现代大气探测学4-第五讲-湿度的测量

南京信息工程大学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。第五讲湿度的观测主要内容1.表示空气湿度的参量及测湿方法2.测湿仪器的基本原理及精度3.湿敏电容传感器4.氯化锂湿度片测湿5.光学湿度计6.冷镜露点湿度表7.复习思考题空气的湿度(简称湿度)是表示空气中的水汽含量和潮湿程度的物理量地面观测中测定的是离地面1.50米高度处的湿度测量湿度的仪器主要有：干湿球温度表、毛发湿度表、通风干湿表、露点仪、湿度计和湿敏电容湿度传感器等１.混合比r：空气中水汽质量mv与干空气质量ma之比。单位用千克／千克２.比湿ｑ：空气中水汽质量mv与空气总质量mv+ma之比。单位用千克／千克一、表示空气湿度的参量３.绝对湿度（又叫水汽密度或水汽浓度)ρv：单位容积空气中所含的水汽质量。单位用千克／米3４.水汽摩尔分数：空气中，水汽的摩尔数nv(nv=mv/Mv)与总摩尔数na+nv(na=ma/Ma)之比。Mv、Ma分别是水汽和干空气的摩尔质量一、表示空气湿度的参量一、表示空气湿度的参量空气中水汽部分的压力，单位用hPa，取一位小数,Ｐ为气压PxeePe62198.0饱和水汽压Ew和Ei：水汽中的水汽压不能无限制的增加，在一定温度下，能够容纳的水汽含量有一个极限值，如果超过这个极限值，就会有一部分水汽凝结成液态水或凝华成冰，这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。分为水面Ew和冰面Ei两种在同一温度下，冰面上的饱和水汽压要小于水面上的饱和水汽压一、表示空气湿度的参量一、表示空气湿度的参量空气中实际水汽压与当时气温与气压下的饱和水汽压之比。以百分数（％）表示，取整数6.相对湿度UU=e/E×100％空气在水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度。单位以摄氏度(℃)表示，取一位小数。当空气中的水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同t=td，而水汽未达到饱和时，t＞tdtd与t的差值就表示了空气距饱和的程度（防雷）一、表示空气湿度的参量7.露点温度td测湿方法１.热力学方法：利用蒸发表面冷却降温的程度随湿度而变的原理来测定湿度。主要是干湿表法２.吸湿法：利用吸湿物质吸湿后的尺度变化或电性能变化来测湿度。有毛发、肠膜元件、氯化锂元件、氧化铝元件等等３.露点法：测量凝结面降温产生凝结时的温度，即露点温度。主要仪器是露点仪４.光学法：利用测量水汽对光辐射的吸收衰减作用，来测定水的含量。主要仪器有红外湿度计和赖曼－α湿度计５.称量法：直接称量出一定体积湿空气中的水汽含量。此法测量的要求较高，需要时间长，操作较繁，但其测湿准确度相当高，可优于0.2％，是湿度计量基准的一级标准，通常作为检定校准的基准测湿方法观测项目湿度观测一般包括水汽压、相对湿度、露点温度。配有湿度计的台站作相对湿度的连续记录并挑选相对湿度的日最小值back二、测湿仪器的基本原理及精度1.干湿球温度表（1）测湿原理（2）测湿系数A（3）测湿误差2.毛发湿度表和湿度计（1）毛发的特性（2）毛发感湿的物理机制（3）毛发湿度表使用时的注意事项（4）毛发湿度表和湿度计（1）测湿原理1、干湿球温度表—（1）测湿原理将干球温度表和湿球温度表置于相同的环境中。湿球周围空气未达到饱和时，表面的水分蒸发，不断地消耗蒸发潜热，使湿球温度下降。同时，由于气温与湿球的温差使四周空气与湿球产生热交换。在稳定平衡的条件下，湿球温度表蒸发支出的热量将等于由于与四周空气热交换得到的热量湿球表面降温的程度，与周围空气的湿度有关干湿球温度表测湿公式的推导根据道尔顿蒸发定律，单位时间从湿球表面蒸发出来的水量M与湿球表面附近的饱和差E-e成正比，与当时的气压P成反比，与湿球球部表面积s成正比，即M=CS(E-e)/P式中Ｃ为与通风速度有关的交换系数。则湿球因表面蒸发所消耗的热量为Q1=ML=LCS(E-e)/p式中Ｌ为蒸发潜热。同时，由于湿球蒸发耗热降温，周围空气必然向湿球球部传递热量，根据牛顿换热公式，此热量为Q2=hcS(t-tw)式中hc为热交换系数，(t-tw)为干湿球温度差。当消耗的热量与获得的热量相等时，湿球温度就不变化了，此时，Q1=Q2，即LCS(E-e)/P=hcS(t-tw)令A=hc/(CL)得e=E-AP(t-tw)e=E-AP(t-tw)A称为测湿系数。从式中可以看出，干湿球温度差越大，空气湿度就越小当t=tw时，e=E，空气达到饱和back（2）测湿系数A影响测湿系数A的因子主要是其次是湿球的形状、大小、湿润方式等。A值可以从理论上进行计算，但实用上决定A值的是用实验的方法直接测定流经湿球的风速测湿系数A与风速的关系一般当风速超过2.5m/s时，A值就趋近于一个最小临界值，风速再增大时，A值基本维持不变70080090010001.02.03.04.05.06.0风速（米/秒）A×10-6球状干湿球柱状干湿球A值与风速的这种变化关系主要与湿球附近的流场结构有关风速较小时风速较大但小于2.5m/s时风速大于2.5m/s湿球周围为层流状结构，热阻力比较大，热量交换主要以辐射方式进行层流结构逐渐变薄，热阻力减小，对流热交换的强度增大湿球周围流场呈湍流结构，热量交换主要靠对流进行，热交换量基本保持不变，A值就趋于常数back（3）测量误差温度表的读数误差在我国规定，在-10℃，即停止使用干湿表测湿气温（℃）（±0.1）-30-20-1001530相对湿度的误差（%）±1884211气温（℃）0-10-40t-tw(℃)320.25温度越低，相应的干湿表差值的变化量越小不同气温下，相对湿度变化范围20-100%时，干湿球差的变化量（3）测量误差风速造成的误差风速不稳定造成的误差风速达不到规定要求造成的误差湿球结冰造成的误差湿球纱布结冰时，将会增加温度表滞后效应而造成误差。因此在观测前应先进行湿球溶冰湿球纱布及蒸馏水受到污染造成的误差湿球纱布及蒸馏水受到污染时，能减少水分蒸发，从而使A值增加。因此应定期用蒸馏水清洗和更换湿球纱布（3）测量误差(环工)back2、毛发湿度表和湿度计随空气湿度大小而改变长度的特性相对湿度增大时，毛发会增长。反之，毛发会缩短索修尔研究指出，当相对湿度从０％变到100％时，毛发总伸长量是原有长度的2.5％。后来盖·吕萨克研究发现，在湿度很小时，毛发延伸极快，到相对湿度为28％时，毛发可达到其延伸量的一半，以后逐渐减小。⊿L0相对湿度从0%到100%时毛发的总伸长量⊿L毛发随相对湿度的改变量相对湿度30%0lg1.0860.918LuL盖·吕萨克尺度2、毛发湿度表和湿度计温度效应随空气湿度大小而改变长度的特性滞后效应相对湿度增大时，毛发会增长。反之，毛发会缩短毛发在相对湿度低于30％的空气中放置过久时，当湿度再回升时，毛发示度总是低于空气的实际湿度，感湿速度也显著下降。消除的办法是将毛发放在饱和空气中，使其逐渐复原毛发指示的示度常常落后于实际湿度的变化。毛发的滞后系数与气温、湿度、风速成反比毛发的热膨胀系数极不规则。爱勒斯等实验指出，毛发在1.5℃时最长，从1.5℃至15.0℃时，随着温度的升高其伸长量逐渐缩短，而在1.5℃以下时，随着温度的降低其伸长量迅速缩短。毛发湿度表微孔假说蛋白质假说（3）毛发湿度表使用时的气象台站规定当气温降低到-10.0℃时，停止观测湿球温度，改用毛发湿度表测湿毛发测湿的精度较低，影响毛发测湿精度的因子有很多毛发湿度表在使用前的一个半月应与干湿球温度表进行对比观测，编制毛发湿度订正图一般来说，没有制定订正图的毛发湿度表是不能使用的（4）毛发湿度表一根脱脂人发（4）毛发湿度计自记钟曲臂毛发调整螺旋笔杆3、湿敏电容传感器常用的湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜作介质的一种小型电容器湿敏电容器上电极是一层多孔金膜，能透过水汽；下电极为一对刀状或梳状电极，引线由下电极引出。基板是玻璃。整个感应器是由两个小电容器串联组成传感器置于大气中，当大气中水汽透过上电极进入介电层，介电层吸收水汽后，介电系数发生变化，导致电容器电容量发生变化。电容量的变化正比于相对湿度在某些自动气象站中，铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体湿敏电容传感器应安装在百叶箱内，传感器的中心点离地面1.50m原理——溶液浓度随湿度变化实验指出：具有固定浓度的酸或盐的溶液，在一定温度下，有一定的饱和水汽压4、氯化锂湿度片测湿拉乌尔定律Ep酸或盐的水溶液表面上的饱和水汽压E∞水平面上的饱和水汽压N溶剂的克分子数n溶质的克分子数pNEENnpNEENnEpE∞且当空气中的实际水汽压溶液表面的饱和水汽压时，水汽向溶液表面凝结—溶液浓度降低，N增大，n不变，故Ep增加，直到空气中的水汽压与溶液表面的饱和水汽压平衡为止当空气中的实际水汽压溶液表面的饱和水汽压时，水汽从溶液中蒸发出来，溶液浓度变大，N减小，n仍不变，故溶液表面上的饱和水汽压Ep随之减小，直至与空气中的水汽压平衡为止实验指出——只要溶液的温度与外界温度相等，则溶液浓度随空气相对湿度而改变的关系不受温度变化的影响溶液浓度的大小能反映出空气的相对湿度大小溶液浓度难以直接测量，但溶液的电阻随溶液浓度变化而变化，电阻相对好测量溶液越稀，电阻越小；越浓则越大氯化锂晶体氯化锂晶体吸湿能力强氯化锂湿度片—在一块塑料片或玻璃片等绝缘片上，涂氯化锂的酒精溶液，在片的两头镀锡作为电极RH15%-100%电阻40000Ω-5000Ω优点：元件体积小，反应速度快，能直接指示RH，可连续自记和遥测缺点：在低湿与高湿情况下存在严重缺点，湿度片性能不稳定5、光学湿度计（遥感）比尔-朗伯定律0()()exp()wwFFlF0(λ)发射光源的通量密度F(λ)到达检测器的通量密度αw水汽对该波长的吸收系数ρw水汽密度（绝对湿度）l光学路径长度水汽吸收带紫外—Lyman-α湿度计（赖曼-α湿度计）（典型测量路径长度为几cm）红外—红外湿度计（测量路径一般0.2-1.0m）单波长—使用单一波长（与水汽吸收波段重合）进行测量双波长—选取两个相近的波长，一个对应于强水汽吸收带，一个对应于弱水汽吸收带（差分）光学湿度计优点：时间常数很小，典型值几毫秒，测量湿度脉动Lyman-α湿度计（紫外）缺点：与O2、O3吸收线有重叠光源管和检测管的寿命短低温干燥条件下，难以探测湿度脉动红外湿度计吸收谱线受干扰小器件寿命长吸收路径较长6、冷镜露点湿度表露点湿度表测量湿空气经冷却后达到饱和状态并可在一个固体表面（通常为镜面）上检测到露（或霜）沉积时的温度误差来源1开尔文效应露滴（表面弯曲）的饱和水汽压高于平面饱和水汽压影响结果-镜面结露温度低于真实露点温度，误差约0.1℃2拉乌尔（Rault）效应空气与镜面之间有杂质，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。影响结果-使露点温度值偏高其它湿度测量仪器微波辐射计1.35cm波长7、湿度的标准仪器和校准7.1湿度表的校准原理测湿传感器校准在很大程度上由于在常温下空气样品中存在很少量的水汽，而且常存在分离和容纳各种气体特别是水汽的困难，到现在才仅仅形成一个湿度标准器国际溯源性的等级序列。湿度的绝对标准器可以由称重测湿法来达到。在野外使用的所有测湿传感器都必须定期校准，校准的工作中经常使用通风干湿表和露点传感器作为工作标准器。专用的标准器都必须和高级别的标准器经过仔细的比对以进行溯源。用作标准器的任何仪器都必须逐个地对其在计算湿度时包含的所有变量进行校准，其他影响性能的因素也必须检查7、湿度的标准仪器和校准7.2校准周期和校准方法干湿表、冷镜湿度表和加热露点湿度表等所用的湿度检测器，要在每次例行的定期维修时对其校准数据进行检测，用工作级标准器（阿斯曼通风干湿表）进行的比较工作应当至少每月一次。标准型的通风干湿表，其完善性可以用干、湿球温度表的比对得到证明，而充分的通风可从有