第2章 温度测量气象仪器和观测方法指南Word下载.docx
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用以替代的是经实验室标准温度表校准的较便宜的温度表，使用时对他们的读数需要加以修正。
必须限制修正值的大小，使剩余误差保持在界限以内。
此外，选用的温度表量程应能够反映当地气候变化的范围。
作为一个例子，下表给出了温度表的典型测量范围和可以采用的校准范围和误差范围。
温度表特性要求
温度表类型
普通
最高
最低
标尺范围（℃）
-30—+45
-30—+50
-40—+40
校准范围（℃）
-30—+40
-25—+40
-30—+30
最大误差
<
0.2K
±
0.3K
在量程之内最大修正值与最小修正值之间的最大差值
0.5K
任意10℃之间修正值的最大变化
0.1K
所有的温度测量仪器都应当有符合准确度要求或性能规格的证书，或者是有满足准确度要求的修正值的校准证书。
初始的测试和校准应该由国家级的测试机构或经认可的检定实验室来进行。
温度测量仪器随后还应定期进行检查，用于校准的精密设备取决于被校准的仪器或传感器。
2.1.3.3温度表的响应时间
在常规气象观测中，使用时间常数非常小的温度表没有好处。
因为在几秒钟之内，气温会连续波动1至2度。
因此，用这种温度表要得到一个有代表性的读数就要求多次读数取平均。
时间常数较大的温度表则有助于平滑掉快速波动。
然而时间常数太大，可能在温度发生长周期变化时导致误差。
时间常数已定义为温度表显示出一个气温阶跃变化的63.2%所需要的时间。
建议在风速为5m/s时，温度表的时间常数值应当在30和60秒之间。
时间常数大致与风速的平方根成反比。
XJ单位是分钟？
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2.1.3.4记录测量的环境
温度是气象参数之一，温度的测量对暴露状况特别敏感。
尤其是对于气候研究来说，温度测量受到诸如环境状态、植被、建筑物和其他物体的形态、地表覆盖物、防辐射罩或百叶箱的设计及其变化、以及设备中其他改变等的影响。
因此，不但保存温度数据的记录是重要的，而且保存测量环境的记录也是重要的。
而这种信息就称为“与气象观测资料有关的其他资料”（metadata-dataaboutdata）。
2.1.4测量方法
为了测量一个物体的温度，可使温度表达到与该物体相同的温度（即与之达到热力学平衡），于是温度表本身的温度即可测出。
另外，也可以用一辐射表测定温度而无须热平衡。
物质的任何物理性质如果是温度函数，都可作为温度表的依据。
气象温度表中最广泛应用的性质是热膨胀和电阻随温度的变化。
在其他应用之中，作用于电磁波谱红外区域的辐射温度表可用于从卫星上进行的温度测量。
用以指示常见温度的温度表通常称为“普通”温度表，而用以指示在一定时段内的极湍温度的温度表则称为“最高”或“最低”温度表。
有关温度测量的仪器设计和实验室应用方面有许多文献，比如“Jones（1992）”。
2.1.4.1温度表的安置和场地
来自太阳、云、地面以及其他周围物体的辐射，通过空气而不会使气温产生明显变化。
而自由暴露的温度表则可能吸收相当多的辐射，导致温度表的温度不同于真正的气温。
其差值决定于辐射强度和吸收辐射与散失热量的比值。
对于某些温度表元件，例如裸线电阻温度表使用的精细金属丝，差值可能非常小，甚至可以忽略不计，但对比较常用的温度表来说，在极端不利的条件下其差值可以达到25℃。
因此，为了保证温度表处于真正的空气温度，必需采用百叶箱或防辐射罩以防护温度表使之免受辐射，还可用它来架设温度表和遮挡降水，还可以使其周围的空气自由流通并防止温度表意外损坏。
然而，在百叶箱上有凇附碰冻冰层的情况下，要保持空气的自由流通是相当困难的。
为减少这种条件引起的观测误差的措施将是各式各样的，其中可能包括使用特别设计的百叶箱或温度测量仪器。
在对不同地点和不同时间的温度表读数进行比较时，为了取得具有代表性的结果，百叶箱的甚至温度表本身的暴露状况的标准化是必不可少的。
对于一般气象工作，观测到的温度应当能代表气象站周围一个尽可能大的面积上高度为地面以上1.25m到2m的自由空气的温度。
规定地面以上高度是因为大气的最低层可能存在大的垂直温度梯度。
因此进行测量的最好场地是在平坦地面以上，自由暴露在太阳和风中，不受树木、建筑物和其他障碍物的遮挡也不与之靠近。
应避免把场地设在陡坡和凹地以及易受特殊条件影响的地方。
在城镇中，地方性特色预料要比农村地区明显得多。
建筑物顶上的温度观测是否有意义和有用处值得怀疑，因为垂直温度梯度多变且建筑物本身对温度分布有影响。
2.1.4.2温度标准器
实验室标准器
国家标准实验室拥有和保持基准温度表。
国家气象部门的或其他的经认可的校准实验室可拥有一个溯源国家基准的高级别铂电阻温度表作为工作标准。
这个温度表的准确度可以在一个水三相点槽中定期检验。
水的三相点是精确定义的，而且可以在三相点槽中复现，其不确定度为1×
10-4K。
外场标准器
WMO参考干湿表（WMO，1992）是用以确定常规地面仪器测量的气温与真实气温之间关系的参考仪器。
该仪器设计成非固定式仪器，不用装在百叶箱或防辐射罩内；
它是适合用于评估和比对仪器系统的最准确的仪器，它不属于在日常气象业务中连续使用的仪器。
它能提供不确定度为±
0.04K（95%的置信水平）的温度测量。
更进一步的信息见第一编第4章。
2.2玻璃液体温度表
2.2.1结构要求
对于常规气温观测，包括最高、最低和湿球温度的观测，通常仍采用玻璃液体温度表。
这种温度表是利用一种纯液体相对于其玻璃容器不同的膨胀来指示温度的。
表柱是一个有极细管腔的管子与主球部相通。
温度表中液体的体积使球部完全充满，而在要测量的所有温度下只是部分地充满表柱。
液体的体积相对于其容器的变化量是由表柱中液体长度的变化来指示的；
用标准温度表来校准，可以把温度标度刻在表柱上，或是刻在一个紧固在表柱上的单独标尺上。
温度表使用何种液体，取决于所需测量的温度范围。
水银可用于在其凝固点（-38.3℃）以上的温度；
而酒精或其他的纯有机液体用于较低温度。
玻璃应当是经认可适用于温度表的一种“标准”玻璃或“硅酸硼”玻璃。
玻璃球要制成既有适当强度又薄到便于热量传入或传出球部及其内装液体。
对于一个给定的表柱长度，细窄的管腔使表柱中的液体在给定的温度变化中可以有较大的移动，但却减少了温度表可使用的温度范围。
温度表在进行刻度之前，应当进行适当的退火处理以减少玻璃老化引起的缓慢变化。
气象温度表的结构有四种主要形式。
它们是：
（a）标尺刻在温度表表柱上的套管型；
（b）标尺刻在固定于温度表柱上乳白色玻璃板上的套管型；
（c）标尺刻在表柱上并固定于一个金属、瓷或木质的有标度数值的背板上，无套管型；
（d）标尺刻在表柱上的无套管型。
某些温度表的表柱是正面透镜型，可使水银丝的象放大。
熟知的例子，就是为医学目的设计的体温表。
但是，正面透镜型的温度表在气象学中并没有广泛应用。
（a）和（b）型优于（c）和（d）型之处是，它们的标度刻线不会磨损。
而（c）和（d）型的刻线，就需要不时的重新涂黑；
另一方面，这种温度表比（a）和（b）型容易制作。
（a）和（d）型的优越性是不容易有视差（见2.2.4节）。
无论采用哪种形式，套管和支架不应过大，以便保持较低的热容量。
同时套管和支架应当足够结实，经受得起使用和运输的一般风险。
对于玻璃水银温度表，特别是最高温度表，水银柱上面近于完全真空是很重要的。
所有温度表都应在全浸时定标，但土壤温度表除外。
不同用途的温度表的特殊要求，以后在相应的标题下予以说明。
2.2.1.1普通（气象站用）温度表
这是在所有气象温度表中最准确的仪器，通常采用玻璃水银温度表。
其刻度间隔为0.2℃或0.5℃，量程要比其他气象温度表大。
普通温度表安置在百叶箱内以避免辐射误差。
用支架使其保持直立，球部在最下湍，球部形状为圆柱体状或洋葱头状。
一对普通温度表可用作干湿表。
2.2.1.2最高温度表
推荐的形式是一种水银玻璃温度表，在其内腔管中在球部与标尺起始处之间有一缩颈。
这个缩颈能阻止水银柱随着降温而退缩。
然而，用人工的方法可使温度表复原：
观测员拿牢它，球部向下，挥动手臂使水银柱重新合一。
最高温度表应当安置成与水平面成大约两度的角度，球部在低的一头，以保证水银柱能停留在缩颈上而不会因重力穿过缩颈。
为了使分离开的水银柱易于合起来，最好将表柱顶部的内腔管加粗。
2.2.1.3最低温度表
最普通的最低温度表是在酒精中浸有一个长约2cm的深色玻璃游标的酒精温度表。
由于在酒精温度表的内腔管中残留着一些空气，因此其上端应有一安全囊，此囊的容积应能保证使仪器经受住50℃的温度而不损坏。
与最高温度表相似，最低温度表应当安置在近乎水平的状态。
多种液体可用于最低温度表，诸如乙醇、戊烷和甲苯。
重要的是液体应尽可能地纯，因为存在某些杂质在光照下暴露一段时间后，就会增加液体的聚合作用，这种聚合，会引起校准值的变化。
例如，乙醇就应当完全不含丙酮。
2.2.1.4土壤温度表
为了测量深度为20cm或小于20cm的土壤温度，通常使用的是其表身在最低刻度线以下弯成直角或任何其他适当角度的玻璃水银温度表。
温度表的球部埋入地下至需要的深度，从温度表上读数是就地进行的。
这些温度表应以浸没到测量深度的状况来分度。
因为温度表的其余部分仍处于气温中。
表柱的顶端应留有安全囊。
为了测量深度大于20cm的温度，建议使用装在木质，玻璃或塑料套管中的玻璃水银温度表，其球部埋入蜡内或含金属的涂料中。
然后，该温度表连同套管一起悬挂或塞进一埋入地下至要求深度的薄壁金属外管或塑料外管中。
在寒冷气候区，外管顶部应当伸出在地面以上并高于预期积雪厚度。
使用垂直钢管的方法来测量土壤特别是干燥的土壤的温度日变化是不合适的，而用这种测量方法来计算土壤热力性质会带来重大的误差。
由于增加了热容量而有较大的时间常数，这能使温度表在从外管中取出和读数的时间内其温度不会产生明显偏离土壤温度的变化。
为了使观测员接近要观测的温度表而不破坏积雪，建议构造一个平行于温度表排列的轻便桥。
此桥应设计成其盖板在两次读数之间可以移走，以免影响积雪。
2.2.2测量程序
2.2.2.1普通温度表的读数
温度表必须尽快读数，以避免由于观测员在场而使温度变化。
由于液体弯液面或游标与温度表的标尺不在同一平面上，必须注意避免视差。
除非观测员保证从其眼睛到弯液面或游标的直线与温度表表柱成直角，否则就会有视差。
因为温度表的标尺分度一般不会小于一整度的五分之一，而在干湿表测量中读数要精确到一度的十分之一是基本要求，对此必须靠估计得出。
如果有标尺误差的修正值，应当用于对读数修正。
最高和最低温度表应当每日至少两次读数与调整。
它们的读数应经常与普通温度表的读数比较，以确保读数不发生严重误差。
2.2.2.2测量最低草温
一个直接暴露于天空之下并正好处于短草之上的温度表在整个夜间达到的最低温度就是最低草温，是用2.2.1.3节中描述的最低温度表测量的。
温度表应当安置在适当的支架上，使其与水平面有一个大约2°
的倾斜角，球部略低，约在地面以上25mm至50mm高度上并且与草尖接触。
当地面有积雪，温度表应立即架在雪面以上，尽可能与雪面靠近但不能触及雪面。
通常，温度表是在日落之前的最后一次观测时放置，在次日早晨读数。
白天，仪器放在百叶箱中或放在室内。
然而，在接近日落时观测员已不在场的站，可能需要整天都把温度表放在外面。
在强日射条件下，这样放置温度表可能导致酒精蒸馏并聚集在表腔细管的顶部。
在温度表顶端安全囊外，套一个内衬棉垫的黑色金属防护罩可使这种影响减至最小；
这个防护罩吸收辐射较多，达到的温度要比温度表其余部分要高。
这样，所有蒸汽都将沿表腔细管向下并凝结在酒精柱的顶端。
2.2.2.3测量土壤温度
土壤温度测量的标准深度是地面以下5、10、20、50和100cm，也可以包括其他的深度。
进行这种测量的场地应当是一块约75cm2的裸露平地，其土壤就是所需资料地块周围土壤的典型。
如果地面对周围环境不具有代表性，则场地范围就应当扩展到不小于100cm2。
当地面为雪覆盖时，最好也测量积雪的温度。
雪稀少的地方，在读数之前可以把雪拨开，观测后再盖上。
当描述土壤温度测量的场地时，土壤类型、覆土和地面倾斜的程度与走向都应当记录来，只要有可能，诸如单位体积干重，导热率和田间持水量等土壤物理常数都应当说明。
地下水位高度（如果在地面以下5m之内）和土壤结构也应当包括在内。
农业气象站要连续记录土壤温度和贴近该土壤的气层中各高度上的气温（最好是地面到主要植被上限以上约10m）。
2.2.3温度表的安置
不管是普通温度表还是最高和最低温度表都是安置在百叶箱的一个支架上。
极端温度表安在适当的支架上，使其与水平面有一个大约2°
的倾斜角，球部略低。
最低草温温度表的安置加2.2.2.2中规定的那样。
在常年有积雪且厚度不断变化的观测站，应尽可能使用一个可使温度表升降的支架，使温度表保持在雪面以上正确的高度。
2.2.4玻璃液体温度表的误差来源
所有玻璃液体温度表共同的主要误差来源是：
（a）弹性误差
（b）外露表柱引起的误差
（c）视差和读数的大误差
（d）内外压力引起的球部容积的变化
（e）毛细作有
（f）分度和校准的误差
（g）在所考虑的量程内液体和玻璃的膨胀不同
后三种误差可以通过生产工艺使其减至最小，而且可以对观测值进行修正。
前三种误差是需要考虑的。
误差（d）对于气象用温度表来说不会发生。
2.2.4.1弹性误差
弹性误差分为可消除的和不可消除的两种。
前一种误差只有当温度表在短时间内暴露于大范围温度变化的情况下才是重要的。
这样，如果温度表先在汽化点进行检查，又迅速地放在冰点下，其读数先会稍稍偏低，然后指示的温度才会慢慢地上升至正确的值。
这种误差取决于温度表采用的玻璃的质量，其值可多达1K（最优质的玻璃应只有0.03K），温度范围减小，误差值也会按比例地变小。
这种影响对于气象测量是无关紧要的，只有在最初的校准中有可能出现这种误差。
不可消除的误差可能更重要。
温度表的球部在几年当中会缓慢收缩，从而导致零点上移。
这种变化第一年最大，其后变化率将逐渐减小。
通过对球部进行热处理或采用最合适的玻璃可以减小这种变化。
即使采用最好的玻璃，开始的时候每年也会有0.01K的变化。
对于精确性的工作，特别是对于检查员用的温度表来说，应该定期地重新测定零点，并作必要的修正。
2.2.4.2外露表柱引起的误差
用于测量气温的温度表通常全部被几乎是同一温度的空气所包围，而校准时可把温度表全部地浸没或仅仅浸到水银柱头部（即全浸或部分浸没校准）。
当使用这样的温度表来测定表柱未被包围的媒介物的温度时，表柱的实际温度会不同于球部的温度，从而产生误差。
对于气象应用来说，最有可能遇到的情形是，在一个盛有液体的器皿中检查普通温度表，而液体的温度明显不同于周围环境的温度，并且只有球部或表柱下部浸在液体之中。
2.2.4.3视差和读数的大误差
如果不是在一个通过液柱顶部并垂直于表柱的平面上观测温度表，就会产生视差。
视差会随着表柱的厚度和实际视线与正确视线之间夹角的增大而增大。
只有仔细观测才能避免视差。
由于玻璃水银温度表是垂直悬挂在普通百叶箱里的，所以必须在水银柱顶部的水平面上进行观测。
由于观测员贴近温度表读数在一定程度上干扰了周围环境也会产生误差。
因此，观测员读数必须尽快地读数至最接近的十分之一度。
读数的大误差的大小通常是1，5或10°
，如果观测员在初次读数后再核对一下十位数和个位数的数字，这种误差是可以避免的。
2.2.4.4膨胀差异引起的误差
水银的体膨胀系数是1.82×
10-4K-1，大多数玻璃的体膨胀系数介于1.0×
10-5—3.0×
105K-1之间。
因此，玻璃膨胀系数是水银膨胀系数的一个重要的分数且不可忽略。
水银的和玻璃的体膨胀系数与表柱内径的截面面积，在测量的温度范围内和使用的表柱长度内都不是严格的恒定的数，所以表柱单位长度的刻度值沿着表柱而有所变化，为此温度表在交付使用之前需由生产者用标准温度表对其进行校准。
2.2.4.5与酒精温度表有关的误差
酒精温度表中使用的液体的膨胀系数远比水银的大，而其凝固点要比水银的低（乙醇的凝固点是-115℃）。
最低温度表使用酒精，是因为酒精无色而且膨胀系数大，这样可以采用内径较大的表柱。
酒精温度表与同价格同质量的水银温度表相比，准确度要低些。
除了玻璃液体温度表所共有的缺点外，液体温度表（除了水银温度表）有一些自身的特性：
（a）酒精在玻璃上附着。
与水银不同，有机液体通常会湿润玻璃，这样，当温度急剧下降时，有一部分液体可能还附着在表柱内壁上，引起温度表读数偏低。
如果温度表是垂直悬挂的，液体会逐渐流下去。
（b）液柱断开。
由于蒸发和凝结作用，在表柱上部常常形成液滴。
液滴会与主要液柱重新连接，但在此过程的初始，尚未连接之前就会引起误差。
在运输中也会发生断柱。
为了减小这种误差，在制造时要在最低的温度下封口，以使表柱内腔含有的空气量最大。
（c）液体的缓慢变化。
有机液体随着使用年限和光照的影响常常会发生聚合，从而引起液体体积逐渐减小。
杂质的存在会使这种效应加速；
特别是，当酒精中含有丙酮时已显示出这是非常有害的。
因此，温度表使用的液体必须十分仔细地制备。
如果用颜料给液体加色使其更醒目，也会使这种效应增强。
减少断柱引起的误差和酒精温度表的一般维护在本章稍后论述。
2.2.5外场和实验室的比对和校准
2.2.5.1实验室的校准
温度表的实验室校准必须由国家级测试机构或经认可的校准实验来实施。
对于玻璃液体温度表，应该使用一个能在所需的温度范围内使温度保持在任意所需数值的液体槽。
槽内液体温度的变化速度不应超出推荐的界限，校准设备必须有搅动液体的装置。
标准温度表和受检温度表都应该在容器中分别悬挂，且不触及容器边缘。
测量应该充分，以确保所用的修正值能代表温度表在正常条件下的性能，而任何中间点的内插值引起的误差，不会超出非系统性误差。
2.2.5.2外场的检查和校准
所有玻璃液体温度表都要经历零点的渐变。
基于此原因，需要对它们进行定期检查，通常是两年一次。
检查前应在室温下至少垂直放置24小时。
冰点的检查可以用盛满碾碎的蒸馏水制成的冰块的杜瓦瓶进行，要加入更多的蒸馏水来润湿冰块，使冰块之间和器皿底部下应有空气。
水面应低于冰面2cm。
一个普通的保温瓶可容纳全部温度表并使之全浸直至其冰点。
温度表应该插好使其水银或酒精柱露出冰块的部分为最少。
读数前，应至少经过15分钟，以使温度表接受融冰的温度。
每个温度表应在混和物中前后晃动，然后迅速读数，并精确到一个刻度的十分之一。
然后隔5分钟再读数，并计算平均值。
量程内的其余点可以用移动标准器或检查员温度表作参考。
比对应该通过将标准温度表和温度表（或受检温度表）浸没在一个盛水的深器皿中进行。
最好在室内进行（特别是有阳光照射时），如果水温处于或接近环境温度就能取得最好的结果。
每支温度表与标准温度表进行比较；
同类型温度表可以相互比较。
对于每一个比对，将温度表握在一起，球部紧紧相靠，在水中前后移动约一分钟，然后读数。
必须尽量读取浸没程度相差不大的两支温度表；
这样，球部应尽可能深浸水中。
大多数气象温度表为全浸检定，当水温与气温的差值不超过5K，外露表柱修正可以忽略不计。
有时，球部在同一深度，而标准温度表和受检温度表的水银柱（或其他液柱）顶部并不是非常接近。
因此，要特别小心，以免出现视差。
每对温度表的比对应该至少做三次。
每组比对，读数差值的平均值不应超出2.1.3.2节的表中所规定的容限。
土壤温度表的测试方法也一样，但是必须在水中至少放置30分钟；
以使埋球部的蜡接受水温。
除非水温比较稳定，否则由于土壤温度表的时间常数大会使测试很难取得好的结果。
如果在30分钟内温度变化不超过1K的水中仔细地进行测试，则与标准温度表修正后读数的差异应不超过0.25K。
2.2.6修正
温度表出厂的时候，应该提供注明日期的确认符合准确度要求的证书，或注明日期并给出施加于读数的修正值以达到要求准确度的校准证书。
通常，如果在温度表量程内各选择点（如0℃，10℃，20℃）的误差都在±
0.05K以内，就无需作修正，这样无论是在自然通风百叶箱中的普通温度表，或者是最高、最低、土壤或最低草温温度表都可以直接使用。
如果在这些选择点的误差大于0.05K，则应在读数处给观测员提供一张修正值表，并明确说明如何进行修正。
应该附有证书的温度表还有：
（a）通风干湿表用的温度表；
（b）检查员使用的移动式标准器的温度表；
（c）用于特殊目的并需要施加修正值的温度表。
作干湿表用时，应选择相同的温度表。
2.2.7维护
2.2.7.1液柱断开
最常遇到的故障是液柱断开，特别是在运输中。
酒精（最低）温度表最可能发生这种情况。
与这些温度表有关的其他问题，酒精对玻璃的附着性，和由于蒸馏作用，在内腔细管上形成酒精滴。
为使断开的液柱接合，可手持温度表，球部向下，并且轻而急速地用手指或其他某种有弹性、不太硬的东西轻击。
这种轻击应持续一些时间（可能需要五分钟），然后把温度表球部向下地悬挂起来或直立于某一适当容器中至少一小时，以使所有附着在玻璃上的酒精全部流回到主要液柱上去。
如果这种处理方法不成功，一种较快的方法是：
使球部在冰与盐的冷冻混合物中冷却，同时使表柱上部保持温暖，因此液体将慢慢蒸馏回到主要液柱中。
也可直握温度表，球部浸在温水容器中，同时不时地轻敲或摇动表柱。
一旦酒精柱达到表柱顶部的安全囊，立刻把温度表从水中取出。
使用这种方法时，一定要特别小心。
如果酒精膨胀入安全囊，温度表就有爆裂的危险。
2.2.7.2刻度模糊不清
无套管型玻璃液体温度表的另一个缺点是刻度会随着时间变化而变得模糊不清。
这个问题可以通过在观测站用一支黑彩笔或黑铅笔擦拭管壁而加以解决。
2.2.8安全
水银是在玻璃液体温度表中最常用的液体，如果被人吞下或其气体被人吸入都是有毒的。
如果温度
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