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1、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 6.6 GPS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 湿空气中水汽质量为MV，干空气质量为Ma：,2.比湿q,3.绝对湿度v,单位体积的湿空气中所含的水汽, 即:水汽密度、水气浓度,(6.1),(6.2),(6.3),4.水汽的摩尔分数（水汽相对克分子数）,其中：,5.水汽压,当 时，,(6.4),
2、(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,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）,(6.8),(2).冰面的饱和水汽压对数（0- -100）,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。,(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.
3、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:,8.露点温度(Td )、霜点温度(Tf),Td定义：T、的湿空气，P不变，降温至Td使其对水面饱和,Tf定义：T、的湿空气，P不变，降温至Tf使其对冰面饱和,时的温度,时的温度,(6.11),(6.12),另外可导出以下常用关系式:,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,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
4、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。,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0.1C；对相对湿度产生 的误差为： 30C时，误差约 1%； -30C时，误差约 18%。 我国规范规定：-10C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。
5、,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,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：,k：水汽扩散系数,(6.13),(6.14),湿球蒸发消耗的热量为：,式中为空气的混合比;s(Tw)为湿球温度TW时的饱和混合比;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
6、温度下冰面的饱和混合比.,故,其中 称为干湿表系数,可取作,(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,d=10mm,d=4mm,式中V的单位为m/s,在p=1013hPa，T=17C，Tw=11C条件下的实验结果。,（1）N.Sworykin：A与风速的关系,（2）Wylie ard lalas(1981) 被WMO定,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
7、 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,(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：,，实际的干湿表系数,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
8、),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：,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0.1C；对相对湿度产生 的误差为：30C时，误差约1%；-30C时，误差约18 %。 我国规范规定：-10C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
9、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,露点仪测湿精度：,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,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
10、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：,(6.21),(6.22),(6.23),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。,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
11、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1000 hpa 时，室内外压差应小于5 hpa。,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0100% 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
12、100%时，长度变化L,三.毛发的滞后效应：,毛发吸收水汽使长度变化，设：,.单位体积含水量；A.横切面积,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,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。,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
13、的光线，一束波长=1.37m，对水汽有很强的吸收；另一束波长=1.24m（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。,6.6 GPS气象探测技术 GPS气象探空技术 利用GPS定位
14、技术改进探空仪定位方法，提高定位精度，增强适用性。 GPS大气参数探测系统。 发展全球定位系统气象参数探测（GPS/MET）技术，利用中国地壳运动观测网络的GPS基准站，建立我国地基GPS水汽测量网。,GPS全球定位系统Gl0bal Positioning System,1958年，美国海军导航卫星系统（NNSS） 6颗星，轨道高度1100Km， 载波频率150/400MHz 1973年开始研制“授时与测距导航系统/ 全球定位系统”（NSTR/GPS） 1993年基本建成，24颗星，分布在6个轨 道平面，平均高度20200Km，载波频率1227.60/1575.42MHz,GPS全球定位系统,
15、体制：多星、高轨、高频、测时测距 系统构成：空间卫星星座系统 地面监控系统 用户设备 特点：全球覆盖、全天候、连续实时、高精度三维导航与定位、被动式、抗干扰性能好、保密性强。,GPS探空系统 通过探空仪上的GPS自动测定探空仪所在位置的三维座标，无须雷达跟踪即可计算风随高度的分布。探空仪上的气象参数传感器进行气象要素测量。 完成了原理机的研制，进行了探测试验，开发了配套软件，已可进行实验性探测。,GPS探空仪子系统结构示意图,Outward appearance of antenna,GPS探空仪(室内部分),Temperature measuring range: -90-105 Tempe
16、rature accuracy: 0.5 Humidity measuring range: 0-100%RH Humidity accuracy: 5%RH Pressure measuring range: 5-1050Hpa Pressure accuracy: 1Hpa Wind direction accuracy: 3 Wind speed accuracy: 0.3m/s Transmission frequency: 400-406MHz Transmission power: 300mW Channel band width: 20kHz Data rate: 1200bit Modulation mode: FM Transmission antenna: 1/
