述誤差可以通過對(duì)儀器的檢定，得出訂正值，并編制成檢定證，使用時(shí)對(duì)讀數(shù)加以訂正§2玻璃液體溫度表常用的玻璃液體溫度表（1）干濕球溫度表干濕球溫度表由兩支型號(hào)完全一樣的溫度表組成。其中干球溫度表用于測(cè)定1.5米高度處的氣溫§2玻璃液體溫度表常用的玻璃液體溫度表（2）最高溫度表最高溫度表的構(gòu)造與一般溫度表不同，它的感應(yīng)部分內(nèi)有一玻璃針，伸入毛細(xì)管，使感應(yīng)部分與毛細(xì)管之間形成一窄道。當(dāng)溫度升高時(shí)，感應(yīng)部分水銀體積膨脹，擠入毛細(xì)管；而溫度下降時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)的水銀，由于通道窄，卻不能縮回感應(yīng)部分，因而能指示出上次調(diào)整后這段時(shí)間內(nèi)的最高溫度最高溫度表示意圖§2玻璃液體溫度表（3）最低溫度表最低溫度表中的感應(yīng)液是酒精，它的毛細(xì)管內(nèi)有一啞鈴形游標(biāo)。當(dāng)溫度下降時(shí)，酒精柱便相應(yīng)下降，由于酒精柱頂端張力作用，帶動(dòng)游標(biāo)下降；當(dāng)溫度上升時(shí)，酒精膨脹，酒精柱經(jīng)過游標(biāo)周圍慢慢上升，而游標(biāo)仍停在原來(lái)位置上，因此它能指示上次調(diào)整以來(lái)這段時(shí)間內(nèi)的最低溫度常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表（4）地面溫度表地面溫度表（又稱０厘米溫度表），地面最高和最低溫度表的構(gòu)造和原理，與測(cè)定氣溫用的溫度表基本相同常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表

（5）曲管地溫表

5,10,15,20厘米曲管地溫表的構(gòu)造和原理亦基本同上，只是表身下部伸長(zhǎng)、長(zhǎng)度不一，并且在感應(yīng)部分上端彎折，與表身成135°夾角常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表

（6）直管地溫表

40,80,160,320厘米直管地溫表是裝在帶有銅底帽的管形保護(hù)框內(nèi)，保護(hù)框中部有一長(zhǎng)孔，使溫度表刻度部位顯露，便于讀數(shù)。保護(hù)框的頂端連接在一根木棒（或三節(jié)棒）上，木棒長(zhǎng)度依深度而定。整個(gè)木棒和地溫表（保護(hù)框）又放在一根硬橡膠套管內(nèi)。木棒頂端有一個(gè)金屬蓋，恰好蓋住硬橡膠套管。木棒上幾處纏有絨圈，金屬蓋內(nèi)裝有氈墊，以阻滯管內(nèi)空氣對(duì)流和管內(nèi)外空氣交換，也可防止降水等物落入常用的玻璃液體溫度表§3雙金屬片溫度計(jì)

雙金屬片溫度計(jì)是自動(dòng)記錄氣溫連續(xù)變化的儀器。它由感應(yīng)部分、傳遞放大部分、自記部分組成§3雙金屬片溫度計(jì)１感應(yīng)部分

感應(yīng)部分是一個(gè)雙金屬片。雙金屬片具有受溫度變化而發(fā)生形狀和曲率變化的特性，可利用這種特性測(cè)量溫度

雙金屬片是將兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片焊接在一起。如果膨脹系數(shù)大的金屬片在下面，膨脹系數(shù)小的金屬片在上面，當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片將成凹形，溫度降低時(shí)成凸形，隨著溫度的變化，雙金屬片的曲率也就隨之變化，這樣就可利用雙金屬片曲率隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度question§3雙金屬片溫度計(jì)

如果固定雙金屬片的一端，另一端作為自由端可以隨溫度變化自由移動(dòng)，那么自由端的位移量和溫度的變化是何關(guān)系呢?§3雙金屬片溫度計(jì)

設(shè)溫度為零度時(shí)，雙金屬片是平直的，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，當(dāng)溫度為ｔ時(shí)，雙金屬片產(chǎn)生了彎曲，由于兩個(gè)金屬片的膨脹系數(shù)不一樣，因此，其長(zhǎng)度分別為：Ｌ1＝L0(1+α1t)Ｌ2＝L0(1+α2t)Ｌ1＝(R+1/2h1)Ψ

Ｌ2＝(R-1/2h2)Ψ

彎曲的雙金屬片可視為以Ｒ為半徑（以焊接面計(jì)算即雙金屬片的中間），以Ｏ點(diǎn)為圓心的一段圓弧，圓心角為ψ弧度。如果取雙金屬片的厚度分別為h1、h2，則其長(zhǎng)度又可表示為:

§3雙金屬片溫度計(jì)

若此時(shí)，雙金屬片焊接面自由端的位移量為λ，則：

λ＝Ｒ－Ｒcosψ=2Rsin2(ψ/2)

當(dāng)ψ很小時(shí)，可以認(rèn)為Ｒ≈L0/ψ,

sin2(ψ/2)≈(ψ/2)2=ψ2/4雙金屬片自由端位移量的大小是與溫度變化成正比的，故溫度自記紙具有等分的刻度§3雙金屬片溫度計(jì)２傳遞放大部分

主要作用是把雙金屬片變形的位移量，進(jìn)行傳遞和放大。這是因?yàn)殡p金屬片的位移量是很小的，需要在本部分中利用杠桿原理加以放大；為了將感應(yīng)部分所得的溫度信號(hào)記錄下來(lái)，也需要通過本部分傳遞到記錄部分３自記部分

包括自記鐘、自記紙和自記筆三部分溫度計(jì)應(yīng)穩(wěn)固地安裝在大百葉箱中下面架子上，底座保持水平，感應(yīng)部分中部離地1.5m§4電測(cè)溫度表4.1熱電偶溫度表

利用熱電原理進(jìn)行溫度測(cè)量的儀器稱為熱電偶溫度表

若將兩個(gè)不同的金屬導(dǎo)體，連接成一個(gè)閉合回路。由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處就會(huì)發(fā)生電子的擴(kuò)散，若兩端接觸點(diǎn)的溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，回路中就有電流產(chǎn)生。接觸點(diǎn)的溫差越大，回路中電動(dòng)勢(shì)也就越大，這種現(xiàn)象叫熱電現(xiàn)象

§4電測(cè)溫度表4.1熱電偶溫度表

利用熱電現(xiàn)象的裝置稱為熱電偶或溫差電偶利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的儀器稱熱電偶溫度表實(shí)驗(yàn)表明，在氣象測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電偶電動(dòng)勢(shì)Ｅ和溫度差（t2-t1）有這樣的關(guān)系：

式中ε為與兩金屬性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，稱為熱電系數(shù)熱電現(xiàn)象§4電測(cè)溫度表

根據(jù)導(dǎo)體的物理性質(zhì)及所組成的熱電回路的電流方向，可以將各種金屬導(dǎo)體排列成一定的次序

一些常用金屬的熱電序?yàn)椋恒G、康銅、鎳、鈷、鉑、鋁、鎂、鉛、錫、銀、錳銅、銅、鎘、鐵、銻、硅§4電測(cè)溫度表

一般由于溫差電動(dòng)勢(shì)很小，為了提高測(cè)溫靈敏度，往往將若干對(duì)熱電偶串連起來(lái)，組成熱電堆§4電測(cè)溫度表

一種是測(cè)定熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的電位計(jì)法；另一種是測(cè)定熱電偶回路中電流的檢流計(jì)法§4電測(cè)溫度表

感應(yīng)元件體積小、慣性系數(shù)小、受輻射影響較小。常用于測(cè)量小空間的脈動(dòng)溫度和平均溫度，對(duì)直接測(cè)量近地層溫度梯度也十分有利。另外，測(cè)量時(shí)不需要供電電流，可以避免電源系統(tǒng)造成測(cè)量誤差§4電測(cè)溫度表

熱電偶測(cè)溫的誤差來(lái)源主要是熱電偶焊接點(diǎn)清洗不干凈，元件和焊劑受潮氧化，在焊接點(diǎn)附近產(chǎn)生電解物質(zhì)而產(chǎn)生的附加化學(xué)電動(dòng)勢(shì)引起的誤差以及導(dǎo)線導(dǎo)熱的誤差4.2金屬電阻溫度表

金屬導(dǎo)體電阻的阻值隨溫度的升高而增大Rt=R0(1+αt)

根據(jù)電阻和溫度的這種關(guān)系，只要測(cè)定金屬電阻的阻值，就可知導(dǎo)體所處環(huán)境的溫度金屬在0℃時(shí)的電阻率（表征物質(zhì)電阻特性的物理量）電阻絲長(zhǎng)度電阻絲橫截面積金屬電阻的溫度系數(shù)4.2金屬電阻溫度表（1）電阻元件具有較大的電阻溫度系數(shù)（2）電阻元件與溫度有很好的線性關(guān)系（3）電阻元件的電阻率大（4）電阻元件的物理和化學(xué)性能穩(wěn)定

氣象上，常用于測(cè)溫的金屬電阻材料，有鉑、鎳、銅幾種4.2金屬電阻溫度表

鉑電阻的性能穩(wěn)定，電阻率大，易于提純，而且電阻與溫度的線性關(guān)系較好，工藝性能也好，可以加工成極細(xì)的鉑絲，常用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)溫度表。鉑電阻地溫傳感器的測(cè)量原理與鉑電阻氣溫傳感器相同，測(cè)量草溫及雪面溫度用同一傳感器，其性能與氣溫傳感器相同，但是測(cè)量土壤溫度的傳感器外形較粗，時(shí)間常數(shù)較大4.2金屬電阻溫度表

銅電阻的線性度最好，價(jià)格也低，但電阻率小，易氧化，不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性，主要用于低溫測(cè)量鎳電阻的電阻率和電阻溫度系數(shù)都較大，但電阻與溫度的線性關(guān)系差，穩(wěn)定性不好4.3熱敏電阻溫度表RT=A?eB/T

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，因此它具有負(fù)溫度系數(shù)。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)載流子受熱激發(fā)，使載流子濃度大大增加，從而使半導(dǎo)體電阻值急劇下降

根據(jù)電阻和溫度的這種關(guān)系，只要測(cè)定電阻的阻值，就可知半導(dǎo)體所處環(huán)境的溫度4.3熱敏電阻溫度表

半導(dǎo)體熱敏電阻可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量，而且測(cè)量的靈敏度也高。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值很大，比金屬電阻高。因此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量精確度不會(huì)有很大影響4.3熱敏電阻溫度表

實(shí)驗(yàn)指出，熱敏電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，必須通過轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化。線性化方法，可以在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，選用適當(dāng)?shù)碾娐放c熱敏元件串聯(lián)，利用“拐點(diǎn)法”原理，將電流—

溫度曲線進(jìn)行線性化處理；也可以用平衡電橋、不平衡電橋的線性化輸出線路來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化常見的熱敏電阻有桿狀、片狀和球狀等不同種類熱敏電阻元件的缺點(diǎn)主要是：熱敏電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，穩(wěn)定性較差，互換性不好。因此，測(cè)溫用的熱敏電阻要經(jīng)過嚴(yán)格挑選和多次驗(yàn)證，在使用中若發(fā)現(xiàn)其特性有變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行比較檢定

4.4電阻的測(cè)量

用電阻溫度表測(cè)量溫度，實(shí)際上就是對(duì)元件電阻的測(cè)量。因此，溫度測(cè)量的精確度取決于電阻測(cè)量的精確度。對(duì)電阻的測(cè)量通常都是采用電橋式測(cè)量電路一、平衡電橋法

將電阻溫度表的電阻Rt作為電橋的一個(gè)臂，R1

和為R2為固定電阻，R3為可變電阻。當(dāng)電橋平衡時(shí)

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，Rt就有變化，使電橋平衡被破壞，此時(shí)調(diào)節(jié)R3，使電橋重新恢復(fù)平衡狀態(tài)?？梢奟t隨溫度的變化僅對(duì)應(yīng)于R3，故我們只需將R3的變化刻成溫度刻度，便可用平衡電橋直接測(cè)出溫度來(lái)平衡電橋法的測(cè)量精度較高，一般測(cè)量多采用此法

4.4電阻的測(cè)量4.4電阻的測(cè)量二、不平衡電橋法

平衡電橋法的一個(gè)缺點(diǎn)是每次測(cè)量時(shí)，都必須調(diào)整電橋的平衡，因此不能用于測(cè)量迅速變化的溫度脈動(dòng)。對(duì)于溫度的脈動(dòng)變化，要用不平衡電橋法來(lái)測(cè)量。

將電阻溫度表的電阻Rt仍作為電橋的一個(gè)臂，R1、R2和R3都是固定電阻。當(dāng)Rt變化時(shí)，由于Ｄ、Ｂ兩點(diǎn)電壓不等，電流表Ｇ中就會(huì)有電流Ig通過，其數(shù)值為Ｅ為電源電壓，Rg為電流表內(nèi)阻4.4電阻的測(cè)量二、不平衡電橋法

由于式中除Rt外，其余全是固定電阻，因此，當(dāng)Ｅ一定時(shí)，Ig只與Rt有關(guān)，也就是說Ig的大小僅與溫度變化有關(guān)。故我們只需將電流表按溫度數(shù)值刻度，便可用不平衡電橋直接測(cè)出溫度來(lái)§5地溫的測(cè)量

地溫是地表溫度和不同深度的土壤溫度的統(tǒng)稱，測(cè)量地溫的儀器主要有玻璃液體地溫表和鉑電阻地溫傳感器5.1地溫5.1地溫

1.地表面及貼地層的溫度梯度往往很大，要使傳感器只與土壤表面進(jìn)行熱交換，而不受地表面以下土壤或貼地層空氣的影響是不可能的

2.防輻射問題不能用遮蔽陽(yáng)光的方法，否則遮蔽處的熱交換狀況與周圍地表將有所不同，而不加遮蔽則陽(yáng)光直射造成輻射誤差影響增大

3.即使同一塊地面（裸地），由于地表不同部位的物理、化學(xué)性能的差別以及平整度和土壤顆粒大小不同，測(cè)出來(lái)的溫度也會(huì)有較大的差別5.1地溫

測(cè)量土壤表面溫度理想的儀器是非接觸式的紅外輻射計(jì)世界各國(guó)對(duì)地表溫度測(cè)量?jī)x器的安裝方法不盡相同，有的將傳感器直接放在地面；有的將傳感器的一半埋在地中一半暴露在空氣中；還有的則不進(jìn)行土壤表面溫度觀測(cè)測(cè)量地中溫度相對(duì)較容易和準(zhǔn)確。因?yàn)闇囟葌鞲衅髀袢氲刂兄慌c周圍土壤進(jìn)行熱交換，不受其他條件影響，同時(shí)深度越深地中溫度變化越緩慢5.2地溫測(cè)量?jī)x器的使用

1.地面溫度表

地面溫度表（又稱０厘米溫度表），地面最高和最低溫度表

2.曲管地溫表

5,10,15,20厘米曲管地溫表

3.直管地溫表

40,80,160,320厘米直管地溫表5.2地溫測(cè)量?jī)x器的使用4.地面和淺層地溫傳感器

地溫傳感器一般使用鉑電阻地溫傳感器自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中的地面溫度和淺層地溫的觀測(cè)地段，設(shè)在原安裝地面溫度表和曲管地溫表東側(cè)的裸地內(nèi)，地表應(yīng)疏松、平整、無(wú)草，并與觀測(cè)場(chǎng)地相平5.2地溫測(cè)量?jī)x的使用5.深層地溫傳感器

深層(40、80、160、320cm)地溫傳感器各安裝在一根木棒(或三節(jié)棒)上，木棒的長(zhǎng)度依深度而定(可使用原直管地溫表的木棒)，整個(gè)木棒及傳感器放在專用套管內(nèi)。木棒頂端有一個(gè)金屬蓋，用以蓋住專用套管，木棒上幾處纏有絨圈，金屬蓋內(nèi)裝有氈墊，以阻滯管內(nèi)空氣對(duì)流和管內(nèi)外空氣交換，也可防止降水等物落入。專用套管安裝在人工觀測(cè)的直管地溫表套管的南側(cè)50cm處，并一一對(duì)應(yīng)。然后將傳感器安裝在相應(yīng)的專用套管內(nèi)

5.2地溫測(cè)量?jī)x的使用5.2地溫測(cè)量?jī)x的使用6.草面（或雪面）溫度傳感器

草面或雪面溫度傳感器仍使用鉑電阻傳感器。草溫或雪溫的觀測(cè)區(qū)域位于裸地地溫觀測(cè)區(qū)西側(cè)，草地面積約1平方米。傳感器安裝在距地6cm高度處，并與地面大致平行。連接電纜大部分埋設(shè)在土壤中，但在傳感器一端有0.5m左右的電纜露出地面，可方便移動(dòng)在冬季，當(dāng)有降雪但未淹沒草層時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行草溫觀測(cè)。當(dāng)積雪淹沒草層時(shí)，將傳感器置于原來(lái)位置的雪面上，一半埋在雪中，一半露出雪面，這時(shí)測(cè)量雪面溫度。觀測(cè)雪面溫度時(shí)，如雪層發(fā)生變化，應(yīng)在巡視時(shí)將傳感器重新置于雪面上。積雪融化后，繼續(xù)觀測(cè)草溫。草溫和雪溫觀測(cè)的切換應(yīng)在20時(shí)進(jìn)行當(dāng)草株高度超過10cm時(shí)，應(yīng)修剪草層高度§6測(cè)溫儀器的熱滯現(xiàn)象什么是熱滯現(xiàn)象呢？

溫度表在與被測(cè)介質(zhì)接觸后，如果兩者溫度不同，就要產(chǎn)生熱量交換，以逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。但是進(jìn)行熱量交換，建立熱平衡需要一定的時(shí)間，這就是說，溫度表不是瞬間即可取得被測(cè)介質(zhì)的溫度，它需要有一段感應(yīng)時(shí)間。也就是說，溫度表反映出介質(zhì)的溫度變化，總是落后于實(shí)際變化的，溫度表的這種性質(zhì)稱為熱慣性或熱滯現(xiàn)象，由此引起的誤差稱為熱慣性誤差或熱滯誤差§6測(cè)溫儀器的熱滯現(xiàn)象那用什么來(lái)描述這種現(xiàn)象呢？熱滯系數(shù)！！6.1熱滯系數(shù)

溫度表與被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行熱量交換的過程可以用下式表示：

dQ=-hs(t-θ)dτ式中：dQ是溫度表在時(shí)間dτ內(nèi)吸收（或損失）的熱量ｈ是溫度表與介質(zhì)的熱交換系數(shù)Ｓ是實(shí)現(xiàn)熱量交換作用的溫度表的表面積ｔ是溫度表的溫度

θ是介質(zhì)溫度，負(fù)號(hào)表示熱量從高溫流向低溫6.1熱滯系數(shù)

當(dāng)熱量交換時(shí)，溫度表溫度的變化決定于它所取得的熱量，以下式表示：

dQ=mcdt

ｍｃ是溫度表的熱容量上述兩式聯(lián)立得出：

其中λ＝mc/hs稱為熱滯系數(shù)。從式中可以看出：溫度表感應(yīng)介質(zhì)溫度的速度，與λ值成反比，λ值越小，ｔ趨近于θ就越快。要使溫度表的熱滯系數(shù)小，必須選用比熱小，質(zhì)量小的測(cè)溫元件，并增大感應(yīng)表面積和熱交換系數(shù)，而熱交換系數(shù)的大小取決于介質(zhì)流速大小，這樣λ的大小也就與風(fēng)速有一定關(guān)系6.1熱滯系數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中Ｋ為與感應(yīng)元件形狀有關(guān)的系數(shù)，ρ為空氣密度，Ｖ為通風(fēng)速度。表５－２給出幾種不同類型溫度表的λ、Ｋ、ｎ值，以供參考類型球部形狀直經(jīng)(cm)V（米/秒）λ（秒）Kn玻璃水銀球形1.124.6561170.48玻璃水銀球形1.074.650980.43玻璃酒精球形1.444.6851580.416.2介質(zhì)溫度保持不變時(shí)的熱滯誤差

設(shè)θ、λ均為常數(shù)設(shè)初始條件τ＝0時(shí)，t＝t0,則：6.2介質(zhì)溫度保持不變時(shí)的熱滯誤差

1、τ一定時(shí)，λ愈小，ｔ愈趨近于θ

2、λ一定時(shí)，τ愈長(zhǎng)，ｔ愈趨近于θ

3、τ＝λ時(shí)，ｔ－θ＝(t0－θ)ｅ－1

熱滯系數(shù)λ的物理意義為：當(dāng)介質(zhì)溫度保持不變時(shí)，溫度表示度和介質(zhì)溫度之差ｔ－θ減小到起始溫度差t0－θ的１／ｅ，即減小到起始溫差的３７％時(shí)所需要的時(shí)間6.3介質(zhì)溫度呈線性變化時(shí)的熱滯誤差

介質(zhì)溫度呈線性變化時(shí)：式中是介質(zhì)溫度的變化率，是一個(gè)常數(shù)設(shè)初始條件τ＝0時(shí)，t＝t0=θ0，則當(dāng)τ/λ＞5，即感應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于熱滯系數(shù)λ時(shí)，上式簡(jiǎn)化為ｔ－θ＝－βλ，說明ｔ－θ為一常數(shù)，且βλ的乘積越大，熱滯誤差越大；β為正時(shí)，ｔ<θ，即儀器溫度示度偏低，β為負(fù)時(shí)，ｔ>θ，即儀器溫度示度偏高?某日上午08時(shí)至09時(shí)氣溫線性增加6℃，此時(shí)使用某雙金屬片溫度計(jì)測(cè)量氣溫，該溫度計(jì)熱滯系數(shù)為360s，問該溫度計(jì)測(cè)溫的熱滯誤差是多少？6.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時(shí)的熱滯誤差

介質(zhì)溫度呈簡(jiǎn)單的周期為Ｔ、振輻為Ａ的正弦變化形式時(shí)，

設(shè)初始條件τ＝0時(shí)，ｔ＝θ，則

6.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時(shí)的熱滯誤差（1）溫度表示度也呈周期性變化，其周期也是Ｔ（2）溫度表示度的振輻小于介質(zhì)溫度的振輻，為介質(zhì)振輻的（3）溫度表示度有位相落后，其落后相角為

從以上分析可以看出，只有當(dāng)Ｔ>>λ時(shí)，示度的變化才能充分接近實(shí)際溫度的變化介質(zhì)溫度呈周期性變化時(shí)溫度表熱滯對(duì)振幅和相位落后的影響52.510.50.250.10.050.0250.0180.0320.0640.1570.3030.5370.8460.9540.9880.99488.286.481.072.357.532.117.48.96.56.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時(shí)的熱滯誤差

實(shí)際氣溫變化是很復(fù)雜的，不是簡(jiǎn)單的周期變化，其中往往包含著各種短周期的脈動(dòng)變化。這種復(fù)雜的溫度變化可先用傅氏級(jí)數(shù)表示，再求解。也可將任一次溫度起伏變化近似地看作正弦變化，再作定性的分析由于儀器的熱滯現(xiàn)象，使得高頻率的溫度振動(dòng)不能被反映出來(lái)，這就是說測(cè)溫儀器具有自動(dòng)平均能力，且測(cè)溫元件的熱滯系數(shù)愈大，其自動(dòng)平均能力也愈強(qiáng)熱滯系數(shù)分別為10s、240s不同溫度計(jì)觀測(cè)記錄關(guān)于氣溫測(cè)量WMO規(guī)定

分辨率0.1℃

準(zhǔn)確度±0.1℃極端氣溫準(zhǔn)確度±0.5℃當(dāng)通風(fēng)速度為5m/s時(shí)，熱滯系數(shù)30-60s

目前能達(dá)到的準(zhǔn)確度±0.2℃§7氣溫測(cè)量中的防輻射設(shè)備

由于太陽(yáng)的直接輻射、地面的反射輻射等的影響，會(huì)使測(cè)溫元件的表示度與實(shí)際氣溫存在差異。在白天強(qiáng)日射的情況下，將使元件溫度高于氣溫，導(dǎo)致較大的輻射誤差。消除和減小輻射誤差，是氣溫測(cè)量中的關(guān)鍵問題§7氣溫測(cè)量中的防輻射設(shè)備防止輻射誤差的途徑有哪些呢？屏蔽，使太陽(yáng)輻射和地面輻射不能直接照射到測(cè)溫元件上增加元件的反射率，使到達(dá)元件表面的短波輻射絕大部分被反射掉人工通風(fēng)，促進(jìn)元件與空氣之間的熱交換，減小兩者之間的溫差采用極細(xì)的金屬絲元件，減小元件的熱容量，有利于加強(qiáng)熱交換§7氣溫測(cè)量中的防輻射設(shè)備

四種方法中，屏蔽簡(jiǎn)單易行，使用最廣泛；其次是人工通風(fēng)法，一般這兩種兼而有之。不論屏蔽與否，元件和屏蔽外表面應(yīng)具有較高的反射率。由于細(xì)金屬絲直接暴露在空氣中，線路比較復(fù)雜，難于維護(hù)，只在特殊觀測(cè)中使用。下面列舉常用的防輻射設(shè)備§7氣溫測(cè)量中的防輻射設(shè)備三種常用的防輻射設(shè)備百葉箱通風(fēng)干濕表防輻射罩7.1百葉箱

百葉箱

我國(guó)氣象臺(tái)站常用的百葉箱構(gòu)造，其四壁是由雙層百葉木片組成，百葉片向內(nèi)、外傾斜各45，箱頂和箱底各由三塊寬110毫米的木板組成，中間一塊比邊上兩塊稍高，以利空氣上下流通，箱底離地面高125厘米，箱門朝正北，箱底保持水平干球溫度表濕球溫度表毛發(fā)濕度表最高溫度表最低溫度表水杯百葉箱7.2通風(fēng)干濕表

通風(fēng)干濕表有阿斯曼通風(fēng)干濕表、百葉箱通風(fēng)干濕表以及遙測(cè)通風(fēng)干濕表等，均是采用人工通風(fēng)的方法防止輻射。用來(lái)測(cè)量空氣的溫度和濕度。下面以阿斯曼通風(fēng)干濕表為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)原理作一介紹7.2通風(fēng)干濕表

阿斯曼通風(fēng)干濕表內(nèi)裝相同的兩支溫度表。溫度表球部處于雙層防輻射套管的中心，套管外表面電鍍上具有良好反射率的鉻層。儀器上部是一個(gè)通風(fēng)器，它可以以發(fā)條或微型電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通風(fēng)器扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)將空氣從溫度表球部所處的套管口吸入，經(jīng)叉管和主管流至扇葉，然后排出儀器之外7.2通風(fēng)干濕表

其中雙層防輻射套管的結(jié)構(gòu)必須考慮以下幾點(diǎn)：（1）內(nèi)、外套管之間必須設(shè)有隔熱墊片，以免熱量傳入內(nèi)部感應(yīng)元件（2）外套管外壁必須具有良好的反射率，能夠把絕大部分的太陽(yáng)直接輻射及反射輻射反射出去，以防止輻射增熱（3）外套管與叉管間必須有隔熱環(huán)（4）通風(fēng)器吸進(jìn)的空氣必須首先與溫度表的干、濕元件接觸（5）保持一定的通風(fēng)速度，溫度表球部附近的通風(fēng)速度在2.0－3.0米／秒7.3防輻射罩

防輻射罩有輕便防輻射罩和小型防輻射罩兩種。主要在野外考察時(shí)使用輕便防輻射罩是利用自然通風(fēng)的防輻射裝置。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，罩的上板為傘形金屬薄板，下板為金屬平板與傘板相連，金屬板外測(cè)鍍鉻具有良好反射率，向內(nèi)的一面涂黑，以便吸收罩內(nèi)層的輻射，使其不能反射到傳感器上。兩塊金屬板之間嵌有兩塊透明的有機(jī)玻璃，傳感器就安置在它們之間的夾層中，板的作用是為了隔絕金屬板上的熱對(duì)流§8氣象應(yīng)用

溫度是基本的氣象要素之一，大氣中發(fā)生的熱力過程、動(dòng)力過程和水汽相變過程都與空氣的溫度有著密切的關(guān)系空氣溫度每時(shí)每刻都在影響人們的生活、工作及一切活動(dòng)，特別是災(zāi)害性氣溫（霜凍、持久的異常低溫、酷暑干旱中的持久異常高溫）常會(huì)給工農(nóng)業(yè)帶來(lái)?yè)p失。此外，氣溫也是決定大氣狀況的基本要素，它的高低直接決定一些天氣現(xiàn)象的生消，例如最低氣溫與霜凍、輻射霧的形成，以及最高氣溫與雷雨、冰雹的形成都有密切關(guān)系當(dāng)在農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)出現(xiàn)低于農(nóng)作物要求的較低溫度則會(huì)使作物受害。南方春季水稻育秧期出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的低溫連陰雨天氣時(shí)，會(huì)造成大面積爛種、爛秧。夏季我國(guó)東北地區(qū)的低溫可使農(nóng)作物生長(zhǎng)受阻，到秋霜來(lái)臨時(shí)成熟不完全或籽粒不實(shí)而減產(chǎn)。有的年份可造成上百億公斤的糧食損失§8氣象應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)由于大氣中的二氧化碳的含量日益增多，溫室效應(yīng)造成的全球氣候變暖已引起國(guó)際社會(huì)的極大關(guān)注。越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到，這將成為一種未來(lái)氣候變化的主要趨勢(shì)。氣候變暖導(dǎo)致世界上許多冰川消融，海平面上升，這將使許多國(guó)家和地區(qū)的沿海低地被海水淹沒；另外，氣候變暖會(huì)造成全球氣候格局的變化，會(huì)造成長(zhǎng)期的干旱和沙塵暴，旱澇的頻率可能增大，暴風(fēng)、颶風(fēng)、洪水，森林火災(zāi)將更加頻繁。過去20年間頻繁出現(xiàn)的厄爾尼諾現(xiàn)象也是地球長(zhǎng)期高溫導(dǎo)致的結(jié)果。厄爾尼諾現(xiàn)象是指赤道太平洋中東部每隔幾年發(fā)生的一次大規(guī)模海水溫度異常增高的現(xiàn)象。該現(xiàn)象導(dǎo)致海洋生物減少、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率增加以及大洋沿岸經(jīng)常出現(xiàn)巨浪滔天的現(xiàn)象氣候變暖對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的危害也是很大的，最終會(huì)導(dǎo)致人類食物的減少。炎熱的天氣使更多的水變成水蒸汽，使可供人類飲用的淡水資源日益枯竭。水資源的減少也使牲畜飲水和灌溉莊稼等面臨困難。而且隨著全球氣溫上升，氣候變化異常，昆蟲、細(xì)菌、原生動(dòng)物、病毒繁衍迅速，大批的有益天敵死亡，人的抵抗能力和免疫能力下降，一些瘟疫將對(duì)人類造成嚴(yán)重的威脅§8氣象應(yīng)用

氣溫也是誘發(fā)沙塵暴發(fā)生的重要原因，在2003年到2004年冬季，中國(guó)迎來(lái)了一個(gè)低溫期，新疆北部、甘肅河西走廊、寧夏等地氣溫較歷史同期低了1到3攝氏度，個(gè)別地方還打破了最低溫度的歷史記錄；而2004年春季，西北地區(qū)卻迅速轉(zhuǎn)暖，蘭州等地更是創(chuàng)下了歷史同期高溫記錄，這種極不穩(wěn)定的氣流導(dǎo)致了那年沙塵暴的增加氣溫對(duì)火災(zāi)的發(fā)生也有一定的影響。一般來(lái)講，氣溫高的季節(jié)，濕度也大；氣溫低的季節(jié)，濕度也小。所以