大气探测学 湿度的测量

1、湿度的测量,本章要求,掌握大气湿度测量仪器的基本原理和特点,主要内容,湿度参数的定义 干湿球湿度表 毛发湿度表 露点测定法 电学湿度表 光学湿度计 湿度的控制和检定,3.1 湿度参数的定义,湿度：表示空气中水汽含量或干湿程度的物理量。,(3.4),(3.5),5.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，纯冰面达到气固平衡时的水汽压,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).,(2).冰面的饱和水汽压对数（0- -100）,式中t1 为水的三相点温度,等于273.16(k); t为大气绝

2、对温度(k).,6.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。,7.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使其对水面饱和时的温度,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,另外，可导出以下常用关系式:,常用湿度测量方法,称量法（准确度最高） 热力学法（干湿法） 吸湿法（毛发、肠衣、湿敏电阻、湿敏电容） 凝结法（露点仪） 光学法（红外、微波湿度计）,3.2 干湿球湿度表,用一对并列装置的、形状完全相同的温度表 一支测气温，称干球温度表 另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。,测量

3、原理,l : 蒸发潜热 q1: 蒸发消耗热量,hc : 对流热交换系数 s : 热交换面积，即湿球球部表面积 q2：热传导,c : 水汽扩散系数 : 湿球表面饱和水汽压 : 实际水汽压 p : 大气压 m : 蒸发水量 s：湿球球部表面积,2、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。从定义可知，a值由热扩散系数hc和水汽扩散系数c觉定，这两者都是通风速度的函数，所以，a值必然与风速有关。 书，p134，图6.8,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v2m/s时，a基本不变； （2）不同类型的温度表a值有

4、差异，但是在风速高的 时候，差异小； （3）元件的特征尺度d越小，a值越小，a值风速的变化也越小。,wylie ard lalas(1981)，wmo采用,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,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：,变为：,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。,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

5、热交换相互平衡。,则：,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（p136，图6.9）,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： 15c时，误差约2%； -15c时，误差约20 %。 我国规范规定：-10c以下停止使用干湿球温度表。,毛发湿度表,利用脱脂人发具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器。 湿度从0100% 时，毛发伸长2.5% 伸长量与湿度变化成正比。,它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10时使用,毛发湿度表,自记温湿度计,毛发,3.4 电学湿度表,电阻型

6、 电容型,3.4.1 碳膜湿度片,利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理 常用的有 碳膜湿敏电阻 氯化锂湿度片 两种。,3.4.1 碳膜湿度片（续）,碳膜湿敏电阻 用高分子聚合物和导电材料碳黑，加上粘合剂配成一定比例的胶状液体，涂覆到基片上组成的电阻片。 氯化锂湿度片 是在基片上涂上一层氯化锂酒精溶液，当空气湿度变化时，氯化锂溶液浓度随之改变从而也改变了测湿膜片的电阻。 这类元件测湿精度较干湿表低，主要用在无线电探空仪和遥测设备中。,3.4.2 高分子薄膜湿敏电容,是以高分子聚合物为介质的电容器，因吸收（或释放）水汽而改变电容值。 它制作精巧，性能优良，常用在探空仪和遥测中。,3.4.2 高

7、分子薄膜湿敏电容（续）,由芬兰vaisala公司最先开发，称作“humicap”，其结构如图 湿敏电容通常采用多谐波震荡器和低通滤波电路完成电容电压的转换。,3.4.2 高分子薄膜湿敏电容（续）,湿敏电容的其它特性： 温度系数：0.05% 0.1% / 滞差在相对湿度为 5% 90% 内低于 1% 采取防污措施后，工作寿命为1年 元件的滞后系数在常温下可保持在 1s 以下,3.3 露点测定法,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

8、取这瞬间的镜面温度，就是露点（或霜点）温度。此露点（霜点）对应的饱和水汽压就是实际水汽压。 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,1，进气口 2，出气口 3，金属镜面,光学测量系统,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；r为露滴的曲率半径。,露滴的饱和水汽压

9、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。,在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压与平面饱和水汽压的关系为：,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。,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,这种效应将使测量的露点温度值偏高。,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

10、果要求水汽压测量的精度为0.5%，则在大气压力为1000 hpa 时，系统内外压差应小于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，导致测量偏低；将露珠蒸发完时，往往加热过量，导致测量过高。,3.5 光学湿度计,吸收光谱法在现代湿度测量中占有一定的位置，而且是唯一用来测量快速脉动的方法。 强水汽吸收带可在红外和紫外波段找到。,3.5 光学湿度计,根据beer定律，单色光学辐射透过吸收介质的衰减可

11、表示为： ln ( f() / f0() = - ww l f0()发射光源的通量密度； f()到达检测器的通量密度； w 水汽对该波长的吸收系数； w 水汽密度（绝对湿度）； l 光学路径。,3.5 光学湿度计（续）,在w和 l 固定的情况下，测定比值f() / f0() ，或某个输出电压 v 值，即可标定出相应的 w 值。 现代光学湿度计多采用双通道的方式，以便达到绝对标定的目的。 有两种方式： 选择两个波长，一个是强水汽吸收带，一个是弱水汽吸收带 选择一个已知水汽密度的样本通道，使用同一水汽吸收探测波长，比较待测样本和基准样本的值，以确定待测值,3.5 光学湿度计（续）,最早开始投入使用

12、的光学湿度计为紫外波段的拉曼阿尔法湿度计 工作波长为0.1216um， 其光源管为充有氢气的直流激发的冷阴极电离管。 管内加入了铀化氢，使谱线比较纯。 光源管内还冲有适量的氖气作为缓冲气体。,3.5 光学湿度计（续）,拉曼阿尔法湿度计缺陷： 在紫外水汽吸收线附近，存在着较强的氧气和臭氧吸收线，导致测量误差。 光源管和检测管的寿命太短，只有几百到1000小时。 仪器的分辨率为0.03露点，精度为0.6 露点，不能探测大气中较小的湿度脉冲。,3.5 光学湿度计（续）,红外湿度计 优势： 吸收谱线附近较少受到其它大气成分的干扰 光源管和检测管可以使用通用的电子器件，使用寿命高达8000小时。 缺陷：

13、 需要较长的吸收路径 l，光源和检测元件有较大的温度系数。,3.6 湿度的控制和检定,绝对测湿法 恒湿盐控湿法 露点控湿法 部分压力法,3.6.1 绝对测湿法（称重法）,实验室内测湿的标准方法。 原理： 使体积为 v 的湿空气流过一个干燥管（或几个串联的干燥管），让干燥管把空气中的水汽全部吸收，然后称量干燥管所增加的质量，同时确定干燥管的空气体积或干空气的质量，便可直接确定空气的混合比或绝对湿度。,3.6.1 绝对测湿法（称重法）,绝对测湿法精度高，但周期长。 为了提高恒湿箱的控制精度，可设法使其他物理量来确定箱内的湿度值。 介绍三种常用方法。,3.6.2 恒湿盐控湿法,试验证实，某些溶液（如

14、硫酸）的平衡相对湿度的温度效应很弱 改变容器内溶液的浓度，可调整容器内空气的相对湿度，这种溶液称为恒湿盐。 避免溶液在吸收时或释放水分后改变本身的浓度，多采用它们的饱和溶液。,3.6.3 露点控湿法（双温法）,原理： 利用控制温度来控制湿度。 优点： 借助控温和测温就可以直接控制和确定湿度。 注意： 保持管道的清洁，室内空气要除尘净化。,3.6.4 部分压力法,假定检定容器内的气压为 p ，水汽压为 e，若使容器内的气压降低一半，其中的水汽压同时也降低一半，在气温保持不变的条件下，相对湿度的数值也降低一半；反之压缩部分空气，使气压加大一倍，水汽压同时也加大一倍，同时相对湿度也加大了一倍。 因此

15、，只要知道初始的水汽压数值，就可获得不同的空气相对湿度。,gps全球定位系统gl0bal positioning system,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气象探测技术,outward appearance of antenna,全球定位系统气象参数探测（gps/met）技术，是利用gps卫星信号电波穿过大气层时受到的折射及延迟来反演推算大气温度湿度和气压等参数，是近年来发展的一种全新的大气空间遥感技术，具有极大的实用潜力。,包括：空基gps气象学和地基gps气象学： 空基gps气象学利用低轨卫星（leo），用掩星技术测定大气密度气压温度湿度廓线，有相当高