大氣探測學(xué) 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(diǎn),.,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(diǎn)測定法 電學(xué)濕度表 光學(xué)濕度計(jì) 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(dá)到氣液平衡時(shí)的水汽壓 冰面飽和水汽壓 ：固定氣壓、溫度下，純冰面達(dá)到氣固平衡時(shí)的水汽壓,.,式中T1 為水的三相點(diǎn)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(diǎn)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?jǐn)?shù)。,.,7.露點(diǎn)溫度(Td )、霜點(diǎn)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(shí)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(shí)的溫度,.,另外，可導(dǎo)出以下常用關(guān)系式:,.,常用濕度測量方法,稱量法（準(zhǔn)確度最高） 熱力學(xué)法（干濕法） 吸濕法（毛發(fā)、腸衣、濕敏電阻、濕敏電容） 凝結(jié)法（露點(diǎn)儀） 光學(xué)法（紅外、微波濕度計(jì)）,.,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(dǎo),C : 水汽擴(kuò)散系數(shù) : 濕球表面飽和水汽壓 : 實(shí)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(jì)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(kuò)散系數(shù)hc和水汽擴(kuò)散系數(shù)C覺定，這兩者都是通風(fēng)速度的函數(shù)，所以，A值必然與風(fēng)速有關(guān)。 書，P134，圖6.8,.,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迅速減小

4、；但 是V2m/s時(shí)，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(shí)候，差異小； （3）元件的特征尺度d越小，A值越小，A值風(fēng)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(gè)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(shí)際的干濕表系數(shù),根據(jù)n=0.5，即實(shí)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。,.,三、濕球結(jié)冰時(shí)的

5、濕度計(jì)算公式,濕球結(jié)冰時(shí)，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(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。,.,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(shí)，誤差約2%； -15C時(shí)，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(shí)伸長，干燥時(shí)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(shí)，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(shí)使用,.,毛發(fā)濕度表,.,自記溫濕度計(jì),毛發(fā),.,3.4 電學(xué)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(dǎo)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(dāng)空氣濕度變化時(shí)，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(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diǎn)測定法,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(shí)，會(huì)有露（或霜）凝成。此時(shí)的

8、溫度叫露點(diǎn)溫度（或霜點(diǎn)溫度）。,.,一、露點(diǎn)儀原理： 若使空氣通過一個(gè)光潔的金屬鏡面時(shí)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(diǎn)（或霜點(diǎn)）溫度。此露點(diǎn)（霜點(diǎn)）對應(yīng)的飽和水汽壓就是實(shí)際水汽壓。 露點(diǎn)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),.,露點(diǎn)儀原理 如圖所示：,露點(diǎn)溫度的測量： 一般5次取平均 先降溫，鏡面出現(xiàn)露點(diǎn)時(shí)，記為： 再升溫，最后一個(gè)露珠消失時(shí)，記為： 這是一次完整記錄,.,1，進(jìn)氣口 2，出氣口 3，金屬鏡面,光學(xué)測量系統(tǒng),.,影響露點(diǎn)儀測濕精度的因子,1、凱爾文效應(yīng)： 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(jié)露溫度低于真實(shí)露點(diǎn)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(guān)系為：,.,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(shí)，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)。,其中esw,n :為空氣中和鏡面有雜質(zhì)時(shí)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)將使測量的露點(diǎn)溫度值偏高。,.,3、部分

10、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0.5%，則在大氣壓力為1000 hpa 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)外壓差應(yīng)小于5 hpa。,4、正確判斷鏡面凝結(jié)相態(tài)： 當(dāng)露點(diǎn)溫度低于0 時(shí)，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，導(dǎo)致測量偏低；將露珠蒸發(fā)完時(shí)，往往加熱過量，導(dǎo)致測量過高。,.,3.5 光學(xué)濕度計(jì),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(dòng)的方法。 強(qiáng)水汽吸收帶可在紅外和紫外波段找到。,.,3.5 光學(xué)濕度計(jì),根據(jù)Beer定律，單色光學(xué)輻射透過吸收介質(zhì)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(dá)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(xué)路徑。,.,3.5 光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）,在w和 l 固定的情況下，測定比值F() / F0() ，或某個(gè)輸出電壓 V 值，即可標(biāo)定出相應(yīng)的 w 值。 現(xiàn)代光學(xué)濕度計(jì)多采用雙通道的方式，以便達(dá)到絕對標(biāo)定的目的。 有兩種方式： 選擇兩個(gè)波長，一個(gè)是強(qiáng)水汽吸收帶，一個(gè)是

12、弱水汽吸收帶 選擇一個(gè)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(zhǔn)樣本的值，以確定待測值,.,3.5 光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）,最早開始投入使用的光學(xué)濕度計(jì)為紫外波段的拉曼阿爾法濕度計(jì) 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(xué)濕度計(jì)（續(xù)）,拉曼阿爾法濕度計(jì)缺陷： 在紫外水汽吸收線附近，存在著較強(qiáng)的氧氣和臭氧吸收線，導(dǎo)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(shí)。 儀器的分辨率為0.03露點(diǎn)，精度為0.6 露點(diǎn)，不能探測大氣中較小的濕度脈

13、沖。,.,3.5 光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）,紅外濕度計(jì) 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(dá)8000小時(shí)。 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(diǎn)控濕法 部分壓力法,.,3.6.1 絕對測濕法（稱重法）,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測濕的標(biāo)準(zhǔn)方法。 原理： 使體積為 V 的濕空氣流過一個(gè)干燥管（或幾個(gè)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(zhì)量，同時(shí)確定干燥管的空氣體積或干空氣的質(zhì)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(shè)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(yàn)證實(shí)，某些溶液（如硫酸）的平衡相對濕度的溫度效應(yīng)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(shí)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(diǎn)控濕法（雙溫法）,原理： 利用控制溫度來控制濕度。 優(yōu)點(diǎn)： 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(shí)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(shí)也加大一倍，同時(shí)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(gè)軌道平面，平均高度20200Km，載波頻率1227.60/1575.42MHz,GPS氣象探測技術(shù),.,Outward appearance of antenna,.,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(shí)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(shí)用潛力。,.,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