第四章  气压的观测

§4．1  概述

4．1．1　气压

从我们生活的地球表面到行星际空间这样一个物质愈来愈稀薄的过渡带，我们称其为大气圈。大气圈本身的重量对地球表面会产生一种压力；对任何一层空气而言，也都会受到它上面的各层空气的压力。我们把单位面积上承受的这种压力，即大气压强，简称气压。简而言之，气压是指单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。气压的单位是百帕（hPa），取一位小数。过去一直沿用的单位是巴（bar）或毫巴（mb）。又因为气象上气压的测量主要是利用水银柱的压力与大气压力相平衡原理，而水银柱压力又可以用其高度来衡量，因此过去也用毫米汞柱（mm Hg）作为气压的单位。

气压单位之间的换算关系为：      

        　　1 hPa＝100 Pa

            1 Pa＝1 N/m2 ＝10 达因/厘米2

            1 hPa＝1 mb

            1 hPa＝0．750062 mmHg≈3/4 mmHg

            1 mmHg＝1．333224 hPa   

4．1．2测压方法

气象上用于测定气压的方法主要有以下几种：

（1）液体气压表：利用一定长度的液柱重量直接与大气压力相平衡的原理。常用液体有水银、油和甘油等。

（2）空盒气压表和气压计：利用空盒的金属弹力和大气压力相平衡的原理。

（3）膜盒式电容气压传感器：利用真空膜盒，当大气压力产生变化时，弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变，通过测量电容量来测量气压。

（4）振筒式气压传感器：弹性金属圆筒在外力作用下发生振动，当筒壁两边存在压力差时，其振动频率随压力差而变化，该传感器就是利用这一原理。

（5）压阻式气压传感器：利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上，通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由压电效应知道电阻值随气压变化而变化，通过测量电阻值来测量气压。

（6）沸点气压表：利用液体的沸点温度随气压的变化而变化的特性测量气压。

§4．2水银气压表

4．2．1水银的特点

液体气压表可以用任何一种液体来制造，但是我们在气象上常用的液体气压表是水银气压表，这是因为水银的物理化学性质使其具有其它物质所不及的优点。

（1）在气压表管内的液体柱的高度是与该液体的密度有关的。由于水银的密度比较大（13．596g／cm3），当它与大气压力相平衡的时候，所需水银柱的高度就比较小，便于制造和观测。

（2）当温度不超过60℃时，水银蒸气压很小，因此在气压表管内的水银蒸气压，对于水银气压表的示度，在观测的精确度范围内不会有影响。

（3）水银不沾湿玻璃，管中水银面成凸起的弯月面，易于正确地判定它的位置。

（4）水银的性能很稳定，不易与其它的物质发生反应。水银经过洗涤蒸馏等方法的处理，就可以得到十分纯净的合乎水银气压表观测精确度要求的水银。

所有上述的优点，都表明了气象观测用液体气压表中的液体用水银来灌制是最好的。   

4．2．3水银气压表的类型   

气象上常用的水银气压表是动槽式水银气压表和定槽式水银气压表，又分别称作福丁式（Fortin)或寇乌式(Kew)。   

4．2．4动槽式水银气压表的构造原理

动槽式水银气压表的主要特点是有测定水银柱高度的固定“零点”，故每次测定都需调整水银面的高低，使其符合固定零点的位置。才能读取水银柱高度。构造见图4-2。主要分为：ａ．内管；ｂ．外套管；ｃ．槽部三部分。

动槽式水银气压表的测量范围一般为810～1070hPa或600～800mmHg，并能在空气温度为15～+45℃的条件下正常工作，其测量误差不超过0．4hPa或0．3mmHg。

4．2．5定槽式水银气压表的构造原理

4．2．6水银气压表的本站气压订正

水银气压表是利用水银的压力（重力）与大气压力相平衡的原理测量大气压力的。 我们通常在水银气压表上观测到的标尺示度实际上只表示观测所得到的水银柱的高度，还并不是真正的气压，由于仪器差的存在和气压表并不总是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和重力加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气压表读数须顺序经过仪器差、温度差、重力差三步订正才是本站气压。

1、仪器差订正

⑴真空不良的影响

真空不良是指水银柱管内顶端有空气存在，它产生一定的张力，使内管水银柱略为降低，使观测到的气压值较实际大气压力为小。由于残留气体张力还受温度和顶部容积变化的影响，因此由其所产生的误差还不完全是一个常数。随气压和温度的升高，这种影响随之增大。

⑵毛细压缩误差

毛细压缩是液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的分子压力。分子压力的大小随液体的种类和液体表面的形状、大小而不同。

毛细压缩误差还随温度而变化（σ是温度的函数），同时也受水银纯度和玻璃管洁净程度的影响，因为它们规定了水银面与玻璃管的接触条件。

⑶温度的不确定度

附属温度表所指示的温度，通常不能代表水银、标尺和槽部的平均温度。如果仪器安装比较恰当、观测操作比较合理，那么这种温度误差就可减小。

⑷水银蒸气压的影响

水银在不同温度下有不同的饱和蒸气压，由于内管顶部真空，所以水银柱上部就充满水银蒸气，使气压示度偏低。不过这个影响甚小，在温度60℃时还不到0．03hPa，一般室温下更要小得多，故一般可忽略不计。

⑸标尺误差

用来测量水银柱高度的标尺和游标尺是刻在金属套管上的，在进行刻度时，由于受到刻度机本身的精度和环境条件的影响（如温度条件）就会使标尺和游标尺刻度产生一定的误差。包括零点误差、刻度间距离误差。

⑹由于安装条件不妥引起的误差

定槽式水银气压表由于悬挂不垂直，当倾角达到17′时，读数误差可达0．01hPa。通常气压表在自由下垂停止摆动时，约可偏斜 15 ～ 20。动槽式水银气压表因为不垂直还要影响象牙针的零点基准面，所以引起的误差就要更大一些（对于象牙针离轴12mm的气压表，若槽部偏离垂线1mm，即可造成0．02hPa的误差）。

⑺其它误差

定槽式水银气压表由于其构造特点容易产生一些特定的误差，如水银槽部横截面积与内管横截面积之比偏离配合标准，以及水银量不能绝对准确等原因所产生的误差。

以上误差实际上是作为仪器差综合表现出来的，一般不进行逐项的检定，只是在与标准气压表进行比较检定后，得出综合订正值表供观测时使用（一般的仪器差检定表给出不同的气压范围的仪器误差的订正值）。

2、温度差订正

将观测得到的水银柱高度读数h ，订正到标准情况下的水银柱的高度h0 时，应满足下列关系

         式中ｔ为附温表所示温度。由上式可知，附温在零上时Ct为负，反之，附温在零下时Ct为正。

上述结论可以从物理意义上得到解释：当附属温度在0℃以上时，即使气压不变，由于水银柱膨胀较铜尺膨胀得大，这样依照水银柱高度来测气压时，就会比实际偏高，因而要减去由于水银柱膨胀比铜标尺大的一段水银柱高度，故Ct订正值为负；反之，当附属温度在0℃以下时，水银收缩得较铜尺为多，依水银柱高度读出的气压值就偏低，故Ct订正值为正。

    3、重力差订正

在前面已经提到，利用水银气压表中水银柱高度表示气压的前提是：t =0℃,纬度ψ =45°，海平面上的重力为标准。若在不同纬度、不同拔海高度的测站上，即使气压一样，水银密度也相同（经温度差订正后）,但因重力加速度不同，而使水银柱高度也不同。这种因重力不同，而造成的水银柱高度与标准重力情况下的水银柱高度的差值，称为重力差。为此，凡纬度不在45°，海拔高度不为0的测站，均须将经仪器差、温度差订正后的水银柱高度进行重力差订正。重力差订正分纬度重力差订正和高度重力差订正两种。

　　　⑴纬度重力差订正：测点的纬度为 ，对单位质量而言，它所受的重力是惯性离心力与地心引力的合力（见图4－6）：

这个结论的物理意义是：由于各地绕地轴自转的半径随纬度的增高而减小，因此所受的地转惯性离心力随着纬度的增加而减小。其次，地球是一个椭球体，使各纬度地面距地心的距离随着纬度的增高而减小，因此地心引力随纬度的增高而增大，根据

这是因为在海平面以上，所受的重力比海平面上小，在气压相同时，要有一段较长的水银柱与之相平衡，其气压读数就较海平面上标准值为大，故高度重力差值为负值，反之低于海平面则为正值。

总之，水银气压表的读数要依次经过仪器差、温度差、纬度重力差和高度重力差订正后，才能获得本站气压值。气压表读数的各项订正是相互独立的，但通常情况下温度差订正值比较大，所以经仪器差订正后的读数，先进行温度订正，然后再进行纬度重力差和高度重力差订正。计算时一律取两位小数，最后本站气压只要精确到一位小数（百帕）。

4．2．7水银气压表的安装、维护和移运

１、水银气压表的安装条件

（1）水银气压表不能安装在直接而大量通风的房子里。因为我们测定大气压时，主要是测定大气静压力，若空气流通抽收就会产生上升与下沉气流，从而造成测得的气压偏小或偏大些（有人做了实验，在有强风和阵风时，测值误差可以达到2～3 hPa）。但是为了避免室内形成垂直温度梯度，也应该使室内空气有微弱流动。

（2）水银气压表安装在室内，必须使室内温度变化比较小。气压室内不能安装热源（如暖气、火炉等），也不能受阳光直射。原因是气压表水银柱或铜管的热容量比附属温度表的热容量大得多，两者感应温度变化的速度不同。如果室内温度变化过大或过快，附属温度表所测温度就不能真正代表气压表的温度，从而引起较大误差。

（3）水银气压表应安置在固定和不受振动的地方。

（4）水银气压表安装时应严格保持表身的垂直状态（动槽式水银气压表用三个螺丝紧固，定槽式水银气压表让其保持自由的垂直状态）。

２、水银气压表的安装

（1）动槽式气压表的安装：安装前，应将挂板或保护箱牢固地固定在准备悬挂气压表的地方，使之大致垂直。再小心地从木盒或皮套中取出气压表，槽部向上，稍稍拧紧槽底调整螺丝约1—2圈，慢慢地将气压表倒转过来，使表直立，槽部在下。然后先将槽的下端插入挂板的固定环里，再把表顶悬环套入挂钩中，使气压表自然垂直后，慢慢旋紧固定环上的三个螺丝（注意不能改变气压表的自然垂直状态），将气压表固定。最后旋转槽底调整螺丝，使槽内水银面下降到象牙针尖稍下的位置为止。

安装有通气孔的动槽式气压表时要注意，当气压表槽部倒转向下方倾斜约45°时，先将表顶悬环放入挂钩内，旋松槽底调整螺丝1—2圈（为防止在打开气孔螺丝时，由于皮囊紧张的压力造成水银外射）后，手握保持倾斜的表身绕其自身的轴轻轻转动几周，促使皮囊内可能残留的空气升到槽的上部。当表身旋转到通气孔在上方时，再旋松气孔螺丝1—2圈，然后将气压表直立，槽的下部放入固定环里按前述手续加以固定。

（2）定槽式气压表的安装：安装要求同动槽式气压表。安装步骤也基本相同，不同点是当气压表倒转挂好后，要拧松槽上的气孔螺丝，表身应处在自然垂直状态，槽部不须固定。

3、水银气压表的维护

（1）水银气压表应经常保持清洁。气压室内不能堆放杂物。

（2）水银面产生氧化物时，应及时清除。

（3）气压表必须垂直悬挂，应定期用钱垂线在相互成直角的方向上检查校正。

（4）气压表水银柱凸面突然变平并不再恢复，或者示值显著不正常，应更换。

（5）定槽式水银气压表的水银是定量的，应该特别注意防止漏失水银。

（6）水银气压表在移运时，应把表身缓慢地倒过来，将水银槽向上，以保护玻璃管内真空不受破坏。

（7）对水银表的安置情况定期进行检查，发现问题及时纠正。

4、水银气压表的移运

动槽式水银气压表的移运：移运气压表的步骤与安装刚好相反，先拧动底槽调整螺丝，使内管中水银柱恰好达到外套管上部读数窗孔的顶部为止，切勿旋转过度，以免损坏皮囊。然后松开固定环的螺丝，将表从挂钩上取下，两手分持表的上部和下部，徐徐倾斜45°左右，就可以听到水银与管顶的轻击声，继续缓慢地倒转气压表，使之完全倒立，槽部在上。将气压表装入特制的木盒（皮套）内，旋松调整螺丝1—2圈（使水银有膨胀的余地）。在运输过程中，始终要按木盒（皮套）箭头所示的方向，使气压表槽部在上，进行移运，并防止震动。

§4．3 空盒气压表和空盒气压计

空盒气压表和空盒气压计都是用金属弹性膜盒作为感应元件的，利用这种空盒的弹力与大气压力相平衡的原理来测量气压。当大气压力发生变化时，空盒随之产生形变，把这种形变进行一定程度的放大就可以用来指示气压的变化。

4．3．1空盒的结构及特性

１、空盒的结构

空盒盒壁由弹性金属膜构成，较旧式的空盒在盒内或盒外装有弹簧，避免空盒被大气压力完全压缩。这种构造的缺点是弹簧和盒壁之间有一定的磨擦，妨碍气压表精度的提高，新式的空盒一般不用弹簧，依靠金属膜本身的弹性力来平衡大气压力。为了增加灵敏度，常常使用空盒组，它可以由若干单独的空盒串接而成，也可以中部连通为一整体，现在制造的空盒多为后者。空盒一般是利用德银、铜片或其它合金制成，空盒被压成波纹形，是为了增加空盒被压时变形的柔韧性和测压的灵敏度。

 ２、空盒的特性

（1）空盒弹性的温度效应

空盒与所有的弹性体一样，它的杨氏模量具有负温度系数。温度增加时弹力就减弱，若大气压力维持不变，在升温时空盒的厚度将变薄，因此需要采取措施加以补偿。补偿的方法有两种：a． 双金属片补偿法：双金属片被安装在空盒底部，见图4-8。设温度升高影响使厚度减小，使自由端下降了k'；但双金属片的变形作用使空盒基底提高了ΔS。

b． 残余气体补偿法：在空盒内残留一定的气体，当温度升高时，盒内气体的张力增大，使空盒向外扩张，以抵消因弹力减弱而引起的空盒压缩。从上述两种补偿法中可以看到，不论采用哪一种方法，都只有在补偿点时才能得到完全补偿，当气压不等于补偿点气压时，都只能得到部分补偿。

（2）空盒的弹性后效：弹性后效指当外界气压消失后，空盒不能完全恢复到它原来的形状，这种现象叫空盒的弹性后效。弹性后效有两个主要特点：a． 当气压变化停止后空盒的形变并不停止。例如气压由1000hPa降至100 hPa时，空盒位移由O点移至P点，如果气压维持在100 hPa不变，空盒的形变并不停止，而是继续缓慢地由P移向P（图4-9左）。b． 空盒的升压曲线和降压曲线不一致（图4-9右）。当气压由1000hPa降至100 hPa时，检定线为oap；然后再由100 hPa回升到1000hPa时，检定线为pbo。两条检定线构成一个封闭曲线，称滞差环。

装置组成了一个两次放大系统见图4-10，第一次放大由调节器和拉杆来完成，如果调节器与连接杆的接点至中间轴的距离为OA，拉杆与链条的接点至中间轴的距离为OB，则第一次放大倍数K1=OB/OA。第二次放大由滚子和指针组成，如果滚子半径为O1C，指针尖到指针轴的长度为O1D，则第二次放大倍数为K2= O1D/ O1C，两次放大的总放大倍数为K= K1K2，通过这样两次放大后，空盒的很小形变就可由指针的明显偏转指示出来。

３、读数部分：由指针、刻度盘和附温表组成。

空盒气压表应水平放置，观测时先读附温，准确到0．1℃；然后轻敲盒面（克服机械磨擦），待指针静止后再读数，读数时视线应垂直于刻度盘。由于空盒气压表的温度补偿装置不能对温度效应达到完全补偿以及空盒的弹性后效，因此空盒气压表的读数值只有经过刻度订正、温度订正以及补充订正后才是本站气压。空盒气压表应能在大气压力为 800～1060hPa 或 600 ～800mmHg，空气温度为-10～+40℃的条件下正常工作， 测量误差不超过±2hPa或1．5mmHg 。

4．3．3空盒气压计

空盒气压计是自动、连续记录气压变化的仪器，见图4-11。空盒气压计由感应部分（金属弹性膜盒组）、传递放大部分（两组杠杆）和自记部分（自记钟、笔、纸）组成。空盒气压计的测量范围是870～1050hPa，要求的空气温度是–10～+40℃，测量误差不超过±1hPa。

§4．4气压传感器

电测气压传感器是将大气压力的变化转换成电信号的变化，再经过电子测量电路对信号进行测量和处理而获得气压值。

4．4．1膜盒式电容气压传感器

膜盒式电容气压传感器的感应元件为真空膜盒。当大气压力产生变化时，使真空膜盒（包括金属膜盒和单晶硅膜盒）的弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变，通过测量电容量来测量气压。

4．4．2振筒式气压传感器

振筒式气压传感器是利用弹性金属圆筒在外力作用下发生振动，当筒壁两边存在压力差时，其振动频率随压力差而变化。因为筒的谐振频率与压力之间有唯一的关系，所以测出频率就可计算出气压。但是，在校准时确定的这种关系还会受到温度和气体密度的影响，所以需要进行温度补偿和采用干空气。

4．4．3压阻式气压传感器

压阻式气压传感器是利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上，通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由压电效应知道电阻值的变化与气压的变化成正比，通过测量电阻值来测量气压。

4．4．4电测气压传感器的误差

1、校准值漂移

校准值漂移是电测气压传感器的主要误差源之一。

2、温度的影响

电测气压传感器保持温度不变，就可以保持校准值不变。

3、电磁干扰的影响

气压传感器是一种灵敏的测量器件，因此它应该屏蔽并远离强电磁场，如变压器、计算机、雷达等设备。电磁干扰不会经常引起麻烦，但会引起噪声增加，使准确性降低。

4、运行方式的影响

如果校准时使用的操作方法与业务使用时的操作方法不同，也可能会引起气压传感器校准结果的明显变化。一个连续工作的、经过预热的气压表的读数与每隔几秒钟以脉冲工作方式读得的数是不一样。

§4．5沸点气压表

沸点气压表是利用液体的沸点温度随气压的变化而变化的关系来测量气压的。利用这一特性测量气压，已在一些探空仪上得到应用，因为在低气压测量时，它比空盒气压表的精度要高，在10hpa的测量结果的随机误差和系统误差均可小于0．1K。这种方法的优点是将气压测量转化为较易实施的温度测量。

§4．6 海平面气压订正

为了便于天气分析，需将气象站不同高度的本站气压值订正到同一高度。我国以黄海海面平均高度为海平面基准点，本站气压统一订正到此高度上，即为海平面气压。

从以上讨论可以看出，台站拔海高度虽可实测准确，ｈ对海平面气压的影响尚可消除，但tm的误差则无法解决，因此海平面气压订正的准确度在拔海高度比较高的台站是很难保证的。

§4．7气压表的基准

为了保证各个气象台站气压标尺的一致性，保持气压资料的精确度，世界气象组织对气压表制定了各级管理和逐级对比的制度。按仪器的精度和功能，气压表分成下列几个等级：

A级：一级或二级标准气压表，能独立地测定气压值，准确度不低于±0．05hpa；

B级：工作级标准气压表，用于日常的气压表对比工作，它的仪器误差通过与A级表对比后校准；

C级：参考标准气压表，用来对移运式标准气压表和气象站气压表进行对比；

S级：安装在气象站上的气压表；

P级：质量好、准确度好的水银气压表，经过搬运仍然能保持原有的校准值；

N级：质量为一级的便携式精密空盒气压表；

Q级：质量为一级的便携式精密数字气压表，可用作移运式标准；

M级：质量好、准确度好的便携式微气压计。

A级气压表可作为洲、区域和国家的标准气压表，称作Ar级。假如在一些地区里只有B级气压表作为标准气压表，称作Br级。除A级气压表可以自行确定它的仪器误差外，其余各级气压表都需要直接或间接与A级表对比，间接对比借助于C级表来完成。例如将C级表先与A级表或B级表对比，再将该表移运至气象台站与S级表作对比校准，最后再返回原地，与A级表或B级表复校。

§4．8  气象应用

在空气处于静止状态时，空气柱底部的压力与空气张力相等；当空气产生运动时，压力就要发生变化，当空气中有下沉气流时，空气柱底部的压力就会增加；当空气中有上升气流时，作用在空气柱底部的压力就会减小。气压在垂直方向上随着高度的增高而降低，在水平方向上分布不均匀，因而形成了各种不同的气压系统。空气从高压流向低压，产生了大气的运动，这种运动使各地的水汽和热量进行着交换，引起了天气复杂的变化。如果我们测得同一高度上各个测点的气压分布，分析气压场的规律，就可为天气预报提供依据。将同一时刻各个气象站所观测到的海平面气压值填在一张图上，然后用平滑的曲线把气压相等的点连结起来，就可用等压线的不同形式表示海平面的气压分布状况，通过分析可以了解同一水平面上气压分布的状况，判别气压高、低的所在位置，找出差异，为研究大气的运动打下基础。在军事和航空部门，常利用气压数值来测定空气密度，以便修正弹道或确定飞行高度。飞机在飞行中主要通过气压式高度表测量机外气压的变化和大小来指示飞行高度，飞行按照规定高度实施是保证飞行安全的必要条件。飞行与气压的关系，其实是飞行与高度的关系。调整和控制飞机的飞行高度是航管部门用来维护空中飞行秩序，防止飞行冲突，保证飞行安全的重要手段之一。在人体健康方面，气压与人体的影响，概括起来分为生理的和心理的两个方面。气压对人体生理的影响，主要是影响人体内氧气的供应，人每天需要大约750毫克的氧气，其中20%为大脑耗用，因脑需氧量最多。当自然界气压下降时，大气中氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。以登山为例，因为气压下降，机体为补偿缺氧就加快呼吸及血液循环，出现呼吸急促，心率加快的现象。由于人体（特别是脑）缺氧，还会出现头晕、头痛、恶心、呕吐和无力等症状，甚至会发生肺水肿和昏迷，这叫高山反应。同时，气压还会影响人体的心理变化，主要是使人产生压抑情绪。例如，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，常使人抑郁不适。而当人感到压抑时，自律神经（植物神经）趋向紧张，释放肾上腺素，引起血压上升、心跳加快、呼吸急促等。同时，皮质醇被分解出来，引起胃酸分泌增多、血管易发生梗塞、血糖值急升等。通过以上分析，可以看到气压的观测在气象上占有一个很重要的位置。