民用航空气象地面观测规范第6章气压.docx
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民用航空气象地面观测规范第6章气压
第六章气压
第一节概述
一、气压的概念
气压是作用在单位面积上的大气压力，称为大气压强，简称气压。
其数值等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。
气压是重要的气象要素之一。
气压随空气和空间的变化反映了天气变化过程的基本特征。
按照气体分子运动理论，大量运动着的空气分子，连续不断地撞击物体表面，这种空气分子对物体的撞击作用，即表现为大气对该物体表面所施的压力。
在空气密度大、分子平均运动速度大的地方，这种撞击作用就大，气压也就大。
在静止的大气中，任一高度上的气压值等于其单位截面积上大气柱重量。
在单位截面积气柱的任意高度（H）处，取一厚度极薄的气层，这气层可看作是被一个无重量的外皮包起来的空气箱。
在这空气箱内，由于空气分子的撞击作用，产生内压力PH，它分别作用于此空气箱的四壁。
当空气箱的顶面（即H）面处于平衡状态时，则说明箱内的压力必然与作用在箱顶面上的力相等，而这个力就是空气箱面上的大气柱重量（WH），所以，H面所在高度的气压值，应等于其单位截面积上所承受的大气柱重量。
因为这一高度是任意取的，所以说任意高度上的气压值，等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量（见图6-1）。
图6－1任一高度上的气压值示意图
二、气压的单位及其换算
气压可以用水银柱的高度来测量。
因此，气压的单位也可以直接用水银柱的高度—毫米数来表示。
这种单位称为毫米水银柱高（mmHg），简称毫米（mm）。
在国际单位制中，压强的单位是“帕斯卡”（Pascal），简称“帕”，符号为Pa。
为统一使用单位，1979年世界气象组织（WMO）规定以“百帕”（hectopascal）为基本单位。
“百帕”即100个“帕”，符号为hPa。
按国际标准组织的规定，一个“帕”的压强为1平方米面积受到的一个牛顿力，即：
1帕＝1牛顿/米2
因为
1牛顿力＝1千克•米/秒2=103克×102厘米/秒2＝105克•厘米/秒2＝105达因
所以
1帕＝105达因/米2＝105达因/104厘米2＝10达因/厘米2
1百帕＝100牛顿/米2＝1000达因/厘米2
因为1毫巴＝1000达因/厘米2，所以1百帕＝1毫巴
在温度为0℃，重力加速度为980.665厘米/秒2，水银密度为13.595克/厘米3的条件下，1厘米2面积上所受到的高为1毫米汞柱的重量，即为1毫米汞柱，其值为1333达因/厘米2或1.333毫巴，因此：
1毫米汞柱高＝1.333毫巴≈4/3毫巴≈4/3百帕
1百帕≈3/4毫米汞柱高
在一些国家用英寸（inch）汞柱高为气压单位，它和毫米、百帕间的换算关系为：
1inHg＝25.40mmHg
1inHg≈25.40×4/3hPa≈33.87hPa
三、常用的几种气压
（一）本站气压：
是指气象台、站气压表（或传感器）所在高度处的气压。
（二）场面气压（QFE）：
是指飞机着陆地区（在跑道上）最高点的气压。
（三）修正海平面气压（QNH）：
是指场面气压按国际标准大气条件订正到海平面的气压。
（四）海平面气压：
是指海平面高度上的气压，通常指本站气压订正到海平面高度处的气压。
四、与气压有关的几种高度
飞机在空中至某一基准水平面的垂直距离叫飞行高度。
以米为单位，常用H表示。
高度是气象和飞行上常用的一词，由于在各种情况下采用不同的高度概念，因此，测量高度应当以一个基准面为准。
选用的基准面不同，表示的高度也不同。
其中常用的有以下几种（见图6－2）：
图6－2与气压有关的几种高度示意图
（一）真高度：
飞机距正下方地面的垂直距离。
（二）相对高度：
飞机距机场平面的垂直距离。
（三）绝对高度：
飞机距海平面的垂直距离。
（四）标准气压高度：
飞机距1013.25hPa气压面的垂直距离。
（五）假定零点高度：
是一种假设的机场标高，它是场面气压与标准气压（1013.2hPa）之间的差值在标准大气条件下所相当的高度。
单位为米。
也就是说，停在跑道上的飞机，如果气压高度表上的指针对准1013hPa时，此时气压高度表所指示的高度，就是当时的假定零点高度。
（六）机场标高：
跑道起飞着陆区最高点距海平面的距离。
一般地说，飞机在起降时，应掌握绝对高度；飞机在航线飞行时，应掌握标准气压高度。
五、标准大气
根据探测数据和理论计算，制定的一种比较接近实际大气平均状况垂直分布特性的大气，称为标准大气，又称参照（考）大气。
它的主要用途是作为飞行器的设计和计算以及气压高度表的校准等。
目前，国际标准化组织、国际民航组织、世界气象组织均采用美国1976年标准大气的相应部分作为标准大气。
我国取美国标准大气的30Km以下部分为国家标准大气。
这些标准是：
（一）干结空气，且成分不随高度改变；平均分子量M＝28.9644。
（二）标准海平面重力加速度g=9.80665米/秒2。
（三）在平均海平面上，空气温度T0＝15℃＝288.15K，气压P0=1013.25hPa＝760毫米汞柱＝1个大气压，空气密度为1.225克/米3
（四）11Km高度以下的气温直减率是6.5℃/Km。
11－20Km温度不变，都是－56.5℃，再向上至32Km，气温直减率是－1℃/Km。
六、场面气压
场面气压是指着陆区（跑道入口端）最高点的气压，简称场压，用QFE表示。
场面气压一般利用本站气压，通过对气压仪（气压传感器）的拔海高度与跑道入口端最高点的拔海高度之间的高度差进行气压订正。
步骤和方法如下：
（一）根据本站气压值从表6－1中查取单位高度气压值（a）
表6－1单位高度气压差值表
本站气压（hPa）
单位高度气压差值（hPa/米）
≥1013
0.13
1012－906
0.12
905－800
0.11
799－693
0.09
692－586
0.08
585－480
0.07
（二）将单位高度气压差值代入下表，计算场面气压订正值（CP）
CP=（h-h′）a
式中h为气压仪的拔海高度，h′为跑道入口端最高点的拔海高度（见图6－3）。
从图6－3可以看出：
当h=h′时，CP=0，hh′时，CP>0（即为“＋”）。
（三）将场面气压订正值（CP）和本站气压值（P）相加，其代数和就是场面气压（QFE）。
如下式：
QFE＝P+CP
例：
本站气压1013.5百帕，气压传感器拔海高度765米，跑道入口端最高点760米。
查表6－1得a=0.13
CP＝（765－760）×0.13≈0.7
所以，QFE＝1013.5＋0.7＝1014.2（hPa）。
图6－3场面气压计算示意图
七、修正海平面气压
修正海平面气压是场面气压按标准大气条件订正到海平面上的大气压力，用QNH表示。
修正海平面气压的计算方法如下：
根据多元大气的压高方程：
P=P0（1-γZ/TO）g/Rγ
可以换成：
P0=P[T0/（T0-γZ）]g/Rγ
将标准大气条件11公里以下的有关数据代入上式
得P0=P[288.15/（288.15-0.0065Z）]9.80665/（287×0.0065）
=P[288.15/（288.15-0.0065Z）]5.256
式中P代表场面气压。
P0就是场面气压按标准大气条件订正到海平面的气压，也就是修正海平面气压。
Z代表机场标高，因此，对于某机场来说，[288.15/（288.15-0.0065Z）]5.256是一个常数，如以H表示，则：
QNH＝QFE×H
H值的查算见表6－2。
表6－2H值查算表
机场标高
H值
机场标高
H值
机场标高
H值
5
1.000
100
1.013
900
1.114
10
1.001
150
1.018
1000
1.127
20
1.002
200
1.024
1100
1.142
30
1.003
250
1.030
1500
1.198
40
1.005
300
1.036
2000
1.275
50
1.006
400
1.049
2500
1.357
60
1.007
500
1.061
3000
1.445
70
1.008
600
1.074
3500
1.541
80
1.010
700
1.087
4000
1.644
90
1.011
800
1.100
4500
1.720
例：
本站气压1010.5hPa，气压传感器拔海高度765米，跑道入口端最高点755米，机场标高为100米。
查表6－1得a=0.12
CP＝（765－755）×0.12＝1.2
所以，QFE＝1010.5＋1.2＝1011.7（hPa）
查表6－2得H=1.013
QNH＝1011.7×1.013≈1024.9（hPa）。
八、气压随高度和时间的变化
气压是千变万化的，任何一个地方的气压随着高度和时间的不同而变化。
（一）气压随高度的变化
任何地方的气压总是随着高度增加而递减的，这是因为高度愈高，空气柱愈短，密度愈小，空气质量愈少的缘故。
如图6－4所示，山顶乙处的气压就比山下甲处的气压低。
气压随高度递减，但不同高度递减的快慢程度不一样，没升高同样的距离，低层气压降低得多，高层降低得少。
讨论气压随高度得变化，一般应用气压高度方程（简称压高方程）。
压高方程是由静力学方程导出的。
图6－4气压随高度的变化
1．静力学方程
静力学方程表示的是：
大气在垂直方向上所受的作用力达到平衡时，气压随高度变化的定量关系。
在大气中任一截面为dXdY的垂直气柱中取一厚度为Dz的小气块（图6－5）。
假定大气处于静止状态，这一小气块所受到的作用是平衡的，即垂直方向或水平加速度都为零。
其侧面受到的作用力是四周空气加在侧面的压力，相互抵消。
在垂直方向上，设作用在高度Z处的力为pdXdY，作用在Z+dZ高度处的力为（p＋dp）dXdY，这里p是Z处的压强，dp是从Z到Z+dZ处的压力增量。
另外，气块本身具有重量ρgdXdYdZ（ρ为空气密度，g为重力加速度，dXdYdZ为气块体积）。
若以向上的作用力为正向（即d和Z轴取同一方向），则得作用于气块的力的平衡方程：
[p-（p+dp）]dXdY=ρgdXdYdZ
整理后得dp=-ρgdZ或dp/dZ=-ρg6－1
（6－1）式就是应用相当广泛的大气静力学方程。
式中符号表示气压随高度增高而降低。
上式说明气压随高度递减的快慢主要决定于ρ、g的变化。
因在通常的范围内g随高度的变化是很小的，所以气压随高度递减的快慢主要决定于ρ。
在ρ大的气层里，气压随高度递减得快，在ρ小的气层里，气压递减得慢。
式中－dp/dZ称为垂直气压梯度，即单位高度气压差。
从表6－1可以看出，当气压一定时，温度越高，单位高度气压差越小。
即暖气团中气压随高度的变化比冷气团中要慢些。
气象学中还常使用单位高度气压差的倒数－单位气压高度差（H=dZ/dp）来表示垂直气柱中气压相差一个单位所对应的高度差。
由表6－2可以看出，气压愈低（即高度愈高），单位气压高度差愈大，如在0℃时，地面附近（约1000hPa）的平均单位气压高度差为8m/hPa，在5.5Km处（约500hPa）约为16m/hPa，在16Km处（约100hPa）约为80m/hPa。
温度愈高，单位气压高度差愈大。
静力学方程在气层不太厚和对精度要求不太高时，可以用来作近似计算。
如果研究的气层较厚，气层上下温度、密度变化显著时，就需要用压高方程了。
表6－3不同气压和温度下单位高度气压差（百帕/100米）
单位高度气压差
（hPa/100m）温度（℃）
气压（hPa）
－40
0
40
1000
14.68
12.52
10.92
500
7.34
6.26
－
100
1.47
.25
－
表6－4不同温度、气压条件下的单位气压高度差（米/百帕）
单位气压高度差
（米/hPa）温度（℃）
气压（hPa）
-40
-20
0
20
40
1000
6.8
7.4
8.0
8.6
9.2
500
13.7
14.8
16.0
17.2
18.3
100
68.3
74.1
80.0
85.9
91.7
图6－5空气静力平衡关系
2．气压高度方程
适用于较大范围的气压高度随高度变化的关系式是压高方程，它的表达式为：
6－2
式中P0为Z0高度处的气压，P为Z高度处的气压。
（6－2）式说明随高度的增加气压是按指数规律降低的。
由于在实际大气中g、T随高度均有变化，R因不同高度上空气组成不同也略有变化，因而压高方程只能在一定的假设条件下求得解答。
忽略了g的变化和水汽的影响，假定气温随高度不变的大气称为等温大气。
气象学上常用的等温大气压高方程为：
或
6－3
上式指出，在等温大气中气压是按指数规律随高度而递减的。
实际大气虽然不是等温的，但若把大气分成若干层次，分别求出各层的平均温度，并将它代入等温大气方程，即可依次算出各层气压随高度的分布情况，从而可得到整个大气层中气压随高度的分布情况。
假定气温直减率（γ）随高度不变的大气称为多元大气。
多元大气压高方程为
6－4
式中T0、P0分别为起始高度（Z0）处的气温和气压。
在多元大气中，气压也是随高度按指数规律递减的。
尽管实际大气中的γ是随高度而变化的，也可用分段计算的办法，利用多元大气压高方程求得整个大气中气压随高度的分布。
压高方程的用途相当广泛。
在气象上，可以根据不同高度上的气压值和这两点之间的气柱的平均温度，求出这两点之间的高度差。
还可以根据某气柱的平均温度和某一高度的气压值，来推算另一高度上的气压值，在航空上，可用来计算标准大气中各个高度的气压值，并据此来制作气压高度表。
（二）气压随时间的变化
任一地点的气压都随时间不断地变化，这种变化有周期性的和非周期性的两类。
这里着重介绍地面气压的年、日周期变化。
气压在一天中的变化是：
除有一个最高值和最低值外，还有一个次高值和次低值。
最高值和最低值分别出现在当地地方时9－10时和15－16时；次高值和次低值分别出现在21－22时和3－4时。
一日中最高值和最低值之差（即日较差），随纬度的增高而减小。
在低纬度地区可达3－4hPa，到纬度50度的地方便小于1hPa了。
在我国中纬度地区日较差为1－2.5hPa；在低纬度地区为2.5－4hPa；在西藏高原东部边缘的山谷中，有时可达6.5hPa。
气压年周期变化，随海陆、地理纬度等的不同而异。
通常陆上大于海上，高纬度大于低纬度。
在北半球大陆上，气压冬季（1月）最高，夏季（7月）最低，年较差较大。
第二节气压的观测和记录
在例行观测、特殊观测和事故观测中应当观测和记录正在使用跑道接地地带的修正海平面气压和场面气压，如果不止一条跑道，则应当观测其中一条主要跑道的接地地带的修正海平面气压和场面气压。
在特殊观测中，若为人工观测，应当视需要观测和记录修正海平面气压和场面气压。
修正海平面气压和场面气压应当记录在《地面观测簿》相应栏内，以百帕为单位，并保留一位小数。
第三节气压的报告
在METAR和SPECI报告中,应当报告正在使用跑道接地地带的修正海平面气压（QNH）值,如果不止一条跑道，则应当报告其中一条主要跑道的接地地带的修正海平面气压。
报告时气压值应取整到最接近的较低的百帕整数，并以四位数字表示，不足四位数时，千位数用0补齐。
例如：
修正海平面气压1011.8 报告Q1011
修正海平面气压998.4 报告Q0998
在METREPORT和SPECIAL报告中，应当根据协议报告修正海平面气压（QNH）。
当用户提出请求或根据协议，才需报告场面气压（QFE）。
报告时气压值应取整到最接近的较低的百帕整数，以四位数字表示，并附带使用单位。
如果需要多条跑道的QFE值，还应注明跑道标号。
第四节测量气压的仪器
目前，我国民航机场气象服务机构常用的测压仪器有自动观测设备的压力传感器和振筒式气压仪。
自动观测设备的压力传感器一般使用硅膜盒式电容气压传感器。
本节只介绍硅膜盒式电容气压传感器和振筒式气压仪。
一、硅膜盒式电容气压传感器
（一）结构
硅膜盒式电容气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。
变容式硅膜盒是由薄层单晶硅用静电焊接方法焊接在一个镀有金属导电膜的玻璃片上，中间形成真空而组成硅膜盒，在薄层单晶硅片上靠近玻璃片两边处，用蚀刻方法形成硅膜，并对硅膜采用喷镀金属方法使其具有导电性，而使导电玻璃片与硅膜形成平行板电容器，分别为该平行板电容器的两个电极。
如图6－6所示。
图6－6硅膜盒式电容气压传感器
在结构上，将该变容硅膜盒玻璃板片装在一个厚的单晶硅层上,形成传感器的刚性基板，以使结构牢固，具有较好的抗机械和热冲击性能。
由于传感器中所使用的硅材料和玻璃材料的热膨胀系数是彼此仔细匹配的，为使温度影响减到最小，在1000hPa时设计它的温度影响为零,并在连续增温条件下进行热老化,使其长期稳定性增加到最大。
因单晶硅材料具有理想的弹性特性，而该传感器中弹性变形仅使用到硅材料整个弹性范围的百分之几。
故该传感器具有测量范围宽，滞差极小，重复性好以及无自热效应等优点。
（二）测量原理
当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化。
该传感器的测量电路是RC振荡器，在振荡器中有三个参考电容器（C1、C2、C3）。
使用参考电容的目的，是在连续测量过程中，用来检验电容压力传感器和电容温度补偿传感器的。
测量时，由多路转换器把5个参考电容器一次一个按顺序接到RC振荡器中去。
因此，在一个测量周期中，可以测量到5个不同频率。
测量原理如图6－7所示。
图6－7带有5个电容的RC振荡器
该RC振荡器抗电磁干扰，并有良好的时间稳定性。
在快速测量方式下，应用特殊测量算法。
在这种方式下，仅气压传感器中压敏电容CP快速连续测量，而三个参考电容器（C1、C2、C3）和温补电容器CT为30秒钟更新一次。
这是因为在如此短的时间内，参考电容器输出的频率变化是可以忽略不计；同样，在如此短的时间内，气压计内部的温度保持足够稳定，因而温补电容器输出的频率变化也可以忽略不计。
这样的快速测量方式每秒可测量10次，分辨率可达1个脉冲。
这种快速测量方式仅用于使用一个气压传感器和双向通信的时候。
国产自动气象站气压测量中，使用的是一个气压传感器。
如果要进一步地改善测量的长期稳定性和提高准确度，可在微处理器的控制下，使用3个独立的气压传感器，当三个气压测量值相差不大时，用三个气压值的平均值做为测量值；当两个气压测量值相差不大，另一个相差较大时，舍掉差值较大的一个，用两个气压值的平均值做为测量值；当三个气压测量值彼此相差很大时，表明气压测量出现了故障，应及时修理或更换传感器。
该传感器是智能型传感器，用微处理器自动进行压力线性修正和温度补偿。
在气压量程范围内有7个温度调整点，每个温度点有6个全量程压力调整点。
所有的调整参数都存储在EEPROM中。
用户可进行多种使用设置，如：
串行总线、平均时间、输出间隔、输出格式、显示格式、错误信息、压力单位、压力分辨率；甚至可以选择不同的上电数据传输方式，如：
RUN、STOP、SEND模式。
它有三种输出方式：
软件可选择RC232C串行输出；TTL电平输出；模拟（电压、电流）输出；脉冲输出。
它有两种低功耗工作方式：
软件可控的睡眠模式；外部激励触发模式。
（三）安装和维护
1．膜盒式电容气压传感器安装在采集器内，其感应部位应测定拔海高度；
2．安装或更换传感器时应在切断电源的情况下进行；
3．安装好的传感器要保持静压气孔口畅通；
4．应定期检查气孔口。
二、振筒式气压传感器
（一）结构
感应器由两个一端密封的同轴圆筒组成。
内筒为振动筒，壁厚 为0.075毫米，用镍基恒弹性合金制成，其弹性模数的温度系数很小（α≤±1×10-5/℃〉。
外筒为保护筒。
两个筒的一端固定在公共基座上，另一端为自由端。
线圈架安装在基座上，位于筒的中央。
气压传感器的结构如图6－8所示。
图6－8振筒式气压传感器结构图
（二）工作原理
线圈架上相互垂直地装有两个线圈，其中激振线圈用于激励内筒振动，拾振线圈用来检测内筒的振动频率。
两筒之间的空间被抽成真空，用为绝对压力标准。
内筒与被测气体相通，此时筒壁为作用在筒内表面的压力所张紧，这一张力使筒的固有频率随压力的增加而增加，测出其频率即可知压力。
气压感应器采用轴向振型m=1,径向振型n=4的对称模式。
由于波形对称，可经受较大的振动而不影响其性能，还能滤掉外来的干扰。
在基座上装有测温传感器，测定筒内气温并进行湿度修正。
振筒的断面呈音叉状，由于和音叉一样，振动的能量很难传到外面去，能得到较高的机械品质因数Q值（Q值≥104）。
振筒没有支撑点的摩擦，而且只要筒壁应力在弹性限度之内，感应器不会产生残余变形，所以重复性好，迟滞小。
变换器电原理如图6－9所示。
图6－9变换器电原理图
拾振线圈上产生的感应电动势经IC放大后反馈给激振线圈，使之保持在筒的固有频率上振动。
振筒输出的正弦波经整形电路整形后变成规则的矩形波。
该输出频率fp在采样周期控制t时间内输出脉冲数Np。
为了提高测量分辨率，用晶振输出高频标准频率fp，在同样的采样周期控制的t时间内输出脉冲数N，则
fp=Np/t
f0=N0/t
t=N0/f0=Np/fp
所以fp=Np×f0/N0
周期T=1/fp=N0/（Np×f0）
振筒的工作可用一个压力对应于周期的四次方函数表示，即
P=a0+a1T1+a2T2+a3T3+a4T4
式中T为振筒的周期，系数a0～a4向由静态标定数据拟合得出。
由于该传感器使用的是振动频率输出，因而稳定性高，滞差小，重复性好。
其缺点是各传感器之间的互换性差。
（三）安装和维护
1．振筒式气压传感器及其组件安装在采集器内，并安装室内无振动的平台上，所处环境要求空气流通，周围不应有强磁场，电源不得有强烈干扰，环境温度不能在短时间内发生剧烈变化，避免阳光的直接照射和风的直接吹拂。
其感应部位应测定拔海高度；
2．安装或更换传感器时应在切断电源的条件下进行；
3．应定期检查通气孔，及时更换干燥剂；
4．接好电源，预热1小时后即可使用；
5．发现气压仪显示不正常时，应及时送检修部门。
三、测压仪器的使用
测压仪器在使用前应当根据有关技术资料的要求正确设置相关参数。
修正海平面气压和场面气压应当在振筒气压仪或气象自动观测系统或自动气象站相应窗口中直接读取。
使用振筒气压仪测量气压时，气压小数点应不断闪烁，否则说明气压仪不在采样，应当按一下总清键，使气压仪恢复正常工作。
使用气象自动观测系统或自动气象站测量气压时，应当注意气压传感器是否正常工作。
观测气压后，应当将本次观测的气压值与上次观测的气压值进行对比，判断气压的变化是否符合气压是变化规律或当时天气变化情况。
第五节气压与飞行的关系
气压与飞行关系非常密切，是影响飞行安全的重要气象要素之一。
因此，观测和报告的气压数值应当准确无误。
一、气压对航空器起飞和着陆的影响
气压对飞行的影响，主要有两个方面，气压的变化（空气密度的大小）对航空器起飞和着陆滑跑距离的影响，高度表拨正时由于修正海平面气压数值的错误，航空器着陆时高度表偏高造成复飞或高度表偏低造成场
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