现代大气探测学4第五讲湿的测量

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。

当前第1页\共有59页\编于星期二\12点第五讲湿度的观测当前第2页\共有59页\编于星期二\12点主要内容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.复习思考题当前第3页\共有59页\编于星期二\12点湿度？

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当前第4页\共有59页\编于星期二\12点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当前第5页\共有59页\编于星期二\12点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3４.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当前第6页\共有59页\编于星期二\12点一、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为气压水汽压5e当前第7页\共有59页\编于星期二\12点

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当前第8页\共有59页\编于星期二\12点一、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U？UU=e/E×100％当前第9页\共有59页\编于星期二\12点

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＞td

td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当前第10页\共有59页\编于星期二\12点测湿方法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。主要仪器是露点仪当前第11页\共有59页\编于星期二\12点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当前第12页\共有59页\编于星期二\12点观测项目

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当前第13页\共有59页\编于星期二\12点二、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当前第14页\共有59页\编于星期二\12点

（1）测湿原理干球温度表及干湿球温度表的安置当前第15页\共有59页\编于星期二\12点当前第16页\共有59页\编于星期二\12点温度零上时湿球纱布包扎示意图湿球纱布冻结时纱布包扎示意图当前第17页\共有59页\编于星期二\12点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当前第18页\共有59页\编于星期二\12点干湿球温度表测湿公式的推导当前第19页\共有59页\编于星期二\12点

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)

当前第20页\共有59页\编于星期二\12点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，空气达到饱和干湿球温度表测湿公式back当前第21页\共有59页\编于星期二\12点（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当前第22页\共有59页\编于星期二\12点测湿系数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

当前第23页\共有59页\编于星期二\12点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当前第24页\共有59页\编于星期二\12点（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当前第25页\共有59页\编于星期二\12点气温（℃）0-10-40t-tw(℃)3<20.25

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

当前第26页\共有59页\编于星期二\12点（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当前第27页\共有59页\编于星期二\12点

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)back当前第28页\共有59页\编于星期二\12点2、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。当前第29页\共有59页\编于星期二\12点⊿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%盖·吕萨克尺度当前第30页\共有59页\编于星期二\12点2、毛发湿度表和湿度计温度效应瘫痪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。

当前第31页\共有59页\编于星期二\12点毛发湿度表当前第32页\共有59页\编于星期二\12点微孔假说蛋白质假说当前第33页\共有59页\编于星期二\12点（3）毛发湿度表使用时的注意事项

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当前第34页\共有59页\编于星期二\12点（4）毛发湿度表一根脱脂人发

当前第35页\共有59页\编于星期二\12点当前第36页\共有59页\编于星期二\12点（4）毛发湿度计

当前第37页\共有59页\编于星期二\12点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

当前第38页\共有59页\编于星期二\12点原理——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、氯化锂湿度片测湿当前第39页\共有59页\编于星期二\12点拉乌尔定律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溶质的克分子数当前第40页\共有59页\编于星期二\12点Ep<E∞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当前第41页\共有59页\编于星期二\12点实验指出——

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；越浓则越大当前第42页\共有59页\编于星期二\12点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，湿度片性能不稳定当前第43页\共有59页\编于星期二\12点5、光学湿度计（遥感）比尔-朗伯定律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

光学路径长度当前第44页\共有59页\编于星期二\12点水汽吸收带紫外—

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）当前第45页\共有59页\编于星期二\12点光学湿度计优点：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当前第46页\共有59页\编于星期二\12点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）沉积时的温度当前第47页\共有59页\编于星期二\12点误差来源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-使露点温度值偏高当前第48页\共有59页\编于星期二\12点其它湿度测量仪器微波辐射计1.35cm波长当前第49页\共有59页\编于星期二\12点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当前第50页\共有59页\编于星期二\12点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良好的风扇得到。参考标准器应按适合自身需要的周期进行校准饱和盐类溶液可应用于只要求小容量样本的传感器，它需要非常稳定的环境温度，对其在野外应用难以令人满意。当盐类溶液用于控制工作时，要注意，盐类溶液所给出的标准湿度值并未经过任何溯源基准器的工作当前第51页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.3实验室校准实验室校准是保持准确度的主要方法：（1）野外用仪器和工作级标准器应当按照与其他常规湿度表相同的规则进行实验室校准。仪器的运行是否正确可在稳定的室内条件下用与参考标准仪器相比较的方法予以验证。如果野外用仪器带有冰检测器，则应对此系统的运行正确性也进行验证（2）对参考标准器与标准器的实验室校准需要有一台精密的湿度发生器和一台适合传递的标准湿度计。双压力法湿度发生器和双温度法湿度发生器都能够发送一股按预定温度和露点控制好的气流。应当至少每12个月对仪器量程应用范围进行全程校准一次。对冷镜湿度表的校准和对温度显示系统的校准应当单独进行，至少每12个月一次

当前第52页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.4一级标准器

1、称重测湿法称重测湿法是实验室内测湿的标准方法。使体积为V的湿空气流过一个干燥管，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，同时确定流经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。绝对测湿法的测量精度很高，但测试一次需要很长的周期，否则既不能使空气中的水汽完全被干燥剂吸收，也无法使足够体积的空气流过干燥管

2、动态的双压法标准湿度发生器这种试验装置用于提供以绝对方法确定相对湿度的湿气源。一股载气气流通过压力为P1的饱和容器并进入气压为低压P2的第二个容器进行绝热膨胀。两个容器均安装在同一个油槽中且温度相同。根据道尔顿分压定律，这股水汽与载气混合物的相对湿度直接与这两个容器中各自的总压相关；低压容器中的水汽压为e′与高压容器中的水汽压ew′之比，等同于低压容器中的总压与高压饱和容器中的总压比

当前第53页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.4一级标准器相对湿度为Uw为：如果气体是在气压为P1时相对于冰面达到饱和，则上述关系对固态仍可适用：3、动态的双温度法标准湿度发生器这种实验室装置能提供一股温度为T1和具有露点或霜点温度T2的潮湿气流。有两个温度可控的液槽，每个液槽都有热交换器，其中一个液槽有饱和容器（其中有水或冰），气流首先经过饱和容器在温度T2下达到饱和，然后等压地增温至T1。在实际的设计中，气流是不停地循环流动的，以保证其饱和状态。测试仪器引出温度T1的空气，其流量与循环流动的主流相比应只占很少的量当前第54页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.5二级标准器二级标准器必须妥善保存，只是在用基准器校准时或与其他的二级标准器相互比对时才能移出校准实验室，二级标准器可以作为基准器一级标准器的传递标准器。冷镜湿度表在气温、湿度与气压都受到控制的条件下可以用作二级标准器。仪器还应当送到经过认证的实验室进行校准，并给出仪器全量程的不确定度。这种校准必须直接与基准溯源，并在合适的时间间隔内（通常每12个月一次）进行再校准当前第55页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.6工作级标准器冷镜湿度表或者阿斯曼干湿表可以在野外的或实验室的环境条件下进行比对时用作工作级标准器。为此，这些仪器必须完成至少是参考标准器等级的比对，这种比对必须在稳定的室温条件下至少每12个月进行一次。工作级标准器需要有合适的通风装置以便空气取样当前第56页\共有59页\编于星期二\12点7、湿度的标准仪器和校准7.7WMO参考标准干湿表

这种干湿表基本上是一级标准器，它的性能是可以计算的。它的主要用途还是作为高准确度的参考标准仪器，特别是在野外条件下对其他仪器系统进行型式试验时，它可以随意安置，可以放在百叶箱的旁边，也可以放在其他仪器的旁边。但是，这种仪器必须按照技术规格精确的制造，而且必须要由有精密实验室工作经验的人员操作。还要特别注意其通风条件，要防止其湿球被手指或其他物品碰触而受到污染

当前第57页\共有59页\编于星期二\12点8、