大气探测学 (7)

第六章空气湿度的测量＆6.1湿度参数的定义＆6.2干湿球温度表＆6.3露点的测量方法＆6.4毛发湿度表＆6.5其他的湿度测量方法＆6.6GPS探测系统＆6.7复习思考题大气探测观测站水热输送观测仪器＆11.1概述降水蒸发观测的意义。微气象观测系统＆6.1湿度参数的定义湿度：表示空气中水汽含量的物理量。参数有：1.混合比γ湿空气中水汽质量为MV，干空气质量为Ma：vamm2.比湿qvvamqmm3.绝对湿度ρv,单位体积的湿空气中所含的水汽,即:水汽密度、水气浓度vvmV(6.1)(6.2)(6.3)4.水汽的摩尔分数（水汽相对克分子数）vvvanXnn其中：,vavavammnnMM///vvvvvaamMXmMmM0.62198vX5.水汽压'0.622veXPP当时，'eP'0.622eP(6.4)(6.5)(6.6)(6.7)6.饱和水汽压水面饱和水汽压：固定气压、温度下，纯水面达到气液平衡时的水汽压冰面饱和水汽压：固定气压、温度下，纯冰面达到气液平衡时的水汽压swesie世界气象组织(WMO)1966年推荐戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式：(1)纯水表面饱和水汽压的对数为（0-100℃）11118.2969lg(1)44.76955(1)13lg10.79574(1)5.02800lg1.15047510[110]0.4287310[10]0.78614wTTTTTTeTT(6.8)(2).冰面的饱和水汽压对数（0--100℃）111lg9.09685(1)3.56654lg0.87682(1)0.78614iTTTeTTT7.相对湿度压力为P、温度为T的湿空气，其水汽压与水面饱和水汽压的比值的百分数。',100()100wPTsweUe(6.9)(6.10)(6.8),(6.9)式中T1为水的三相点温度,等于273.16(K);T为大气绝对温度(K).书上P.44表3.1和P.46表3.2分别给出了纯水表面和冰面饱和水汽压的数值.要会查表,课堂查表练习:eswe8.露点温度(Td)、霜点温度(Tf)Td定义：T、γ的湿空气，P不变，降温至Td使其对水面饱和(,)1(,)swdPTPTTf定义：T、γ的湿空气，P不变，降温至Tf使其对冰面饱和(,)1(,)sifPTPT时的温度时的温度(6.11)(6.12)另外可导出以下常用关系式:216.6()(/)(/)epgggg3绝对湿度当e用hpa表示,为g/me比湿q=0.622pe混合比=0.622p-e＆6.2干湿球温度表干湿球温度表干湿球温度表L水的蒸发潜热，h热扩散系数k水汽扩散系数，p大气压强•其中A为干湿表系数()()0.622()()()s10.622whALTk干湿球温度表A值存在以下现象：（1）A值随风速变化大，风速增加，A迅速减小；但是V3m/s时，A基本不变；（2）不同类型的温度表A值有差异，但是在风速高的时候，差异很小；（3）元件的特征尺度d越小，A随风速的变化越小。46.210A干湿球温度表的测湿精度误差来源：温度表的示值误差；通风误差；沾污或结冰误差玻璃温度表的读数可估读到0.1C；对相对湿度产生的误差为：30C时，误差约1%；-30C时，误差约18%。我国规范规定：-10C以下停止使用干湿球温度表。温湿度传感器高分子湿敏电容湿度计高分子湿敏电容湿度计•测量原理•测量电路•安装与防污染•资料要求：每10秒钟采集1次，每分钟6个数据中去掉一个最高和一个最低值后取平均，作为每分钟观测值。每小时以正点00分观测值为正点观测值。全部测量值都要存储。干湿球温度表的原理一.基本原理1.结构：由于蒸发，湿球表面不断有耗散蒸发潜热，使湿球温度下降；由于湿球与四周空气有温差，则在稳定平衡时，湿球温度表蒸发支出的热量应等于与四周热空气交换得到的热量()wQhTTh：热扩散系数;T为干球温度;TW为湿球温度.单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量：[()]swMkrTrk：水汽扩散系数(6.13)(6.14)湿球蒸发消耗的热量为：()[()]mwswQkLTrTr0.622()()0.622swswerpeTrTpm令Q=Q,并设：由(6.13)和(6.14)式可得到湿度计算公式式中为空气的混合比;s(Tw)为湿球温度TW时的饱和混合比;k为水汽扩散系数.(6.15)在湿球未结冰时,L(TW)为水的蒸发潜热;s(Tw)为湿球温度下水面的饱和混合比;当湿球结冰时,L(TW)为冰的升华热;s(Tw)为湿球温度下冰面的饱和混合比.()[()]()wswwkLTrTrhTT0.622[()]()swwkLeTehTTp()()0.622()()()s故46.210A其中称为干湿表系数,可取作10.622whALTk(6.16)(6.16)式称为干湿表(绝对湿度)方程.二、干湿表系数A值的特性一、影响A值的因子利用干湿表方程计算湿度的主要问题是确定干湿表系数A值。从A值的定义可知，热扩散系数h和水汽扩散系数k是通风速度的函数，所以，A值必然与风速有关。即(),()()hvkvAv4455.931101.3510/4.8010/Avv4556.403104.310/5.1510/Avvd=10mmd=4mm式中V的单位为m/s,在p=1013hPa，T=17C，Tw=11C条件下的实验结果。（1）N.Sworykin：A与风速的关系（2）Wylieardlalas(1981)被WMO定446.1010~~6.2510AA值存在以下现象：（1）A值随风速变化大，风速增加，A迅速减小；但是V3m/s时，A基本不变；（2）不同类型的温度表A值有差异，但是在风速高的时候，差异很小；（3）元件的特征尺度d越小，A随风速的变化越小。HM-5型通风干湿表A值与风速的关系图二、湿球温度表与空气之间的热交换特性对流热交换辐射热交换对流、辐射热交换系数34()()RwwRwQTTThTT()()RRwQQhhTT()(1)()RswwheeTApTTh(6.17)考虑到整个湿球温度表的热交换过程是在蒸发消耗潜热与辐射热交换和对流热交换之间平衡，即：湿球温度表与空气之间的辐射热交换为：式变为：(6.16)(6.18)Monteith提出：'(1)RhAAh令，实际的干湿表系数'1nnAAvdA根据n=0.5，即实际A´的相对误差与风速的二次方根成反比，与湿球的直径的二次方根成正比。(6.19)三、湿球结冰时的湿度计算公式湿球结冰时，湿球的冰面直接升华成水汽。冰的升华损失的热量与对流热交换相互平衡。因此（6.15）式将改写为：()()siwiweeTApTT11,0.622()0.622()iwwiwhhAALTkLTk()597.30.882()677.3iwwiwALTALT则：(6.20)由上述关于A值的公式可知：式中Lw(Tw)为水蒸发潜热；Li(Tw)为冰升华潜热。四、干湿球温度表的测湿精度玻璃温度表的读数可估读到0.1C；对相对湿度产生的误差为：30C时，误差约1%；-30C时，误差约18%。我国规范规定：-10C以下停止使用干湿球温度表。＆6.3露点的测量方法在气压不变条件下，湿空气冷却达到水面饱和（或冰面饱和）时，会有露（或霜）凝成。此时的温度叫露点温度（或霜点温度）。一、露点仪原理：若使空气通过一个光洁的金属镜面时等压降温，直到镜面上出现露（或霜），读取这瞬间的镜面温度，就是露点（或霜点）温度。露点仪就是根据此原理设计的。露点仪的组成：1.感应器：高度抛光的金属镜面2.热控装置：冷却器、加热器3.凝结观测装置：光源系统、显微镜系统露点仪原理如图所示：露点温度的测量：一般5次取平均先降温，镜面出现露点时，记为：再升温，最后一个露珠消失时，记为：这是一次完整记录1dT1dT11,55ddiddiTTTT2dddTTT露点仪测湿精度：(/())/()swwswwdeeTdVVeeT影响露点仪测湿精度的因子：1、凯尔文效应：弯曲水面饱和水汽压esw.r；纯水平面饱和水汽压esw.2lnswrswekTe式中K为波尔兹曼常数；为水表面张力系数；为水分子容积；为露滴的曲率半径。在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压与平面饱和水汽压的关系为：/.rcrswrsweee(6.21)(6.22)(6.23)741.210,510rccmrcm其中.:swrswee故露滴的饱和水汽压高于平面饱和水汽压。因此，镜面的结露温度低于真实露点温度，误差约为-0.1℃。(6.21)2、拉乌尔特（Rault)效应：由于空气和镜面有杂质，特别是有一定量的可溶性物质时，使饱和水汽压低于同温度下的洁净空气和镜面的饱和水汽压。降低的数值与溶液的克分子浓度有关。这种效应将使露点值偏高。.swnswswNeeeNn其中esw,n:为空气中和镜面有杂质时的饱和水汽压；n:杂质的克分子数；N：总克分子数这种效应将使露点温度值偏高。3、部分压力效应：仪器的空气循环系统可使测试空间内外存在一定的气压差。根据道尔顿分压定律，进入测试空间空气样本的水汽压，将按压差以同样的比例降低。如果要求水汽压测量的精度为5%，则在大气压力为1000hpa时，室内外压差应小于5hpa。4、正确判断镜面凝结相态：当露点温度低于0℃时，注意判断镜面的凝结相态。将水滴判断为冰晶，或将冰晶判断为水滴，都将造成测量误差。温度越低，误差越大。5、正确的操作操作不当将给测量结果带来较大误差。如降温太快，镜面将生成大露珠，将露珠蒸发完时，往往加热过量，导致测量过高。＆6.4毛发湿度表一.测湿原理：湿度从0~100%时，毛发伸长2.5%伸长量与湿度变化成正比二.毛发伸长量与相对湿度的关系相对湿度0~100%时，长度变化ΔLlg1.0860.918hUL三.毛发的滞后效应：11(),()wdmdmdTTrrdd()mfv毛发吸收水汽使长度变化，设：wdmAdLω.单位体积含水量；A.横切面积0.622()()()wswwadmeTdLfvAUUddA1()wamdmUUd变化为：毛发湿度表毛发湿度计＆6.5其他测量方法一、吸湿称重法2121wmmVV2121216.6mmTeVV01001:RTVVPT其中利用吸湿剂P2O5吸收一定容积空气中的水汽，只要精确测定空气的容积和吸湿剂的重量变化，即可直接计算出1立方米空气中所含的水量，即：水汽压：V：为容器的容积（初始容积）；P0、T0为初始容器内的气压和温度；P1、T1为抽气后容器内的气压和温度；P2、T2为进气后容器内的气压和温度；m2、m1为吸湿后和吸湿前干燥管的质量。202002PTVVPT3/mg二、光谱吸收法根据空气中水对红外辐射的吸收原理确定空气湿度的方法。主要以两束波长不同的光线，一束波长λ=1.37μm，对水汽有很强的吸收；另一束波长λ=1.24μm（参考光），对水汽不吸收。将两束光线交替通过被测气层，并比较这两束光线的能量，确定大气（含水量）湿度。三、氯化锂测湿1.电阻式氯化锂元件：水汽多，电阻小；水汽少，电阻大2.露点式氯化锂元件：测量其饱和溶液水汽压与环境水汽压平衡时的露点。四、碳膜湿敏元件根据高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触率减小，元件的电阻增大；反之当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触率增加，元件的电阻减小。通过测量元件的电阻值的变化，即可确定大气中的湿度。6.6GPS