現(xiàn)代大氣探測學-第4講-溫度的測量-夏俊榮(南京信息工程大學 大氣探測學)

南京信息工程大學夏俊榮現(xiàn)代大氣探測學

致謝

本課程多媒體教材是在蘭州大學張文煜教授的同類教材基礎(chǔ)之上修改完成，此外還得到了其他諸位老師的幫助，在此謹表示衷心感謝。

第四講溫度的觀測知識結(jié)構(gòu)概述玻璃液體溫度表雙金屬片溫度計地溫的測量測溫儀器的熱滯現(xiàn)象氣溫測量中的防輻射設(shè)備電測溫度表氣象應(yīng)用？？

從宏觀上講，溫度是反映物體冷熱程度的一個物理量；從微觀上講，溫度是描述大量分子運動平均動能的一個物理量，也就是說它反映了大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度

當兩個冷熱不同的物體相互接觸時就會發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，較熱的物體總是將熱量傳送到較冷的物體，直到這兩個物體的冷熱程度相同為止，這就是熱平衡§1概述用溫度表來測量物體溫度的依據(jù)是什么呢？達到熱平衡的不同物體具有相同的溫度§1概述§1概述我們把衡量溫度的尺度稱為溫標。那么常用的溫標有哪幾種呢？（1）攝氏溫標（℃）：在標準大氣壓下，將純水的冰點定為0℃，純水的沸點定為100℃，中間作100等分，以每一等分為1℃，用t表示（2）華氏溫標（℉）：在標準大氣壓下，將純水的冰點定為32℉，純水的沸點定為212℉，中間分為180等分，每一等分為1℉，用τ表示（3）熱力學溫標（K）：亦稱為標準溫標或絕對溫標或開爾文溫標。這是一個理想而又科學的溫標，它用單一固定點來定義，它規(guī)定水的三相點為273.16K，用T表示三種溫標之間的換算關(guān)系：§1概述§1概述

從1990年開始，通用的溫標是“國際溫標（ITS-90）”，它是根據(jù)若干個可再現(xiàn)的平衡狀態(tài)溫度的認定值和在這些溫度下校準的專用儀器確定的。在ITS定義的固定點之外，設(shè)置了一些氣象上關(guān)注的二類參考點ITS定義的固定點和二類參考點類型平衡態(tài)國際溫標的認定值K℃ITS固定點氬的固相、液相和氣相間的平衡（氬的三相點）83.8058-189.3442水銀的固相、液相和氣相間的平衡（水銀的三相點）234.3156-38.8344水的固相、液相和氣相間的平衡（水的三相點）273.160.01鎵的固相和液相間的平衡（鎵的凝固點）302.914629.7646銦的固相和液相間的平衡（銦的凝固點）429.7485156.5985二類參考點

在標準大氣壓p0時，二氧化碳的固相和氣相間的平衡（二氧化碳的升華點）。溫度t作為二氧化碳蒸汽壓的函數(shù)，由下式給出：其中p是大氣壓，溫度范圍從194K到195K194.686-78.464在標準大氣壓時，水銀的固相和液相間的平衡（水銀的凝固點）234.296-38.854在標準大氣壓時，冰與含飽和空氣的水之間的平衡（冰點）273.150.00苯酚鹽（二苯醚）的固相、液相和氣相間的平衡（苯酚鹽的三相點）300.01426.864§1概述

從-259.34℃到630.74℃之間使用的標準儀器是鉑電阻溫度表，它的電阻比R100/R0是1.3850，其中R100是100℃時的電阻，R0是0℃時的電阻為了建立標準儀器的指示值與ITS-90的值之間的關(guān)系，采用一些公式在固定點之間進行內(nèi)插從0℃到630.74℃，在溫度t時的電阻由下式給出：

從-189.3442℃到0℃，在溫度t時的電阻由下式給出：式中：Rt是鉑絲在溫度t時的電阻，R0是鉑絲在溫度0℃時的電阻，而A、B和C是在水的沸點、鋅的凝固點和氧的沸點時由Rt的測量值得出的常數(shù)§1概述1直接接觸的測溫方法

常規(guī)測溫儀器有溫度表和溫度計兩類，都是將儀器的感溫元件和被測物體接觸，待兩者達到熱平衡時，測得感溫元件的形體和特性變化，從而可知被測物體的溫度2遙感的測溫方法

遙感的測溫方法是根據(jù)接收來自被測物的電磁波或聲波信息，來探測被測物溫度。這類儀器不需要使感應(yīng)元件與被測物直接接觸，因此稱為遙感測溫

溫度觀測一般包括空氣的溫度（簡稱氣溫）、地溫以及水面溫度。單位以攝氏度（℃）表示，取一位小數(shù)氣溫的測定項目有：定時氣溫，日最高氣溫，日最低氣溫，配有溫度計的氣象站做氣溫的連續(xù)記錄。地溫是下墊面溫度和不同深度的土壤溫度的統(tǒng)稱。下墊面溫度包括裸露土壤表面的地面溫度、草面（或雪面）溫度及最高、最低溫度。淺層地溫包括離地面5，10，15，20厘米深度的地中溫度。較深層地溫包括離地面40，80，160，320厘米深度的地中溫度。測量氣溫的儀器主要有干球溫度表、最高溫度表、最低溫度表、溫度計、鉑電阻溫度傳感器；測量地溫的儀器主要有玻璃液體地溫表和鉑電阻地溫傳感器§2玻璃液體溫度表

玻璃液體溫度表的感應(yīng)部分是一個充滿液體的玻璃球或柱，一根一端封閉的玻璃毛細管與它相連。常用的測溫液體有水銀、灑精和甲苯等，它們的物理性質(zhì)見下表。溫度表可以根據(jù)不同的測溫目的，選用不同的測溫液體液體凝固點(℃)

沸點（℃）熱膨脹系數(shù)（18℃時）導(dǎo)熱系數(shù)(J/cm2.s.℃)比熱(J/g.℃)對玻璃的作用易否變質(zhì)純度水銀-38.86356.9182×10-6

83.6×10-3

0.1256不沾濕玻璃不易易得酒精-117.378.5110×10-5

18.0×10-4

2.15沾濕玻璃易不易甲苯-95.1110.5109×10-5

15.9×10-4

1.63沾濕玻璃易易得水銀、酒精、甲苯的物理性質(zhì)

§2玻璃液體溫度表

§2玻璃液體溫度表玻璃液體溫度表的構(gòu)造原理是什么？

玻璃液體溫度表是利用裝在玻璃容器中的測溫液體隨溫度改變引起的體積膨脹，從液柱位置的變化來測定溫度的

設(shè)溫度為0℃時，表內(nèi)液體的體積為Ｖ０，液體和玻璃的膨脹系數(shù)為μ和γ，毛細管的截面積為Ｓ，當溫度改變△ｔ℃時，液體的體積改變△Ｖ，液柱的長度改變△Ｌ，則

△Ｖ＝V0[1+(μ-γ)Δt]-V0=V0(μ-γ)Δt△Ｌ＝△V/S=V0(μ-γ)Δt/S△Ｌ/△ｔ＝V0(μ-γ)/S玻璃液體溫度表的靈敏度？§2玻璃液體溫度表（1）基點的永恒位移玻璃液體溫度表球部的容積隨時間增加而縮小，以致基點不斷提高，即所謂基點的永恒位移。這在制成溫度表的初期很明顯，以后位移逐漸減小。一般制造溫度表均需用特種玻璃。采用標準測溫玻璃制造的溫度表，五年中基點的永恒位移僅為0.05℃，以后提高甚微測量誤差§2玻璃液體溫度表

（2）玻璃變形引起的誤差當溫度由低溫升至高溫后，再令其急速冷卻到初始的溫度時，溫度表的指示會偏低。爾后逐漸恢復(fù)正常，稱之暫時跌落。升溫的范圍，升溫和降溫的速率，以及玻璃的種類對跌落值的大小都有影響。反之，當高溫降至低溫，再令急劇增溫時，則溫度表的指示會偏高。這是由于玻璃升溫或降溫后其剩余膨脹不能立即消失的緣故。溫度表經(jīng)過重復(fù)處理后，可以人為地“老化”，可大大減小暫時跌落測量誤差§2玻璃液體溫度表

（3）刻度誤差劃分刻度是在一定范圍內(nèi)進行等分。由于標尺刻度不均勻，標尺零點位置不準確，毛細管截面積不均勻，液體和玻璃膨脹系數(shù)的非線性，都將使溫度表的刻度出現(xiàn)誤差測量誤差

上述誤差可以通過對儀器的檢定，得出訂正值，并編制成檢定證，使用時對讀數(shù)加以訂正§2玻璃液體溫度表常用的玻璃液體溫度表（1）干濕球溫度表干濕球溫度表由兩支型號完全一樣的溫度表組成。其中干球溫度表用于測定1.5米高度處的氣溫§2玻璃液體溫度表常用的玻璃液體溫度表（2）最高溫度表最高溫度表的構(gòu)造與一般溫度表不同，它的感應(yīng)部分內(nèi)有一玻璃針，伸入毛細管，使感應(yīng)部分與毛細管之間形成一窄道。當溫度升高時，感應(yīng)部分水銀體積膨脹，擠入毛細管；而溫度下降時，毛細管內(nèi)的水銀，由于通道窄，卻不能縮回感應(yīng)部分，因而能指示出上次調(diào)整后這段時間內(nèi)的最高溫度最高溫度表示意圖§2玻璃液體溫度表（3）最低溫度表最低溫度表中的感應(yīng)液是酒精，它的毛細管內(nèi)有一啞鈴形游標。當溫度下降時，酒精柱便相應(yīng)下降，由于酒精柱頂端張力作用，帶動游標下降；當溫度上升時，酒精膨脹，酒精柱經(jīng)過游標周圍慢慢上升，而游標仍停在原來位置上，因此它能指示上次調(diào)整以來這段時間內(nèi)的最低溫度常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表（4）地面溫度表地面溫度表（又稱０厘米溫度表），地面最高和最低溫度表的構(gòu)造和原理，與測定氣溫用的溫度表基本相同常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表

（5）曲管地溫表

5,10,15,20厘米曲管地溫表的構(gòu)造和原理亦基本同上，只是表身下部伸長、長度不一，并且在感應(yīng)部分上端彎折，與表身成135°夾角常用的玻璃液體溫度表§2玻璃液體溫度表

（6）直管地溫表

40,80,160,320厘米直管地溫表是裝在帶有銅底帽的管形保護框內(nèi)，保護框中部有一長孔，使溫度表刻度部位顯露，便于讀數(shù)。保護框的頂端連接在一根木棒（或三節(jié)棒）上，木棒長度依深度而定。整個木棒和地溫表（保護框）又放在一根硬橡膠套管內(nèi)。木棒頂端有一個金屬蓋，恰好蓋住硬橡膠套管。木棒上幾處纏有絨圈，金屬蓋內(nèi)裝有氈墊，以阻滯管內(nèi)空氣對流和管內(nèi)外空氣交換，也可防止降水等物落入常用的玻璃液體溫度表§3雙金屬片溫度計

雙金屬片溫度計是自動記錄氣溫連續(xù)變化的儀器。它由感應(yīng)部分、傳遞放大部分、自記部分組成§3雙金屬片溫度計１感應(yīng)部分

感應(yīng)部分是一個雙金屬片。雙金屬片具有受溫度變化而發(fā)生形狀和曲率變化的特性，可利用這種特性測量溫度

雙金屬片是將兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片焊接在一起。如果膨脹系數(shù)大的金屬片在下面，膨脹系數(shù)小的金屬片在上面，當溫度升高時，雙金屬片將成凹形，溫度降低時成凸形，隨著溫度的變化，雙金屬片的曲率也就隨之變化，這樣就可利用雙金屬片曲率隨溫度變化的特性來測量溫度question§3雙金屬片溫度計

如果固定雙金屬片的一端，另一端作為自由端可以隨溫度變化自由移動，那么自由端的位移量和溫度的變化是何關(guān)系呢?§3雙金屬片溫度計

設(shè)溫度為零度時，雙金屬片是平直的，其長度為L0，當溫度為ｔ時，雙金屬片產(chǎn)生了彎曲，由于兩個金屬片的膨脹系數(shù)不一樣，因此，其長度分別為：Ｌ1＝L0(1+α1t)Ｌ2＝L0(1+α2t)Ｌ1＝(R+1/2h1)Ψ

Ｌ2＝(R-1/2h2)Ψ

彎曲的雙金屬片可視為以Ｒ為半徑（以焊接面計算即雙金屬片的中間），以Ｏ點為圓心的一段圓弧，圓心角為ψ弧度。如果取雙金屬片的厚度分別為h1、h2，則其長度又可表示為:

§3雙金屬片溫度計

若此時，雙金屬片焊接面自由端的位移量為λ，則：

λ＝Ｒ－Ｒcosψ=2Rsin2(ψ/2)

當ψ很小時，可以認為Ｒ≈L0/ψ,

sin2(ψ/2)≈(ψ/2)2=ψ2/4雙金屬片自由端位移量的大小是與溫度變化成正比的，故溫度自記紙具有等分的刻度§3雙金屬片溫度計２傳遞放大部分

主要作用是把雙金屬片變形的位移量，進行傳遞和放大。這是因為雙金屬片的位移量是很小的，需要在本部分中利用杠桿原理加以放大；為了將感應(yīng)部分所得的溫度信號記錄下來，也需要通過本部分傳遞到記錄部分３自記部分

包括自記鐘、自記紙和自記筆三部分溫度計應(yīng)穩(wěn)固地安裝在大百葉箱中下面架子上，底座保持水平，感應(yīng)部分中部離地1.5m§4電測溫度表4.1熱電偶溫度表

利用熱電原理進行溫度測量的儀器稱為熱電偶溫度表

若將兩個不同的金屬導(dǎo)體，連接成一個閉合回路。由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處就會發(fā)生電子的擴散，若兩端接觸點的溫度不同，就會產(chǎn)生溫差電動勢，回路中就有電流產(chǎn)生。接觸點的溫差越大，回路中電動勢也就越大，這種現(xiàn)象叫熱電現(xiàn)象

§4電測溫度表4.1熱電偶溫度表

利用熱電現(xiàn)象的裝置稱為熱電偶或溫差電偶利用這種原理進行溫度測量的儀器稱熱電偶溫度表實驗表明，在氣象測溫范圍內(nèi)，熱電偶電動勢Ｅ和溫度差（t2-t1）有這樣的關(guān)系：

式中ε為與兩金屬性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，稱為熱電系數(shù)熱電現(xiàn)象§4電測溫度表

根據(jù)導(dǎo)體的物理性質(zhì)及所組成的熱電回路的電流方向，可以將各種金屬導(dǎo)體排列成一定的次序

一些常用金屬的熱電序為：鉍、康銅、鎳、鈷、鉑、鋁、鎂、鉛、錫、銀、錳銅、銅、鎘、鐵、銻、硅§4電測溫度表

一般由于溫差電動勢很小，為了提高測溫靈敏度，往往將若干對熱電偶串連起來，組成熱電堆§4電測溫度表

一種是測定熱電偶回路中溫差電動勢的電位計法；另一種是測定熱電偶回路中電流的檢流計法§4電測溫度表

感應(yīng)元件體積小、慣性系數(shù)小、受輻射影響較小。常用于測量小空間的脈動溫度和平均溫度，對直接測量近地層溫度梯度也十分有利。另外，測量時不需要供電電流，可以避免電源系統(tǒng)造成測量誤差§4電測溫度表

熱電偶測溫的誤差來源主要是熱電偶焊接點清洗不干凈，元件和焊劑受潮氧化，在焊接點附近產(chǎn)生電解物質(zhì)而產(chǎn)生的附加化學電動勢引起的誤差以及導(dǎo)線導(dǎo)熱的誤差4.2金屬電阻溫度表

金屬導(dǎo)體電阻的阻值隨溫度的升高而增大Rt=R0(1+αt)

根據(jù)電阻和溫度的這種關(guān)系，只要測定金屬電阻的阻值，就可知導(dǎo)體所處環(huán)境的溫度金屬在0℃時的電阻率（表征物質(zhì)電阻特性的物理量）電阻絲長度電阻絲橫截面積金屬電阻的溫度系數(shù)4.2金屬電阻溫度表（1）電阻元件具有較大的電阻溫度系數(shù)（2）電阻元件與溫度有很好的線性關(guān)系（3）電阻元件的電阻率大（4）電阻元件的物理和化學性能穩(wěn)定

氣象上，常用于測溫的金屬電阻材料，有鉑、鎳、銅幾種4.2金屬電阻溫度表

鉑電阻的性能穩(wěn)定，電阻率大，易于提純，而且電阻與溫度的線性關(guān)系較好，工藝性能也好，可以加工成極細的鉑絲，常用來制作標準溫度表。鉑電阻地溫傳感器的測量原理與鉑電阻氣溫傳感器相同，測量草溫及雪面溫度用同一傳感器，其性能與氣溫傳感器相同，但是測量土壤溫度的傳感器外形較粗，時間常數(shù)較大4.2金屬電阻溫度表

銅電阻的線性度最好，價格也低，但電阻率小，易氧化，不能保持長期穩(wěn)定性，主要用于低溫測量鎳電阻的電阻率和電阻溫度系數(shù)都較大，但電阻與溫度的線性關(guān)系差，穩(wěn)定性不好4.3熱敏電阻溫度表RT=A?eB/T

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，因此它具有負溫度系數(shù)。這是因為當溫度升高時，半導(dǎo)體內(nèi)載流子受熱激發(fā)，使載流子濃度大大增加，從而使半導(dǎo)體電阻值急劇下降

根據(jù)電阻和溫度的這種關(guān)系，只要測定電阻的阻值，就可知半導(dǎo)體所處環(huán)境的溫度4.3熱敏電阻溫度表

半導(dǎo)體熱敏電阻可以進行遠距離溫度測量，而且測量的靈敏度也高。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值很大，比金屬電阻高。因此，在進行測量時，導(dǎo)線電阻的變化對測量精確度不會有很大影響4.3熱敏電阻溫度表

實驗指出，熱敏電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，必須通過轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)線性化。線性化方法，可以在一定的測溫范圍內(nèi)，選用適當?shù)碾娐放c熱敏元件串聯(lián)，利用“拐點法”原理，將電流—

溫度曲線進行線性化處理；也可以用平衡電橋、不平衡電橋的線性化輸出線路來實現(xiàn)線性化常見的熱敏電阻有桿狀、片狀和球狀等不同種類熱敏電阻元件的缺點主要是：熱敏電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，穩(wěn)定性較差，互換性不好。因此，測溫用的熱敏電阻要經(jīng)過嚴格挑選和多次驗證，在使用中若發(fā)現(xiàn)其特性有變化時，要及時進行比較檢定

4.4電阻的測量

用電阻溫度表測量溫度，實際上就是對元件電阻的測量。因此，溫度測量的精確度取決于電阻測量的精確度。對電阻的測量通常都是采用電橋式測量電路一、平衡電橋法

將電阻溫度表的電阻Rt作為電橋的一個臂，R1

和為R2為固定電阻，R3為可變電阻。當電橋平衡時

當溫度發(fā)生變化時，Rt就有變化，使電橋平衡被破壞，此時調(diào)節(jié)R3，使電橋重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。可見Rt隨溫度的變化僅對應(yīng)于R3，故我們只需將R3的變化刻成溫度刻度，便可用平衡電橋直接測出溫度來平衡電橋法的測量精度較高，一般測量多采用此法

4.4電阻的測量4.4電阻的測量二、不平衡電橋法

平衡電橋法的一個缺點是每次測量時，都必須調(diào)整電橋的平衡，因此不能用于測量迅速變化的溫度脈動。對于溫度的脈動變化，要用不平衡電橋法來測量。

將電阻溫度表的電阻Rt仍作為電橋的一個臂，R1、R2和R3都是固定電阻。當Rt變化時，由于Ｄ、Ｂ兩點電壓不等，電流表Ｇ中就會有電流Ig通過，其數(shù)值為Ｅ為電源電壓，Rg為電流表內(nèi)阻4.4電阻的測量二、不平衡電橋法

由于式中除Rt外，其余全是固定電阻，因此，當Ｅ一定時，Ig只與Rt有關(guān)，也就是說Ig的大小僅與溫度變化有關(guān)。故我們只需將電流表按溫度數(shù)值刻度，便可用不平衡電橋直接測出溫度來§5地溫的測量

地溫是地表溫度和不同深度的土壤溫度的統(tǒng)稱，測量地溫的儀器主要有玻璃液體地溫表和鉑電阻地溫傳感器5.1地溫5.1地溫

1.地表面及貼地層的溫度梯度往往很大，要使傳感器只與土壤表面進行熱交換，而不受地表面以下土壤或貼地層空氣的影響是不可能的

2.防輻射問題不能用遮蔽陽光的方法，否則遮蔽處的熱交換狀況與周圍地表將有所不同，而不加遮蔽則陽光直射造成輻射誤差影響增大

3.即使同一塊地面（裸地），由于地表不同部位的物理、化學性能的差別以及平整度和土壤顆粒大小不同，測出來的溫度也會有較大的差別5.1地溫

測量土壤表面溫度理想的儀器是非接觸式的紅外輻射計世界各國對地表溫度測量儀器的安裝方法不盡相同，有的將傳感器直接放在地面；有的將傳感器的一半埋在地中一半暴露在空氣中；還有的則不進行土壤表面溫度觀測測量地中溫度相對較容易和準確。因為溫度傳感器埋入地中只與周圍土壤進行熱交換，不受其他條件影響，同時深度越深地中溫度變化越緩慢5.2地溫測量儀器的使用

1.地面溫度表

地面溫度表（又稱０厘米溫度表），地面最高和最低溫度表

2.曲管地溫表

5,10,15,20厘米曲管地溫表

3.直管地溫表

40,80,160,320厘米直管地溫表5.2地溫測量儀器的使用4.地面和淺層地溫傳感器

地溫傳感器一般使用鉑電阻地溫傳感器自動觀測系統(tǒng)中的地面溫度和淺層地溫的觀測地段，設(shè)在原安裝地面溫度表和曲管地溫表東側(cè)的裸地內(nèi)，地表應(yīng)疏松、平整、無草，并與觀測場地相平5.2地溫測量儀的使用5.深層地溫傳感器

深層(40、80、160、320cm)地溫傳感器各安裝在一根木棒(或三節(jié)棒)上，木棒的長度依深度而定(可使用原直管地溫表的木棒)，整個木棒及傳感器放在專用套管內(nèi)。木棒頂端有一個金屬蓋，用以蓋住專用套管，木棒上幾處纏有絨圈，金屬蓋內(nèi)裝有氈墊，以阻滯管內(nèi)空氣對流和管內(nèi)外空氣交換，也可防止降水等物落入。專用套管安裝在人工觀測的直管地溫表套管的南側(cè)50cm處，并一一對應(yīng)。然后將傳感器安裝在相應(yīng)的專用套管內(nèi)

5.2地溫測量儀的使用5.2地溫測量儀的使用6.草面（或雪面）溫度傳感器

草面或雪面溫度傳感器仍使用鉑電阻傳感器。草溫或雪溫的觀測區(qū)域位于裸地地溫觀測區(qū)西側(cè)，草地面積約1平方米。傳感器安裝在距地6cm高度處，并與地面大致平行。連接電纜大部分埋設(shè)在土壤中，但在傳感器一端有0.5m左右的電纜露出地面，可方便移動在冬季，當有降雪但未淹沒草層時，繼續(xù)進行草溫觀測。當積雪淹沒草層時，將傳感器置于原來位置的雪面上，一半埋在雪中，一半露出雪面，這時測量雪面溫度。觀測雪面溫度時，如雪層發(fā)生變化，應(yīng)在巡視時將傳感器重新置于雪面上。積雪融化后，繼續(xù)觀測草溫。草溫和雪溫觀測的切換應(yīng)在20時進行當草株高度超過10cm時，應(yīng)修剪草層高度§6測溫儀器的熱滯現(xiàn)象什么是熱滯現(xiàn)象呢？

溫度表在與被測介質(zhì)接觸后，如果兩者溫度不同，就要產(chǎn)生熱量交換，以逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。但是進行熱量交換，建立熱平衡需要一定的時間，這就是說，溫度表不是瞬間即可取得被測介質(zhì)的溫度，它需要有一段感應(yīng)時間。也就是說，溫度表反映出介質(zhì)的溫度變化，總是落后于實際變化的，溫度表的這種性質(zhì)稱為熱慣性或熱滯現(xiàn)象，由此引起的誤差稱為熱慣性誤差或熱滯誤差§6測溫儀器的熱滯現(xiàn)象那用什么來描述這種現(xiàn)象呢？熱滯系數(shù)?。?.1熱滯系數(shù)

溫度表與被測介質(zhì)進行熱量交換的過程可以用下式表示：

dQ=-hs(t-θ)dτ式中：dQ是溫度表在時間dτ內(nèi)吸收（或損失）的熱量ｈ是溫度表與介質(zhì)的熱交換系數(shù)Ｓ是實現(xiàn)熱量交換作用的溫度表的表面積ｔ是溫度表的溫度

θ是介質(zhì)溫度，負號表示熱量從高溫流向低溫6.1熱滯系數(shù)

當熱量交換時，溫度表溫度的變化決定于它所取得的熱量，以下式表示：

dQ=mcdt

ｍｃ是溫度表的熱容量上述兩式聯(lián)立得出：

其中λ＝mc/hs稱為熱滯系數(shù)。從式中可以看出：溫度表感應(yīng)介質(zhì)溫度的速度，與λ值成反比，λ值越小，ｔ趨近于θ就越快。要使溫度表的熱滯系數(shù)小，必須選用比熱小，質(zhì)量小的測溫元件，并增大感應(yīng)表面積和熱交換系數(shù)，而熱交換系數(shù)的大小取決于介質(zhì)流速大小，這樣λ的大小也就與風速有一定關(guān)系6.1熱滯系數(shù)

根據(jù)實驗得出如下經(jīng)驗關(guān)系式：

式中Ｋ為與感應(yīng)元件形狀有關(guān)的系數(shù)，ρ為空氣密度，Ｖ為通風速度。表５－２給出幾種不同類型溫度表的λ、Ｋ、ｎ值，以供參考類型球部形狀直經(jīng)(cm)V（米/秒）λ（秒）Kn玻璃水銀球形1.124.6561170.48玻璃水銀球形1.074.650980.43玻璃酒精球形1.444.6851580.416.2介質(zhì)溫度保持不變時的熱滯誤差

設(shè)θ、λ均為常數(shù)設(shè)初始條件τ＝0時，t＝t0,則：6.2介質(zhì)溫度保持不變時的熱滯誤差

1、τ一定時，λ愈小，ｔ愈趨近于θ

2、λ一定時，τ愈長，ｔ愈趨近于θ

3、τ＝λ時，ｔ－θ＝(t0－θ)ｅ－1

熱滯系數(shù)λ的物理意義為：當介質(zhì)溫度保持不變時，溫度表示度和介質(zhì)溫度之差ｔ－θ減小到起始溫度差t0－θ的１／ｅ，即減小到起始溫差的３７％時所需要的時間6.3介質(zhì)溫度呈線性變化時的熱滯誤差

介質(zhì)溫度呈線性變化時：式中是介質(zhì)溫度的變化率，是一個常數(shù)設(shè)初始條件τ＝0時，t＝t0=θ0，則當τ/λ＞5，即感應(yīng)時間遠大于熱滯系數(shù)λ時，上式簡化為ｔ－θ＝－βλ，說明ｔ－θ為一常數(shù)，且βλ的乘積越大，熱滯誤差越大；β為正時，ｔ<θ，即儀器溫度示度偏低，β為負時，ｔ>θ，即儀器溫度示度偏高?某日上午08時至09時氣溫線性增加6℃，此時使用某雙金屬片溫度計測量氣溫，該溫度計熱滯系數(shù)為360s，問該溫度計測溫的熱滯誤差是多少？6.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時的熱滯誤差

介質(zhì)溫度呈簡單的周期為Ｔ、振輻為Ａ的正弦變化形式時，

設(shè)初始條件τ＝0時，ｔ＝θ，則

6.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時的熱滯誤差（1）溫度表示度也呈周期性變化，其周期也是Ｔ（2）溫度表示度的振輻小于介質(zhì)溫度的振輻，為介質(zhì)振輻的（3）溫度表示度有位相落后，其落后相角為

從以上分析可以看出，只有當Ｔ>>λ時，示度的變化才能充分接近實際溫度的變化介質(zhì)溫度呈周期性變化時溫度表熱滯對振幅和相位落后的影響52.510.50.250.10.050.0250.0180.0320.0640.1570.3030.5370.8460.9540.9880.99488.286.481.072.357.532.117.48.96.56.4介質(zhì)溫度呈周期性變化時的熱滯誤差

實際氣溫變化是很復(fù)雜的，不是簡單的周期變化，其中往往包含著各種短周期的脈動變化。這種復(fù)雜的溫度變化可先用傅氏級數(shù)表示，再求解。也可將任一次溫度起伏變化近似地看作正弦變化，再作定性的分析由于儀器的熱滯現(xiàn)象，使得高頻率的溫度振動不能被反映出來，這就是說測溫儀器具有自動平均能力，且測溫元件的熱滯系數(shù)愈大，其自動平均能力也愈強熱滯系數(shù)分別為10s、240s不同溫度計觀測記錄關(guān)于氣溫測量WMO規(guī)定

分辨率0.1℃

準確度±0.1℃極端氣溫準確度±0.5℃當通風速度為5m/s時，熱滯系數(shù)30-60s

目前能達到的準確度±0.2℃§7氣溫測量中的防輻射設(shè)備

由于太陽的直接輻射、地面的反射輻射等的影響，會使測溫元件的表示度與實際氣溫存在差異。在白天強日射的情況下，將使元件溫度高于氣溫，導(dǎo)致較大的輻射誤差。消除和減小輻射誤差，是氣溫測量中的關(guān)鍵問題§7氣溫測量中的防輻射設(shè)備防止輻射誤差的途徑有哪些呢？屏蔽，使太陽輻射和地面輻射不能直接照射到測溫元件上增加元件的反射率，使到達元件表面的短波輻射絕大部分被反射掉人工通風，促進元件與空氣之間的熱交換，減小兩者之間的溫差采用極細的金屬絲元件，減小元件的熱容量，有利于加強熱交換§7氣溫測量中的防輻射設(shè)備

四種方法中，屏蔽簡單易行，使用最廣泛；其次是人工通風法，一般這兩種兼而有之。不論屏蔽與否，元件和屏蔽外表面應(yīng)具有較高的反射率。由于細金屬絲直接暴露在空氣中，線路比較復(fù)雜，難于維護，只在特殊觀測中使用。下面列舉常用的防輻射設(shè)備§7氣溫測量中的防輻射設(shè)備三種常用的防輻射設(shè)備百葉箱通風干濕表防輻射罩7.1百葉箱

百葉箱

我國氣象臺站常用的百葉箱構(gòu)造，其四壁是由雙層百葉木片組成，百葉片向內(nèi)、外傾斜各45，箱頂和箱底各由三塊寬110毫米的木板組成，中間一塊比邊上兩塊稍高，以利空氣上下流通，箱底離地面高125厘米，箱門朝正北，箱底保持水平干球溫度表濕球溫度表毛發(fā)濕度表最高溫度表最低溫度表水杯百葉箱7.2通風干濕表

通風干濕表有阿斯曼通風干濕表、百葉箱通風干濕表以及遙測通風干濕表等，均是采用人工通風的方法防止輻射。用來測量空氣的溫度和濕度。下面以阿斯曼通風干濕表為例，對其結(jié)構(gòu)原理作一介紹7.2通風干濕表

阿斯曼通風干濕表內(nèi)裝相同的兩支溫度表。溫度表球部處于雙層防輻射套管的中心，套管外表面電鍍上具有良好反射率的鉻層。儀器上部是一個通風器，它可以以發(fā)條或微型電動機為動力，通風器扇葉旋轉(zhuǎn)時將空氣從溫度表球部所處的套管口吸入，經(jīng)叉管和主管流至扇葉，然后排出儀器之外7.2通風干濕表

其中雙層防輻射套管的結(jié)構(gòu)必須考慮以下幾點：（1）內(nèi)、外套管之間必須設(shè)有隔熱墊片，以免熱量傳入內(nèi)部感應(yīng)元件（2）外套管外壁必須具有良好的反射率，能夠把絕大部分的太陽直接輻射及反射輻射反射出去，以防止輻射增熱（3）外套管與叉管間必須有隔熱環(huán)（4）通風器吸進的空氣必須首先與溫度表的干、濕元件接觸（5）保持一定的通風速度，溫度表球部附近的通風速度在2.0－3.0米／秒7.3防輻射罩

防輻射罩有輕便防輻射罩和小型防輻射罩兩種。主要在野外考察時使用輕便防輻射罩是利用自然通風的防輻射裝置。其結(jié)構(gòu)簡單，罩的上板為傘形金屬薄板，下板為金屬平板與傘板相連，金屬板外測鍍鉻具有良好反射率，向內(nèi)的一面涂黑，以便吸收罩內(nèi)層的輻射，使其不能反射到傳感器上。兩塊金屬板之間嵌有兩塊透明的有機玻璃，傳感器就安置在它們之間的夾層中，板的作用是為了隔絕金屬板上的熱對流§8氣象應(yīng)用

溫度是基本的氣象要素之一，大氣中發(fā)生的熱力過程、動力過程和水汽相變過程都與空氣的溫度有著密切的關(guān)系空氣溫度每時每刻都在影響人們的生活、工作及一切活動，特別是災(zāi)害性氣溫（霜凍、持久的異常低溫、酷暑干旱中的持久異常高溫）常會給工農(nóng)業(yè)帶來損失。此外，氣溫也是決定大氣狀況的基本要素，它的高低直接決定一些天氣現(xiàn)象的生消，例如最低氣溫與霜凍、輻射霧的形成，以及最高氣溫與雷雨、冰雹的形成都有密切關(guān)系當在農(nóng)作物生長期內(nèi)出現(xiàn)低于農(nóng)作物要求的較低溫度則會使作物受害。南方春季水稻育秧期出現(xiàn)較長時間的低溫連陰雨天氣時，會造成大面積爛種、爛秧。夏季我國東北地區(qū)的低溫可使農(nóng)作物生長受阻，到秋霜來臨時成熟不完全或籽粒不實而減產(chǎn)。有的年份可造成上百億公斤的糧食損失§8氣象應(yīng)用20世紀80年代以來由于大氣中的二氧化碳的含量日益增多，溫室效應(yīng)造成的全球氣候變暖已引起國際社會的極大關(guān)注。越來越多的人認識到，這將成為一種未來氣候變化的主要趨勢。氣候變暖導(dǎo)致世界上許多冰川消融，海平面上升，這將使許多國家和地區(qū)的沿海低地被海水淹沒；另外，氣候變暖會造成全球氣候格局的變化，會造成長期的干旱和沙塵暴，旱澇的頻率可能增大，暴風、颶風、洪水，森林火災(zāi)將更加頻繁。過去20年間頻繁出現(xiàn)的厄爾尼諾現(xiàn)象也是地球長期高溫導(dǎo)致的結(jié)果。厄爾尼諾現(xiàn)象是指赤道太平洋中東部每隔幾年發(fā)生的一次大規(guī)模海水溫度異常增高的現(xiàn)象。該現(xiàn)象導(dǎo)致海洋生物減少、強臺風頻率增加以及大洋沿岸經(jīng)常出現(xiàn)巨浪滔天的現(xiàn)象氣候變暖對農(nóng)作物生長的危害也是很大的，最終會導(dǎo)致人類食物的減少。炎熱的天氣使更多的水變成水蒸汽，使可供人類飲用的淡水資源日益枯竭。水資源的減少也使牲畜飲水和灌溉莊稼等面臨困難。而且隨著全球氣溫上升，氣候變化異常，昆蟲、細菌、原生動物、病毒繁衍迅速，大批的有益天敵死亡，人的抵抗能力和免疫能力下降，一些瘟疫將對人類造成嚴重的威脅§8氣象應(yīng)用

氣溫也是誘發(fā)沙塵暴發(fā)生的重要原因，在2003年到2004年冬季，中國迎來了一個低溫期，新疆北部、甘肅河西走廊、寧夏等地氣溫較歷史同期低了1到3攝氏度，個別地方還打破了最低溫度的歷史記錄；而2004年春季，西北地區(qū)卻迅速轉(zhuǎn)暖，蘭州等地更是創(chuàng)下了歷史同期高溫記錄，這種極不穩(wěn)定的氣流導(dǎo)致了那年沙塵暴的增加氣溫對火災(zāi)的發(fā)生也有一定的影響。一般來講，氣溫高的季節(jié)，濕度也大；氣溫低的季節(jié)，濕度也小。所以