现代大气探测学-第六讲-气压的测量-夏俊荣

南京信息工程大学夏俊荣现代大气探测学2012年10月17日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空盒气压表3沸点气压表5气压表的基准7概述1水银气压表2气压传感器4海平面气压订正6气象应用8§4.1概述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。我们把单位面积上承受的这种压力，即大气压强，简称气压。简而言之，气压是指单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。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概述气压在垂直方向上随着高度的增高而降低，在水平方向上分布不均匀，因而形成了各种不同的气压系统。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布，分析气压场的规律，就可为天气预报提供依据§4.1概述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mgPh§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Ｓ，水银柱高度为ｈ，水银密度为ρ，ｇ为重力加速度，则管内水银柱的重量为：在Ｓ截面上产生的压强为：水银槽面受到的大气压强为Ｐ，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ghSWghSghSSWghP§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主要特点是有测定水银柱高度的固定“零点”，故而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主要特点是没有固定零点，而采用了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§4.2水银气压表4.2.5定槽式水银气压表的构造原理§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，Ａ为水银槽的内横截面积，aˊ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ｘmm，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ｙmm，因此,实际气压上升为（ｘ＋ｙ）=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表身刻度要比动槽式短一些，在我国1mmHg的实际长度只有0.98mm.()xayAa1axAaa1110.9850axAaa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0.5hPaxaAy§4.2水银气压表4.2.6水银气压表的本站气压订正水银气压表是利用水银的压力（重力）与大气压力相平衡的原理测量大气压力的。我们通常在水银气压表上观测到的标尺示度实际上只表示观测所得到的水银柱的高度，还并不是真正的气压，由于仪器差的存在和气压表并不总是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和重力加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气压表读数须依次经过仪器差、温度差、重力差三步订正才是本站气压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：•⑴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。由于残留气体张力还受温度和顶部容积变化的影响，因此由其所产生的误差还不完全是一个常数。随气压和温度的升高，这种影响随之增大§4.2水银气压表1、仪器差订正•⑵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•⑶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。如果仪器安装比较恰当、观测操作比较合理，那么这种温度误差就可减小•⑷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，故一般可忽略不计§4.2水银气压表1、仪器差订正•⑸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•⑹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•⑺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）(大物)§4.2水银气压表2、温度差订正(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当温度变化时水银密度也随之改变，从而引起水银柱高度的变化，同时温度的变化也将使测量水银柱高度的黄铜标尺发生胀缩。这样，当外界气压不变，而温度发生变化时，水银柱和黄铜标尺均会发生胀缩。这种纯系温度的变化而引起的气压读数的改变值，称为水银气压表的温度差0(0)(45,0)()(,)pCghtghh0()(,)(0)(45,0)tghhhCg)0()(Ct(,)(45,0)ghg(2)怎样进行温度差订正为了订正到标准状态（即温度0℃），假定在气压不变的情况下，温度从t℃降到0℃，这时水银柱及黄铜标尺都因温度降低而收缩。但水银柱收缩比黄铜标尺多，结果使水银柱降至p0处，p0表示了水银柱在标准状态下的长度，而黄铜标尺却只降至pt处，pt既表示了黄铜标尺在标准状态下的长度，也表示了经仪器差订正后的水银气压表的读数。它比水银柱在标准状态下的长度p0高了Ct，故温度差订正值应为：由于在t℃时水银柱与黄铜标尺长度相等，均为L，故：式中λ为黄铜标尺的膨胀系数，α为水银的膨胀系数。ttppC0(1)tLpt0(1)LptP1P0LP1P0L(2)怎样进行温度差订正将值代入得：式中ｔ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)1()1(0tptpt)11(0ttpptttttpttpttpC1)()11(0.000163410.0001818tttCpt(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，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P1P0L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0()(,)(0)(45,0)tghhhCg(,)(45,0)ghg3、重力差订正在前面已经提到，利用水银气压表中水银柱高度表示气压的前提是：t=0℃,纬度ψ=45°，海平面上的重力为标准。若在不同纬度、不同海拔高度的测站上，即使气压一样，水银密度也相同（经温度差订正后）,但因重力加速度不同，而使水银柱高度也不同3、重力差订正高度重力差纬度重力差重力差,hngg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：2,0g980.616(10.0026373cos0.0000059cos2)高度重力差订正在陆地台站：,h,0g0.00000030860.0000001118()ghhhh为测站的海拔高度，hˊ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,平均海拔高度低于10m：,h,0g0.00000030860.00000688()ghDDD为测点正下方的水深，Dˊ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：,h,0g0.00000030860.0000001118()0.00000688(1)()ghhhDDα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气压表读数的各项订正是相互独立的，但通常情况下温度差订正值比较大，所以经仪器差订正后的读数，先进行温度订正，然后再进行纬度重力差和高度重力差订正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(环工)•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•α,λ—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,hg,1()1hhngtPPCgtng§4.2水银气压