《大气探测学》第1章习题参考答案.docx

19 什么叫温标？常用温标有哪几种？如何换算？温标是为了定量地表示温度,而选定的一个衡量温度的标尺。常用温标有：开尔文温标（绝对温标）(K)、摄氏温标 ()、华氏温标(F)。换标公式为：KC换算： CF换算： KF换算： 20 试述玻璃温度表测温原理。液体玻璃温度表的感应部分是一个充满液体的玻璃球，示度部分为玻璃毛细管。由于玻璃球内的液体的热膨胀系数远大于玻璃，当温度升高时，液体柱升高，反之下降。液柱的高度即指示温度的数值。设0时表内液体的体积为V0，此时球部和这段毛细管的容积也为V0，当温度升高t时，毛细管中液体柱的长度变化为L，则体积的改变量为：式中为液体的热膨胀系数， 为玻璃球的热膨胀系数，S为毛细管的截面积。等式左边称作温度表的灵敏度。表示温度改变1引起的液体高度变化，灵敏度越高的仪器，刻度越精密。21最高、最低温度标测温原理最高温度表：毛细管较细，液体为水银。在玻璃球部焊有一根玻璃针，其顶端伸至毛细管的末端，使球部与毛细管之间的通道形成一个极小的狭缝。升温时，球部水银膨胀，水银热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数，水银被挤进毛细管内；但在降温时，毛细管内的水银不能通过狭缝退回到球部，水银柱在此中断。因此，水银柱顶可指示出一段时间内的最高温度。另外也可以利用毛细管收缩原理，观测结束后需要人工将毛细管中的水银复位。最低温度表：毛细管较粗，内装透明的酒精，游标悬浮在毛细管中，观测时将游标调整到酒精柱的顶端，然后将温度表平放。升温时，酒精从游标和毛细管之间的狭缝过，游标不动；温度下降时，液柱顶端表面张力使游标向球部方向移动，因此，游标指示的温度只降不升，远离球部的一端将指示出一定时段的最低温度。22双金属片测温原理双金属片是由两种不同的金属薄片热压而成，里层成为主动层，热胀系数大，外层成为被动层，热胀系数小。将双金属片的一端固定，温度变化时双金属片的另一段会产生机械位移，并经过放大系统和记录系统将温度的变化记录下来。23 平衡和不平衡电桥测温原理（1）平衡电桥的测温电路原理如下图所示： （2）不平衡电桥的测温电路原理如下图所示： 在不平衡电桥中，电桥不平衡时,检流计上有电流流过，对角线上有输出电压，因此可根据检流计的读数或电压确定测温元件 Rt 所处的环境温度。忽略导线电阻随温度的变化并把导线电阻考虑到 Rt 和 r3 内，不平衡电桥对角线的输出电压e可用下式表示：设为电桥平衡时 Rt 的阻值，r 为温度变化引起阻值的变化，则在电桥平衡时有，代入e的公式得：将上式右边括号中的项展成幂级数，则：将上式中忽略二次项，并设 ，代入上式，忽略 t2 以上的二次项得：为了使输出电压e和温度变化成线性关系，应使上式中含t2 项的系数总和为零即 或 ，由于，因此后者才有意义。24 推导线性化输出平衡电桥电阻r1、r2、r3的计算式25 热滞系数的物理意义及特性推导：元件在d的时间内与周围介质交换的热量为其中T为元件温度，为环境温度，S为有效散热面积，h为热交换系数。元件得到（或失去）热量dQ后，增（或降）温dT，有其中C为比热，M为元件的质量。合并上面两式，移项得：令 =CMhs 为热滞系数，则：，的单位为秒。热滞系数特性：元件的热容量越大，散热面积越小，则越大。热交换系数h的大小取 决于环境介质性质和通风量。如何测定温度表的热滞系数：探空仪的热滞系数：T-= ，其中为气球升速，为环境减温率。26 一支热滞系数为100s的温度表，温度30时，观测环境20的空气温度，精度要求为0.1 ，需要多少时间才能观测？.27 百叶箱气温日变化振幅A0 =10，要求日振幅误差小于0.1，计算热滞系数。由28 气温测量中防止辐射误差方法有主要哪几种？（1）屏蔽技术:使太阳辐射，使地面反射辐射不能直接照射到测温元件上（百叶箱等）；（2）增加元件的反射率(热敏电阻涂成白色)；（3）人工通风,加快元件散热(阿斯曼通风干湿表)；（4）采用体积小,并具有较大的散热系数的测温元件；29 阿斯曼通风干湿表的原理和绝对湿度方程的推导阿斯曼通风干湿表是把两只棒状温度计防治在防辐射性能极好的通风管道中，其中一支温度表用来测量环境温度，成为干球温度表。另外一支温度表的球部包裹纱布，纱布下端浸入水中，成为湿球温度表。由于蒸发，湿球表面不断有耗散蒸发潜热，使湿球温度下降，又由于湿球与四周空气有温差，则在稳定平衡时，湿球温度表蒸发支出的热量应等于与四周热空气交换得到的热量，根据这一平衡关系，我们可以通过测量干球温度和湿球温度来计算空气湿度。湿球与四周热空气交换得到的热量为：其中h为热扩散系数，T为干球温度，Tw为湿球温度。单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量为：其中k为水汽扩散系数，r为空气的混合比，rs(Tw) 为湿球温度 Tw 时的饱和混合比湿球蒸发消耗的热量为：其中 ，称为干湿表系数。 从A值的定义可知，热扩散系数h和水汽扩散系数k是通风速度的函数，所以A值必然与风速有关：（1）A值随风速变化大，风速增加，A迅速减小；但是V3m/s时，A基本不变；（2）不同类型的温度表A值有差异，但是在风速高的时候，差异很小；（3）元件的特征尺度d越小，A随风速的变化越小。30 为什么采用人工通风的干湿球温度表能提高测量精度？因为干湿表系数受风速影响大，如果用人工通风的干湿球温度表，可以保持枫树的稳定从而使A值保持稳定，以减小实验误差。31简述露点仪的测量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），读取这瞬间的镜面温度，就是露点（或霜点）温度。如图所示：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，一般5次取平均即得到露点温度：；32 影响露点仪测量精度的因素有哪些？（1）开尔文效应：设弯曲水面饱和水汽压为；纯水平面饱和水汽压为，则在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压与平面饱和水汽压的关系为：即露滴的饱和水汽压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。（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。这种效应将使露点值偏高。esw,n=eswNN+nesw（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。（4）判断状态：当气温小于0度时，若不能正确判断是结露还是结霜将导致误差，温度越低误差越大。（5）操作：加热过快或冷却过快都会导致很大的误差。33 测量湿度的方法有哪几种？简述原理。（1）干湿球温度表（2）毛发湿度表：湿度从0100%时，毛发伸长2.5%，伸长量与湿度变化成正比（3）吸湿称重法：利用吸湿剂P2O5吸收一定容积空气中的水汽，只要精确测定空气的容积和吸剂的重量变化，即可直接计算出1立方米空气中所含的水量，即：，（4）光谱吸收法：根据空气中水对红外辐射的吸收原理确定空气湿度的方法。主要以两束波长不同的光线，一束波长=1.37m，对水汽有很强的吸收；另一束波长=1.24m（参考光），对水汽不吸收。将两束光线交替通过被测气层，并比较这两束光线的能量，确定大气（含水量）湿度。（5）氯化锂测湿：测量其饱和溶液水汽压与环境水汽压平衡时的露点（6）碳膜湿敏元件：根据高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触率减小，元件的电阻增大；反之当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触率增加，元件的电阻减小。通过测量元件的电阻值的变化，即可确定大气中的湿度。（7）露点仪 34 各种表示湿度的物理量，参数与表达式（1）混合比，比湿（3）绝对湿度，相对湿度，水汽的摩尔分数（4）水汽压，饱和水汽压（5）露点温度，霜点温度35 简述动槽式、定槽式水银气压表的观测原理水银气压表的读数原理为：如图所示，利用一根抽成真空的玻璃管插入水银槽内，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，水银柱将维持一定高度。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（），即可求得大气压力（）Ph=hg(t)g,hHhgt,g,h式中hgt为温度 时水银密度，g,h 为测站纬度为、海拔高度为h处的重力加速度。为了便于比较,国际上统一规定，hg 以温度为标准，g以纬度为的海平面为标准。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。 其中hg(t)hg(0)为温度订正因子，g,hg45,0为重力（纬度高度）订正因子。 动槽式水银气压表的读数原理为：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。在读数时，先读温度表，然后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，需将象牙针与水银面断开。定槽式水银气压表的读数原理为：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。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mm，而槽内水银面同时下降mm，则有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：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 为插进水银槽中的玻璃管尾端的外横截面积，因而有： x= A-aA-a+a = A-a+a-aA-a+a = 1- a A-a+a从上式可看到，定槽式水银气压表的刻度1mm长度将短于1mm，实际等于 A-aA-a+a ，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。36 简述空盒气压计、空盒气压表的测压原理空盒气压表的感应元件是一组具有弹性的、抽成真空的（或残留少量空气）空盒组成的。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。外界气压的变化引起空盒形变从而使读数变化。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，与空盒气压表的区别在于它有自记部分，而空盒气压表需要靠人去读数。37 简述沸点气压表原理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，通过测定沸点温度就可计算出大气压力，这种方法的优点是将复杂的气压的测量转化为温度的测量。大气压力与沸点温度的关系为： 38-1 已知在北纬40，海拔高度为120m的气象站动槽式水银气压表的气压读数为988.2hPa，器差为0.6hPa，th=25，r=0.6/100m，求：ph、p海、压差C。38-2 已知在北纬45海拔高度为220m的气象站动槽式水银气压表的气压读数为986.1hPa，器差为-0.2hPa，th,0=25，th,-12=30.6，求：ph、p海、压差C。39 旋转式风速表主要有哪几种？简述它们的测量原理 旋转风速表的感应部分是一个固定在旋转轴上的感应部件，在稳定的风力作用下，感应部件受到扭力矩而开始旋转，转速与风速成一定关系。因此通过测量转速可以得到风速。感应部件有风杯式和螺旋桨式两种，风杯式绕竖直轴转，螺旋桨式则安装在支架的水平轴上，支架可绕竖直轴，随风向变化转动。旋转风速表主要有以下几种：. 蜗杆风速表：根据齿轮转速与风速的关系，测量转速，得到风速；. 电感式旋转风速表：将转速转化为电感、电压来测量；. 光电式旋转风速表：将转速测量转化为光电频率的测量；. 悬浮式旋转风速表：将光电式旋转风速表的转轴悬浮起来，减小摩擦。40 简述旁热式、直热式热线微风仪的测量原理 旁热式热线风速计被加热的金属丝在气流中散热，它的散热率与风速的大小有密切的关系，假若以一定电功率的电流连续加热金属丝，热丝的温度与气温存在一定的差值，差值的大小随风速的大小而异，利用热丝的温差电动势可测定风速，利用这种原理制成的风速仪称作热线风速仪。 按照热线的测量特点，热线风速表可以分为两类：若热线仅作为风速的感应元件，热线与环境温度的温差需用其它测温元件测量（如热电偶温度表），则成为旁热式热线风速表。若热线不仅作为风速感应元件，而且同时用作温差的测量，则称为直热式热线风速表。旁热式热线风速表一般采用电阻温度系数很小的金属丝作为热线。直热式热线微风仪： 直热式热线风速仪的感应部分是一根直径约为5-10mm的铂金属丝，紧绷在支架上，长度约几个至20mm。当较大的电流流经铂丝，它的温度要比环境空气温度高200-500。直热式热线风速仪的铂金属丝，一丝两用，它既用来感应风速，又以它的电阻值确定热线的温度。41 简述超声风速仪的测量原理超声风速仪是利用声波在大气中传播速度与风速之间的函数关系来测定风速的，声波在大气中的传播与气温、湿度、气压和风等气象因子均有关系。静止空气中的声速cs=20.067Tsv=20.067T(1+0.32ep)其中Tsv为声学绝对虚温，e为水汽压，p为大气压力声速与风速的关系是：声波在大气中传播的速度等于无风时声波传播速度与风速的代数和。因此在一定距离内，声波顺风传播和逆风传播有一个时间差，测得这个时间差即可确定气流的速度。超声风速仪通常有三组探头，分别用于探测 Vx、Vy、Vz，超声风速仪的响应速度很快，每秒钟可测几十次甚至上百次。如图所示，设声波从坐标原点到达某一相面（x,y,z）所需时间为t，在x轴方向上取对称的两点（d,0,0）和（-d,0,0），vx方向即x轴正方向：顺风时T1发射，R1接收，t1=dcs+vx；逆风时T2发射，R2接收，t2=dcs-vx；tx=t2-t1=2dvxcs2-vx2=1A2dvxcs22dvxcs2，其中A=1-vx2cs21；因此 vxcs2tx2d，同理可得 vycs2ty2d ，vzcs2tz2d。42 激光风速仪的测量原理及其存在的问题。原理：激光通过大气层时，大气层中的气溶胶粒子对入射光有散射效应，而运行的气溶胶粒子将使散射光的频率产生多普勒频移效应。在接收器内比较参考光（未经散射的发射光）和散射光的频差，就可确定运载气溶胶粒子的气流速度。存在的问题：激光风速仪测得的风速并不是真正的大气流动速度，而是悬浮于气流中的散射粒子的运动速度。因为粒子与流体的密度有显著差异，粒子不可能完全跟随流体运动，其速度总会有差异，这就造成了激光测量的误差。43 简述经纬仪气球测风原理。单经纬仪测风原理：气球以速度w匀速上升，测得方位角(相对正北)和仰角，在t时刻气球上升的高度为H=wt，气球在水平方向上的投影距离为L=Hctg，水平风速为：v=L/t。优点：测量简单，节省人力；缺点：有上升下沉气流时，会使气球上升速度偏大或偏小，并且气球本身上升速度在不同高度有变化。双经纬仪测风原理：在已知长度的基线两端架设两架经纬仪同步观测，分别读出气球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。44. 双经纬仪水平投影法和垂直面投影法水平面投影法：如图所示，观测点A的位置比B高h，即AA = h。在某一瞬时，如果起球距离通过基线的铅锤面距离较远，则应用水平面投影法，即将起球位置投影到B店所在水平面上，然后利用A、B两点观测到的P的方位角和仰角计算P点高度。测量方位角、和仰角、 代入下面公式，若A点为放球点，则取若出现以下三种情况之一，则不能使用水平投影法，可使用垂直面投影法。(1)或358 或2(2)-4 或176(3)或88 或2垂直面投影法：如图所示，将气球位置投影到基线所在铅锤面上，然后利用铅锤面上的投影点用三角公式计算球高。分为投影点落在基线上方、基线左边和基线右边三种情况。45 探空气球的上升公式为 若时等速上升，求此时高度；如果预定200m/min，求此高度的升速。(m=40g , r=30cm , P=1.25 kg/m3 , CD=0.4 , A=188g )由 ，解得z=0.724m = 200 0.96 m/s=192 m/s46 B=40g，w=200m/s，P=770mmHg，T=10C，查出A，平衡器150g，需要多少砝码，步骤？w=200m/s，P=770mmHg，T=10查表得：A=202m/min 又由于B=40g查表得：A=190g平衡器150g故砝码重为40g+190g-150g=80g 步骤（1）观测气压P,温度T； （2）由P、T、w查标准密度升速值w0； （3）由w0 和B（球皮+附加物重量）查出净举力A； （4）砝码重=净举力A-平衡器重量 （5）在已扎好的气球平衡器上加好相应的发麻，向起球中冲入氢气，充气到气球 在空中平衡为止，即得到一规定升速的气球。47我国气象台站降水观测包括哪三个要素？它们的单位是什么？降水量：降落在地面上未经蒸发、渗透或流失的液态或固态降水的积水量。以积水的深度表示，单位为mm，取一位小数。 降水时数：降水持续的时间，以h、min为单位。降水强度：单位时间内的降水量，以mm/h为单位。48降水观测的仪器主要有哪三种？简述测量原理 降水观测的仪器主要有雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计。 雨量器组成部分包括：（1）雨量筒：用于承接降水量；（2）雨量杯：用于测量降水量；若承接口的半径为R，量杯的半径为r，则降水量1mm时，在量杯中应为hmm，即：我国现用的雨量器R=10cm,r=2cm。由此可知，桶内积水深度为1mm时，量杯内水深为25mm，因此，可将量杯上每2.5mm刻制一条线，代表降水量为0.1mm。虹吸式雨量计的测量原理 包括：承接口、漏斗、自记系统（自计钟、自记纸、自记笔）、浮子、浮子室、虹吸管、盛水器等。当有液体降水时，降水从承接口经漏斗进入浮子室。浮子室是一个圆桶容器，内装浮子，外接虹吸管，降水使浮子上升，带动自记笔在钟筒自记纸上画出记录曲线。当自记笔尖升到自记纸刻度的10mm时，浮子室内的水恰好上升到虹吸管顶端，虹吸管开始迅速排水，使自记笔尖回到刻度“0”线，重新开始记录。因此，自记曲线的坡度可以表示降水强度。翻斗式雨量计的测量原理翻斗式雨量计由感应器、记录器、电源组成;感应器安装在室外，由承接器、上翻斗、计量翻斗、 计数翻斗、干簧管组成;记录器安装在室内由：计数器、记录系统、电路控制系统组成；感应器的工作过程是,承接器中收集的降水通过漏斗进入上翻斗,当降水积到一定量时,由于水的重力作用,使翻斗翻转,使降水进入汇集漏斗。由汇集漏斗进入计量翻斗，当计量翻斗中的降水量为0.1mm时，计量翻斗将降水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻转1次。计数翻斗翻转时，与它相联的磁钢对干簧管扫描一次。干簧管因磁化而瞬时闭合一次，这样，降水量每达到0.1mm，就送出一个开关信号，通过记录器在记录纸上记下0.1mm的降水量。即：降水承接器上翻斗汇集漏斗计量翻斗计数翻斗翻转一次送出一个信号记录一个0.1mm的降水量。49 蒸发量观测的仪器有哪些？简述E601蒸发器和Lysimeter 蒸散量测定仪的测量原理蒸发量观测的仪器有小型蒸发器、E601蒸发器和Lysimeter 蒸散量测量仪（蒸渗仪）。 E601蒸发器的测量原理：主要由蒸发桶、水圈、溢流筒、测针组成；蒸发桶器口面积为3000cm。在桶壁上开有溢流孔，用胶管与溢流孔相连，以承接因降水从蒸发桶内