地面溫濕度測量儀器及觀測體制

（1河北省順平縣氣象局 河北保定072250；2成都信息工程大學 四川成都610225）

（1河北省順平縣氣象局 河北保定072250；2成都信息工程大學 四川成都610225）

溫度和濕度的測量是地面氣象要素觀測的最重要項目。按照中國氣象局，《地面氣象觀測規范》規定，地面溫度和濕度的觀測是在氣象觀測場的百葉箱中進行的，測量敏感元件距地面高度為1.5米。溫度和濕度測量儀器種類繁多，原理各異，地面氣象觀測、管理人員，了解溫度和濕度觀測儀器的基本知識是必要的，包括發展歷史、測量原理、觀測體制和方法等。本文重點介紹溫度和濕度測量儀器的發展歷史、觀測體制和常用的、新型的溫度和濕度測量儀器和傳感器，同時結合各種溫度和濕度測量儀器的技術特點進行分析，并對現有溫度和濕度觀測體制提出改進建議。

溫濕度氣象測量儀器觀測體制

1 歷史

最早的溫度計是意大利人伽利略在1597年發明的，采用的是玻璃球中的水銀隨溫度變化膨脹或收縮，使連接在玻璃球上的玻璃毛細管中的水銀柱上升或下降的原理，當時并沒有溫度數值大小的概念。

1714年由德國物理學家華侖海特（Gabriel Daniel Fahrenheit）首創了華氏溫標并給玻璃水銀溫度表進行了分度，給溫度賦予了具體數值。

1742年，瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯（Anders Celsius）在發明攝氏溫標的同時發明了玻璃-酒精溫度表，并認為酒精介質更適用于測量溫度，對于相同的溫度變量，具有較高的分辨力。

德國人尼古勞斯（Nikolaus von Cusa）在15世紀，用秤羊毛的方法測量濕度，利用的是水汽吸收原理，開創了濕度測量的紀元。

1783年瑞士索修爾（Horace Benedict de Saussure）發明了毛發濕度計，使濕度測量定量化。

1870年，英國開爾文（William Thomsom Lord kelvin）提出了飽和水汽壓的概念并給出了飽和水汽壓與溫度關系的公式，開創了人類對空氣濕度的定量測量和研究。

1825年，德國奧古斯特（Enst Ferdinand August）提出用干濕球溫度表測量空氣濕度的方法，并與1828年創制了百葉箱干濕表，一直沿用至今。

2 溫度和濕度測量儀器和觀測體制

目前，溫度和濕度觀測儀器正處于由人工觀測向器測和自動化過渡的最后階段，大多數氣象臺站已經實現了器測化和自動化，并在進行網絡化建設。

人工觀測溫度和濕度的儀器以百葉箱干濕表和毛發濕度表的組合體制為代表，從上世紀八十年代開始逐步由鉑電阻和濕敏電容的組合所替代。這中間國內曾經研究和制作了百葉箱通風干濕表和鉑電阻通風干濕表與露點式氯化鋰組合體制，都沒有正式投入業務應用。

2.1 百葉箱干濕表和毛發濕度表

自從發明了百葉箱干濕表，0℃以上用百葉箱干濕表，0℃以下用毛發濕度表的溫濕測量體制延續了180多年。

圖1

雖然這種測量方法的缺陷氣象界都很清楚，即其濕度測量結果受風速的嚴重影響，但至今沒有能夠完全淘汰，證明這種體制具有很頑強的生命力。

圖1為安裝在百葉箱中的干球溫度表和濕球溫度表及其加水裝置組成的百葉箱干濕表，圖2為毛發濕度表。實際觀測時，通常在百葉箱干濕表的下面橫向放置一支最高溫度表和一支最低溫度表。在冬季或在秋季制作毛發濕度表的修正曲線時，在干球和濕球溫度表的中間懸掛一支毛發濕度表。

干濕表采用熱力學原理，當濕球紗布上的水分蒸發時吸收熱量使溫度降低，濕球與干球的溫度差是空氣中水汽壓e的函數，其計算公式是：e=E2-AP(t1-t2)

式中：E2為濕球的溫度對應的飽和水汽壓；t1和t2分別為干球溫度和濕球溫度；P為測量時的大氣壓力；因此，在用干濕表測量濕度時要同時測量氣壓。

圖2

式中：E1為干球溫度對應的飽和水汽壓。

飽和水汽壓可用《地面氣象規測規范》提供的公式計算。在進行人工觀測時，可在中國氣象局發布的《濕度查算表》中，有干球溫度、濕球溫度和大氣壓力直接查取相對濕度。

干濕表系數A與濕球和外界的熱交換系數、水汽交換系數和水的蒸發潛熱有關。而熱交換和水汽交換主要依賴于濕球周圍的氣流速度。

干濕表常數A與風速的關系可用圖3表示?？梢钥闯?，風速小于1.5m/s時，干濕表常數A是極不穩定的。

根據中國氣象局1985年發布的我國年平均風速的統計結果，在百葉箱內的氣流速度規定取0.4m/s。

在干球和濕球溫度表所用材料、形狀、表面積確定以后，濕球溫度相對于干球溫度的降低值幾乎全依靠周圍空氣流動的速度大小，在接近靜風時，試驗結果表明，與阿斯曼通風干濕表比較，其數值偏高誤差可達30%RH或以上。

圖3

2.2 阿斯曼通風干濕表和百葉箱通風干濕表

為了減小濕度的測量誤差，1891年，德國人阿斯曼（Richard Assmanhn）發明并制作成功了通風干濕表，稱為阿斯曼通風干濕表，其外形如圖4，圖右邊為機械通風干濕表，左邊為電動通風干濕表。

由于采用了固定通風，且風速在2.5m/s以上，干濕表常數A值處于穩定區。

1982年，中國氣象局啟動了“百葉箱通風干濕表”工程，研制成功了在百葉箱內安裝的，具有強制通風裝置的百葉箱通風干濕表。為適于通風，還同時研制了球部為柱狀的玻璃水銀溫度表。

百葉箱通風干濕表是在百葉箱干濕表的基礎上加裝電動通風裝置制作的，使用時需人工打開通風器，經過3～4分鐘，進行人工觀測。

但可惜的是，在臺站業務應用試驗時被否決，其原因是：通風電機不可靠；增加了觀測人員的勞動強度；測量的濕度數值與百葉箱干濕表比較誤差太大等。

上述試驗結果否定了“百葉箱通風干濕表”的業務應用資格，因此，沒有通風裝置的百葉箱干濕表使用至今。

用于濕度觀測，沿用了100多年的毛發濕度表，1987年在我國東北某地進行了低溫性能試驗，以冷鏡式露點儀作為標準器的誤差統計結果如表1。

圖4

表1 毛發濕度表的低溫比對試驗結果

毛發濕度表試驗前在秋季按照《地面氣象觀測規范》的要求，用阿斯曼通風干濕表制作了修正表。試驗結果令人懷疑毛發濕度表的測量結果是否濕度，其系統誤差隨溫度變化明顯，說明測量結果與環境溫度相關，其相關系數大于濕度。

2.3 鉑電阻和濕敏電容傳感器

從上世紀80年代初開始，國內逐步推行自動氣象觀測系統，至2000年，中國氣象局發布了“二型自動氣象站”行業標準（QX/T 1－2000）推動了自動氣象觀測系統的發展。

在自動氣象站上用得最多的是從芬蘭進口的HMP450溫濕傳感器，安裝在百葉箱中如圖5所示。用該傳感器同時測量溫度和濕度，形成了新的溫濕測量體制，即鉑電阻和濕敏電容觀測體制。

該體制采用的測溫鉑電阻，測試結果表明，其靜態測量誤差與玻璃水銀溫度表相當。其敏感元件與濕度元件一起在一個防塵罩內，濕度測量元件為濕敏電容。由于溫度濕度測量元件安裝在一個很小的防護罩內，與周圍空氣的熱傳遞通道并不通暢。試驗結果表明其溫度輻射誤差，安裝在百葉箱內時在0.3℃以上，安裝在防輻射罩中時可達2℃。

表2 HMP45D傳感器三種不同溫度的靜態測量結果

圖5

看了表2的數據即可明白，HMP45D的技術指標中，在規定測量誤差為±2%RH的同時，為什么要在括號中加注20℃的原因了。其低溫的測量誤差要比20℃的誤差大得多?？梢姴粦獙MP45D作為全天候的濕度測量傳感器。而目前在自動氣象站上卻是作為全天候的溫度和濕度傳感器使用的。

2.4 兩種溫度和濕度觀測體制的問題

根據濕度測量體制劃分，目前用于濕度地面觀測的主要是熱力學法和吸附元件法兩種。百葉箱干濕表和阿斯曼通風干濕表屬于熱力學法，毛發濕度表和濕敏電容傳感器屬于吸附元件法。

干濕表法的測量儀器可以同時測量溫度和濕度，但其測量結果受溫度敏感部分周圍氣流的影響，通風干濕表很好地解決了這一問題，但又帶來了操作上的不便。

吸附元件法的濕度測量傳感器的缺點在于其敏感物質吸附水汽的同時吸收污染物，而污染物是不能隨水汽一起蒸發的，這就會造成吸附元件的測量基點改變，其改變的大小和速度隨空氣中的污染物多少和污染物的性質確定。隨著使用時間的延長，其誤差不斷增大，且不能象干濕表那樣通過更換濕球紗布恢復測量的基點。

另外還要指出的是，HMP45D溫濕一體的傳感器，將溫度元件與濕度元件一起密封在一個很小的防護罩內，由于是溫度元件是否能夠與被測大氣進行充分交換，其綜合時間常數是否符合世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南》的要求，直至目前也沒有這方面的數據。

鑒于百葉箱干濕表-毛發濕度表溫度濕度觀測體制的缺陷和新型鉑電阻-濕敏電容一體化傳感器的問題，可以說，直至目前并沒有完善的，適于地面氣象觀測自動化的溫度和濕度觀測體制。進一步對地面溫度和濕度觀測體制進行研究，建立新的體制和對傳感器的重新選型仍然是必要的。

3 其它可用于地面溫度和濕度測量儀器和傳感器

隨著科學技術的發展和氣象儀器科研人員的努力，在溫度和濕度測量方面不斷出現新的產品。這里將主要的儀器和傳感器介紹如下：

3.1 鉑電阻數字式通風干濕表

由于鉑電阻在測量溫度時其特性穩定，已成為氣象測溫的主要測量元件，而通風干濕表在測量濕度時有較高的準確度，重新啟用濕度測量的熱力學發測量儀器減小溫度和濕度測量的誤差，是值得研究的課題。

因此，在探討替代百葉箱干濕表實現溫濕測量的數字化、自動化時，在一個較長的時期，研制出了幾種鉑電阻數字通風干濕表，已經在某些氣象部門推廣使用，其主要測量儀器和傳感的外形如圖6所示。

數字通風干濕表對測量元件的通風、絕熱、防輻射結構與經典的阿斯曼通風干濕表相同，測試結果表明，其測量誤差與阿斯曼通風干濕表相當，目前已經作為濕度測量的二等標準器使用。

通風干濕表的缺點在于其必須人工加水，影響了觀測自動化。目前已制成了自動加水的鉑電阻通風干濕表，加一次水可以維持一周以上。

圖6

數字式鉑電阻通風干濕表配有數據傳輸接口，可以將信號直接傳輸到自動觀測系統上并可受其控制，實現觀測的自動化沒有技術障礙。其優點在于可以用更換紗布的方法恢復其測量的基點，避免吸附式濕度測量傳感器的基點偏移和脫濕嚴重滯后造成的誤差。

3.2 氯化鋰濕度測量傳感器

鉑電阻通風干濕表的固有缺陷是在溫度低于0℃時，其濕度測量誤差明顯增大，以致不能測量濕度。國內在研究百葉箱干濕表和毛發濕度表的替代體制時，在研制鉑電阻通風干濕表的同時,還研制了露點式氯化鋰濕度傳感器。采用鉑電阻溫度傳感器和氯化鋰濕度傳感器測量溫度和濕度,試圖以鉑電阻和露點式氯化鋰組合的溫度和濕度觀測體制替代百葉箱干濕表和毛發濕度表體制。

圖6的右面為金屬棒、涂敷層、金屬電極及其外面的保護罩，左面為測溫鉑電阻及傳感器底座。

目前露點式氯化鋰濕度傳感器仍在國內機場氣象儀上使用。試驗結果證明，直至－30℃，其測量誤差也比濕敏電容傳感器要小得多。

3.3 加熱式濕敏電容傳感器

加熱式濕敏電容傳感器是芬蘭VAISALA公式HMP45D溫濕傳感器替代產品，型號為HMP155。其特點是兩個濕敏電容輪流工作，工作時處于輪流加熱和測量狀態，解決了濕敏電容脫濕困難的問題。測濕結果證明，尤其是其低溫性能明顯優于HMP45D溫濕傳感器。HMP155濕度傳感器和鉑電阻溫度傳感器安裝在百葉箱中的狀態如圖7所示。

濕敏電容不論采用什么樣的形式工作，總還是吸附式濕度測量元件，其基點漂移特性與HMP45D是相同的。該元件已經通過了試驗室測試，證明要比HMP45D的測量誤差小，溫度對濕度測量結果的影響要小得多。某些自動氣象站和自動氣候站已安裝了這種傳感器，并在試用和動態比對試驗。目前正在等待長期穩定性的試驗結果。

圖7

3.4 激光諧振式水汽測量儀

激光吸收式濕度測量儀是基于吸收光譜法原理制作的濕度測量儀器，其測量傳感器和數據采集處理和顯示器的外形如圖8所示。

由于組成水分子的兩個氫原子和一個氧原子不在一條直線上，而是成105°03′的夾角，致使整個水分子不呈電中性，而以電偶極子的形式存在，其最大的紅外吸收波長與偶極子的極化程度有關，也就是說與水分子的聚集狀態有關。

由紅外激光發射器到接受器的光在通過含有水汽的路徑時，由于水汽對紅外光的吸收造成衰減，其衰減量與路徑上的水汽含量有關，從而建立了紅外光的衰減量與空氣中水汽含量的函數關系。

接受器接收到的光強度控制通過接收器的電流大小，該電流通過測量電路變為電壓變化，然后再由A/D轉換器變為數字信號。通過校準可以得到濕度與傳感器器輸出數字量的關系，其測量的直接結果為空氣中的水汽密度。

由空氣的水汽密度和溫度，就可以計算得到相對濕度值，實現對濕度測量。

圖8

國內目前已經制成了采用這種原理的濕度測量傳感器，并在精密控濕設備中得多了應用。對低溫濕度和低濕測量的結果表明，其測量誤差已經達到了二等濕度標準器的要求，并具有反應速度快的特點。

3.5 溫度和濕度測量的動態標準

世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南》規定，在動態測量的情況下，溫度濕度測量的標準器為“WMO標準通風干濕表”。該通風干濕表由澳大利亞氣象部門通過10年的設計驗證，于上世紀80年代末完成，同時公布了圖紙。

中國氣象局首先制作成功，并通過了作為濕度基準的“稱量法濕度標準”的校準，符合技術指標要求。1990年研制成功的樣機如圖9所示。

WMO標準通風干濕表的特點是，對干球和濕球鉑電阻實施橫向通風，其通風道為風洞結構，隨時可以測量通風速度，額定通風速度為3.5m/s。

測量時，該儀器可以直接架設在觀測場內，其表面的鍍層和通風足以消除背景輻射的影響，測量時，干球和濕球測量元件對向天空背景，以防止地面和周圍物體熱輻射和吸收的影響。

圖9

目前，國內廠家已生產了WMO標準通風干濕表，某些氣象部門已經作為自動氣象臺站的動態校準設備，對自動氣象站的溫度、濕度測量結果進行定期檢查和校準，取得了很好的效果。

4 關于溫度濕度觀測體制的建議

自上世紀八十年代初，國內對溫度濕度觀測體制的改進從未間斷，最典型的是中國氣象局用百葉箱通風干濕表替代百葉箱干濕表的試驗研究。對溫度表進行通風，可以減小溫度測量的輻射誤差，使濕度測量結果不受周圍氣流變化的影響，是大氣探測學的基本知識。但由于通風干濕表濕度傳感器加水造成的不便，以及當時的電機壽命短且有發熱現象等原因沒有推行下去。

長春氣象儀器研究所對露點式氯化鋰傳感器研制和試驗做了大量工作并研制成功了鉑電阻通風干濕表。由于鉑電阻通風干濕表必須不間斷供電，露點式氯化鋰濕度傳感器存在低溫相變問題，同時也有不間斷供電問題，且功率較大，沒有能夠普遍用于自動氣象站，只在國內很小的范圍內得多了應用。

由于濕敏電容使用方便，不需經常維護，并且一種傳感器可以在一年四季工作，沒有高溫和低溫測量需要更換傳感器的問題。再加上芬蘭中國代理商的片面宣傳，很快打入了中國市場。后來發現了問題，但為時已晚。

因此，根據目前的情況，應對我國的溫度和濕度測量體制進行深入的研究，以解決已經發現的問題。根據前面介紹的新型溫度濕度測量儀器和傳感器，鑒于我國大部分地區，大多數時間處于0℃以上的情況，在有人職守的重點氣象基準氣象臺站，應研究用鉑電阻通風干濕表進行溫度和濕度觀測的問題。在冬季低溫時，應研究用露點式氯化鋰濕度傳感器測試的可能性。即在我國重新啟動對鉑電阻通風干濕表和露點式氯化鋰濕度傳感器組合溫度和濕度觀測體制的研究。

對于用芬蘭MHP155濕度傳感器替代的應用，應通過長期的考核以得多其長期穩定性的數據，并且進行嚴格的低溫性能試驗。對于其配套的鉑電阻測溫傳感器，應考核安裝在百葉箱和防輻射罩時的輻射誤差。

世界氣象組織早在上世紀八十年代就發布了WMO標準通風干濕表作為動態情況下溫度、濕度測量標準的推薦建議。中國氣象局早已研制成功，但沒有推廣，但國內目前仍有些應用部門在進行試驗研究，取得了很好的效果。因此建議重新啟動WMO標準談干濕表的研究和試驗，并探討用WMO標準通風干濕表對目前地面氣象觀測網中大量試用的自動氣象站所測溫度和濕度數據進行質量控制的可能性。

5 結束語

溫度和濕度是地面氣象觀測的關鍵性項目，也是天氣分析預報和氣候統計的主要參數，其測量數據的準確性對氣象部門是至關重要的。針對目前氣象臺站發現的溫度、濕度數據所存在的問題，開展對溫度和濕度觀測體制的研究是目前的重要課題。

本文對氣象觀測中溫度和濕度觀測體制進行了歷史的回顧和研究。并提供了一些新型溫度和濕度觀測儀器和傳感器的信息，供從事大氣探測科技人員和管理人員參考。

[1]張玉存：毛發濕度表和氯化鋰濕度計的低溫特性 《氣象水文海洋儀器》 1991第三期

[2]張玉存：國產和進口濕敏電容傳感器的低溫特性比較 《氣象 水文 海洋儀器》1999第四期

地面溫濕度測量儀器及觀測體制

■劉新建1谷建偉1周粲2

P41[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-265-4