氣象觀測空氣濕度的測量

氣象觀測空氣濕度的測量第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣探測觀測站第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月水熱輸送觀測儀器第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆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γ濕空氣中水汽質(zhì)量為MV，干空氣質(zhì)量為Ma：2.比濕q3.絕對濕度ρv,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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月4.水汽的摩爾分?jǐn)?shù)（水汽相對克分子數(shù)）其中：5.水汽壓當(dāng)時，(6.4)(6.5)(6.6)(6.7)第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月6.飽和水汽壓水面飽和水汽壓：固定氣壓、溫度下，純水面達(dá)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(dá)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月(2).冰面的飽和水汽壓對數(shù)（0--100℃）7.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?jǐn)?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(xí):第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月8.露點溫度(Td)、霜點溫度(Tf)Td定義：T、γ的濕空氣，P不變，降溫至Td使其對水面飽和Tf定義：T、γ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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月另外可導(dǎo)出以下常用關(guān)系式:第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆6.2干濕球溫度表第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月干濕球溫度表第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月干濕球溫度表

L

水的蒸發(fā)潛熱，h熱擴(kuò)散系數(shù)

k水汽擴(kuò)散系數(shù)，

p

大氣壓強(qiáng)其中A為干濕表系數(shù)第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月干濕球溫度表A值存在以下現(xiàn)象：（1）A值隨風(fēng)速變化大，風(fēng)速增加，A迅速減?。坏荲>3m/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(fēng)速高的時候，差異很?。唬?）元件的特征尺度d越小，A隨風(fēng)速的變化越小。第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fēng)誤差；沾污或結(jié)冰誤差玻璃溫度表的讀數(shù)可估讀到0.1

C；對相對濕度產(chǎn)生的誤差為：30

C時，誤差約1%；-30

C時，誤差約18%。我國規(guī)范規(guī)定：-10

C以下停止使用干濕球溫度表。第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月溫濕度傳感器第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子濕敏電容濕度計第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月干濕球溫度表的原理一.基本原理1.結(jié)構(gòu)：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?；由于濕球與四周空氣有溫差，則在穩(wěn)定平衡時，濕球溫度表蒸發(fā)支出的熱量應(yīng)等于與四周熱空氣交換得到的熱量h：熱擴(kuò)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(zhì)量：k：水汽擴(kuò)散系數(shù)(6.13)(6.14)第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月濕球蒸發(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(kuò)散系數(shù).(6.15)在濕球未結(jié)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(dāng)濕球結(jié)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，熱擴(kuò)散系數(shù)h和水汽擴(kuò)散系數(shù)k是通風(fēng)速度的函數(shù)，所以，A值必然與風(fēng)速有關(guān)。即d=10mmd=4mm式中V的單位為m/s,在p=1013hPa，T=17

C，Tw=11

C條件下的實驗結(jié)果。（1）N.Sworykin：A與風(fēng)速的關(guān)系（2）Wylieardlalas(1981)被WMO定第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月A值存在以下現(xiàn)象：（1）A值隨風(fēng)速變化大，風(fēng)速增加，A迅速減?。坏荲>3m/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(fēng)速高的時候，差異很?。唬?）元件的特征尺度d越小，A隨風(fēng)速的變化越小。HM-5型通風(fēng)干濕表A值與風(fēng)速的關(guān)系圖第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fēng)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月三、濕球結(jié)冰時的濕度計算公式濕球結(jié)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(guān)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月四、干濕球溫度表的測濕精度玻璃溫度表的讀數(shù)可估讀到0.1

C；對相對濕度產(chǎn)生的誤差為：30

C時，誤差約1%；-30

C時，誤差約18%。我國規(guī)范規(guī)定：-10

C以下停止使用干濕球溫度表。第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆6.3露點的測量方法

在氣壓不變條件下，濕空氣冷卻達(dá)到水面飽和（或冰面飽和）時，會有露（或霜）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(shè)計的。露點儀的組成：1.感應(yīng)器：高度拋光的金屬鏡面2.熱控裝置：冷卻器、加熱器3.凝結(jié)觀測裝置：光源系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng)第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月露點儀測濕精度：影響露點儀測濕精度的因子：1、凱爾文效應(yīng)：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(guān)系為：(6.21)(6.22)(6.23)第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月露滴的飽和水汽壓高于平面飽和水汽壓。因此，鏡面的結(jié)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(yīng)：由于空氣和鏡面有雜質(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。降低的數(shù)值與溶液的克分子濃度有關(guān)。這種效應(yīng)將使露點值偏高。

其中esw,n:為空氣中和鏡面有雜質(zhì)時的飽和水汽壓；n:雜質(zhì)的克分子數(shù)；N：總克分子數(shù)這種效應(yīng)將使露點溫度值偏高。

第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3、部分壓力效應(yīng)：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(jìn)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1000hpa時，室內(nèi)外壓差應(yīng)小于5hpa。4、正確判斷鏡面凝結(jié)相態(tài)：當(dāng)露點溫度低于0℃時，注意判斷鏡面的凝結(jié)相態(tài)。將水滴判斷為冰晶，或?qū)⒈袛酁樗?，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(dāng)將給測量結(jié)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(dǎo)致測量過高。第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆6.4毛發(fā)濕度表一.測濕原理：濕度從0~100%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(guān)系相對濕度0~100%時，長度變化ΔL三.毛發(fā)的滯后效應(yīng)：第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月毛發(fā)吸收水汽使長度變化，設(shè)：ω.單位體積含水量；A.橫切面積變化為：第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月毛發(fā)濕度表第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月毛發(fā)濕度計第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月＆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(nèi)的氣壓和溫度；P1、T1為抽氣后容器內(nèi)的氣壓和溫度；P2、T2為進(jìn)氣后容器內(nèi)的氣壓和溫度；m2、m1為吸濕后和吸濕前干燥管的質(zhì)量。

第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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方法。主要以兩束波長不同的光線，一束波長λ=1.37μm，對水汽有很強(qiáng)的吸收；另一束波長λ=1.24μm（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(dāng)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.6GPS氣象探測技術(shù)GPS氣象探空技術(shù)利用GPS定位技術(shù)改進(jìn)探空儀定位方法，提高定位精度，增強(qiáng)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(shù)，利用中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)的GPS基準(zhǔn)站，建立我國地基GPS水汽測量網(wǎng)。第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS全球定位系統(tǒng)

Gl0balPositioningSystem1958年，美國海軍導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（NSTR/GPS）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第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS全球定位系統(tǒng)體制：多星、高軌、高頻、測時—測距系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星星座系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備特點：全球覆蓋、全天候、連續(xù)實時、高精度三維導(dǎo)航與定位、被動式、抗干擾性能好、保密性強(qiáng)。第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)，無須雷達(dá)跟蹤即可計算風(fēng)隨高度的分布。探空儀上的氣象參數(shù)傳感器進(jìn)行氣象要素測量。

完成了原理機(jī)的研制，進(jìn)行了探測試驗，開發(fā)了配套軟件，已可進(jìn)行實驗性探測。第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS探空儀子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月Outwardappearanceofantenna第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS探空儀(室內(nèi)部分)第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月Temperaturemeasuringrange:-90-105℃Temperatureaccuracy:0.5℃Humiditymeasuringrange:0-100%RHHumidityaccuracy:5%RHPressuremeasuringrange:5-1050HpaPressureaccuracy:1HpaWinddirectionaccuracy:3°Windspeedaccuracy:0.3m/sTransmissionfrequency:400-406MHzTransmissionpower:300mWChannelbandwidth:20kHzDatarate:1200bitModulationmode:FMTransmissionantenna:1/4λReceivingfrequency:400-406MHzSpecifications第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

全球定位系統(tǒng)氣象參數(shù)探測（GPS/MET）技術(shù)，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(shù)，具有極大的實用潛力。第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

包括：空基GPS氣象學(xué)和地基GPS氣象學(xué)：空基GPS氣象學(xué)利用低軌衛(wèi)星（LEO），用掩星技術(shù)測定大氣密度氣壓溫度濕度廓線，有相當(dāng)高的時空密度。還可利用低軌衛(wèi)星（LEO）低功率激光器測風(fēng)。第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS/MET探測空基：低軌衛(wèi)星LEO

掩星技術(shù)測密度氣壓溫度濕度廓線

LEO低功率激光器測風(fēng)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(shù)反演大氣水汽量垂直分布第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS/METProgramLEO低軌道衛(wèi)星和ROT無線電掩星技術(shù)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，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GPS/METObservations

空基GPS氣象學(xué)第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1HourGlobalData

200LEOSatellites第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月GlobalWindsfrom

LEOSatellites第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jì)，穩(wěn)定，可靠局限性：水平分辨率差，低對流層精度差第56頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

美國正在努力推進(jìn)，并與臺灣合作（COSMIC），與俄羅斯和歐洲合