现代大气探测学-第五讲-湿度的测量-夏俊荣

南京信息工程大学夏俊荣,现代大气探测学,2011年3月22日,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.复习思考题,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、湿度计和湿敏电容湿度传感器等。,.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。.比湿：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,.绝对湿度（又叫水汽密度或水汽浓度)v：单位容积空气中所含的水汽质量。单位用千克米。.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,为气压,水汽压,5,e,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U,？,U,U=e/E100,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，ttd。td与t的差值就表示了空气距饱和的程度,一、表示空气湿度的参量,7.露点温度td,测湿方法,.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。.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。.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。,.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湿度计。.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,干球温度表及干湿球温度表的安置,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,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。,干湿球温度表测湿公式,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,根据实验得知，A值与风速的关系如图所示。A值随着风速的增加而减小，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,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,温度表的读数误差温度表读数有误差，将导致相对误差的很大误差，这种误差是非线性的，特别在低温时误差是相当大的。因此，在我国规定，在-10，即停止使用干湿表测湿风速造成的误差,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,back,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,（1）毛发的特性,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。毛发湿度表的刻度就是根据毛发的这一变化规律刻制的，即所谓盖吕萨克尺度,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,（1）毛发的特性,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,（2）毛发感湿的物理机制,（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，根据干湿球温度表测定的湿度和毛发湿度表的读数，编制毛发湿度订正图，以确定其订正值。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,毛发湿度表是利用一根脱脂人发作为其感应部分。毛发固定在金属架上，其上端的调节螺丝可用来调整毛发表的零点，下端固定在弧钩上，其固定点到轴心的距离比起同一轴上指针要短得多，因而可以起到传递放大的作用，小锤是用来平衡毛发弹性力的，刻度盘采用盖吕萨克尺度。但空气中相对湿度增大时，毛发伸长，小锤因重力作用下降，拉紧毛发并使指针向右移动；湿度减小时，毛发缩短，使小锤与弧钩上抬指针向左移动,（4）毛发湿度计,（4）毛发湿度计,毛发湿度计是自动记录相对湿度连续变化的仪器。,感应部分由一束毛发组成，以增大拉力，发束两端固定,自记部分与温度计相同,传动机械采用杠杆曲臂，其具有传递放大和调整放大率两个作用，通过调整放大率，消除了毛发本身随相对湿度改变其伸长量的不均匀性，从而使自记笔尖对湿度的变化做均匀移动，所以，湿度自记纸的刻度是等距的,毛发经过滚扎使其截面变为椭圆形并用乙醇将其中的油脂性物质溶出之后，毛发的表面积与其所包容的体积之比会增大，滞后系数会变小，这样特别有利于毛发在低温下应用，满足了毛发在低温下仍能取得有用的资料的要求。滚扎之后虽然毛发的抗拉强度变小，但却获得了比较线性的响应函数。单根毛发适宜用于准确测量，而成束毛发则适用于要求牢固性的场合。毛发若用硫化钡或硫化钠化学处理后，其响应线性度会更好。在很少出现或从不出现极低温度的情况下，毛发湿度计或毛发湿度表可以认为是令人满意的适用仪器。这种仪器的构造应尽可能简单，即使仪器具有非线性的刻度也无所谓，这一点对工业地区尤为重要，因为空气中污染物可能作用在机械的活动部分并使其间的摩擦增大。毛发湿度表的响应速度受空气温度的影响很大。在10时的滞后比在10时的滞后约大3倍。在空气温度为030和相对湿度为2080%的条件下，一个良好的湿度计应能在3分钟内指示出湿度突然变化量的90。,一台处在理想状态下良好的湿度计在中等适宜的条件下应能记录相对湿度，并且有3的不确定度。在低温条件下的不确定度会更大些。毛发湿度表在读数前必须轻敲以放松其机械系统的张力。而毛发湿度计在换纸之前除了做时间记号外，尽可能不要对它有触碰。毛发湿度表和毛发湿度计通常都要将相对湿度读数到百分之一。一定要注意的是毛发湿度表所测的相对湿度即使是在气温0以下都是相对于水面的饱和状态时的测量值。空气中的湿度变化是很快的，因此，在毛发湿度计上做时间记号是很重要的，做记号时只能使笔杆向降低湿度的方向拨动。这样做可以使毛发得以松弛，然后，由弹簧所施的复位力使记录笔回到正确的位置上，如果记录笔不能回到原来的位置上，说明已受到滞差的作用,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。湿敏电容传感器的头部有保护滤膜，防止感应元件被尘埃污染。每月应拆开传感器头部网罩，若污染严重应更换新的滤膜。禁止手触摸湿敏电容，以免影响正常感应。,4、湿度的标准仪器和校准,4.1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,4、湿度的标准仪器和校准,4.2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,4、湿度的标准仪器和校准,4.3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,4、湿度的标准仪器和校准,4.4一级标准器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。,4、湿度的标准仪器和校准,4.4一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。,4、湿度的标准仪器和校准,4.5二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。,4、湿度的标准仪器和校准,4.6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。,4、湿度的标准仪器和校准,4.7WMO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,5、气象应用,大气中水汽的含量虽然很少，但对于天气变化有很大的影响，往往是天气变化的前奏，云、雾、降水等天气现象都是由水汽相变而来；低层大气水汽含量的多少，直接影响到农作物的生长和人类的活动。另外，大气中的水汽相变是重要的能量转换方式。因此，人们需要对湿度进行测量以了解其变化情况。湿度作为一个重要的气象要素，引起人们的广泛注意，由于湿度在说明大气水分特征上是不可缺少的，因此在气象观测和气候叙述中，都需要进行湿度的观测和描述。在天气分析方面，湿度越大，空气中水汽越丰富，成云、降水的可能性越大。故能根据湿度来判断天气变化的趋势。随着人们的生活质量的提高，对居住环境的要求也越来越高，湿度也是影响人们生活舒适度的一个重要参数。空气中的湿度大小，与人体健康有着密切的关系。因为，人只有通过热代谢和水盐代谢才能维持生理平衡。冬季，在室温较高的干燥空间里，人们会觉得口干舌燥；而在多雨的夏季里，人们又会感到闷热难耐。这是由于前者空气湿度过小，后者空气湿度过大造成的。通过研究发现，在低温低湿的冬季，流感、白喉、哮喘、百日咳、脑膜炎、支气管炎等病症的发病率明显增加。科学研究表明，最有利于人体健康的