第05章温度观测物理学院大气与海洋科学系

物理学院大气与海洋科学第五章温度的

5.1概

概

概温度变化气压变化大气运动

为了定量地表示温度,必须选定一个衡量温度的标尺——温标(ITS-90)。温标给出了一系列纯水的冰点温度：0.00℃；氩气三相点：-固体CO2(干冰)升华点温度：-液态氧的沸点温度：-

t

固体 2(PP) 6(PP

78.476tP

AlogP

摄氏温标(℃):Celsius K——换算：KCC——F换算：C5F99

CKF9C5F9K273.155

温度尺KelvinTemperatureCelsiusTemperatureFahrenheit热胀型(固体/液体)金属热电阻(铂)半导体热电阻(热敏电阻)

（)低，冷端电偶需温度固定

声学测 测温结果的表目测：以人眼目 温自计：自动记录在纸电子：自 在电子介质

测温原

5.2测温原0毛细管的容积也为，当温度升高t时，毛细管中液

表5.1水银 凝固（沸（热膨（℃-导（J.cm-1.s-1.℃-比(J.g-1.℃-水-182×10-83.6×10--110×10-18.0×10-甲-109×10-15.9×10-

缺点：凝固点高（-38.862℃有机液体 缺点:易湿润玻璃；比热大不易平衡；导热系

最高最低温度

最高温度表的测量原

最低温度表

最低温度表的测量原

、双金属片测双金属片是由两种不（热胀系数大）；外层称 层（热胀系数小）双金属片测温原理如下图所示dsL2B()

2(h1 式中L是双金属片的弧线总长度；h1和为两种金属片的和

为两种金属片的热膨胀系数；A为系数，取决于两种 属杨氏模量的比值E

；B为弧线角的函数，见《大气探原理》P.13表2.2

E

E11.1,A1.49,

E E2

笔挡笔 利用热电原理进行温度测量的仪器称为热电偶温度计（表 A（正导体

热电原

（表）围内，热电偶电动势和温度差（t2-t1）有这样的关系：(t2式中为与两金属性质有

热电定同样温差，参考端温度tc不同,生的热电动势也可能不tc=0时2014/10/2c=t1E3/95

热电热电一般由于温差电动势很小，为了提高

测温方

测温特

t (t2t1)(t

t1)2

由于系数 (t2

T与t2t1的关系可由下图

图6电动势与温差的关系

稳定性好（可做成热电堆

（***.***)，读数分辨

导线均一(使用一种导线

三、金属电阻测量温度原Rt R

(1tt2

t和金属电阻温度表材料的选择主要考虑以下几1、温度系数较2、电阻与温度的关系线性度好，即、电、性

三、金属电阻测量温度原电阻率温度系

(/C

0.003925 (/C 优点排队

几种金属电阻温度关系曲线图R金属电 t与温度t的关系示意R 温度系数二次项值较大，但为正值，利用较简单的线接近直线关系，即

R0(1t

金属电DGB温度测量的精确度取决 E

金属电阻测温电衡电桥进量。下面分别讲述这两种电桥的测温（1）平衡电桥

图7衡电桥的测温电路

出r3与t的刻度关系，或Rt与t的关r r r'r' 因t r'r'r' 因t温度变化引起热敏电阻阻值的变化为：RtRt

臂r3和Rt都接有电阻为r的同种导线，可大大减小3t3t

r r

rr r 2

假设r1 在这种情况下，完全消除了桥臂电阻r1、r2r的影响，但必须桥臂导线电阻r

，B

（5.10）式说明了温度t与r3的关系，对r3

（2）双滑臂测温平衡电图8双滑臂测温平衡电 其中与一般平衡电桥相比，差别在于r1与r2之间，以及r2与之间加了一对精密同步电位器S1和S2，其中0≤p≤1

当S1旋转至处a，S2在处；若使S1连续旋转至S2则可同步旋转到S1的总电阻为Rs，S2的总电阻为Rtmin

r

rr1Rs r22R Rtmax

r

rr'2r2Rs

和 Rtmax Rtmin 2RsRtmin 如果电位器的触点在S1,S2中间某点，电桥平衡的条件Rtr' 2pRsr'

1r1(1p)Rs r2pRs(1p)2Rs1

r11pRs

rr'2pR

r22pR

Rtr32pRs

Rtmi

2pRsR

Rtmi

1ttmin则：ttmi

2R

Rtmi位置，而与导线电阻r无关。

电阻与温度的关系存在二次项 0自 问题难以解决

不平衡电3如下图所示,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。t了简化公式形式，忽略导线电阻变化并将导线电阻考虑到t和3Rt0阻值；Rt为温度变化引起阻值的变当电桥平衡时电桥对角线上无电压Rt0,e

r3

将（5.15a)式代入(5.14)式，得将上式右边括号中的项展成幂级数，并忽略二次以上高阶项，

1

1xx2x3x4...

(x设r3代入（5.15b）式，式右边则变若，忽 以上的高阶项，得e

)t

)t2[

]2t2}1

1

1 (1 1

为了使输出电压e和温度变化t（5.16）t2(1

1

)

(1)2 1

] 则 2

则得：0,

2

五、半导体热敏电阻测T Aeb/T

式中、

Aeb

A

eb/T T T T eb/Tb/ Tln b[ln b

0 T 0

dR

RT dTRTdRT Aeb/T( ) (

dT T

T

T

：测温范围在TT：测温范围在TT1R(0)010℃,0R(T21)mR(T1)R20℃,30℃,

}

解上述联立方程,求出r1、r2和r3，得}

1r2r3式的推导:设:温度为T0R0ra温度为Rmrr′/2点;温度为T1R1rb点; TT0

R0rr

TTm

r

r

TT

r1

1

r3

由(1)、(2)、(3)式得：

将(4)将(4)式代入(6)式,移项整

将(7)代入(6)式可得：

将(4)式代入(5)式得：消去r′，分解合并同类项：消去r′，分解合并同类项：

选择，r1、r2和r3的数值由(10)、(11)和(12)式计算

＆5.3测温元件的热滞效应

元件在d的时间内与周围介质交换的热量dQhs(T其中：T：元件温度θ：环境温度S：感应元件有效散热面h：热交换系

元件得到（或失去）热量dQ后，增（或降）温dT，则有

其中C为元件比热；M为元件的质合并式(5.26)、(5.27)，移项dT hs

(Td CM令：(hs)1为热滞系数，则dT1( d 其中λ为热滞系数，单位为

的大小取决于环境介质性质

二、环境温度恒定时的滞设：θ、λ为常数，τ＝0时T=T0T T T0则：T T0

例1：一支温度表λ=50s,与环境温度差为5℃，若取τ＝λ（5.29）

至初始差值的36.8％的时间为。对于一给定的温度表来

则

例4：设环境温度θ＝16.0℃，温度表初始温度求τ＝λ时温度表的示值Tλ在测量

5.29)式,T-则:lnT0T

40ln2010184s0.1 数据

会实际温度的变化。环境升温时示度偏低；降温时

其中变温率为β，将（5.32）式代入（5.28）dT 1Td dT1(T

T(1

当τ>>λ时，（5.34）T－θ＝－β 例：气温每小时升3℃(β=1/1200℃.s-1),λ=300s，求T-当λ＝60s

四、环境温度呈周期性变、周期 sin2 dT1(T)1[T(

sin2)]1d 1

(T0)

A0sin

p

令：yT dy1yA0sin

yy1

dyd

解为y1 C 假设：y2acos bsin a2sin2b2cos21acos21bsin2A0sin

{a2bA0 {

a{{

A02/1(2/p)2则:

cos

sinp pp

1 2 2yy1

ce cos

sin1(2/p)2

当0, T c

A02 1 42 pc(T

0)

A02/1422/p

T

(T )e cos sin1422/p2 1422/p2 1422/p2 ，T A02/

cos2

sin 1422/p 1422/p

根据cosα=（1+tan2α）-1/2及sin（γ-α）T0

1422/

sin(2tan12

解：(1)由

5.000.05(1

42

)1/1960s(2)由（5.40）tan 560

864002360)

2243600 86400300s

五、热滞系数与风速的关热滞系数与风速的实验关系k(V)

ρ为空气密度；V为通风速度；ρV为通风量;k为

§5.4气温测量中的误

§5.4气温测量中的误

§5.4气温测量中的误

，使辐

气温测量中的防辐射设

几种常用的防辐射方

百叶的百叶箱构造，见图，其四壁是由双层百叶木片组成，百叶片顶使空气流通，箱底门朝正北，箱底保持

干球温度 湿球温度

高537×宽460×深高612×宽460×深支架距地面保持洁白，定期，但安用水；按规定摆放仪器箱门在读数时打开，观测随即关闭通风干湿通风干湿表有阿斯曼通风干湿表、百叶箱通风干湿表以及遥测通风干湿表等，均是采用人工通风的方法防止辐射。用来测量空气的温度和湿度。下面以阿斯曼通风干湿表为例，对

5.4.2通风干湿

5.4.2通风干湿 绝大部分的直接辐射及反射辐射反射

防辐射

（1）曲管地温5,10,15,20厘米地温测量一般采用曲管地温表，曲温表的感应部分上端弯折，与表身 135°夹角

，，

（5）(、、、安装在一根木棒(或三节棒)上，木棒的长度依深度而定(可使用原直管地温表的木棒)，整个木棒及传感器放在套管内。木棒顶端有一个金属盖，用以盖住套管，木棒上几处缠入。套管安装在人工观测的直管地温表套安装在相应的套管内

减小热滞系记录、回或者发送、接热红声辐射

探测

探测温度原 c rp sv T(10.32e 14/

的应脉冲频率：1500-2000 50-200 2-10

RASS测温原用高功率声源产生的声波扰动大气,使之产生折射指数起伏(即温度目标),并用高灵敏度的无线电 探测这种折射起伏,从而得到 根据声速Va(m/s)(注:相对于空气介质)和温度 波长与声波波长之比等于2时，回波最强

RASS（无线电声探测）系

VsAT1/2RASS：风廓 + 探测风、温廓测量温度廓

温度遥

选择波段的基本原 AfterKleinandGasiewski,JGR

地基遥感（微波0I(0)I(s)e(s0)0

B(T)e(s)ds(s)

s(s')ds0亮温--辐射定E'E(,Bd

2h

ekT 2h

ex

x,x(,xBd hd2 2Tb()2k

2 2

Tb()2kB 2 Rayleigh-Jeans近T(0)T(s)e(s0)

s0T(s)e(s)ds温度廓线反演原T(0)T(s)e(s0)

s0T(s)e(s)ds (s)

s(s')ds0T(0)T()e()

T(z)e0O2(z')secdz (z)secz zzw(z)e(z)z

e0O2(z')secdzOdw(z)e0O2(z')secdz secO2 Tb(0)

()w()

T(z)

T(0)T

f(x)

K(x,b bW(z)3 3通道集成-Radiometerdata通道集成-Radiometerdataduringrainrates>80VerificationofBLRPG-HATPROatDWDVerificationofBLtower(99m)

temp.every10DirectComparisionDirectComparisionat10/100m

DirectComparisionDirectComparisionat10/100m

DirectComparisionat10/DirectComparisionat10/100m

RadioMarinerIVatJulyRadiooccultationwasfirstappliedPlanetaryatmospheresbyteamsatStanfordU.and大气折射对电磁 的影方仰SSGPS掩星事 T

aa

GPS掩星探(a)

sindnn

τnpsin ncosnp

n0r0cosM n2 z)2n2r2cos2M 2r adlnn/dr

n2r

n(r)exp[

a2a2a20由阿贝变

干空气-温度廓线反N(n1)*10677.6(P P