气压的观测

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1、 现代大气探测学 致谢 本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成 此外还得到了其他诸位老师的帮助 在此谨表示衷心感谢 第六讲气压的观测 知识结构 4 1概述 1 什么是气压 大气圈本身的重量对地球表面会产生一种压力 对任何一层空气而言 也都会受到它上面的各层空气的压力 即大气压强 简称气压 常用的气压单位是百帕 hPa 常用单位的换算 1hPa 100Pa1hPa 0 750069mmHg 3 4mmHg 4 1概述 2 气压观测的意义 空气从高压流向低压 产生了大气的运动 这种运动使各地的水汽和热量进行交换 引起了天气的复杂变化 如果我们测得同一高度上各个测点的气压分

2、布 分析气压场的规律 就可为天气预报提供依据 4 1概述 3 测定气压的仪器 液体气压表 空盒气压表和气压计 沸点气压表 振动筒式压力传感器 膜盒式电容气压传感器 压阻式气压传感器 4 2水银气压表 为什么气象上常用的液体气压表是水银气压表 4 2 1水银的特点 1 在气压表管内的液体柱的高度是与该液体的密度有关的 由于水银的密度比较大 13 596g cm3 当它与大气压力相平衡的时候 所需水银柱的高度比较适中 便于制造和观测 2 当温度不超过60 时 水银蒸气压很小 因此在气压表管内的水银蒸气压 对于水银气压表的示度 在观测的精确度范围内不会有影响 4 2水银气压表 为什么气象上常用的液体

3、气压表是水银气压表 4 2 1水银的特点 3 水银不沾湿玻璃 管中水银面成凸起的弯月面 易于正确地判定它的位置 4 水银的性能很稳定 不易与其它的物质发生反应 水银经过洗涤蒸馏等方法的处理 就可以得到十分纯净的合乎水银气压表观测精确度要求的水银 4 2水银气压表 为什么气象上常用的液体气压表是水银气压表 4 2 1水银的特点 所有上述的优点 都表明了气象观测用液体气压表中的液体用水银来灌制是最好的 在完成某些特殊任务的时候 也利用密度比水银小得多的其它液体 4 2水银气压表 4 2 2水银气压表测量原理 水银气压表是一根一端封闭并充满水银的玻璃管 将开口一端插入水银槽中 管内水银受重力作用而下

4、降 当作用在水银槽面上的大气压力与管内水银柱重量产生的压强相平衡时 水银柱就稳定在某一高度上 这个高度就可用来表示气压 4 2水银气压表 4 2 2水银气压表测量原理 设玻璃管的截面积为 水银柱高度为 水银密度为 为重力加速度 则管内水银柱的重量为 在 截面上产生的压强为 水银槽面受到的大气压强为 则两者平衡时 从上式可以看到 水银柱高度除与大气压有关外 还与密度和重力加速度有关国际上统一规定 密度以温度0 为标准 重力加速度以纬度45 的海平面为标准 4 2水银气压表 4 2 3水银气压表的类型 1 动槽式水银气压表 福丁式Fortin 2 定槽式水银气压表 寇乌式Kew 4 2水银气压表

5、4 2 4动槽式水银气压表的构造原理 动槽式水银气压表的主要特点是有测定水银柱高度的固定 零点 故每次测定都需调整水银面的高低 使其符合固定零点的位置 才能读取水银柱高度 动槽式水银气压表主要分为三部分 内管 外套管 槽部 4 2水银气压表 4 2 4动槽式水银气压表的构造原理 动槽式水银气压表的测量范围一般为810 1070hPa 600 800mmHg 并能在空气温度为 15 45 的条件下正常工作 其测量误差不超过 0 4hPa或 0 3mmHg 4 2水银气压表 4 2 5定槽式水银气压表的构造原理 没有固定零点 采用补偿标尺的方法 定槽式水银气压表主要分为三部分 内管 套管 槽部 4

6、 2水银气压表 4 2 5定槽式水银气压表的构造原理 1 补偿标尺 2 补偿标尺的测量原理 4 2水银气压表 4 2 5定槽式水银气压表的构造原理 由于槽部水银面不能像动槽式那样进行调整 随着气压的变化 水银柱高度的变化也造成槽内水银面高度的变化 而标尺是固定刻在铜管上的 不能随水银面活动 因此就需要把这种由于基点变化而影响示度的量考虑进标尺的刻度大小上去 这样的标尺就称为补偿标尺 所谓补偿标尺 设a为内管横截面积 为水银槽的内横截面积 a 为插进水银槽中的玻璃管尾端的外横截面积 假设气压上升1mmHg 水银柱上升 mm 但这并不表示真正的气压变化值 因为同时槽部水银面也下降了 mm 因此 实

7、际气压上升为 1mm 利用内管和槽部横截面积的比例关系 可计算如下 定槽式水银气压表的测量范围和工作条件 要求与动槽式水银气压表相同 但其测量误差变为 0 5hPa 4 2水银气压表 4 2 6水银气压表的本站气压订正 依次经过仪器差 温度差 重力差三步订正 1 仪器差订正由于受制成气压表的材料的物理特性的变化及制作技术条件的限制而产生的仪器差主要由下列几个原因造成 真空不良的影响真空不良是指水银柱管内顶端有空气存在 它产生一定的张力 使内管水银柱略为降低 使观测到的气压值较实际大气压力为小 4 2水银气压表 1 仪器差订正 毛细压缩误差毛细压缩是液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的分子压

8、力 分子压力的大小随液体的种类和液体表面的形状 气压表管芯内径大小而不同 温度的不确定度附属温度表所指示的温度 通常不能代表水银 标尺和槽部的平均温度 水银蒸气压的影响水银在不同温度下有不同的饱和蒸气压 由于内管顶部真空 所以水银柱上部就充满水银蒸气 使气压示度偏低 不过这个影响甚小 在温度60 时还不到0 03hPa 一般室温下更要小得多 一般可忽略不计 4 2水银气压表 1 仪器差订正 标尺误差用来测量水银柱高度的标尺和游标尺是刻在金属套管上的 在进行刻度时 由于受到刻度机本身的精度和环境条件的影响就会使标尺和游标尺刻度产生一定的误差 由于安装条件不妥引起的误差定槽式水银气压表由于悬挂不垂

9、直 当倾角达到17 时 读数误差可达0 01hPa 通常气压表在自由下垂停止摆动时 约可偏斜15 20 动槽式水银气压表因为不垂直还要影响象牙针的零点基准面 所以引起的误差就要更大一些 4 2水银气压表 1 仪器差订正 其它误差定槽式水银气压表由于其构造特点容易产生一些特定的误差 如水银槽部横截面积与内管横截面积之比偏离配合标准 以及水银量不能绝对准确等原因所产生的误差以上误差实际上是作为仪器差综合表现出来的 一般不进行逐项的检定 只是在与标准气压表进行比较检定后 得出综合订正值表供观测时使用 一般的仪器差检定表给出不同的气压范围的仪器误差的订正值 4 2水银气压表 2 温度差订正 1 为什么

10、要进行温度差订正 2 怎样进行温度差订正 3 温度订正的物理意义 1 为什么要进行温度差订正 将观测得到的水银柱高度读数h 订正到标准情况下的水银柱的高度h0时 应满足下列关系其中只与气压表水银和标尺铜管的温度有关只与观测点的纬度和海拔高度有关 2 怎样进行温度差订正温度差订正值为 由于在t 时水银柱与黄铜标尺长度相等 均为L 故 式中 为黄铜标尺的膨胀系数 为水银的膨胀系数 2 怎样进行温度差订正将值代入得 式中 为附温表所示温度 由上式可知 附温在零上时Ct为负 反之 附温在零下时Ct为正 2 温度差订正的物理意义物理意义 当附属温度在0 以上时 即使气压不变 由于水银柱膨胀较铜尺膨胀得大

11、 这样依照水银柱高度来测气压时 就会比实际偏高 因而要减去由于水银柱膨胀比铜标尺大的一段水银柱高度 故Ct订正值为负 反之 当附属温度在0 以下时 水银收缩得较铜尺为多 依水银柱高度读出的气压值就偏低 故Ct订正值为正 将观测得到的水银柱高度读数h 订正到标准情况下的水银柱的高度h0时 应满足下列关系其中只与观测点的纬度和海拔高度有关 3 重力差订正 3 重力差订正 高度重力差 纬度重力差 重力差 纬度重力差订正 在平均海平面上 重力加速度随纬度的变化 高度重力差订正 在陆地台站 h为测站的海拔高度 h 为以测站为中心的半径150km范围内的平均海拔高度 高度重力差订正 在水面上的台站 平均海

12、拔高度低于10m D为测点正下方的水深 D 为以测站为中心的半径150km范围内的平均水深 高度重力差订正 在海岸附近地区的台站 为半径150km地区内陆地面积所占比重 4 2 6水银气压表的本站气压订正 水银气压表的读数要依次经过仪器差 温度差 纬度重力差和高度重力差订正后 就可获得本站气压值计算时一律取两位小数 最后本站气压只要精确到一位小数 hPa 对水银气压表 计算本站气压 防雷 Ph 本站气压P 水银表气压读数C 仪器差订正值 测站重力加速度 标准状态下的标准重力加速度 9 80665m s2 水银与铜尺膨胀系数t 经仪器差订正后的水银气压表的附属温度表读数 4 2水银气压表 4 2

13、 7水银气压表的安装 维护和移运 水银气压表的安装条件 1 水银气压表不能安装在直接而大量通风的房子里 2 水银气压表安装在室内 必须使室内温度变化比较小 3 水银气压表应安置在固定和不受振动的地方 4 水银气压表安装时应严格保持表身的垂直状态 动槽式水银气压表用三个螺丝紧固 定槽式水银气压表让其保持自由的垂直状态 水银气压表的安装 安装前 应将挂板或保护箱牢固地固定在准备悬挂气压表的地方 使之大致垂直 再小心地从木盒或皮套中取出气压表 槽部向上 稍稍拧紧槽底调整螺丝约1 2圈 慢慢地将气压表倒转过来 使表直立 槽部在下 然后先将槽的下端插入挂板的固定环里 再把表顶悬环套入挂钩中 使气压表自然

14、垂直后 慢慢旋紧固定环上的三个螺丝 将气压表固定 最后旋转槽底调整螺丝 使槽内水银面下降到象牙针尖稍下的位置为止 1 动槽式气压表的安装 2 定槽式气压表的安装安装要求同动槽式气压表 安装步骤也基本相同 不同点是当气压表倒转挂好后 要拧松槽上的气孔螺丝 表身应处在自然垂直状态 槽部不须固定 3 水银气压表的维护 1 水银气压表应经常保持清洁 气压室内不能堆放杂物 2 水银面产生氧化物时 应及时清除 3 气压表必须垂直悬挂 应定期用铅垂线在相互成直角的方向上检查校正 4 气压表水银柱凸面突然变平并不再恢复 或者示值显著不正常 应更换 5 定槽式水银气压表的水银是定量的 应该特别注意防止漏失水银

15、6 水银气压表在移运时 应把表身缓慢地倒过来 将水银槽向上 以保护玻璃管内真空不受破坏 7 对水银表的安置情况定期进行检查 发现问题及时纠正 4 水银气压表的移运 移运气压表的步骤与安装刚好相反 先拧动底槽调整螺丝 使内管中水银柱恰好达到外套管上部读数窗孔的顶部为止 切勿旋转过度 以免损坏皮囊 然后松开固定环的螺丝 将表从挂钩上取下 两手分持表的上部和下部 徐徐倾斜45 左右 就可以听到水银与管顶的轻击声 继续缓慢地倒转气压表 使之完全倒立 槽部在上 将气压表装入特制的木盒 皮套 内 旋松调整螺丝1 2圈 使水银有膨胀的余地 在运输过程中 始终要按木盒 皮套 箭头所示的方向 使气压表槽部在上

16、进行移运 并防止震动 4 3空盒气压表和空盒气压计 空盒气压表和空盒气压计都是用金属弹性膜盒作为感应元件的 利用这种空盒的弹力与大气压力相平衡的原理来测量气压 当大气压力发生变化时 空盒随之产生形变 4 3 1空盒的结构及特性 空盒的结构空盒盒壁由弹性金属膜构成 较旧式的空盒在盒内或盒外装有弹簧 避免空盒被大气压力完全压缩 新式的空盒一般不用弹簧 依靠金属膜本身的弹性力来平衡大气压力 4 3 1空盒的结构及特性 空盒的特性 1 空盒弹性的温度效应空盒的杨氏模量具有负温度系数 温度增加时弹力就减弱 若大气压力维持不变 在升温时空盒的厚度将变薄 杨氏模量 是描述固体材料抵抗形变能力的物理量 4 3 1空盒的结构及特性 空盒的特性 1 空盒弹性的温度效应a 双金属片补偿法 双金属片被安装在空盒底部 设温度升高影响使厚度减小 使自由端下降了 K 但双金属片的变形作用使空盒基底提高了 S 4 3 1空盒的结构及特性 空盒的特性 1 空盒弹性的温度效应a 残余气体补偿法 在空盒内残留一定的气体 当温度升高时 盒内气体的张力增大 使空盒向外扩张 以抵消因弹力减弱而引起的空盒压缩 上述两种补偿法 不论