【2017年整理】第2章 温度测量

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1、 24 第 2章 温度测量 2.1 概述 2.1.1 定义 温度是决定两个物体之间净热流方向的条件。在这样一个系统中，一个物体自始至终失去热量给另一个物体，则认为失去热量的物体处于较高的温度。 2.1.2 单位和温标 以开尔文（ K）为单位的热力学温度（ T）是基本温度。开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16。由公式（ 2.1）定义的摄氏温度（ t）用于大多数气象目的。 16.273Tt （ 2.1） 温差一摄氏度（）等于一开尔文（ K）。 在热力学温标中，测量值用与绝对零度（ 0 K）的差值表示。在 0 K温度下，任何物质的分子不再具有动能。从 1990年开始，通用的温标是“国际温

2、际（ ITS） 90”（见附录），它是根据若干个可再现的平衡状态温度的认定值（见附录表 1）和在这些温度下校准的专用标准仪器确定的。 ITS 是这样选定的，即根据它测量的温度与热力学温度是一致的，所有差值都在现有的测量准确度范围以内。在 ITS定义的固定点之外，可利用其他二级参考点；气象上关注的点以及在这些点之间内插的标准方法在附录表 2给出。 ITS的温度应当称为“摄氏度”（ degrees Celsius）。 2.1.3 气象要求 2.1.3.1 概述 气象学需要测量的温度主要有： （ a）近地面气温； （ b）地表温度； （ c）不同深度的土壤温度； （ d）海面和湖面的温度； （ e）

3、高空气温。 这些测量不管是共同的还是单独的，不管是局地的还是全球的，为了输入到数值天气预报模式，为了水文和农业目的，以及作为气候变化的标志都是需要的。而局地温度对于人类每天的活动具有直接的生理上的重要性。温度测量可能要求连续记录，也可能在不同的时间间隔进地采样。本章涉 及的是（ a），（ b）和（ c）。 2.1.3.2 准确度要求 本指南第一编第 1章叙述了温度测量的范围、记录的分辨率和所需要的准确度。实际上，提供直接符合所要求性能的温度表是不经济的。用以替代的是经实验室标准温度表校准的较便宜的温度表，使用时对他们的读数需要加以修正。必须限制修正值的大小，使剩余误差保持在界限以内。此外，选用

4、的温度表量程应能够反映当地气候变化的范围。作为一个例子，下表给出了温度表的典型测量范围和可以采用的校准范围和误差范围。 25 温度表特性要求 温度表类型 普通 最高 最低 标尺范围（） -30 +45 -30 +50 -40 +40 校准范围（） -30 +40 -25 +40 -30 +30 最大误差 0.2K 0.2K 0.3K 在量程之内最大修正值与最小修正值之间的最大差值 0.2K 0.3K 0.5K 任意 10之间修正值的最大变化 0.1K 0.1K 0.1K 所有的温度测量仪器都应当有符合准确度要求或性能规格的证书，或者是有满足准确度要求的修正值的校准证书。初始的测试和校准应该由国

5、家级的测试机构或经认可的检定实验室来进行。温度测量仪器随后还应定期进行检查，用于 校准的精密设备取决于被校准的仪器或传感器。 2.1.3.3 温度表的响应时间 在常规气象观测中，使用时间常数非常小的温度表没有好处。因为在几秒钟之内，气温会连续波动 1至 2度。因此，用这种温度表要得到一个有代表性的读数就要求多次读数取平均。时间常数较大的温度表则有助于平滑掉快速波动。然而时间常数太大，可能在温度发生长周期变化时导致误差。时间常数已定义为温度表显示出一个气温阶跃变化的 63.2%所需要的时间。建议在风速为 5m/s 时，温度表的时间常数值应当在 30和 60秒之间。时间常数大致与风速的平方根成反

6、比。 2.1.3.4 记录测量的环境 温度是气象参数之一，温度的测量对暴露状况特别敏感。尤其是对于气候研究来说，温度测量受到诸如环境状态、植被、建筑物和其他物体的形态、地表覆盖物、防辐射罩或百叶箱的设计及其变化、以及设备中其他改变等的影响。因此，不但保存温度数据的记录是重要的，而且保存测量环境的记录也是重要的。而这种信息就称为“与气象观测资料有关的其他资料”（ metadata-data about data）。 2.1.4 测量方法 为了测量一个物体的温度，可使温度表达到与该物体相同的温度（即与 之达到热力学平衡），于是温度表本身的温度即可测出。另外，也可以用一辐射表测定温度而无须热平衡。

7、物质的任何物理性质如果是温度函数，都可作为温度表的依据。气象温度表中最广泛应用的性质是热膨胀和电阻随温度的变化。在其他应用之中，作用于电磁波谱红外区域的辐射温度表可用于从卫星上进行的温度测量。 用以指示常见温度的温度表通常称为“普通”温度表，而用以指示在一定时段内的极湍温度的温度表则称为“最高”或“最低”温度表。 有关温度测量的仪器设计和实验室应用方面有许多文献，比如“ Jones（ 1992）”。 2.1.4.1 温度表的安置和场地 来自太阳、云、地面以及其他周围物体的辐射，通过空气而不会使气温产生明显变化。而自由暴露的温度表则可能吸收相当多的辐射，导致温度表的温度不同于真正的气温。其差值决

8、定于辐射强度 26 和吸收辐射与散失热量的比值。对于某些温度表元件，例如裸线电阻温度表使用的精细金属丝，差值可能非常小，甚至可以忽略不计，但对比较常用的温度表来说，在极端不利的条件下其差值可以达到25。因此，为了保证温度表处于真正的空气温度，必需采用百叶箱或防辐射罩以防护温度表使之免受辐射，还可用它来架设温度表和遮挡降水，还可以使其周 围的空气自由流通并防止温度表意外损坏。然而，在百叶箱上有凇附碰冻冰层的情况下，要保持空气的自由流通是相当困难的。为减少这种条件引起的观测误差的措施将是各式各样的，其中可能包括使用特别设计的百叶箱或温度测量仪器。 在对不同地点和不同时间的温度表读数进行比较时，为了

9、取得具有代表性的结果，百叶箱的甚至温度表本身的暴露状况的标准化是必不可少的。对于一般气象工作，观测到的温度应当能代表气象站周围一个尽可能大的面积上高度为地面以上 1.25m到 2m的自由空气的温度。规定地面以上高度是因为大气的最低层可能存在大的垂直温度梯 度。因此进行测量的最好场地是在平坦地面以上，自由暴露在太阳和风中，不受树木、建筑物和其他障碍物的遮挡也不与之靠近。应避免把场地设在陡坡和凹地以及易受特殊条件影响的地方。在城镇中，地方性特色预料要比农村地区明显得多。建筑物顶上的温度观测是否有意义和有用处值得怀疑，因为垂直温度梯度多变且建筑物本身对温度分布有影响。 2.1.4.2 温度标准器 实

10、验室标准器 国家标准实验室拥有和保持基准温度表。国家气象部门的或其他的经认可的校准实验室可拥有一个溯源国家基准的高级别铂电阻温度表作为工作标准。这个温度表的准确度可以 在一个水三相点槽中定期检验。水的三相点是精确定义的，而且可以在三相点槽中复现，其不确定度为 1 10-4K。 外场标准器 WMO 参考干湿表（ WMO， 1992）是用以确定常规地面仪器测量的气温与真实气温之间关系的参考仪器。该仪器设计成非固定式仪器，不用装在百叶箱或防辐射罩内；它是适合用于评估和比对仪器系统的最准确的仪器，它不属于在日常气象业务中连续使用的仪器。它能提供不确定度为 0.04K（ 95%的置信水平）的温度测量。更

11、进一步的信息见第一编第 4章。 2.2 玻璃液体温度表 2.2.1 结构要求 对于常规气 温观测，包括最高、最低和湿球温度的观测，通常仍采用玻璃液体温度表。这种温度表是利用一种纯液体相对于其玻璃容器不同的膨胀来指示温度的。表柱是一个有极细管腔的管子与主球部相通。温度表中液体的体积使球部完全充满，而在要测量的所有温度下只是部分地充满表柱。液体的体积相对于其容器的变化量是由表柱中液体长度的变化来指示的；用标准温度表来校准，可以把温度标度刻在表柱上，或是刻在一个紧固在表柱上的单独标尺上。 温度表使用何种液体，取决于所需测量的温度范围。水银可用于在其凝固点（ -38.3）以上的温度；而酒精或其他的纯有

12、机 液体用于较低温度。玻璃应当是经认可适用于温度表的一种“标准”玻璃或“硅酸硼”玻璃。玻璃球要制成既有适当强度又薄到便于热量传入或传出球部及其内装液体。对于一个给定的表柱长度，细窄的管腔使表柱中的液体在给定的温度变化中可以有较大的移动，但却减少了温度表可使用的温度范围。温度表在进行刻度之前，应当进行适当的退火处理以减少玻璃老化引起 27 的缓慢变化。 气象温度表的结构有四种主要形式。它们是： （ a）标尺刻在温度表表柱上的套管型； （ b）标尺刻在固定于温度表柱上乳白色玻璃板上的套管型； （ c）标尺刻在表柱上并固定于一个金 属、瓷或木质的有标度数值的背板上，无套管型； （ d）标尺刻在表柱上

13、的无套管型。 某些温度表的表柱是正面透镜型，可使水银丝的象放大。熟知的例子，就是为医学目的设计的体温表。但是，正面透镜型的温度表在气象学中并没有广泛应用。 （ a）和（ b）型优于（ c）和（ d）型之处是，它们的标度刻线不会磨损。而（ c）和（ d）型的刻线，就需要不时的重新涂黑；另一方面，这种温度表比（ a）和（ b）型容易制作。（ a）和（ d）型的优越性是不容易有视差（见 2.2.4节）。 无论采用哪种形式，套管和支架不应过大，以便保持较低的热容量。同时套 管和支架应当足够结实，经受得起使用和运输的一般风险。 对于玻璃水银温度表，特别是最高温度表，水银柱上面近于完全真空是很重要的。所有

14、温度表都应在全浸时定标，但土壤温度表除外。不同用途的温度表的特殊要求，以后在相应的标题下予以说明。 2.2.1.1 普通（气象站用）温度表 这是在所有气象温度表中最准确的仪器，通常采用玻璃水银温度表。其刻度间隔为 0.2或 0.5，量程要比其他气象温度表大。 普通温度表安置在百叶箱内以避免辐射误差。用支架使其保持直立，球部在最下湍，球部形状为圆柱体状或洋葱头状。 一对普 通温度表可用作干湿表。 2.2.1.2 最高温度表 推荐的形式是一种水银玻璃温度表，在其内腔管中在球部与标尺起始处之间有一缩颈。这个缩颈能阻止水银柱随着降温而退缩。然而，用人工的方法可使温度表复原：观测员拿牢它，球部向下，挥动

15、手臂使水银柱重新合一。最高温度表应当安置成与水平面成大约两度的角度，球部在低的一头，以保证水银柱能停留在缩颈上而不会因重力穿过缩颈。为了使分离开的水银柱易于合起来，最好将表柱顶部的内腔管加粗。 2.2.1.3 最低温度表 最普通的最低温度表是在酒精中浸有一个长约 2cm 的深色 玻璃游标的酒精温度表。由于在酒精温度表的内腔管中残留着一些空气，因此其上端应有一安全囊，此囊的容积应能保证使仪器经受住50的温度而不损坏。与最高温度表相似，最低温度表应当安置在近乎水平的状态。 多种液体可用于最低温度表，诸如乙醇、戊烷和甲苯。重要的是液体应尽可能地纯，因为存在某些杂质在光照下暴露一段时间后，就会增加液体

16、的聚合作用，这种聚合，会引起校准值的变化。例如，乙醇就应当完全不含丙酮。 2.2.1.4 土壤温度表 28 为了测量深度为 20cm 或小于 20cm 的土壤温度，通常使用的是其表身在最低刻度线以下弯成 直角或任何其他适当角度的玻璃水银温度表。温度表的球部埋入地下至需要的深度，从温度表上读数是就地进行的。这些温度表应以浸没到测量深度的状况来分度。因为温度表的其余部分仍处于气温中。表柱的顶端应留有安全囊。 为了测量深度大于 20cm的温度，建议使用装在木质，玻璃或塑料套管中的玻璃水银温度表，其球部埋入蜡内或含金属的涂料中。然后，该温度表连同套管一起悬挂或塞进一埋入地下至要求深度的薄壁金属外管或塑料外管中。在寒冷气候区，外管顶部应当伸出在地