Лекция №3 - Температура и влажность воздуха

Температура и влажность
воздуха
Лектор: Меликов Б.М.
Общие сведения о температуре воздуха
Температура воздуха один из важных
метеорологических элементов, характеризующий
тепловое состояние атмосферы и является мерой
средней кинетической энергии движения молекул и
атомов, составляющих атмосферный воздух.
Температура воздуха у земной поверхности может
колебаться в широких пределах от +60°С до -85°С
практический интерес представляет диапазон
температуры от +50°С до -70°С.
При нормальных условиях температура воздуха с
высотой падает. Если температура с высотой растет, это
называется инверсией. Если температура остается
неизменной, то такое явление называют изотермией.
Шкалы измерения температуры
Существуют следующие шкалы измерения
температуры:
Широко используемая шкала Цельсия. Согласно
шкале Цельсия температуре замерзания воды
соответствует 0 ºС, температуре кипения 100 ºС.
Шкала Фаренгейта в основном используется в
США и Великобритании. Согласно шкале
Фаренгейта температура замерзания воды 32 ºF,
температура кипения воды 212 ºF.
Таблица 1. Шкалы для измерения температуры воздуха
Название
шкалы
Точка таяния
льда
Точка кипения
воды
Число градусов
на шкале
Цельсия (0С)
0
100
100
Фаренгейта (0F)
32
212
180
Кельвина (K)
273
373
100
Соотношение между различными шкалами температуры
Для перевода значения температуры из одной шкалы в другую используют
следующую формулу
Из Цельсия в Фаренгейт:
9 0
t F  t C  32
5
0
Из Фаренгейта в Цельсий:
5 0
t C  (t F  32)
9
0
При теоретических расчетах обычно используется абсолютная
шкала Кельвина, в которой 273,15К соответствует 0 0С, 373K ~ 1000С. Нуль абсолютной шкалы ТK=0º соответствует t=-273 ºC и
называется абсолютным нулем температуры. Переход от шкалы
Кельвина к шкале Цельсия и наоборот проводится с помощью
формулы
TK=tºC+273
Измерение температуры воздуха
Для измерения температуры на
метеорологических станциях
используются термометры,
установленные в
психрометрических будках на
высоте 4 фута (2 м).
Психрометрические будки также
называют будкой Стивенсона
(рис. 1.).
Рис. 1. Психрометрическая будка
Современные сенсорные измерители
используемые в метеорологическом
обслуживании ГА
В современных автоматизированных метеорологических системах
обслуживания ГА используются сенсорные датчики измерения
температуры и влажности воздуха (рис. 2.):
Рис. 2. HMP155 с новым устойчивым
датчиком HUMICAP®180R и
дополнительным
датчиком температуры.
Защитное укрытие от прямого
попадания солнечных лучей на измерители
Рис. 3. Сенсорные датчики температуры и
влажности устанавливается в защитное
укрытие DTR500, что предотвращает
попадание на датчик прямых солнечных
лучей.
Источники и процессы
нагревания воздуха
Распределение температуры в атмосфере и его
непрерывные изменения называют тепловым режимом
атмосферы. Нагревание воздуха объясняется
следующими физическими процессами:
Солнечная радиация;
Излучение от Земной поверхности;
Термическая конвекция;
Теплопроводность;
Выделение скрытого тепла (латентное тепло или тепло испарения).
Солнечная радиация - примерно 14% проходившей через атмосферу солнечной
энергии поглощается ею, 42% этой радиации отражается атмосферой обратно в
межпланетное пространство, 44% поглощается Земной поверхностью.
Излучение от Земной поверхности - Излучение представляет собой отдачу тепла
земной поверхностью в виде лучистой энергии. Поглощаемые земной
поверхностью кратковолновая радиация отражается в виде длинноволновой
тепловой радиации и нагревает прилегающие слои воздуха.
При отсутствии облаков излучение Земли распространяется до озонового слоя.
Термическая конвекция – это вертикально направленные восходящие и
нисходящие потоки воздуха, за счет неравномерного нагревания подстилающей
поверхности. Наиболее сильное развитие конвекции наблюдается летом в
послеполуденные часы, т.е. в период максимального притока солнечной радиации.
Теплопроводность – обмен теплом происходит при непосредственном
соприкосновении земной поверхности и воздуха, когда тепловая энергия
передается от одной молекулы к другой. Так как воздух плохо проводник тепла, то
теплообмен путем теплопроводности происходит в очень тонком слое воздуха
толщиной до 1 м.
Скрытое теплое - Испарение воды сопровождается переходом теплоты испарения
в скрытое состояние и температура воздуха понижается, а при конденсации
(сублимации) водяного пара происходит выделение теплоты температура воздуха
повышается.
Адвекция
Изменение температуры происходит также
за счет адвекции, т.е. горизонтального
переноса в данное место новых воздушных
масс из других районов земного шара.
Если приходит воздух с более высокой
температурой, говорят об адвекции тепла,
а если с более низкой – об адвекции
холода.
Колебания температуры








В результате совместного воздействия всех перечисленных факторов
температура воздуха непрерывно изменяется как во времени, так и в
пространстве. При этом изменения бывают периодическими и непериодическими.
Периодические изменения температуры – это суточные и годовые изменения,
обусловленные суточным и годовым изменением притока солнечного тепла.
Непериодические изменения температуры – это изменения. Обусловленные
атмосферной циркуляцией, прохождением циклонов, антициклонов и атмосферных
фронтов, приводящих к смене воздушных масс.
Изменения температуры воздуха в течение суток называется суточным ходом
температуры воздуха. Минимум в суточном ходе температуры воздуха у земной
поверхности приходится на время вскоре после восхода Солнца, а максимум – на
14…15 часов местного времени.
Суточная амплитуда температуры воздуха – разность между максимальным и
минимальным значениями в течение суток.
Изменения температуры воздуха в течение года называются годовым ходом
температуры воздуха.
Самые высокие температуры на земном шаре с абсолютным максимумом +58 ºС
наблюдаются в северной Африке южнее города Триполи.
Самая низкая температура наблюдается на станции восток в Антарктиде с
абсолютным минимумом – 89,3 ºС.
Изменение температуры с
высотой
В связи с тем, что основным источником тепла для атмосферного воздуха является земная
поверхность, в тропосфере с высотой температура с высотой, как правило, понижается. Для
характеристики изменения температуры с высотой вводится понятие вертикального
температурного градиента () – величины изменения температуры на каждые 100 м высоты.

(t0  tн )100
H
- величина непостоянная и зависит от типа воздушной массы, времени суток и года, характера
подстилающей поверхности и других факторов.
В теплое время года =0,…1.8 °С/100м, в холодное - =0,2…0,4 °С/100м. В стандартной атмосфере
(СА) =0,65 °С/100 м.
При помощи  можно определить:
H
t

t


н
0
 Температуру воздуха на любой высоте
100
H0 C 
t 0100

Высоту нулевой изотермы

Высоту минус десятой изотермы

Высоту, на которой наблюдается любая заданная температура
0

H 10 C 
0
(t 0  10)100

Ht 
H
(t0  tH )100

Кривая стратификации
Наглядное представление о распределении температуры воздуха по
высотам над каким-либо пунктом можно получить с помощью
графика температурной стратификации.
Инверсия
Слои атмосферы где температура с высотой растет, называются слоями
инверсии. Эти слои вместе со слоями изотермии представляют большое
значение для развития атмосферных процессов. В тропосфере слои
инверсии наблюдаются у земной поверхности и на различных высотах во
все сезоны года. Мощным слоем инверсии, как правило, является
тропопауза.
В зависимости от причин образования инверсии бывают: радиационные,
адвективные, сжатия или оседания и фронтальные.
Слои инверсии и изотермии являются задерживающими слоями и с ними
связаны условия погоды, затрудняющие полеты:
 Под слоями инверсии задерживаются восходящие движения воздуха, в
результате чего происходит скопление водяных паров и различных
твердых частиц, ухудшающие видимость;
 Со слоями инверсии связаны резкие изменения направления и скорости
ветра над и под ними, что может привести к возникновению опасных
сдвигов ветра в приземных слоях;
 На слоях инверсии иногда образуются волны, способствующие
возникновению очагов турбулентности, вызывающих болтанку воздушных
судов.
Влажность воздуха
Содержание водяного пара в воздухе, выраженное в абсолютных или
относительных единицах, называется влажностью воздуха.
В природе происходит непрерывный кругооборот воды: испарение –
конденсация – сток – испарение. Вода в воздухе может находится в
трех фазовых состояниях газообразном, жидком и твердом - и
переходит из одного состояния в другое путем испарения,
конденсации, сублимации, замерзания (кристаллизации) и таяния
Испарение – это поступление водяного пара в
атмосферу вследствие отрыва наиболее
быстродвижущихся молекул с поверхности воды,
снега, льда, влажной почвы, капелек и кристаллов в
атмосфере, т.е., это переход воды из жидкого или
твердого состояния в газообразное.
Конденсация – это переход воды из газообразного в
жидкое состояние.
Сублимация – это переход водяного пара в твердое
состояние.
Замерзание – это переход воды из жидкого в твердое
состояние.
Таяние – это переход воды из твердого состояния в
жидкое.
Фазовые переходы воды сопровождаются
поглощением (испарение) или выделением
(конденсация и сублимация) тепла. На испарение 1 г
воды при температуре 0С затрачивается 597 кал, а
на испарение 1 г льда – 677 кал. При конденсации
выделяется тепло, равное теплоте испарения, т.е.
597 кал, а при сублимации – 677 кал.
Следовательно, если в некотором объеме воздуха
наблюдается испарение капель воды или кристаллов
льда, то температура этого объема воздуха
понижается, а если происходит конденсация или
сублимация водяного пара, то температура
повышается.
Измерение влажности воздуха
Измерение влажности воздуха производится при помощи
психрометров и гигрометров.
Психрометрический метод измерения влажности основан и на
принципе измерения температуры термометрами с сухим и
смоченным резервуарами. Испарение воды с поверхности
смоченного термометра понижает его температуру по сравнению с
температурой сухого термометра. По разности температур сухого
и смоченного термометров вычисляють упругость водяного пара и
относительную влажность (по специальным психрометрическим
таблицам).
Принцип действия гигрометров основан на свойстве обезжиренного
волоса или органической пленки изменять свою длину при
изменении относительной влажности. Принцип волосного
гигрометра используется в самопишущих приборах, которые
называются гигрорафами.
Характеристики влажности
воздуха
Для количественной характеристики влажности воздуха
используются следующие характеристики: упругость водяного
пара, абсолютная влажность, массовая доля водяного пара,
относительная влажность, дефицит влажности, точка росы и
дефицит точки росы.
Упругость водяного пара (е) – это парциальное давление водяного
пара, содержащегося в воздухе, и измеряемый в миллиметрах
ртутного столба (мм рт. ст.) или в гектопаскалях (гПа). Когда
упругость водяного пара соответствует упругости насыщения,
воздух становится насыщенным водяным паром и начинается
процесс конденсации или сублимации с образованием капель
воды или кристаллов льда.
Дефицит влажности или недостаток насыщения (d) – это разность
между упругостью насыщения при данной температуре и
фактической упругостью водяного пара
d= E-e
Здесь Е-упругость насыщения (максимальная упругость)
Абсолютная влажность (а) – это масса водяного пара в граммах,
содержащегося в 1 м³ воздуха (г/м³). Для насыщенного
пространства абсолютная влажность называется насыщающим
водяным паром или предельной влажностью (А).
Связь между упругостью водяного пара и
абсолютной влажностью имеет вид:
Где: t 
1
273
1,06e
a
1  t
коэффициент объемного расширения воздуха;
t – температура воздуха в ºC
Относительная влажность (f)
Относительная влажность – это отношение
водяного пара фактически
содержащегося в воздухе, к максимально
возможному при данной температуре
выраженное в процентах
a
f  100 %
A
e
f  100 %
A
Точка росы (Td )
Точка росы - это температура, до которой
необходимо охладить воздух, чтобы
содержащийся в нем водяной пар при
постоянных значениях давления и массовой
доли водяного пара (удельной влажности)
достиг состояния насыщения. При температуре
воздуха всегда ниже температуры воздуха или
равна 100%. Точка росы всегда ниже
температуры воздуха или равна ей.
Дефицит точки росы ( t d )
Дефицит точки росы ( t d )- это разность
между температурой воздуха и точкой
росы.
t d  t  t d
Примеры задач по теме
Задача№1
Дано : t0  10 C ; H  5000m;   0,6;
0
th  ?
H
Решение : t h  t0  
;
100
5000
0
t h  10 C  0,6
 200 C.
100
Задача№2
Дано : t0  15 C ; H  1000 m;   0,6;
0
th  ?
H
Решение : th  t0  
;
100
1000
0
0
th  15 C  0,6
 9 C.
100
Задача№3
Дано : t0  5 C ; H  7000 m;   0,6;
0
th  ?
H
Решение : th  t0  
;
100
7000
0
0
th  5 C  0,6
 47 C.
100
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Баранов А.М. и др. Авиационная метеорология. С.П.
Гидрометиздат, 1992 г.
Баранов А.М. и др. Авиационная метеорология и
метеорологическое обеспечение полетов. М., Транспорт, 1993 г.
Богаткин О.Г. Авиационная метеорология. Санкт Петербург –
2005 г.
Гусейнов Н.Ш. Диспетчеру управления воздушным движением и
летчику о метеорологии. Баку. Ширваннешр. 1998 г.
Лещенко Г.П. Авиационная метеорология. Кировоград – 2009 г.
Meteorology – JAR.
Позднякова В.А. Практическая авиационная метеорология.
Екатеринбург 2010 г.