大气综合探测第33章气压的观测

第3-3章气压的观测马德堡半球实验1642年，科学家托里拆利提出大气会产生压强，并测定了大气压强的值。四年后，帕斯卡的研究表明，大气压随高度增加而减小。1654年5月8日，为了证实大气压的存在，德国马德堡市市长、学者奥托·冯·格里克做了马德堡半球实验，震动了世界。他做了两个直径37厘米的铜质空心半球，两上半球可以互相紧密地吻合。在两半球的吻合处加上浸透蜡和松节油的皮圈以防止漏气，其中的一个半球上装有活栓，实验时通过活栓用抽气机抽出球里的空气，然后让两队马分别往相反的方向各拉一个半球，结果用了八匹马也没有把两个半球分开。但轻轻地一转动活栓，空气就进入球里，两个半球就轻而易举地分开了。2009年2月11日下午2点50分，湖南衡阳等地许多居民感到地面震动、玻璃震动。

当飞机在空中作超音速飞行时，在机头或突出部分，会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形的音波锥，这就是激波。受激波影响，音波锥前端通过时空气的压强、密度、温度都突然升高，而后音波锥后段离开时立即下降。空气压强的突然变化，就带来两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”。1、概述2、水银气压表3、水银气压表的读书订正4、气压表的安装和观测方法5、空盒气压表6、沸点气压表7、震动筒式压力传感器8、单晶硅压力传感器9、气压表的基准思考题内容概要3.1概述大气压力单位：1Pa=1N/m2;1hpa=100Pa;1hpa=1mb1hpa=0.750069mmHg=3/4mmHg1mmHg=1.333238hPa=4/3hPa

气压是大气压力的简称。其数值上等于单位面积上从所在地点向上直至大气层上界的整个空气柱的重量。即：（kg.m/s2)（3.1）其中h为测站的海拔高度；Ph为海拔高度为h的测站所受的大气压力，它与空气密度a、重力加速度g及空气柱的厚度有关。气压测量cmHg(汞柱高)mb(毫巴)hPa(百帕)=mb标准大气压Pa=1牛顿/平米测量气压的仪器水银气压表1644年发明导致发现水银气压计制造原理的－托里拆利实验测量气压的仪器空盒气压表气压计水银气压表测量大气压力的仪器主要有：⑴液体气压表—水银气压表（作为标准）⑵空盒气压表、空盒气压计（气象台站）⑶气体压力表⑷沸点气压表（作研究用）⑸半导体压敏元件⑹震动筒式气压传感器⑺石英螺旋管精密气压计

目前，在气象台站日常业务

中使用的是水银气压表、空盒气压表和气压计。本章将主要介绍其测量原理和测量方法。3.2水银气压表3.2.1测量原理如图所示，利用一根抽成真空的玻璃管插入水银槽内，就可形成一支最简单的水银气压表。式中为温度时的水银密度;为测站纬度为、海拔高度为h处的重力加速度;气压表读数。

由于大气压力的作用，玻璃管内的水银柱将维持一定的高度。当管内水银柱对水银槽面产生的压力与作用于水银槽面的大气压力相平衡时的高度，即可表示为大气压力。如果在水银柱旁边树立一标尺，标尺的零点对准水银面，就可直接读取水银柱的高度（Hhg），即可求得大气压力（Ph）（3.2）

由(3.2)式可见,大气压力与水银气压表所处环境的温度、重力加速度及纬度有关，为了便于比较,国际上统一规定,以温度0C为标准,g以纬度为45的海平面为标准。如果不在标准条件下,则读得的水银柱高度必须订整到标准条件下。

（3.3）（3.4）(3.2)式可表示为：

从理论上说，任意一种液体都可以用来制造气压表，但是水银有其独特的优点：（1）水银密度大。在标准条件下，在通常大气压力下，它的液柱高度适合人在自然状态下的观测。（2）水银的蒸汽压小。在温度60℃以下，在管顶内的水银蒸汽附加压力对读数准确度的影响可忽略不计。（3）水银的性能稳定。易于提炼纯净的水银。（4）水银不沾湿玻璃，管内水银面形成凸起的弯月面，容易判断水银柱顶的准确位置。思考题：如果用水作为液体制成气压表，会有哪些优缺点？提示：水的密度问题；凝固点问题；蒸汽压问题等；3.2.2动槽式水银气压表

动槽式水银气压表是法国人福丁（J.Fortin）于1810年发明制造的，故称福丁式水银气压表。它的主要特点是标尺上有一个固定的零点。每次读数时，须将水银槽的表面调到这个零点处，然后读出水银柱顶的刻度。外形和结构：

1、感应部分：水银、玻璃内管、水银槽

2、刻度部分：标尺、游标尺、象牙针

3、附属部分：附属温度表读数顺序：

先读温度表；调水银面与象牙针相切；再调游标尺与水银柱顶相切；最后读数。读数结束后，将象牙针与水银面断开。3.2.3定槽式水银气压表

定槽式水银气压表也称寇乌（kew）式水银气压表.外形和结构：定槽式与动槽式区别在水银槽部。它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。原理:当气压变化时，水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量，必将引起水银槽内的水银减少或增加，使槽内的水银面向下或向上变动。即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。当气压升高1mmHg，表内水银柱上升xmm，而槽内水银面同时下降ymm，则令：

x+y=1因为水银槽内水银体积的减少，必将等于管内水银体积的增加，即（体积相等）式中a为水银柱玻璃管的内横截面积；A为水银槽的内横截面积；a'为插进水银槽中的表管心尾端的外横截面积。将代入式得：（3.5）（3.6）（3.6）（3.5）（3.7）对式右边分子+a-a从式可看到，定槽式水银气压表的刻度1mm长度将短于1mm，实际等于，以补偿气压表水银面基点的变动，这种刻度的标尺又称补偿标尺。国产定槽气压表则，因此，气压表上1mm刻度实际只有0.98mm。（3.7）（3.8）（3.8）3.3水银气压表的读数订正为使水银柱的高度能表示大气压力，必须将其订正到标准状态下，即温度为0C时水银密度值，时的水银柱高度的大气压力，即

因此，

1.先将气压表的读数值经过仪器误差的订正;2.然后再进行气压表读数的温度订正和重力订正（纬度重力订正和高度重力订正）。(3.9)3.3.1仪器误差订正由于制造条件的技术及材料的物理特性等因素，导致水银气压表具有一定的仪器误差。因此，制成的气压表必须进行标定（检定），给出仪器在各个刻度上的订正值。气压表主要的仪器误差有：1、仪器基点和标尺刻度不准确；2、真空度不良；3、毛细管液面张力误差；这是由于液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的压力。这个压力的大小随液体的种类和液体表面的曲率而变化。在槽式气压表中，这个误差是由于内管的压力比槽部大而产生的一个使水银柱偏低的误差。式中Ps为毛细管内与槽内弯曲液面的压力差；为表面的张力系数；R为液面的曲率半经；为液面与管壁接触角。水银管参数如图所示：压力Ps使得水银气压的读数偏低。偏低值主要随管直径d，液面与管壁接触角而变。d

越大，影响越小；越小，曲率越大，影响越大。设Ps作用下，使水银柱降低了h，则：(3.11)(3.10)式中为水银的密度；g为重力加速度。由拉普拉斯公式，弯曲液面产生的附加压力（压力差）为：例：某水银气压表检定证上气压读数从810.00—1100.00hpa，仪器的误差订正为-0.2hpa。某次观测气压读数988.6hpa,经仪器误差订正后的气压为：988.6hpa+(-0.2hpa)=988.4hpa3.3.2温度订正1、动槽式气压表的读数温度订正：假设水银气压表的附温温度表的标尺为铜尺；如果在水银槽上另立一支没有温度系数的标准尺，如图所示：在tC，铜尺刻度Ht与水银柱顶相齐，而标准尺测得的水银柱高度为Lt,如图所示。如果气压不变，只将环境温度降至0C

标准条件，此时，铜尺刻度为H0，标准尺测得的水银柱高度为L0，铜尺H0刻度与水银柱顶相齐，H0=L0。气压表的温度订正除了把水银的密度订正到0C标准外，还要考虑铜尺的长度随温度变化的伸缩。已知μ为水银的热膨胀率系数，λ为铜的热膨胀系数，当温度从0C变化到tC时，则对标准尺有：而对铜尺有：合并上面两式得：故有：其中：则：在实际工作中，可将上式制成查算表，以Ht和t为变量，列出相应的Ht值。该订正值是-Ht，应减去。因水银的热膨胀系数大于铜的热膨胀系数，温度的影响使读数偏低。(3.12)其中A为水银槽的截面积;V为气压表内的水银体积;

为铁的热膨胀系数.该订正值应从读数中减去.2、定槽式气压表读数的温度订正：对于定槽式气压表,必须将水银槽的热膨胀效应考虑在内,而写成下述形式：(3.13)3.3.3气压表读数的重力订正气压表读数经仪器误差、温度订正后记作：(3.14)

为经仪器误差订正后的气压读数；为经仪器误差、温度和重力订正后的气压读数；其中为标准重力加速度；为位于纬度，海拔高度h处的重力加速度。由可见，重力订正分纬度重力订正和高度重力订正。(3.14)1、纬度重力订正在海平面上，由重力加速度与纬度的关系则纬度订正：由可知：(3.15)由（3.14

）式：(3.16)(3.16)2、高度订正在同一纬度上，重力加速度随高度的变化关系为：对高山站：hR(R=6370000m,地球半径），h以m为单位。则高度订正：由上式可知：当测站海拔高度h0,H0,订正值为负值；反之，为正值。(3.17)(3.18)(3.19)(3.20)3.世界气象组织推荐的水银气压表重力订正公式：(1)纬度订正

在海平面，重力加速度随纬度的变化：

(2)高度重力订正：陆地台站：

水面站：

(3.21)(3.22)(3.23)式中h为测站的海拔高度；h为以测站为中心，半径为150km范围内的平均海拔高度。式中D为测站正下方的水深；D为以测站为中心，半径150km范围内的平均水深。

海岸附近测站：式中为150km范围内，陆地面积所占的比例。综上所述，水银气压表的读数经过了仪器误差订正、温度订正、纬度重力和高度重力订正后，获得的气压数据称作为本站气压（场面气压）。(3.24)3.3.4海平面气压在绘制天气图时，仅仅知道场面气压是不能绘制等压线的。高山上的场面气压比平原低。因此，必须将各点的场面气压都订正到同一高度上——海平面上。如图所示：设A点为某站，其场面气压为Ph，海拔高度为h，将它的场面气压订正到海平面上，就是把A点所在平面至海平面（图中B所在平面）这段空气柱的压力加到Ph上。根据压高公式可得：(3.25)式中P0为海平面气压；tm为A、B两点之间空气柱的平均温度。(3.27)M可写成：

(3.28)(3.26)计算步骤：(3.30)例1：已知Ph=730.05mmHg，to=7.4C，th=-3.2℃，h=255m，求Po,C？解：例2：已知Ph=735.0mmHg，h=200m,th=10.0℃,

=0.6℃/100,求Po,C？解：

水银气压表读数订正总结：

从气压读数订正到海平面气压。1、经仪器误差订正：器差订正后原始读数器差订正值2、经仪器误差、温度订正：

(3.31)(3.30)(3.32)3、经温度、纬度、高度重力订正（本站气压）：4、海平面气压：(3.33)(3.36)(3.35)(3.34)3.4气压表的安装和观测方法一、气压表的安装：气压表应该安装在气压室内，严格垂直悬挂在墙上；对气压室的要求：气压室内温度均匀少变，无冷热源；避免阳光直射；减少气流流动。二、气压表的读数步骤：1、测定附属表温（准确到0.1°C）；2、调整槽内水银面与象牙针相切（动槽）；3、调整游标尺恰好与水银柱顶相切；4、读取、记录气压值（准确到0.1mmHg或0.1hpa)5、降下水银面使其与象牙针脱离。3.5空盒气压表1、结构：空盒气压表的感应元件是由一组具有弹性的、抽成真空的（或残留少量空气）空盒组成。将空盒底部固定，顶部可自由移动，用以操作指示读数的机械系统。包括：感应部分、传动放大部分、显示部分。3.5.1空盒气压表2、读数：读表的附温，准确到0.1°C;轻敲盒面，克服机械摩擦；待指针平稳后，视线垂直表面读数，精确到0.1mmHg或0.1hpa)复读一次。3、读数订正（1）刻度订正是订正仪器制造不够精密造成的误差，如指针轴与刻度盘中心不相重合或刻度不均匀等造成的误差。刻度订正值可从仪器的检定证上查出。

（2）温度订正是订正由于温度的变化，引起的空盒弹性改变造成的误差。例如，当气压不变时，气温升高，空盒弹性减弱导致气压示度偏高；反之，当气温降低时，气压示度偏低。温度订正值可由下式计算：式中为温度系数，可从检定证上查得；t为附温。(3.37)（3）补充订正订正由于空盒的残余形变所引起的误差。补充订正值可从检定证上查得。例：用空盒气压表（19287号）读得附温20.8°C,气压955.6hpa，求本站气压？解：1、刻度订正：从检定证上查得：-0.3hpa;2、温度订正：

3、补充订正：从检定证上查得：1.3hpa;

综合订正值：（-0.13)+(-1.5)+(1.3)=-0.5hpa

本站气压：P=955.6-0.5=955.1(hpa)3.5.2空盒气压计1、结构空盒气压计是利用空盒感应元件制成的连续记录气压的仪器。其结构包括：感应部分；传动放大部分；自记部分

外形结构1.空盒弹性后效

空盒测压元件的测压精度低于水银气压表。它具有弹性元件的缺点——弹性后效。有两个主要特点：

(1)当气压变化停止后，空盒形变还继续一段时间；

(2)升降压曲线不重合（滞差环）。3.5.3空盒误差2.空盒弹性温度效应

空盒的杨氏模量具有负温系数。温度升高时，弹性力减弱。如果大气压力维持不变，在升温时空盒的厚度将变薄，因此，需要采取措施加以补偿。补偿的办法有两种：（1）双金属片补偿法双金属片补偿器安装在空盒的底部.设温度升高影响厚度减小,使自由端下降了;但双金属片的变形作用使空盒基底提高了dS,空盒的温度效应位移，刚好由双金属片的位移S相抵消,此时空盒的温度误差正好得到补偿.上式中的K,和ds的数值是固定的,显然只在气压为p0时才能有完全的补偿作用,其它数值下的大气压力只能部分地得到补偿.P0则称为补偿点.

假设大气压力为p0,与它相平衡的弹性应力为f0,f0=p0空盒弹性温度系数为,因此温度升高1ºC弹性应力的减小为p0(hpa/ºC),它所引起空盒自由端的位移为

d=Kp0K为仪器的灵敏度(mm/hp0).选择合适的双金属片,使空盒基底的位移ds=d,因此

ds=Kp0(3.38)(2)残余气体补偿法

空盒内留有一定压力的气体，在气压为P时，空盒所受压力为P-，空盒的弹性应力为F，压力平衡时，F=P-。升温1°C时，弹性力减弱了F=(P-π)；而盒内残余气体的压力升高了；当=（P-）或时，空盒的温度效应就可得到补偿。P点是完全补偿点。是空盒的弹性温度系数（1/C）；为残余气体的热膨胀系数（1/C）。

双金属片和残余气体补偿方法结合起来使用，可使空盒在两点得到补偿。其它各点得到补偿的程度也比单点补偿要好的多。(3.39)3.6沸点气压表3.6.1原理溶液的沸点温度与大气压力的关系是很准确的，利用这一特性测量气压,因为在低气压的测量时,它比空盒气压表测量精度要高很多,已在一些探空仪上得到应用.

利用这一原理制成的压力表称为沸点气压表。

这种方法并不是直接测量大气的压力,而是将复杂的气压的测量转化为温度的测量。为大气压力的测量提供了很大的方便.

将一个装有纯净液体的容器与待测空气相通，将溶液加热到沸点，溶液表面的饱和蒸汽压将达到大气压力的数值，测定它的沸点温度就可计算出大气压力。

大气压力与沸点温度的关系为：液体酒精：A=8.04494,B=1554.3,C=222.65(3.41)(3.40)3.6.2结构1、沸腾室：在沸点气压表的结构中，有一个特定的储存液体的容器（或称沸腾室），此容器必须具有良好的保温性能，以减少容器内外的热量交换；2、可调的恒温装置：一个可供液体加热的电阻丝加热器，即可调的恒温装置，以保持温度的稳定性。3、热敏电阻测温传感器3.7震动筒式压力传感器3.7.1测量原理

弹性金属圆筒在外力的作用下发生震动，当筒壁两边存在压力差时，其震动频率随压力差而变化，该传感器就是利用这一原理进行气压测量的。震动筒式压力表特点：性能稳定、测量分辨率和精度较高，以及便于遥测等优点；但制造工艺复杂，互换性差，成本偏高。

3.7.2振筒的测量误差1.温度误差2.污染物的影响3.老化影响1.温度误差虽然振筒的恒弹性材料的弹性温度系数很小，但大气密度受温度的影响是无法避免的。筒内气体随筒体震动，其质量将附加在通体上，从而使固有振动频率随之变化。在-55~125摄氏度内频率约变化为2%，因而振筒的实测线路中，气压对振动质量转换的线路部分包括了温度影响的修正。2.污染物的影响大气污染物对筒壁的黏附，引起影响振动质量以及相应固有频率的变化。防护措施：对进气口实施空气过滤是一种有效的防护措施。3.老化影响振筒没有活动的部件，材料承受的应力远低于弹性应变的极限应力，所以无需考虑永久变形和弹性疲劳，因而老化所引起的飘逸很小。3.8单晶硅压力传感器测量原理它是以半导体硅膜片作为压敏元件，利用单晶硅材料的压力电阻效应制成的，即单晶硅压敏元件在压力作用下，将发生形变，从而引起载流子的浓度和迁移率变化，使压敏元件的电阻率发生变化。因此单晶硅压敏元件在大气压强的作用下，发生形变，引起元件的电阻变化。利用这一原理，使气压的测量转换为电阻或电压等电信号的测量。

3.9气压表的基准为了保证各个气象台站气压标尺的一致性，保持气压资料的精确度，世界气象组织对气压表制定了各级管理和逐级对比的制度。按一起的精度和功能，气压表分成下列几个等级。A级：一级或二级标准气压表，能独立地测定气压，保持高于0.05hPa的精确度；B级：工作标准气压表，用于日常的气压对比工作，它的仪器误差通过与A级表比对后校准；C级：参考标准气压表，用来向台站气压表传递校准比标准以及进行比对；S级：安装在气象台站上的气压表；P级：高质量、高精度的气压表，经过多次搬运仍能保持原有的精确度；N级：高质量、高精度的空盒气压表，滞差效应和温度系数可略去不计。地区标准气压表的分布地点地区地点等级Ⅰ城市国名Ar开罗埃及Ar达尔贝卡摩洛哥Ar达卡尔塞内加尔Ar金沙萨扎伊尔