地表溫度測量方法研究綜述

儲呈敏，馬尚昌，張素娟，鞏 娜

（成都信息工程學(xué)院 四川 成都 610225）

地表溫度是指土壤表面與空氣交界處的溫度,包括地面溫度、地面最高溫度、地面最低溫度。常規(guī)的地表溫度觀測儀器有玻璃液體溫度表、鉑電阻地溫傳感器和紅外測量設(shè)備。使用玻璃液體溫度表觀測所獲取的地表溫度資料的準(zhǔn)確性、代表性、比較性都存在一些問題。長期對比實(shí)驗(yàn)表明,鉑電阻地溫傳感器可以替代玻璃溫度表進(jìn)行地表溫度觀測,既在一定程度上解決了玻璃液體溫度表存在的問題,又滿足了自動化氣象觀測系統(tǒng)的需要。目前,我國氣象臺站主要采用鉑電阻地溫傳感器進(jìn)行地表溫度的觀測,觀測時需將溫度表水平放置在地表面,感溫部分的一半埋入土中,另一半暴露在空氣中[1]。但M.Fuchs等認(rèn)為,這種方法測得的溫度為地表面與其緊貼空氣溫度的平均值,并不能完全代表地面溫度。同時,觀測結(jié)果還受太陽輻射、傳感器埋入土壤深度、地表風(fēng)速等環(huán)境要素的影響。近年來,人們試圖尋求更好的測量方法來獲得更準(zhǔn)確的地表溫度。從測定原理上說,最有效的地表溫度測量方法是測量它在該溫度下的紅外輻射通量,再換算成地表溫度值。2000年開始建設(shè)的美國氣候參考網(wǎng)已使用紅外方法測量地表溫度,用于研究地表溫度對氣溫測量的影響,滿足氣候監(jiān)測需求。國內(nèi),針對物質(zhì)表面溫度測量已有相當(dāng)多的研究,但主要側(cè)重在紅外測溫方法的研究與應(yīng)用上，對地表溫度的測量方法研究還比較少。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外地表溫度測量方法有3種：玻璃液體溫度計(jì)、鉑電阻測溫法和紅外測溫法。前兩者都屬于接觸式測量，紅外測溫屬于非接觸式測量，主要有紅外傳感器、紅外輻射計(jì)、紅外測溫儀、紅外熱像儀等幾種測量設(shè)備。在氣象站地面觀測中，主要采用前兩種儀器來測地表溫度。

1）玻璃液體溫度計(jì)

自動氣象站中是采用水銀溫度計(jì)來獲取地表溫度的。水銀溫度計(jì)是在玻璃管內(nèi)封入水銀液體，利用水銀的熱膨脹進(jìn)行溫度測量的。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，具有一定精度，因而被廣泛采用。測量時只要將其一半插入地表，一半暴露在空氣中。但是它的測量反應(yīng)時間長，測得的數(shù)據(jù)受天氣條件和空氣溫度的影響大，容易產(chǎn)生浸入深度誤差、零點(diǎn)下降誤差、壓強(qiáng)誤差和時間滯后誤差，故測溫?cái)?shù)據(jù)不夠精確。

2）鉑電阻溫度傳感器

研究發(fā)現(xiàn)，金屬鉑的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。測量時將鉑電阻傳感器水平放置在地表面，將感應(yīng)原件一半插入地表中，一半暴露在空氣中，埋入土中部分必須與土壤密貼，不可留有空隙。

鉑電阻測溫法簡單、可靠，測量精度較高，為現(xiàn)階段氣象站主要應(yīng)用的測溫方法。但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象。同時鉑電阻地溫傳感器的觀測結(jié)果還受到太陽輻射、傳感器深入土壤的深度、地表風(fēng)速、天氣條件等環(huán)境要素的影響。前蘇聯(lián)地球物理觀象總臺做過簡單的對比試驗(yàn),地表溫度觀測的誤差可能達(dá)到5～7攝氏度。

3）紅外測溫設(shè)備

一切溫度高于絕對零度的物體,就會向四周輻射電磁波。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對地表自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

紅外測量是基于面溫度的測量，其測量值更有代表性，它是非接觸式觀測，可以不再需要人工對測量環(huán)境進(jìn)行維護(hù)，而且對于裸露地面、雪面、草面、水面、水泥地面、瀝青地面都可以直接測量，不受下墊面材料的限制。但是使用紅外測量地表溫度時需要考慮目標(biāo)物發(fā)射率、視場角、天氣條件、大氣輻射等的影響，測量過程中容易出現(xiàn)誤差。

2 紅外測溫方法

目前采用紅外測量代替目前觀測業(yè)務(wù)中的鉑電阻測量地表溫度有了共同的認(rèn)識，在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了大力發(fā)展及廣泛應(yīng)用。2006年中國氣象局組織紅外測量地表溫度的考核試驗(yàn)，2007年氣候站考核，2009年第二代自動氣象站考核都將紅外測量地表溫度作為其中一個觀測要素。

2.1 紅外溫度傳感器

現(xiàn)階段，紅外測溫設(shè)備中的測溫原理都是認(rèn)為物體之間的區(qū)別僅僅是輻射率的不同。那么，假設(shè)物體的真實(shí)溫度為T，輻射率為ε，輻射度為M（T），根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼公式，有

當(dāng)物體的輻射度M （T）與黑體在某溫度T0時的輻射度M0相等時，有：

實(shí)際測量時，可通過紅外溫度傳感器的探測器測地表輻射溫度T0，物體的真實(shí)溫度則用接觸式的溫度計(jì)或熱電偶測得。所以，用紅外測溫設(shè)備測量地表溫度時，在已知物體輻射率的前提下，理論上利用式（4）將從光電探測器得到地表輻射溫度T0，通過硬件和軟件的處理得到物體的真實(shí)溫度T。

通常，紅外溫度傳感器在出廠前，都要在室內(nèi)經(jīng)過黑體爐定標(biāo)[2]。一般地，在使用紅外溫度傳感器測量地表溫度時，要考慮地表發(fā)射率、天氣條件、大氣環(huán)境等干擾因素對測量結(jié)果的影響，并加以修正[3]。相關(guān)研究表明：太陽輻射、雨、雪、霜、日照時數(shù)、云量等對地表輻射有一定的影響。

目前，主要修正方法有兩種：一種是直接定標(biāo)法：不考慮周圍自然環(huán)境因素、物體發(fā)射率等對物體輻射溫度的影響，直接對測得的數(shù)據(jù)和真實(shí)溫度值進(jìn)行曲線擬合，得出有效的模型結(jié)構(gòu)，該方法比較簡單。另一種就稍顯復(fù)雜些：先利用相關(guān)分析法考慮幾種因素對地表輻射的影響，從而找出主要的影響因子，再根據(jù)主要影響因子的值與測得的地表溫度值建立溫度模型，最后對模型進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)[4]。顯而易見，該方法提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、觀測精度和效率，是現(xiàn)在采用較多的一種方法。

2.2 紅外輻射計(jì)

2.2.1 工作原理

紅外輻射計(jì)接收到的地表輻射，不僅包括目標(biāo)物本身發(fā)出的紅外輻射，而且包括一部分周圍環(huán)境輻射，即

其中，M（T）為紅外輻射計(jì)測得的地表輻射；T為地表輻射溫度；ε 為地面發(fā)射率；Te為地表（真實(shí)）溫度；E（Te）為環(huán)境輻照度，在室外測量時，如果沒有高大障礙物的阻擋，那么環(huán)境輻射就是大氣向下的長波輻射RId，也即大氣逆輻射。

將斯帝芬—波爾茲曼定律代入公式（5）得：

σ為斯第芬—波爾茲曼常數(shù)。將公式（6）變形得到：

由公式(7)可知，要推算地表溫度T，不僅要知道地表輻射溫度ε，還需考慮地表比輻射率和天空環(huán)境輻射RId。

該方法比紅外傳感器測溫法多考慮了大氣逆輻射對地表溫度的影響，使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。李超等人指出:大氣逆輻射對地表溫度日平均值的影響程度在夏季最大、秋季次之、冬季最小。如果忽略大氣逆輻射的影響，地表視溫度（只考慮地表比輻射率的影響而忽略大氣逆輻射影響時,計(jì)算得到的地表溫度）與地表溫度日平均差值全年在0.96~4.41K之間,7、8月份在1.3K以上[5]。所以，很有必要對大氣逆輻射計(jì)算方法做下介紹。

2.2.2 大氣逆輻射的計(jì)算

大氣逆輻射主要來自覆蓋在地表的大氣與空氣濕度，根據(jù)斯忒藩玻爾茲曼定律，大氣下行長波輻射通量可以表示成：

獲取大氣下行長波輻射的方法主要有3種，第一種是使用長波輻射表，將其安裝在距地面1.5 m高的水平固定支架上,將其感應(yīng)面朝下，即可測得大氣逆輻射。

第二種是用如MODTRAN和LOWTRAN等大氣糾正軟件，但這種方法需要實(shí)時的探空資料，只能在有探空臺站的地區(qū)才能實(shí)現(xiàn)。

第三種是根據(jù)2 m（或1.5 m）高度的空氣溫度和濕度來估算[6-7]。幾位學(xué)者利用實(shí)際水汽壓、空氣溫度、露點(diǎn)溫度的關(guān)系式來計(jì)算大氣逆輻射的經(jīng)驗(yàn)式，只要將εsky、Tsky代入公式(8)即可求得大氣逆輻射，如表1所示。

表1 大氣逆輻射經(jīng)驗(yàn)公式Tab.1 The atmospheric counter radiation Empirical formula

J.P.Lhomme[8]利用測得的大氣逆輻射值和以上4個RId模型計(jì)算得出的值進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明Brutsaert模型優(yōu)于其他3個模型：它的相關(guān)系數(shù)最高，平方差和均方根誤差也為四個模型中最低的，分別為12%和15%。黃妙芬[9]將長波輻射表直接測量的數(shù)據(jù)和用Brutsaert的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：Brutsaert公式計(jì)算值與長波輻射表測定值差值較小，早晚差值大，中午差值小，相對誤差為3.1%。

3 結(jié)束語

本文對氣象站測量地表溫度的方法進(jìn)行了討論，介紹了幾種常用的測量地表的儀器。由于各測量設(shè)備工作原理和觀測方法不同,觀測結(jié)果也存在著一定差異，研究結(jié)果表明：

1）水銀玻璃溫度表測量地表溫度簡單，可靠，但是其構(gòu)造和測量方法決定了有一些缺點(diǎn)：儀表反應(yīng)時間長，受埋入地表的深度、天氣條件和空氣溫度的影響，測溫?cái)?shù)據(jù)不夠精確[10]。現(xiàn)在自動氣象站中已經(jīng)很少使用水銀玻璃溫度表了。

2）鉑電阻溫度傳感器簡單、可靠、穩(wěn)定，為現(xiàn)在自動氣象站測量地表溫度的主要儀器。但是它也有水銀玻璃溫度表共有的缺點(diǎn)：容易受天氣條件和大氣輻射的影響。

3）紅外測量是根據(jù)測量物體發(fā)射出的輻射通量來求得溫度的，具有響應(yīng)速度快、測溫精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是紅外溫度傳感器測量地表溫度的難點(diǎn)在于其修正方法，目前主要有兩種方法，一種是直接定標(biāo)法：直接對測得的地表溫度值和真實(shí)溫度值進(jìn)行曲線擬合，得出有效的模型結(jié)構(gòu)。另一種是先利用數(shù)學(xué)分析的方法找到主要的影響因素與地表面溫度的關(guān)系，再用多元線性回歸法建立地表溫度模型，以此來修正紅外溫度傳感器測量的地表溫度值[11]。修正后的值考慮了各個環(huán)境因子對地表溫度的影響，使得更加準(zhǔn)確有效。

4）紅外輻射計(jì)測量方法考慮了大氣逆輻射對地表溫度的影響[12]。如果忽略大氣逆輻射的影響，地表視溫度與地表溫度日平均差值全年在0.96~4.41K之間。因此找到一種合理有效的方法可以更加提高地表溫度的準(zhǔn)確度。

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