鉑電阻地溫計與紅外地溫計的對比分析

馮志航 吳道航 傾鵬程 蔡成滿

摘? 要：通過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比觀測的數(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輻射和下墊面狀況改變的影響。低濕時，兩者受太陽輻射影響較大，觀測差值在早上（或夜間）較小，中午至下午時分較大，基本在14時左右達最大值;高濕時，兩者的觀測差值日變化較小，規(guī)律基本是低濕的情況相似;降雨時，兩者的下墊面發(fā)生了改變，而且不受太陽輻射的影響，兩者觀測差值逐漸減少。

關(guān)鍵字：鉑電阻地溫傳感器? 紅外傳感器? 地表溫度? 分析對比

引言

目前，氣象地面觀測中地表溫度主要采用鉑電阻進行數(shù)據(jù)的測量，用玻璃液體溫度計進行輔助對比觀測。然而玻璃液體計根據(jù)所用的觀測方法得出的數(shù)據(jù)在準確性、比較性、代表性方面都存在一些問題，對于現(xiàn)在觀測數(shù)據(jù)要求來說是遠遠不夠的。而通過長時間的對比觀測，用鉑電阻測地溫能有效緩解玻璃液體計所帶來的缺陷，也有助于自動氣象的發(fā)展。而按照《地面氣象觀測規(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。而且觀測結(jié)果還會受地表風(fēng)速、太陽輻射、傳感器埋入土中的深度等的影響。

隨著紅外測溫技術(shù)的日趨成熟，氣象觀測上也引進了該技術(shù)。紅外測溫是根據(jù)被測物體紅外熱輻射出來的能量來測量物體的溫度，不需要與被測物體接觸，因此其優(yōu)點就是不會擾動被測物體溫度場、溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測溫范圍廣、穩(wěn)定性好等，近年來在醫(yī)療、汽車電子、航空和軍事上得到越來越廣泛的應(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）的資料和其對應(yīng)時間段鉑電阻地表溫度和紅外地表溫度的數(shù)據(jù)（表2），對比在不同時間段兩者地表溫度觀測結(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達最大為1.1℃。由表2觀測數(shù)據(jù)可知，在8時和19時時差值很小，隨著溫度升高，差值也越大，到14時出現(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數(shù)據(jù)的差值相對高濕比較小，而且在早晚更小，午后偏大。兩者的差值隨著太陽輻射的增強而增加。

2 相對濕度偏低條件下，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行低濕條件下的分析。表3為2017年2月11日相對濕度情況，表4為兩者在該濕度條件下的地表溫度差值，對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，兩者的差值越來越大，直到14：00溫度達最高值，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溫差異相對低濕來說偏大，而且也是在早晚偏小，午后偏大。兩者的差值隨著太陽輻射的增強而增加。

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)，該日下雨的時間段為15：22-20：00，正點雨量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：在降雨前隨著太陽輻射的增強，地面溫度直線上升，兩者的差值逐漸增大，并在14：00達最大差值4.0℃。在下雨時，隨著土壤含水量的增加，土壤的異熱性也會增加。導(dǎo)致地表降溫時，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，下墊面狀況發(fā)生了變化，而且沒有受到太陽復(fù)審的影響，兩者所測的地表溫度差值將會減少。

4 兩者測地表溫度所存在的問題

鉑電阻地溫傳感器采用的是直接測量，感應(yīng)部分按嚴格要求埋入土中，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量，不需要接觸被測物。所以兩者存在的問題也有所不一樣。鉑電阻地溫計來說，鉑電阻的安裝方法就決定其所測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。紅外地溫計來說，因為紅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，對于凹凸不平、粗糙泥濘的地面和表面覆蓋的狀況都會影響儀器所測值的變化;根據(jù)測量距離和所測直徑的變化也會影響測量值的準確度，即測量距離一定時，所測直徑越小，測分辨率越高;所測直徑一定時，測量距離越遠，則分辨率越高;環(huán)境溫度的變化也會造成測量誤差。即當(dāng)環(huán)境溫度升高時，產(chǎn)生的附加輻射影響越大，測溫誤差也越大。

5 總結(jié)

因為鉑電阻和紅外地溫測量地表溫度的原理、觀測方法的不同，所以測量結(jié)果也存在著一定的差異。通過觀察中山國家基本氣象站地表溫度，兩者在不同天氣條件、不同時段觀測結(jié)果的差異最大時超過5.0℃以上，差異的大小主要受太陽輻射和下墊面狀況影響。

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

參考文獻

[1]皺耀芳，張緯敏，王金釗.地溫觀測方法的研究[J].氣象.

[2]王同國.淺層地溫變化規(guī)律初探[J].干旱氣象，1994（4）.

[3]易先軍，文小玲，劉翠梅.基于鉑電阻的溫度高精度測量研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（1）：49-51.

[4]氣象觀測場.地面氣象觀測規(guī)范[M].中央氣象局，1961.

[5]呂思斌.紅外測溫技術(shù)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自科版），2001，7（2）：66-67.

[6]何仲陽，宋夢譞，張興.地表溫度對風(fēng)場模擬的影響[J].化工學(xué)報，2012，63（s1）：7-11.

[7]金志鳳，周勝軍，朱育強，等.不同天氣條件下日光溫室內(nèi)溫度和相對濕度的變化特征[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，19（3）：0-191.

[8]王超球.平行觀測期間氣象要素出現(xiàn)明顯差異的原因分析和處理[J].氣象研究與應(yīng)用，2005，26（3）：62-64.

[9]陳柏堃，陸小勇，馮文龍，等.淺談分鐘觀測數(shù)據(jù)文件質(zhì)量控制[C]//長三角氣象科技發(fā)展論壇.2011.