大气探测学 气压的测量

1、1 第四章第四章 气压的测量气压的测量2本章要求本章要求 掌握气压测量仪器的基本原理、结构掌握气压测量仪器的基本原理、结构和特点和特点3主要内容主要内容 水银气压表水银气压表 水银气压表的读数订正水银气压表的读数订正 气压表的安置和观测方法气压表的安置和观测方法 空盒气压表和气压计空盒气压表和气压计 振筒式压力传感器振筒式压力传感器 沸点气压表沸点气压表 电容式、压阻式、压电式气压传感器电容式、压阻式、压电式气压传感器 气压表的基准气压表的基准4序序 气压是大气压力的简气压是大气压力的简称，数值等于单位面称，数值等于单位面积上从所在地点往上积上从所在地点往上直至大气上界整个空直至大气上界整个空

2、气柱的重量气柱的重量 单位：百帕单位：百帕 （hPa） 1 hPa = 100 Pa 1 Pa = 1 N / m25 国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，气象部门采用百帕作为气压单位。称帕，气象部门采用百帕作为气压单位。 历史上也曾用毫巴（即千分之一巴）和毫历史上也曾用毫巴（即千分之一巴）和毫米水银柱作为气压单位，其换算关系如下：米水银柱作为气压单位，其换算关系如下： 1百帕百帕 = 1毫巴毫巴 = 3/4毫米水银柱毫米水银柱6 气象站气压表高度处测到的大气压强，称气象站气压表高度处测到的大气压强，称为为本站气压本站气压，属于地方气候资料之一。，属于

3、地方气候资料之一。 由于各测站海拔高度不同，本站气压不便由于各测站海拔高度不同，本站气压不便于比较，为了绘制地面天气图，需要将本于比较，为了绘制地面天气图，需要将本站气压换算到相当于海平面高度上的气压站气压换算到相当于海平面高度上的气压值，我们称之为值，我们称之为海平面气压海平面气压。 目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有水水银气压表银气压表和和空盒气压表空盒气压表两种。两种。7测量大气压力的仪器主要有：测量大气压力的仪器主要有：1 1、水银气压表（作为标准）、水银气压表（作为标准）2 2、空盒气压表、空盒气压计、振筒气压计、空盒气压表、空盒气压计、振筒

4、气压计（气象台站）（气象台站）3 3、沸点气压表（作研究用、沸点气压表（作研究用, ,探空）探空）4 4、硅压阻气压传感器、巴登管气压传感器、硅压阻气压传感器、巴登管气压传感器8测量气压的仪器测量气压的仪器94.1 水银气压表水银气压表104.1.1 作用原理作用原理 应用托里拆里实应用托里拆里实验的原理验的原理当外界气压升高当外界气压升高时，大气压力会时，大气压力会自动把水银槽中自动把水银槽中的水银压进管腔的水银压进管腔中使水银柱长高。中使水银柱长高。反之，气压下降反之，气压下降时，水银柱会自时，水银柱会自动降低，水银自动降低，水银自动流回槽里。动流回槽里。水银气压表水银气压表1644164

5、4年发明年发明114.1.1 作用原理作用原理 压高公式：压高公式： p = g H 为温度为为温度为 t 时水银的密度时水银的密度 g 为当地的重力加速度为当地的重力加速度 H 为水银柱的高度为水银柱的高度 如果大气压力不变，温度变化，或两个重力加速如果大气压力不变，温度变化，或两个重力加速度不同的测点，大气压力相同，但水银柱高度的度不同的测点，大气压力相同，但水银柱高度的读数是不相同的，只有当读数是不相同的，只有当 和和 g 的数值一定时，的数值一定时，水银柱的高度才能正确地代表大气压力，所以必水银柱的高度才能正确地代表大气压力，所以必须规定一个标准条件。须规定一个标准条件。124.1.1

6、 作用原理作用原理 标准条件是：标准条件是：1. 以以 0的水银密度为准，取的水银密度为准，取 1.35951104 kg m-3，符号为，符号为 （0）2. 取取 9.80665 m / s2 为标准重力加速度。（纬为标准重力加速度。（纬度度45度的海平面上）度的海平面上）134.1.1 作用原理作用原理取液体水银来制作气压表的优点：取液体水银来制作气压表的优点：1. 水银的密度大，液柱高度合适；水银的密度大，液柱高度合适；2. 在温度高达在温度高达+60的情况下，水银的饱和蒸的情况下，水银的饱和蒸气压仍然很小，因此在管顶的水银蒸气所产气压仍然很小，因此在管顶的水银蒸气所产生的附加压力对读数

7、精确度的影响可以忽略生的附加压力对读数精确度的影响可以忽略不计；不计；3. 纯水银易得。纯水银易得。14气压表气压表 水银水银760 mm = 1 atm 水水10400 mm = 1 atmThe barometer measuresair pressureWater column(10.4 m)AtmosphericpressureMercury column(76 cm)15水银气压表的类型水银气压表的类型1、动槽式水银气压表 （福丁式 Fortin）2、定槽式水银气压表 （寇乌式 Kew）164.1.2 动槽式水银气压表动槽式水银气压表 动槽式水银气压表是法国人福丁（动槽式水银气压表是

8、法国人福丁（J.Fortin）于于1810年发明制造的，故称福丁式水银气压表。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。后读出水银柱顶的刻度。外形和结构外形和结构： 1 1、感应部分：水银、玻璃内管、水银槽、感应部分：水银、玻璃内管、水银槽 2 2、刻度部分：标尺、游标尺、象牙针、刻度部分：标尺、游标尺、象牙针 3 3、附属部分：附属温度表、附属部分：附属温度表17读数顺序：读数顺序： 先读温度表；然后调水银面

9、与象牙针相切；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。结束后，将象牙针与水银面断开。18读数步骤读数步骤动槽式水银气压表观测步骤：动槽式水银气压表观测步骤：1. 观测附属温度表，准确至观测附属温度表，准确至 0.1 。2. 调整水银槽内水银面，使之与象牙针尖恰恰调整水银槽内水银面，使之与象牙针尖恰恰相接。相接。调整时，注意视线保持与水银面同高，旋转底部调整时，注意视线保持与水银面同高，旋转底部螺旋时要慢，槽内水银面自下而上地上升，直到螺旋时要慢，槽内水银面自下而上地上升，直到象牙针尖与水

10、银面恰好相接（既无小涡（偏高，象牙针尖与水银面恰好相接（既无小涡（偏高，降低重调），也无空隙）为止。降低重调），也无空隙）为止。19读数步骤读数步骤3. 调整游标尺恰好与水银柱顶相切。调整游标尺恰好与水银柱顶相切。调整时注意保持视线与水银柱同高，把游标尺底调整时注意保持视线与水银柱同高，把游标尺底边恰好与水银柱顶相切，此时水银柱顶两旁能见边恰好与水银柱顶相切，此时水银柱顶两旁能见到三角形的露光空隙。到三角形的露光空隙。4. 读数并记录，准确至读数并记录，准确至 0.1 hPa。5. 降低水银面，使它与象牙针尖脱离降低水银面，使它与象牙针尖脱离23毫米，毫米，其目的是使象牙针尖不被水银磨秃和脏污

11、（但其目的是使象牙针尖不被水银磨秃和脏污（但注意不宜降低过多）。注意不宜降低过多）。观测时如光线不足可用电灯（观测时如光线不足可用电灯（2540瓦）或手瓦）或手电照明。电照明。20 定槽式水银气压表也称寇乌（定槽式水银气压表也称寇乌（kewkew）式）式水银气压表水银气压表. .外形和结构：外形和结构：定槽式与动槽式区别定槽式与动槽式区别在水银槽部。它的水银槽是一个固在水银槽部。它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有皮囊、水银面定容积的铁槽，没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。调节螺钉以及象牙针。原理原理:当气压变化时，水银柱在玻当气压变化时，水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的璃管内上升或

12、下降所增加或减少的水银量，必将引起水银槽内的水银水银量，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减少或增加，使槽内的水银面向下或向上变动或向上变动,即整个气压表的基点即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。随水银柱顶的高度变动。4.1.3 定槽式水银气压表定槽式水银气压表思考：标尺刻度间距是否和动槽气压表一样？思考：标尺刻度间距是否和动槽气压表一样？21当气压升高当气压升高1mmHg1mmHg，表内水银柱上升，表内水银柱上升x xmmmm，而，而槽内水银面同时下降槽内水银面同时下降y ymmmm，则令：，则令： x+yx+y=1=1因为水银槽内水银体积的减少，必将等于管因为水银槽内

13、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）内水银体积的增加，即（体积相等）式中式中a a为水银柱玻璃管的内横截面积；为水银柱玻璃管的内横截面积；A A为水为水银槽的内横截面积；银槽的内横截面积； aa为插进水银槽中的为插进水银槽中的表管心尾端的外横截面积。将表管心尾端的外横截面积。将 代入代入 式得：式得：()1x ay Aayx AaxAaa（1）（2）（2）(1)（4.3）22对对 式右边分子式右边分子+a-a+a-a从从 式可看到，定槽式水银气压表的刻度式可看到，定槽式水银气压表的刻度1mm1mm长度将短于长度将短于1mm1mm，实际等于，实际等于 ，以补偿气压表水银面基

14、点的变动，以补偿气压表水银面基点的变动，这种刻度的标尺又称这种刻度的标尺又称补偿标尺补偿标尺。（4.3）1AaaaaxAaaAaa （3）（3）AaAaa23 我国常用的定槽式，其内管面积与槽部面积之比是我国常用的定槽式，其内管面积与槽部面积之比是 1 : 50。 当气压实际改变当气压实际改变1毫米时，槽内水银面下降毫米时，槽内水银面下降0.02毫毫米，内管水银柱只上升米，内管水银柱只上升0.98毫米。毫米。 即标尺上代表气压变化即标尺上代表气压变化1毫米的刻度（长度），实毫米的刻度（长度），实际只有际只有0.98毫米。毫米。150aAaa50 1490.98()5050AaAaaaxmmAa

15、aAaa24 为此，在制造定槽式气压表时，要求槽部为此，在制造定槽式气压表时，要求槽部与内管严格成比例，并以标准气压（与内管严格成比例，并以标准气压（760毫毫米）时槽内水银面高度做为标尺的零点。米）时槽内水银面高度做为标尺的零点。 同时保持气压表内的水银定量，否则将会同时保持气压表内的水银定量，否则将会引起仪器误差。引起仪器误差。25读数步骤读数步骤定槽式气压表定槽式气压表（不必调整水银面）：（不必调整水银面）：1. 观测附温表。观测附温表。2. 轻击管壁。轻击管壁。轻击处以玻璃套管下部附温表上部为宜。轻击的轻击处以玻璃套管下部附温表上部为宜。轻击的目的在于使附在内管壁的水银滴下落，并使水银

16、目的在于使附在内管壁的水银滴下落，并使水银柱顶保持正常的弯月面。柱顶保持正常的弯月面。3. 调整游尺与水银柱相切。调整游尺与水银柱相切。4. 读数、记录并复读。读数、记录并复读。26两种水银气压表的比较两种水银气压表的比较 动槽式动槽式 制作较容易，因有固定零点，观测手续比较麻制作较容易，因有固定零点，观测手续比较麻烦，使用时间较长后，水银面有氧化物，调零烦，使用时间较长后，水银面有氧化物，调零点就不容易准确，常造成观测上的误差。点就不容易准确，常造成观测上的误差。 定槽式定槽式 在制造上要求较严格，但使用上，较为方便而在制造上要求较严格，但使用上，较为方便而精确。精确。 水银气压表是利用水银

17、的压力（重力）与大气压力相水银气压表是利用水银的压力（重力）与大气压力相平衡的原理测量大气压力的。平衡的原理测量大气压力的。 我们通常在水银气压表上观我们通常在水银气压表上观测到的标尺示度实际上只表示观测所测到的标尺示度实际上只表示观测所得到的水银柱的高度，得到的水银柱的高度，还并不是真正的气压还并不是真正的气压，由于仪器差的存在和气压表并不总，由于仪器差的存在和气压表并不总是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和重力是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和重力加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气压表加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气压表读数须顺序经过读数须顺

18、序经过仪器差、温度差、重力差仪器差、温度差、重力差三步订正才是本三步订正才是本站气压。站气压。4.2 4.2 水银气压表的本站气压订正水银气压表的本站气压订正28为使水银柱的高度能表示大气压力，必须将其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，即温度为到标准状态下，即温度为0 0 C C时水银密度值，时水银密度值，时的水银柱高度的大气压力，即时的水银柱高度的大气压力，即 因此，因此， 1.1.先将气压表的读数值经过仪器误差的订正先将气压表的读数值经过仪器误差的订正; ; 2. 2. 然后再进行气压表读数的温度订正和重力订正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

19、正和高度重力订正）。（纬度重力订正和高度重力订正）。32013.5951 .45 ,0980.665.hgCg cmgcms 045 ,00,45 ,0hhghgPC gHC g4.2 4.2 水银气压表的本站气压订正水银气压表的本站气压订正29 由于制造条件的技术及材料的物理特性等因素，导致水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：主要的仪器误差有：1 1、仪器

20、基点和标尺刻度不准确；、仪器基点和标尺刻度不准确；2 2、真空度不良；、真空度不良；3 3、毛细管液面张力误差；、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。而产生的一个使水银柱偏低的误差。一、仪器误差订正30例：某水银气压表检定证上气压读数从例：某水银气压表检定证上气压读数从810.

21、00810.001100.00 1100.00 hpahpa，仪器的误差订正，仪器的误差订正为为-0.2 -0.2 hpahpa。某次观测气压读数。某次观测气压读数988.6hpa,988.6hpa,经仪器误差订正后的气压为：经仪器误差订正后的气压为：988.6 hpa+(-0.2 988.6 hpa+(-0.2 hpahpa)=988.4 )=988.4 hpahpa31当当温度变化时水银密度也随之改变，从而引起水银柱高度温度变化时水银密度也随之改变，从而引起水银柱高度的变化，同时温度的变化也将使测量水银柱高度的黄铜标尺的变化，同时温度的变化也将使测量水银柱高度的黄铜标尺发生胀缩。这样，当外

22、界气压不变，而温度发生变化时，水发生胀缩。这样，当外界气压不变，而温度发生变化时，水银柱和黄铜标尺均会发生胀缩。这种纯系温度的变化而引起银柱和黄铜标尺均会发生胀缩。这种纯系温度的变化而引起的气压读数的改变值，称为水银气压表的温度差。的气压读数的改变值，称为水银气压表的温度差。 二、温度订正二、温度订正 (2)(2)怎样进行怎样进行温度差订正温度差订正 为了订正到标准状态（即温度为了订正到标准状态（即温度00），假定在气压），假定在气压不变的情况下，温度从不变的情况下，温度从t t降到降到00，这时水银柱及黄铜，这时水银柱及黄铜标尺都因温度降低而收缩。但水银柱收缩比黄铜标尺多，标尺都因温度降低而

23、收缩。但水银柱收缩比黄铜标尺多，结果使水银柱降至结果使水银柱降至p p0 0处，处，p p0 0表示了水银柱在标准状态下表示了水银柱在标准状态下的长度，而黄铜标尺却只降至的长度，而黄铜标尺却只降至p pt t处，处，p pt t表示了黄铜标尺表示了黄铜标尺在标准状态下的长度，它比水银柱在标准状态下的长度在标准状态下的长度，它比水银柱在标准状态下的长度p p0 0高了高了C Ct t ，故温度差订正值应为：，故温度差订正值应为： 由于在由于在t t时水银柱与黄铜标尺长时水银柱与黄铜标尺长 度相等，均为度相等，均为I I ，故：，故： 式中式中为黄铜标尺的膨胀系数，为黄铜标尺的膨胀系数， 为水银的

24、膨胀系数。为水银的膨胀系数。ttppC0)1 (tpIt)1 (0tpI(2)(2)怎样进行温度差订正怎样进行温度差订正 将值代入得：将值代入得： 式中式中为附温表所示温度。为附温表所示温度。 由上式可知，由上式可知， t0t0时时, , C Ct t 为负，为负， 反之，反之，t0t1500m的台站，平均温度计算方法缺乏代表性，我国规定这些台站不作海平面气压换算 海拔在15m间的台站 34.68273, hCtt其中为地面气温年平均值72 水银气压表读数订正总结：水银气压表读数订正总结： 从气压读数订正到海平面气压。从气压读数订正到海平面气压。1 1、经仪器误差订正：、经仪器误差订正： 器差

25、订正后器差订正后 原始读数原始读数 器差订正值器差订正值2 2、经仪器误差、温度订正：、经仪器误差、温度订正： tHHH00.000163411 0.00018180.00016341 0.000018411 0.00018181 0.0001818ttttttttHHtHttttHHHHHtt 3 3、经温度、纬度、高度重力订正（本站气压）、经温度、纬度、高度重力订正（本站气压）NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY本站气压本站气压=0.0001818 (Hg)=0.0000184 (brass)平地: z = z74水银

26、气压表读数订正总结：水银气压表读数订正总结：4 4、海平面气压：、海平面气压：0,0, 121018400 127322mzmhhmPPzmtttht为温度直减率754.7 气压表的基准气压表的基准 为保证气压标尺的一致性，保持气压资料的精度，世界为保证气压标尺的一致性，保持气压资料的精度，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。气象组织对气压表制定了各级管理和逐级对比的制度。 按仪器的精度和功能，气压表分成下列几个等级：按仪器的精度和功能，气压表分成下列几个等级：A A级级：一级或二级标准气压表，能独立地测定气压，保一级或二级标准气压表，能独立地测定气压，保持高于持高于0.05h

27、Pa0.05hPa的精确度；的精确度；B B级级：工作标：工作标准气压表，用于日常的气压对比工作，它准气压表，用于日常的气压对比工作，它的仪器误差通过与的仪器误差通过与A A级表对比后校准；级表对比后校准；C C级级：参考标准气压表，用来向台站气压表传递校准标参考标准气压表，用来向台站气压表传递校准标准以及进行对比；准以及进行对比；S S级级：安装在气象台站上的气压表；安装在气象台站上的气压表；P P级级：高质量、高精度的气压表，经过多次搬运仍然能高质量、高精度的气压表，经过多次搬运仍然能保持原有的精确度；保持原有的精确度；N N级级：高质量、高精度的空盒气压表，滞差效应和温度高质量、高精度的

28、空盒气压表，滞差效应和温度系数可略去不计。系数可略去不计。764.7 气压表的基准（续）气压表的基准（续）按照惯例，任何一支气压表的对比工作至少每按照惯例，任何一支气压表的对比工作至少每两年两年进行一次。进行一次。高精度气压表的要求：高精度气压表的要求：1. 保证准确的水银密度。保证准确的水银密度。2. 采取读数时实时管顶抽真空。采取读数时实时管顶抽真空。3. 表管心直径至少大于表管心直径至少大于20mm，保证极低的毛细管，保证极低的毛细管附加压力。附加压力。4. 采用高精度水银柱读数装置，例如激光测距系统。采用高精度水银柱读数装置，例如激光测距系统。5. 精确地测定水银柱的平均温度。精确地测

29、定水银柱的平均温度。4.8 气象应用气象应用 气压在垂直方向上随着高度的增高而降低，气压在垂直方向上随着高度的增高而降低，在水平方向上分布不均匀，因而形成了各种不在水平方向上分布不均匀，因而形成了各种不同的气压系统。空气从高压流向低压，产生了同的气压系统。空气从高压流向低压，产生了大气的运动，这种运动使各地的水汽和热量进大气的运动，这种运动使各地的水汽和热量进行着交换，引起了天气复杂的变化。如果我们行着交换，引起了天气复杂的变化。如果我们测得同一高度上各个测点的气压分布，分析气测得同一高度上各个测点的气压分布，分析气压场的规律，就可为天气预报提供依据。压场的规律，就可为天气预报提供依据。 在军

30、事和航空部门，常利用气压数值来在军事和航空部门，常利用气压数值来测定空气密度，以便修正弹道或确定飞行高度。测定空气密度，以便修正弹道或确定飞行高度。飞机在飞行中主要通过气压式高度表测量机外飞机在飞行中主要通过气压式高度表测量机外气压的变化和大小来指示飞行高度，飞行按照气压的变化和大小来指示飞行高度，飞行按照规定高度实施是保证飞行安全的必要条件。飞规定高度实施是保证飞行安全的必要条件。飞行与气压的关系，其实是飞行与高度的关系。行与气压的关系，其实是飞行与高度的关系。调整和控制飞机的飞行高度是航管部门用来维调整和控制飞机的飞行高度是航管部门用来维护空中飞行秩序，防止飞行冲突，保证飞行安护空中飞行秩序，防止飞行冲突，保证飞行安全的重要手段之一。全的重要手段之一。4.8 气象应用气象应用 在人体健康方面，气压与人体的影响，概在人体健康方面，气压与人体的影响，概括起来分为生理的和心理的两个方面。气压对括起来分为生理的和心理的两个方面。气压对人体生理的影响，主要是影响人体内氧气的供人体生