大气探测学第1章习题参考答案

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：K —C 换算：273.15K C =+ 273.15C K =-C —F 换算：()5329C F =- 9325F C =+ K —F 换算：()532273.159K F =-+ ()9273.15325F K =-+ 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μ为液体的热膨胀系数， γ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，使球部及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 R t 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 R t 和 r 3 内，不平衡电桥对角线的输出电压e 可用下式表示：设0t R 为电桥平衡时 R t 的阻值，0t t R R r =+∆，∆r 为温度变化引起阻值的变化，则在电桥平衡时有011230t t R r r r r R =++，代入e 的公式得：将上式右边括号中的项展成幂级数，则：2102003003030311(1)(1)1(1)[1]1()1t t t t t t t rR r r r r r r R R r R R r R r R r -∆+∆∆∆∆∆-=++-=+-+-∆+++++将上式中忽略二次项，并设 20()t r R t t αβ∆=∆+∆，30t r R δ=代入上式，忽略 ∆t 2 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∆t 2 项的系数总和为零即0,δ= 或 2αβδβ-=，由于30t r R δ=，因此后者才有意义。

24 推导线性化输出平衡电桥电阻r r 、r r 、r r 的计算式25 热滞系数的物理意义及特性推导：元件在d τ的时间内及周围介质交换的热量为其中T 为元件温度，θ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：()dT hs T d CMθτ=-- 令 λ=CM hs 为热滞系数，则：1()dT T d θτλ=--，λ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λ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 −θ=λωγ ，其中ω为气球升速，γ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10/A A =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，又由于湿球及四周空气有温差，则在稳定平衡时，湿球温度表蒸发支出的热量应等于及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。

湿球及四周热空气交换得到的热量为：()w Q h T T =-t ∆其中h 为热扩散系数，T 为干球温度，T w 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：[()]s w M k r T r =-其中k 为水汽扩散系数，r 为空气的混合比，r s (T w ) 为湿球温度 T w 时的饱和混合比湿球蒸发消耗的热量为：()[()]m w s w Q kL T r T r =-其中 ()10.622w hA L T κ=，称为干湿表系数。

从A 值的定义()10.622w h A L T κ=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 值必然及风速有关：（1）A 值随风速变化大，风速增加，A 迅速减小；但是V>3m/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：1d T -再升温，最后一个露珠消失时，记为：1d T +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,esw r ；纯水平面饱和水汽压为esw ，则在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压及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。

降低的数值及溶液的克分子浓度有关。

这种效应将使露点值偏高。

e sw ,n =e sw N N +n <e sw （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0~100%时，毛发伸长2.5%，伸长量及湿度变化成正比（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λ=1.37μm ，对水汽有很强的吸收；另一束波长λ=1.24μm （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及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，参数及表达式（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及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（hg H ），即可求得大气压力（h P ）P h =ρhg (t )∙g (φ,h )∙H hg [t ,g (φ,h )]式中ρhg (t )为温度 t C ︒时水银密度，g (φ,h ) 为测站纬度为ϕ、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，ρhg 以温度0C ︒为标准，g 以纬度为45︒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ρhg (t )ρhg (0℃)为温度订正因子，g (φ,h )g (45°,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，然后调水银面及象牙针相切，再调游标尺及水银柱顶相切，最后读数。

读数结束后，需将象牙针及水银面断开。

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。