地面温湿度测量仪器及观测体制

（1河北省顺平县气象局 河北保定072250；2成都信息工程大学 四川成都610225）

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温度和湿度的测量是地面气象要素观测的最重要项目。按照中国气象局，《地面气象观测规范》规定，地面温度和湿度的观测是在气象观测场的百叶箱中进行的，测量敏感元件距地面高度为1.5米。温度和湿度测量仪器种类繁多，原理各异，地面气象观测、管理人员，了解温度和湿度观测仪器的基本知识是必要的，包括发展历史、测量原理、观测体制和方法等。本文重点介绍温度和湿度测量仪器的发展历史、观测体制和常用的、新型的温度和湿度测量仪器和传感器，同时结合各种温度和湿度测量仪器的技术特点进行分析，并对现有温度和湿度观测体制提出改进建议。

温湿度气象测量仪器观测体制

1 历史

最早的温度计是意大利人伽利略在1597年发明的，采用的是玻璃球中的水银随温度变化膨胀或收缩，使连接在玻璃球上的玻璃毛细管中的水银柱上升或下降的原理，当时并没有温度数值大小的概念。

1714年由德国物理学家华仑海特（Gabriel Daniel Fahrenheit）首创了华氏温标并给玻璃水银温度表进行了分度，给温度赋予了具体数值。

1742年，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）在发明摄氏温标的同时发明了玻璃-酒精温度表，并认为酒精介质更适用于测量温度，对于相同的温度变量，具有较高的分辨力。

德国人尼古劳斯（Nikolaus von Cusa）在15世纪，用秤羊毛的方法测量湿度，利用的是水汽吸收原理，开创了湿度测量的纪元。

1783年瑞士索修尔（Horace Benedict de Saussure）发明了毛发湿度计，使湿度测量定量化。

1870年，英国开尔文（William Thomsom Lord kelvin）提出了饱和水汽压的概念并给出了饱和水汽压与温度关系的公式，开创了人类对空气湿度的定量测量和研究。

1825年，德国奥古斯特（Enst Ferdinand August）提出用干湿球温度表测量空气湿度的方法，并与1828年创制了百叶箱干湿表，一直沿用至今。

2 温度和湿度测量仪器和观测体制

目前，温度和湿度观测仪器正处于由人工观测向器测和自动化过渡的最后阶段，大多数气象台站已经实现了器测化和自动化，并在进行网络化建设。

人工观测温度和湿度的仪器以百叶箱干湿表和毛发湿度表的组合体制为代表，从上世纪八十年代开始逐步由铂电阻和湿敏电容的组合所替代。这中间国内曾经研究和制作了百叶箱通风干湿表和铂电阻通风干湿表与露点式氯化锂组合体制，都没有正式投入业务应用。

2.1 百叶箱干湿表和毛发湿度表

自从发明了百叶箱干湿表，0℃以上用百叶箱干湿表，0℃以下用毛发湿度表的温湿测量体制延续了180多年。

图1

虽然这种测量方法的缺陷气象界都很清楚，即其湿度测量结果受风速的严重影响，但至今没有能够完全淘汰，证明这种体制具有很顽强的生命力。

图1为安装在百叶箱中的干球温度表和湿球温度表及其加水装置组成的百叶箱干湿表，图2为毛发湿度表。实际观测时，通常在百叶箱干湿表的下面横向放置一支最高温度表和一支最低温度表。在冬季或在秋季制作毛发湿度表的修正曲线时，在干球和湿球温度表的中间悬挂一支毛发湿度表。

干湿表采用热力学原理，当湿球纱布上的水分蒸发时吸收热量使温度降低，湿球与干球的温度差是空气中水汽压e的函数，其计算公式是：e=E2-AP(t1-t2)

式中：E2为湿球的温度对应的饱和水汽压；t1和t2分别为干球温度和湿球温度；P为测量时的大气压力；因此，在用干湿表测量湿度时要同时测量气压。

图2

式中：E1为干球温度对应的饱和水汽压。

饱和水汽压可用《地面气象规测规范》提供的公式计算。在进行人工观测时，可在中国气象局发布的《湿度查算表》中，有干球温度、湿球温度和大气压力直接查取相对湿度。

干湿表系数A与湿球和外界的热交换系数、水汽交换系数和水的蒸发潜热有关。而热交换和水汽交换主要依赖于湿球周围的气流速度。

干湿表常数A与风速的关系可用图3表示。可以看出，风速小于1.5m/s时，干湿表常数A是极不稳定的。

根据中国气象局1985年发布的我国年平均风速的统计结果，在百叶箱内的气流速度规定取0.4m/s。

在干球和湿球温度表所用材料、形状、表面积确定以后，湿球温度相对于干球温度的降低值几乎全依靠周围空气流动的速度大小，在接近静风时，试验结果表明，与阿斯曼通风干湿表比较，其数值偏高误差可达30%RH或以上。

图3

2.2 阿斯曼通风干湿表和百叶箱通风干湿表

为了减小湿度的测量误差，1891年，德国人阿斯曼（Richard Assmanhn）发明并制作成功了通风干湿表，称为阿斯曼通风干湿表，其外形如图4，图右边为机械通风干湿表，左边为电动通风干湿表。

由于采用了固定通风，且风速在2.5m/s以上，干湿表常数A值处于稳定区。

1982年，中国气象局启动了“百叶箱通风干湿表”工程，研制成功了在百叶箱内安装的，具有强制通风装置的百叶箱通风干湿表。为适于通风，还同时研制了球部为柱状的玻璃水银温度表。

百叶箱通风干湿表是在百叶箱干湿表的基础上加装电动通风装置制作的，使用时需人工打开通风器，经过3～4分钟，进行人工观测。

但可惜的是，在台站业务应用试验时被否决，其原因是：通风电机不可靠；增加了观测人员的劳动强度；测量的湿度数值与百叶箱干湿表比较误差太大等。

上述试验结果否定了“百叶箱通风干湿表”的业务应用资格，因此，没有通风装置的百叶箱干湿表使用至今。

用于湿度观测，沿用了100多年的毛发湿度表，1987年在我国东北某地进行了低温性能试验，以冷镜式露点仪作为标准器的误差统计结果如表1。

图4

表1 毛发湿度表的低温比对试验结果

毛发湿度表试验前在秋季按照《地面气象观测规范》的要求，用阿斯曼通风干湿表制作了修正表。试验结果令人怀疑毛发湿度表的测量结果是否湿度，其系统误差随温度变化明显，说明测量结果与环境温度相关，其相关系数大于湿度。

2.3 铂电阻和湿敏电容传感器

从上世纪80年代初开始，国内逐步推行自动气象观测系统，至2000年，中国气象局发布了“二型自动气象站”行业标准（QX/T 1－2000）推动了自动气象观测系统的发展。

在自动气象站上用得最多的是从芬兰进口的HMP450温湿传感器，安装在百叶箱中如图5所示。用该传感器同时测量温度和湿度，形成了新的温湿测量体制，即铂电阻和湿敏电容观测体制。

该体制采用的测温铂电阻，测试结果表明，其静态测量误差与玻璃水银温度表相当。其敏感元件与湿度元件一起在一个防尘罩内，湿度测量元件为湿敏电容。由于温度湿度测量元件安装在一个很小的防护罩内，与周围空气的热传递通道并不通畅。试验结果表明其温度辐射误差，安装在百叶箱内时在0.3℃以上，安装在防辐射罩中时可达2℃。

表2 HMP45D传感器三种不同温度的静态测量结果

图5

看了表2的数据即可明白，HMP45D的技术指标中，在规定测量误差为±2%RH的同时，为什么要在括号中加注20℃的原因了。其低温的测量误差要比20℃的误差大得多。可见不应将HMP45D作为全天候的湿度测量传感器。而目前在自动气象站上却是作为全天候的温度和湿度传感器使用的。

2.4 两种温度和湿度观测体制的问题

根据湿度测量体制划分，目前用于湿度地面观测的主要是热力学法和吸附元件法两种。百叶箱干湿表和阿斯曼通风干湿表属于热力学法，毛发湿度表和湿敏电容传感器属于吸附元件法。

干湿表法的测量仪器可以同时测量温度和湿度，但其测量结果受温度敏感部分周围气流的影响，通风干湿表很好地解决了这一问题，但又带来了操作上的不便。

吸附元件法的湿度测量传感器的缺点在于其敏感物质吸附水汽的同时吸收污染物，而污染物是不能随水汽一起蒸发的，这就会造成吸附元件的测量基点改变，其改变的大小和速度随空气中的污染物多少和污染物的性质确定。随着使用时间的延长，其误差不断增大，且不能象干湿表那样通过更换湿球纱布恢复测量的基点。

另外还要指出的是，HMP45D温湿一体的传感器，将温度元件与湿度元件一起密封在一个很小的防护罩内，由于是温度元件是否能够与被测大气进行充分交换，其综合时间常数是否符合世界气象组织《气象仪器和观测方法指南》的要求，直至目前也没有这方面的数据。

鉴于百叶箱干湿表-毛发湿度表温度湿度观测体制的缺陷和新型铂电阻-湿敏电容一体化传感器的问题，可以说，直至目前并没有完善的，适于地面气象观测自动化的温度和湿度观测体制。进一步对地面温度和湿度观测体制进行研究，建立新的体制和对传感器的重新选型仍然是必要的。

3 其它可用于地面温度和湿度测量仪器和传感器

随着科学技术的发展和气象仪器科研人员的努力，在温度和湿度测量方面不断出现新的产品。这里将主要的仪器和传感器介绍如下：

3.1 铂电阻数字式通风干湿表

由于铂电阻在测量温度时其特性稳定，已成为气象测温的主要测量元件，而通风干湿表在测量湿度时有较高的准确度，重新启用湿度测量的热力学发测量仪器减小温度和湿度测量的误差，是值得研究的课题。

因此，在探讨替代百叶箱干湿表实现温湿测量的数字化、自动化时，在一个较长的时期，研制出了几种铂电阻数字通风干湿表，已经在某些气象部门推广使用，其主要测量仪器和传感的外形如图6所示。

数字通风干湿表对测量元件的通风、绝热、防辐射结构与经典的阿斯曼通风干湿表相同，测试结果表明，其测量误差与阿斯曼通风干湿表相当，目前已经作为湿度测量的二等标准器使用。

通风干湿表的缺点在于其必须人工加水，影响了观测自动化。目前已制成了自动加水的铂电阻通风干湿表，加一次水可以维持一周以上。

图6

数字式铂电阻通风干湿表配有数据传输接口，可以将信号直接传输到自动观测系统上并可受其控制，实现观测的自动化没有技术障碍。其优点在于可以用更换纱布的方法恢复其测量的基点，避免吸附式湿度测量传感器的基点偏移和脱湿严重滞后造成的误差。

3.2 氯化锂湿度测量传感器

铂电阻通风干湿表的固有缺陷是在温度低于0℃时，其湿度测量误差明显增大，以致不能测量湿度。国内在研究百叶箱干湿表和毛发湿度表的替代体制时，在研制铂电阻通风干湿表的同时,还研制了露点式氯化锂湿度传感器。采用铂电阻温度传感器和氯化锂湿度传感器测量温度和湿度,试图以铂电阻和露点式氯化锂组合的温度和湿度观测体制替代百叶箱干湿表和毛发湿度表体制。

图6的右面为金属棒、涂敷层、金属电极及其外面的保护罩，左面为测温铂电阻及传感器底座。

目前露点式氯化锂湿度传感器仍在国内机场气象仪上使用。试验结果证明，直至－30℃，其测量误差也比湿敏电容传感器要小得多。

3.3 加热式湿敏电容传感器

加热式湿敏电容传感器是芬兰VAISALA公式HMP45D温湿传感器替代产品，型号为HMP155。其特点是两个湿敏电容轮流工作，工作时处于轮流加热和测量状态，解决了湿敏电容脱湿困难的问题。测湿结果证明，尤其是其低温性能明显优于HMP45D温湿传感器。HMP155湿度传感器和铂电阻温度传感器安装在百叶箱中的状态如图7所示。

湿敏电容不论采用什么样的形式工作，总还是吸附式湿度测量元件，其基点漂移特性与HMP45D是相同的。该元件已经通过了试验室测试，证明要比HMP45D的测量误差小，温度对湿度测量结果的影响要小得多。某些自动气象站和自动气候站已安装了这种传感器，并在试用和动态比对试验。目前正在等待长期稳定性的试验结果。

图7

3.4 激光谐振式水汽测量仪

激光吸收式湿度测量仪是基于吸收光谱法原理制作的湿度测量仪器，其测量传感器和数据采集处理和显示器的外形如图8所示。

由于组成水分子的两个氢原子和一个氧原子不在一条直线上，而是成105°03′的夹角，致使整个水分子不呈电中性，而以电偶极子的形式存在，其最大的红外吸收波长与偶极子的极化程度有关，也就是说与水分子的聚集状态有关。

由红外激光发射器到接受器的光在通过含有水汽的路径时，由于水汽对红外光的吸收造成衰减，其衰减量与路径上的水汽含量有关，从而建立了红外光的衰减量与空气中水汽含量的函数关系。

接受器接收到的光强度控制通过接收器的电流大小，该电流通过测量电路变为电压变化，然后再由A/D转换器变为数字信号。通过校准可以得到湿度与传感器器输出数字量的关系，其测量的直接结果为空气中的水汽密度。

由空气的水汽密度和温度，就可以计算得到相对湿度值，实现对湿度测量。

图8

国内目前已经制成了采用这种原理的湿度测量传感器，并在精密控湿设备中得多了应用。对低温湿度和低湿测量的结果表明，其测量误差已经达到了二等湿度标准器的要求，并具有反应速度快的特点。

3.5 温度和湿度测量的动态标准

世界气象组织《气象仪器和观测方法指南》规定，在动态测量的情况下，温度湿度测量的标准器为“WMO标准通风干湿表”。该通风干湿表由澳大利亚气象部门通过10年的设计验证，于上世纪80年代末完成，同时公布了图纸。

中国气象局首先制作成功，并通过了作为湿度基准的“称量法湿度标准”的校准，符合技术指标要求。1990年研制成功的样机如图9所示。

WMO标准通风干湿表的特点是，对干球和湿球铂电阻实施横向通风，其通风道为风洞结构，随时可以测量通风速度，额定通风速度为3.5m/s。

测量时，该仪器可以直接架设在观测场内，其表面的镀层和通风足以消除背景辐射的影响，测量时，干球和湿球测量元件对向天空背景，以防止地面和周围物体热辐射和吸收的影响。

图9

目前，国内厂家已生产了WMO标准通风干湿表，某些气象部门已经作为自动气象台站的动态校准设备，对自动气象站的温度、湿度测量结果进行定期检查和校准，取得了很好的效果。

4 关于温度湿度观测体制的建议

自上世纪八十年代初，国内对温度湿度观测体制的改进从未间断，最典型的是中国气象局用百叶箱通风干湿表替代百叶箱干湿表的试验研究。对温度表进行通风，可以减小温度测量的辐射误差，使湿度测量结果不受周围气流变化的影响，是大气探测学的基本知识。但由于通风干湿表湿度传感器加水造成的不便，以及当时的电机寿命短且有发热现象等原因没有推行下去。

长春气象仪器研究所对露点式氯化锂传感器研制和试验做了大量工作并研制成功了铂电阻通风干湿表。由于铂电阻通风干湿表必须不间断供电，露点式氯化锂湿度传感器存在低温相变问题，同时也有不间断供电问题，且功率较大，没有能够普遍用于自动气象站，只在国内很小的范围内得多了应用。

由于湿敏电容使用方便，不需经常维护，并且一种传感器可以在一年四季工作，没有高温和低温测量需要更换传感器的问题。再加上芬兰中国代理商的片面宣传，很快打入了中国市场。后来发现了问题，但为时已晚。

因此，根据目前的情况，应对我国的温度和湿度测量体制进行深入的研究，以解决已经发现的问题。根据前面介绍的新型温度湿度测量仪器和传感器，鉴于我国大部分地区，大多数时间处于0℃以上的情况，在有人职守的重点气象基准气象台站，应研究用铂电阻通风干湿表进行温度和湿度观测的问题。在冬季低温时，应研究用露点式氯化锂湿度传感器测试的可能性。即在我国重新启动对铂电阻通风干湿表和露点式氯化锂湿度传感器组合温度和湿度观测体制的研究。

对于用芬兰MHP155湿度传感器替代的应用，应通过长期的考核以得多其长期稳定性的数据，并且进行严格的低温性能试验。对于其配套的铂电阻测温传感器，应考核安装在百叶箱和防辐射罩时的辐射误差。

世界气象组织早在上世纪八十年代就发布了WMO标准通风干湿表作为动态情况下温度、湿度测量标准的推荐建议。中国气象局早已研制成功，但没有推广，但国内目前仍有些应用部门在进行试验研究，取得了很好的效果。因此建议重新启动WMO标准谈干湿表的研究和试验，并探讨用WMO标准通风干湿表对目前地面气象观测网中大量试用的自动气象站所测温度和湿度数据进行质量控制的可能性。

5 结束语

温度和湿度是地面气象观测的关键性项目，也是天气分析预报和气候统计的主要参数，其测量数据的准确性对气象部门是至关重要的。针对目前气象台站发现的温度、湿度数据所存在的问题，开展对温度和湿度观测体制的研究是目前的重要课题。

本文对气象观测中温度和湿度观测体制进行了历史的回顾和研究。并提供了一些新型温度和湿度观测仪器和传感器的信息，供从事大气探测科技人员和管理人员参考。

[1]张玉存：毛发湿度表和氯化锂湿度计的低温特性 《气象水文海洋仪器》 1991第三期

[2]张玉存：国产和进口湿敏电容传感器的低温特性比较 《气象 水文 海洋仪器》1999第四期

地面温湿度测量仪器及观测体制

■刘新建1谷建伟1周粲2

P41[文献码]B

1000-405X（2016）-10-265-4