防輻射罩與百葉箱溫度觀測差異性分析

袁 超，丁善文，于成獻(xiàn)，陳葉婷

（泰安市氣象局，山東 泰安 271000）

防輻射罩與百葉箱溫度觀測差異性分析

袁 超，丁善文，于成獻(xiàn)，陳葉婷

（泰安市氣象局，山東 泰安 271000）

通過統(tǒng)計和整理國家氣象觀測站與其周圍約10km范圍內(nèi)4個區(qū)域自動站 2012年的溫度數(shù)據(jù)，對比分析處于不同防輻射罩內(nèi)的溫度傳感器的觀測資料。指出兩者之間的差異及其差異性存在原因和影響因素。討論了通風(fēng)對低溫觀測的影響。

防輻射罩；百葉箱；差值分析；相關(guān)系數(shù)

引言

由國家氣象觀測站和區(qū)域站氣象信息短信報警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，高低溫報警信息基本都出現(xiàn)在區(qū)域站，主觀上認(rèn)為不同防輻射罩對溫度傳感器有一定的影響。2007年7月25日至7月31日在吉林長春儀器設(shè)備廠進(jìn)行兩種防輻射設(shè)備的對比試驗［1］。從設(shè)備儀器的角度分析了輻射誤差及影響因素。結(jié)合防輻射罩與百葉箱的特性，通過觀測數(shù)據(jù)對比分析，反映兩種設(shè)備在實際觀測應(yīng)用中的差異。

圖1　大監(jiān)站與區(qū)域站地理位置分布圖

1　資料來源與統(tǒng)計方法

對 2012年百葉箱和區(qū)域站防輻射罩溫度樣本觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。百葉箱位于泰安市新建的東平氣象局國家氣象觀測站內(nèi)（以下簡稱“大監(jiān)站”）。大監(jiān)站建在縣城外，植被環(huán)境良好，沒有城市熱島效應(yīng)。區(qū)域站選取與大監(jiān)站相距約10km的大洋、彭集、新湖、梯門四個站（圖1），由4個區(qū)域站的溫度平均值作為樣本與大監(jiān)站溫度資料進(jìn)行對比。

2012年大監(jiān)站與區(qū)域站觀測資料序列完整，其年平均氣溫差在0.2℃左右（其中三個區(qū)域站與大監(jiān)站年平均氣溫小于 0.1℃），由于大監(jiān)站與區(qū)域站周圍環(huán)境比較接近，從而排除了外在環(huán)境的影響。世界氣象組織在氣象儀器與觀測方法指南中指出：假如周圍測站觀測環(huán)境適合于進(jìn)行良好的分析，則在一定時間周期內(nèi)，在分析場內(nèi)每個測點的平均誤差可假定為零［2］。用四個防輻射罩區(qū)域站數(shù)據(jù)的平均值代表防輻射罩?jǐn)?shù)據(jù)與大監(jiān)站百葉箱數(shù)據(jù)進(jìn)行比較有利于減少測站性能誤差。

依據(jù)氣象觀測規(guī)范要求，對缺測的小時數(shù)據(jù)用內(nèi)插法得到。如果小時數(shù)據(jù)缺測較多，用 02時、08時、14時、20時4個時次求平均。由此得出日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫。差值由防輻射罩氣溫減去百葉箱氣溫數(shù)據(jù)得到。由于大監(jiān)站數(shù)據(jù)可靠，區(qū)域站距大監(jiān)站比較近，風(fēng)速用大監(jiān)站月平均風(fēng)速代替各站風(fēng)速數(shù)據(jù)。

由于防輻射罩與百葉箱相比有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝等特點，通常用于區(qū)域自動站。防輻射罩分為自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩種形式，文章所用站點全部采用自然通風(fēng)防輻射罩。防輻射設(shè)備的存在將或多或少影響氣溫分布的自然狀況，在影響所及范圍內(nèi)，形成小氣候，這種對氣溫分布自然狀況的影響隨防輻射設(shè)備的形狀及結(jié)構(gòu)而定［3］。

2　數(shù)據(jù)分析

2.1平均氣溫分析

從表1中可以看出防輻射罩與百葉箱中測得平均氣溫一致性非常接近，年平均氣溫差值只有0.01℃。兩種設(shè)備測的月平均氣溫相差最大值0.21℃，出現(xiàn)在6月，差值最小值出現(xiàn)在11月，為0.01℃。說明大監(jiān)站百葉箱內(nèi)溫度在區(qū)域內(nèi)有很好的“代表性”。

表1　月平均氣溫和風(fēng)速統(tǒng)計表

2.2平均最高氣溫分析

圖2給出兩種方式測得的月平均最高氣溫曲線，從中可以看出防輻射罩內(nèi)測得溫度曲線位于百葉箱測得溫度曲線上方，即防輻射罩內(nèi)的氣溫普遍高于百葉箱內(nèi)的氣溫，差值最大出現(xiàn)在 10月，為0.73℃，差值最小出現(xiàn)在7月，為0.44℃。防輻射罩內(nèi)的月平均最高氣溫年平均高于百葉箱內(nèi)月平均最高氣溫0.57℃。

圖2　兩種設(shè)備測得月平均最高氣溫曲線圖

實驗指出，對于白天到達(dá)地面的太陽輻射而言，強(qiáng)輻射時，到達(dá)地面平均輻射通量密度約為1080W/m2［1］，在輻射通量密度不變時， 不考慮風(fēng)的情況下防輻射罩中溫度和百葉箱中溫度與阿斯曼通風(fēng)干濕表測量的溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度相比較，誤差分別為 2.15℃和 0.6℃，它們之間的差值為 1.55℃，比文中統(tǒng)計得出的結(jié)果要高0.98℃，這是因為實際應(yīng)用中還存在風(fēng)的因素。風(fēng)與輻射誤差呈負(fù)相關(guān)性，所以統(tǒng)計中誤差要小于實驗中的差值。實際應(yīng)用中對差值起主要作用的太陽輻射也達(dá)不到實驗狀態(tài)強(qiáng)輻射，實際統(tǒng)計的是每天的平均最高氣溫而不是強(qiáng)輻射下的最高氣溫，所以差值也會比實驗狀態(tài)要小但與實際值更接近。由于最高氣溫出現(xiàn)在一天中太陽輻射最強(qiáng)的 11—14時，可以說兩種設(shè)備高溫的差值是由太陽輻射造成的。

2.3平均最低氣溫分析

圖 3給出兩種測溫設(shè)備月平均最低氣溫曲線。可以看出全年防輻射罩內(nèi)的月平均最低氣溫曲線位于百葉箱月平均最低氣溫曲線的下方。全年差值最大值是一年中氣溫最低的 1月份，為-2.26℃。全年差值最小的月份是一年中溫度最高的7月份，為-0.42℃。防輻射罩最低氣溫年平均值比百葉箱最低氣溫年平均低1.41℃。由于最低氣溫出現(xiàn)在日出前一段時間內(nèi)，所以低溫差與太陽輻射沒有關(guān)系。

圖3　兩種測溫設(shè)備測得月平均最低氣溫曲線圖

2.4風(fēng)速與溫差分析

圖4給出2012年大監(jiān)站月平均風(fēng)速，從圖上可以得知月平均最大風(fēng)速出現(xiàn)在 3月，為2.7m/s，月平均最小風(fēng)速出現(xiàn)在最9月，為1.2m/s，其他月份的月平均風(fēng)速在其之間徘徊。

圖4　月平均風(fēng)速、月平均最高、最低氣溫差曲線圖

2.4.1風(fēng)速與高溫差值分析

圖4給出了防輻射罩和百葉箱月平均最高氣溫差曲線。計算月平均風(fēng)速與防輻射罩和百葉箱中月平均最高氣溫差相關(guān)系數(shù)，結(jié)果為-0.499。負(fù)相關(guān)說明高溫差隨著風(fēng)速的增加而減少。從而也證明了輻射誤差和風(fēng)速之間具有與實驗相符的負(fù)相關(guān)特性。這里算的相關(guān)系數(shù)的絕對值小于強(qiáng)輻射狀態(tài)測的相關(guān)系數(shù)的絕對值0.844［1］，是由于平均最高氣溫觀測的時間段內(nèi)的輻射強(qiáng)度小于實驗狀態(tài)下日照最強(qiáng)輻射的輻射量，這是計算相關(guān)系數(shù)的絕對值偏小的主要原因。

2.4.2風(fēng)速與低溫差值分析

計算月平均風(fēng)速與防輻射罩和百葉箱中月平均最低氣溫差相關(guān)系數(shù)，結(jié)果為-0.523，即低溫差隨著風(fēng)速的增加也呈減少趨勢。與風(fēng)速與高溫的相關(guān)性同為負(fù)數(shù)，分析圖2得知，防輻射罩內(nèi)高溫曲線在百葉箱中高溫曲線上方，其差值為正數(shù)，圖3中防輻射罩內(nèi)低溫曲線在百葉箱中低溫曲線下方，其差值為負(fù)數(shù)。低溫差值負(fù)數(shù)的負(fù)相關(guān)為正相關(guān)，換句話說就是隨著風(fēng)速的增大防輻射罩內(nèi)的最低氣溫低于百葉箱中的最低溫度，低溫差的絕對值隨著風(fēng)速的增加而增大。究其原因認(rèn)為最低氣溫一般出現(xiàn)在日出前一段時間內(nèi)，不存在太陽輻射因素，主要是與百葉箱和防輻射罩的形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)。經(jīng)過中環(huán)天儀氣象儀器廠試驗得出百葉箱的通風(fēng)系數(shù)為1：3，而防輻射罩的通風(fēng)系數(shù)不低于1：3，通風(fēng)性能更好。通風(fēng)性能好導(dǎo)致空氣流動性大，增加了熱交換，從而影響了溫度傳感器運(yùn)行的穩(wěn)定度。

2.5季節(jié)與年較差分析

計算得知防輻射罩中溫度與百葉箱中溫度在夏季平均最高氣溫差值與平均最低氣溫差值最小，分別為 0.52℃和-0.62℃，秋季平均最高氣溫差值最大，為 0.67℃，冬季平均最低氣溫差距最大，為-1.97℃。防輻射罩中氣溫的年較差（11.72℃）大于百葉箱中氣溫的年較差（9.75℃），差值為1.98℃。

3　結(jié)語

（1）百葉箱中溫度比防輻罩中的溫度代表性

更好，防輻射罩中的溫度受局部小氣侯影響大，代表性稍差。

（2）實際應(yīng)用中由于防輻射罩輻射誤差大于百葉箱，防輻射罩內(nèi)的平均最高氣溫高于百葉箱氣溫，年平均高0.57℃，防輻射罩與百葉箱中高溫差值隨著風(fēng)速的增加而減少，與風(fēng)速成負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.499。

（3）由于防輻射罩與百葉箱形狀和結(jié)構(gòu)的差異，防輻射罩通風(fēng)比大于百葉箱。造成防輻射罩年平均最低氣溫低于百葉箱年平均最低氣溫1.41℃。防輻射罩與百葉箱中平均最低氣溫差值都為負(fù)數(shù)，低溫差值絕對值是隨著風(fēng)速的增加而增大，低溫差值絕對值與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.523。

（4）由于防輻射罩比百葉箱的高溫偏高、低溫偏低，導(dǎo)致防輻射罩氣溫年較差大于百葉箱年較差，其差值為1.98℃。

［1］ 王曉雷，韓有君. 溫濕度傳感器防輻射罩研究［J］. 氣象水文海洋儀器，2006，6（2）：69.

［2］ 世界氣象組織. 氣象儀器與觀測方法指南（第六版）［M］. 北京：氣象出版社，1996：10.

［3］ 林曄. 大氣探測學(xué)教程［M］. 北京：氣象出版社，1993：131-132.

P412.1

B

1005-0582（2015）03-0060-03

2014-09-05

袁超（1980—），男，山東桓臺人，本科，工程師，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)和氣象設(shè)備保障工作。