鉑電阻地溫計(jì)與紅外地溫計(jì)的對(duì)比分析

馮志航 吳道航 傾鵬程 蔡成滿

摘? 要：通過(guò)2016年5月至2017年4月不同天氣條件下鉑電阻地表溫度與紅外地表溫度對(duì)比觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析，不同典型天氣條件下（高濕、低濕、降雨等），觀測(cè)兩者差值的變化情況。結(jié)果表明：兩者差值的大小主要受太陽(yáng)輻射和下墊面狀況改變的影響。低濕時(shí)，兩者受太陽(yáng)輻射影響較大，觀測(cè)差值在早上（或夜間）較小，中午至下午時(shí)分較大，基本在14時(shí)左右達(dá)最大值;高濕時(shí)，兩者的觀測(cè)差值日變化較小，規(guī)律基本是低濕的情況相似;降雨時(shí)，兩者的下墊面發(fā)生了改變，而且不受太陽(yáng)輻射的影響，兩者觀測(cè)差值逐漸減少。

關(guān)鍵字：鉑電阻地溫傳感器? 紅外傳感器? 地表溫度? 分析對(duì)比

引言

目前，氣象地面觀測(cè)中地表溫度主要采用鉑電阻進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量，用玻璃液體溫度計(jì)進(jìn)行輔助對(duì)比觀測(cè)。然而玻璃液體計(jì)根據(jù)所用的觀測(cè)方法得出的數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性、比較性、代表性方面都存在一些問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)在觀測(cè)數(shù)據(jù)要求來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比觀測(cè)，用鉑電阻測(cè)地溫能有效緩解玻璃液體計(jì)所帶來(lái)的缺陷，也有助于自動(dòng)氣象的發(fā)展。而按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，地面溫度傳感器一半埋入土中，一半露出地面。埋入土中部分必須與土壤密貼，不可留有空隙，露出部分應(yīng)保持干凈。但是這種測(cè)得的地表溫度只是地表溫度和近地面空氣的平均值。而且觀測(cè)結(jié)果還會(huì)受地表風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、傳感器埋入土中的深度等的影響。

隨著紅外測(cè)溫技術(shù)的日趨成熟，氣象觀測(cè)上也引進(jìn)了該技術(shù)。紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體紅外熱輻射出來(lái)的能量來(lái)測(cè)量物體的溫度，不需要與被測(cè)物體接觸，因此其優(yōu)點(diǎn)就是不會(huì)擾動(dòng)被測(cè)物體溫度場(chǎng)、溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性好等，近年來(lái)在醫(yī)療、汽車電子、航空和軍事上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文從不同的天氣狀況中分析兩者數(shù)據(jù)的差異。

1 相對(duì)濕度偏高條件下，兩者數(shù)值的變化分析

分析2016年5月數(shù)據(jù)到2017年4月數(shù)據(jù)，選取2017年3月11日濕度偏大（表1）的資料和其對(duì)應(yīng)時(shí)間段鉑電阻地表溫度和紅外地表溫度的數(shù)據(jù)（表2），對(duì)比在不同時(shí)間段兩者地表溫度觀測(cè)結(jié)果的差異變化。

從表1、2中可以發(fā)現(xiàn)鉑電阻和紅外地表溫度在14：00左右出現(xiàn)最大值，分別為20.5℃和19.5℃;最小值為分別17.9℃和17.6℃，出現(xiàn)在8：00。而且兩種儀器在14：00差值為1.0℃，在15：00達(dá)最大為1.1℃。由表2觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，在8時(shí)和19時(shí)時(shí)差值很小，隨著溫度升高，差值也越大，到14時(shí)出現(xiàn)最大差值。從上面數(shù)據(jù)分析可得，在濕度偏高的天氣條件下，鉑電阻和紅外地溫傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的差值相對(duì)高濕比較小，而且在早晚更小，午后偏大。兩者的差值隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增加。

2 相對(duì)濕度偏低條件下，兩者數(shù)值的變化分析

從2015年5月到2017年4月中選取濕度偏低的一天進(jìn)行低濕條件下的分析。表3為2017年2月11日相對(duì)濕度情況，表4為兩者在該濕度條件下的地表溫度差值，對(duì)比分析兩種儀器的差值變化情況和原因。

從表3、4可以看到鉑電阻和紅外地溫傳感器地表溫度的最高值出現(xiàn)在14：00，分別為34.9℃和29.3℃;最小值出現(xiàn)在08：00，分別為9.6℃和8.8℃。而且可在表中觀察到隨著溫度的慢慢升高，兩者的差值越來(lái)越大，直到14：00溫度達(dá)最高值，出現(xiàn)最大差值5.6，然后隨溫度的逐漸降低，差值逐漸減少。從上面數(shù)據(jù)分析可得，在濕度偏低的條件下，鉑電阻和紅外地溫傳感器的測(cè)溫差異相對(duì)低濕來(lái)說(shuō)偏大，而且也是在早晚偏小，午后偏大。兩者的差值隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增加。

3 在降雨條件下，兩者數(shù)值的變化分析

分析2017年2月4日樣本的降雨數(shù)據(jù)，該日下雨的時(shí)間段為15：22-20：00，正點(diǎn)雨量16：00為0.2mm，17：00為1.3mm，18：00為3.4mm，19：00為0.2mm，20：00為0.1mm。對(duì)比兩種儀器在此條件下地溫的變化情況（表5）。

從表5我們可以看到：在降雨前隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地面溫度直線上升，兩者的差值逐漸增大，并在14：00達(dá)最大差值4.0℃。在下雨時(shí)，隨著土壤含水量的增加，土壤的異熱性也會(huì)增加。導(dǎo)致地表降溫時(shí)，下層溫度迅速向上傳遞，使鉑電阻地溫傳感器和紅外地溫傳感器獲取的地表溫度值比較接近。所以，在下雨條件時(shí)，下墊面狀況發(fā)生了變化，而且沒(méi)有受到太陽(yáng)復(fù)審的影響，兩者所測(cè)的地表溫度差值將會(huì)減少。

4 兩者測(cè)地表溫度所存在的問(wèn)題

鉑電阻地溫傳感器采用的是直接測(cè)量，感應(yīng)部分按嚴(yán)格要求埋入土中，而且與土壤必須密貼，不留空隙。而紅外地溫傳感器采用的是間接測(cè)量，不需要接觸被測(cè)物。所以兩者存在的問(wèn)題也有所不一樣。鉑電阻地溫計(jì)來(lái)說(shuō)，鉑電阻的安裝方法就決定其所測(cè)的溫度并不完全代表地表面溫度，而是地面溫度和近地面空氣溫度的平均值;鉑電阻埋入土中的深度、近地面的風(fēng)速、太陽(yáng)的輻射、土壤濕度等因素的影響引起其數(shù)值的偏差;人為安裝儀器所造成的人工誤差。紅外地溫計(jì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榧t外地溫傳感器從地面接收到的輻射能量大小正比于地表輻射率，所以受下墊面狀況的影響，對(duì)于凹凸不平、粗糙泥濘的地面和表面覆蓋的狀況都會(huì)影響儀器所測(cè)值的變化;根據(jù)測(cè)量距離和所測(cè)直徑的變化也會(huì)影響測(cè)量值的準(zhǔn)確度，即測(cè)量距離一定時(shí)，所測(cè)直徑越小，測(cè)分辨率越高;所測(cè)直徑一定時(shí)，測(cè)量距離越遠(yuǎn)，則分辨率越高;環(huán)境溫度的變化也會(huì)造成測(cè)量誤差。即當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，產(chǎn)生的附加輻射影響越大，測(cè)溫誤差也越大。

5 總結(jié)

因?yàn)殂K電阻和紅外地溫測(cè)量地表溫度的原理、觀測(cè)方法的不同，所以測(cè)量結(jié)果也存在著一定的差異。通過(guò)觀察中山國(guó)家基本氣象站地表溫度，兩者在不同天氣條件、不同時(shí)段觀測(cè)結(jié)果的差異最大時(shí)超過(guò)5.0℃以上，差異的大小主要受太陽(yáng)輻射和下墊面狀況影響。

對(duì)不同典型天氣條件下兩種儀器獲取的地表溫度資料對(duì)比和分析表明：在高濕條件下，兩者的觀測(cè)差值日變化較小，具有搞好的可比性;在干燥條件下，受太陽(yáng)輻射影響較大，白天差值較大，夜晚差值較小;降雨時(shí)，因?yàn)橥寥缹?dǎo)熱性因含水量增加而增強(qiáng)，同時(shí)不受太陽(yáng)輻射的影響，所以兩種儀器觀測(cè)值會(huì)比較接近。

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