第3章 大气压的测量(郑)

42第3章大气压的测量3.1概述3.1.1定义在给定表面上的大气压是由其上的大气重量作用在该表面单位面积上的力。因此，大气压等于该表面视作水平面向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。3.1.2单位和标尺大气压测量的基本单位是帕斯卡（Pa）（即牛顿每平方米）。气象上报告气压，实际采用在该单位加前缀“百”，成为百帕（hPa），等于100帕。这是气象上选择的术语，主要是因为1百帕（hPa）等于以前使用的单位1毫巴（mbar）。气象上使用的所有气压表的刻度均应以hPa分度。许多气压表以“标准状态下毫米汞柱或英寸汞柱”分度，分别记为(mmHg)n、(inHg)n。当上下文清楚地含有标准状态的意思时，可采用简化术语“毫米汞柱”或“英寸汞柱”。在标准状态下，真实高度被定为760(mmHg)n的水银柱所产生的压强等于1013.25hPa。于是，有下列换算关系：1hPa=0.750062(mmHg)n1(mmHg)n=1.333224hPa由于1英寸=25.4mm，所以可得出下列关系：1hPa=0.029530(inHg)n1(inHg)n=33.8639hPa1(mmHg)n=0.03973008(inHg)n气象用水银气压表的标尺分度应在整个仪器处于标准温度0℃、标准重力为9.80665ms-2条件下直接读出真实气压值。气压表上可能不止刻有一个标尺，例如hPa和mmHg，或hPa和inHg但气压表必须是在标准状态下正确地校准的。气压资料最好用hPa作为单位。在本章以下部分，将只用单位hPa。3.1.3气象要求气压场分析是气象科学的基本需要。绝对必要把气压场看成是大气状态的所有预报产品的基础。在财政允许的条件下，气压测量应该达到技术上允许的高准确度，而且在全国范围内气压测量和校准必须具有一致性。为满足各种气象应用的需要，WMO的有关委员会已经规定了气压测量准确度水平的要求，并概述于指南的第I编第1章。这些要求是：测量范围：920-1080hPa适合于工作在海平面或海平面附近的仪器；对于在海拔较高地方使用的仪器、在其气压较低部分可以扩展相当的量程。要求的目标准确度：0.1hPa报告分辨率：0.1hPa43传感器时间常数：20s输出平均时间：1分钟可以认为，在严格控制的环境中，比如正常装备的实验室，新的气压表是能够达到上述要求的。这些要求为气压表规定了在其安装在工作环境中之前必须符合的目标准确度。对于安装在工作环境中的气压表，实际情况的限制使气象部门难以保持仪器的目标准确度。然而，业务站网用的气压表经过标准气压表的校准之后，其器差可知并容许其性能不低于下列标准：在1000hPa点的最大允许误差：0.3hPa在气压表测量范围内其他气压的最大允许误差：(a)测量范围不低于800hPa的部份：0.5hPa(b)测量范围扩展低于800hPa的部份：0.8hPa间隔等于或小于100hPa的两个气压值的误差之差值：0.3hpa用户对大气压信息的要求是不同的。正如WMO（1990）以及本指南第Ⅱ编第2章描述的那样，航空界要求QNH和/或QFE高度表拨定。对气压测量的总要求已概括在WMO（1981）和美国气象局（1963）的文献中。3.1.4测量方法和观测方法气象上通常使用水银气压表、电子气压表或沸点气压表测量气压。沸点气压表是利用液体沸点与气压之间的关系制成的仪器，已很少应用，故本指南对此不作深入讨论。WMO（1992）对数字气压表（大部份是电子读出式仪器）的性能进行了很有益的讨论。如果符合下列要求，气象用压强仪器（即气压表）可作为测量气压的业务用仪器。（a）仪器必须定期使用经批准的方法、用（工作）标准气压表校准。两次校准之间的周期必须足够短，以确保总的测量误差的绝对值符合本章定义的准确度要求；（b）准确度的任何变化（长期或短期）必须比3.1.3节概述的允差小。如果有些仪器在校准中发现有漂移变化，那么只有在校准周期足够短以确保在任何时候仪器能具有所要求的准确度，这些仪器才能适合业务使用；（c）仪器读数不应该受温度变化的影响。只有当满足下列条件时，仪器才是适用的：（i）读数的温度影响修正步骤能保证所要求的准确度；（ii）把气压传感器放置在温度稳定的环境中，就能保证所要求的准确度。为了补偿温度的影响，有些仪器需要测量气压传感器的温度。必需对温度补偿功能进行控制和校准，并作为整个校准工作的一部份；（d）必须把仪器置于外部影响不会引起测量误差的环境中。这些影响包括：风、辐射/温度、冲击和振动、电源的波动以及压力冲击。要非常仔细地选择仪器特别是水银气压表的安装场所。重要的是，每个气象观测员要充分了解这些影响，并能确定是否有哪些影响对使用中的气压表读数的准确度起作用；44（e）仪器读数要快捷、方便。仪器必须设计成使其读数的标准偏差小于所述的绝对准确度的三分之一；（f）当仪器必须远离使用地点进行校准时，采取的运输方法一定不能影响到气压表的稳定性或准确度。能改变校准状态的影响有：机械冲击和振动，在飞机运输过程中可能遇到的垂直的大的气压变化。最新设计的大多数气压表采用了把敏感元件的响应转换成气压相关量的转换器。其信号随后由适当的集成电路或具有适当平滑算法的数据采集系统进行处理。对于大多数用于天气分析的气压表来说，合理的时间常数是10秒（一定不要大于20秒）。对于水银气压表来说时间常数不重要。以下各节概要地介绍几种常用的测量大气压的方法。历史上，最广泛采用的测量大气压的方法是使液柱重量与大气压力平衡。如果使用的液体是水银，那么有多种原因可以方便地获得所要求的准确度。一般认为，水银有好的长期稳定性和准确度，但现在人们正转向具有相同准确度和非常容易读数的电子气压表。一个周边固定的弹性膜片，当加到膜片一面的压力比另一面的大时，膜片会变形。实际情况是用一个全部或部分抽真空的密封金属膜盒（为防止被外面的大气压压坏，膜盒内有一个强力金属弹簧）来获得这种形变，使用机械方法或电子方法测出膜盒内外压力差引起的形变。这就是众所周知的空盒气压表的原理。现在，人们开发出了一种由其周围抽成真空的薄壁镍合金圆筒构成的气压传感器。这种传感器的固有谐振频率是筒内外压差（筒内为环境大气压，筒外保持真空）的函数。使用石英晶体元件的绝对气压转换器正得到更加普遍的使用。通过柔性波纹管施加于晶体表面的压力对晶体引起一个压缩力，根据晶体的压阻特性，加压改变了灵敏的惠斯登电桥的平衡，电桥重新平衡就实现了压力的准确测量。这种气压转换器实际上是没有滞后效应的。液体的沸点是沸腾液体所受气压的函数。当这种函数关系确立后，液体沸腾时的温度就可以用来测量大气压。3.2水银气压表3.2.1构造要求水银柱的重量与大气压力相平衡是水银气压表的基本原理。有些水银气压表就采用称量水银柱重量的方法，但气象上常用的水银气压表都是用刻有气压单位的标尺来测量水银柱高度。气象站使用的水银气压表有几种型式，其中以定槽式水银气压表和动槽式*水银气压表最为常用。水银柱高度，是指水银柱顶到槽部水银面之间的距离。当然，水银柱高度的变化同时就伴随着槽部水银面位置的变化。在动槽式水银气压表中，槽部水银面的位置可以调整，*原文为福丁式——译注45使之恰好与象牙针尖接触，这个象牙针尖就是气压表标尺的零位。而在定槽式气压表（常称为寇乌式气压表）中，其槽部水银面不需要调整，因为刻在气压表上的标尺已经考虑到槽内水银面的变化而加以缩小。3.2.2一般要求良好的气象站用水银气压表的主要要求如下：（a）仪器准确度应能长期保持不变，特别要保持小的滞后影响；（b）读数迅速、方便；对读数应进行所有已知影响量的修正；进行这些修正的观测员必须了解每顶修正的重要性，以确保所施加的修正是正确的，不会导致读数准确度变坏；（c）应能移运而不会降低其准确度；（d）气压表玻璃管的内径最好为9mm，不应小于7mm；（e）内管的准备和灌充水银应在真空状态下进行。水银的纯度非常重要，要进行两次蒸馏、脱脂、反复清洗和过滤；（f）应当在水银气压表上刻上标尺能给出正确读数（在标准重力下）的实际温度。标尺最好经过校准，使之能给出在0℃的正确读数；（g）弯月面不应是平坦的，除非内管的内径很大（＞20mm）；（h）对于船舶用水银气压表，任意点的误差不应超过±0.5hPa。与船舶用水银气压表相比，与测量温度、湿度、风的仪器相比，陆地气象站使用的水银气压表的响应时间通常是很小的。3.2.3标准状态由于水银气压表的水银柱高度除了取决于大气压外，还取决于其他因素，特别是温度和重力。因此，必须规定标准状态。在此标准状态下，气压表在理论上应取得真实的气压读数。在国际气压表会议上，制定了如下标准。3.2.3.1标准温度和标准水银密度标准温度定为0℃，水银气压表的读数都要换算到这个标准温度时的读数。这是为了去除由温度导致的水银密度变化引起的误差。0℃时水银标准密度值为1.35951×104kgm-3。用流体静力学公式计算绝对气压时，水银柱中的水银可视为不可压缩的液体。不纯净的水银密度与纯净的水银密度不同。使用不纯净的水银的气压表读数会发生误差，因为气压表示值与水银的密度是成比例的。3.2.3.2标准重力水银气压表的读数，必须从当地重力换算到标准重力。标准重力值（gn）是个约定常数，gn=9.80665ms-2。注：WMO（1973）解释了需要采纳一个指定的重力加速度值作为标准值。这个值与特定条件下（例如纬度45°海平面）实测的或理论的重力加速度值没有确切的关系，因为46这种数值会随着新的实险数据被采纳而改变。3.2.4水银气压表的读数当用水银气压表进行观测时，必须先读附属温度表，而且要读得越快越好，因为温度表的温度会由于观测者的出现而上升。必须用手指在弯月面附近和靠近槽部两处轻叩几下，目的是使水银面保持稳定状态。如果所用的水银气压表不是定槽式水银气压表，那么就必须从下向上调整槽部水银面的位置，使之与象牙针尖恰好接触。最后调整标尺的游标，使之对准水银柱弯月面并读数。当游标的下缘与弯月面最高端相切时，就是游标正确地调整好的状态。如果用一个放大镜来观察，应当可以看到在游标下缘与水银面顶部之间有一条极窄的透光缝隙。决不允许游标下缘“切去”弯月面的顶部。观测时，应当使眼睛与游标前部的下缘和后部的下缘都在同一条视线上。3.2.4.1读数的准确度读数必须取最靠近的0.1hPa。通常，游标不可能读出更高的准确度了。已经研制出光学装置和数字化装置以改进水银气压表的读数。然而这些装置虽然容易读数，但也引入新的误差源，除非这些装置是精心设计并经过校准的。3.2.4.2器差的变化在气象站检查期间发现的器差的任何变化都值得重视。要进一步了解下列情况：（a）气压表的历史状况；（b）检察员在仪器比对工作方面的经验；（c）被发现的器差变化的幅度；（d）差值的标准偏差；（e）气象站的备用气压表（已知修正值及其准确度）是否适用；（f）移动式标准器在旅行中的情况；（g）如果器差的变化可以接受，那么，在每日天气图上该站的气压读数与邻近站的气压是否能吻合；（h）在比对之前，仪器是否清洗过。引起气象站气压表器差变化（或称漂移）的能原因是：（a）由于水银污染导致水银表面毛细压缩的变化。在工业地区的严重大气污染和水银污染会造成严重问题，需要频繁地清洁水银及其槽部；（b）有气泡逸入并通过水银柱上升到达了管顶的真空部分。这些变化可能是不稳定的，也可能是持续的正的变化或负变化，取决于其成因。器差的变化还可能是由于：（a）观测者的错误（在读数之前没有轻叩气压表），游标和象牙针尖的调整不正确；（b）气象站气压表或移运式标准器的温度未达到平衡；（c）气压迅速变化和不同时读数所致。47这种变化还有可能是由于偶然移动了可调标尺，或动槽表的象牙针尖松动了。3.2.4.3器差的允许变化量对器差变化应作如下处理：（a）如果不是持久性的变化，当器差的变化在±0.1hPa之内，可忽略不计：（b）如果器差的变化超过±0.1hPa，但不超过±0.3hPa时，可以暂时接受，随后至少再作一次检查予以证实；（c）当器差的变化超过了±0.3hPa，只有在气压表已被清洗、而且又没有一支已知修正值的备用