空间观测网络中自然通风空气温度测量的误差外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

空间观测网络中自然通风空气温度测量的误差

Mathias Mode, r l Descadins, Ko Chi Ling and Ronald Van Harlem

加拿大农业与农业食品研究所，加拿大安大略省渥太华

(2007年7月13日收稿，2008年4月8日定稿)

摘要：在3.5公里的农业用地上布置了25个气温传感器而组成空间网络，旨在通过空间平均代替时间平均计算感热通量。由于在自然通风的太阳辐射防护罩中使用温度传感器进行这些测量，因此必须对辐射加热进行校正。在本研究中，安德森和鲍姆加特纳的方法被应用于方形的HOBO太阳辐射防护罩。这种半经验校正除了太阳辐射和风速外，还取决于屏蔽层垂直于太阳的面积。通过与某一现场风机送风温度测量结果的比较，得到了适用于该类型屏蔽体的修正系数。应用这种辐射校正后，HOBO温度测量的均方根误差从0.49°降低到0.15°C。

1. 介绍

空气温度场的水平均匀性被认为是塔式微气象学技术准确测量地表和大气之间湍流热交换的先决条件(Kaimal和Finnigan, 1994)。实际上，这样的条件可能很少得到满足。测量空气温度的空间分布，可以检查空间差异是否足够小，以满足这一基本要求。如果没有，它允许量化额外的通量，例如水平平流。来自空间稳定结构的通量贡献也不能用单塔测量来捕获，因此只能通过空间雷诺数平均来测量(Mahrt 1998;Steinfeld等人，2007)。由此产生的湍流通量低估通常被称为能量平衡闭合问题(如Culf等，2004;Mauder and Foken 2006;Foken 2007;Oncley等，2007)。

由于Mauder等人(2007)通过飞机测量发现了大规模环流的证据，因此设计了一个实验来测量地面测量的气温空间分布。为了获得空间涡度协方差计算所需的空间平均值，设计了一个自然通风空气温度传感器网络。湍流波动是通过减去一个标量的空间平均值而不是时间平均值来计算的:

其中H为感热通量，N为样本数，w为垂直风速，T为气温，[bull;]为空间平均。通过声波风速计 - 温度计测量温度波动。

由于该仪器基于完全不同的测量原理，对空间平均温度测量的系统误差进行校正时必须十分小心。温度传感器的主要误差源不是多板辐射的，而是辐射太阳加热。

根据Steinfeld等人的说法(2007)，大约25 mea-若测量地点平均分布在10公里的范围内，高度为20米，则测量地点是准确估计空间平均气温的必要条件。尽管观测区域的大小和测量的高度是不同的对于我们的安装,我们决定遵循这个建议和部署25个HOBO12位智能传感器(电脑集团。伯恩,马萨诸塞州,S-TMB-M002部分)结合HOBO太阳辐射防护罩 (发病,M-RSA部分)作为实用和经济的解决方案。这些HOBO系统是温度数据记录仪HOBO H8 Pro的改进版本，White-man等人(2000)对HOBO H8 Pro进行了评估。结果表明，这些传感器耐用、紧凑、易于维护、功耗低。Nakamura和Mahrt(2005，以下简称NM05)开发了一种校正HOBO M-RSA辐射屏蔽辐射误差的方法。但是，这种修正对于本实验的目的是不够的，即在计算湍流气温波动时，用空间平均代替时间平均来确定感热通量。湍流温度波动通常在1.0℃左右(声波温度的标准偏差)，HOBO传感器的测量误差最好小于一个数量级。

因此，我们的目标是尽可能地降低HOBO系统的测量误差。本文提出了一种改进的自然通风式HOBO防辐射罩辐射加热误差修正方法。这种修正能够提供比NM05方法更好的结果，因为它考虑了屏蔽体的几何形状。NM05的方法只使用风速和垂直于地球表面的短波辐射。它没有考虑到屏蔽层的面积与太阳垂直，因此没有那么有效。本文提出的方法采用了Anderson和Baum-gartner(1998年，以下简称AB98)开发的圆柱形护盾对长方体HOBO防护罩的修正。

2. 辐射加热误差模型

由于我们对辐射加热的修正是基于AB98的工作，我们将简要总结这种方法，并指出其应用于HOBO屏蔽的必要修改。将传感器和屏蔽体视为一个整体。影响这个系统温度的三个主要因素是；

bull;辐射加热，主要是指进入盾构表面的入射短波太阳辐射

bull;自然对流，即仅由于零风速下浮力的自然力而导致的热流动或流动（这一过程被AB98称为“传导冷却”）;

bull;强制对流，即由于流体随平均风的运动而产生的热传递（AB98称为“对流冷却”）

根据AB98，至少在白天，入射的短波辐射是辐射预算中的主导项。相比之下，长波辐射平衡较小，反射的短波辐射通过相对恒定的反照率与入射的短波辐射相联系。这意味着只需要测量入射短波辐射就可以对温度测量进行辐射校正。长波辐射引起的误差由NM05在夜间条件下测定，夜间测量的误差平均小于0.1℃。本文提出的校正方法忽略了这一影响。由于上述三个过程的影响，屏蔽的实测温度通常大于或等于白天的实际气温。该系统的热收支可以写成

@sRsAs =L S （2）

其中辐射加热项为吸收系数s、短波通量密度Rs与入射太阳辐射法向面积As的乘积;L和S是强迫对流和自然对流的传热术语。根据AB98, Rs可以描述为

Rs=SWdarr;/r (1-r)sin@ (3)

其中为太阳仰角，SWdarr;为垂直于地表的短波辐射通量密度。这里假设扩散辐射rd与总向下辐射的比值为0.1。理由是最大的辐射加热发生在晴朗的天空下，而不是在多云的条件下(AB98)。

计算垂直于太阳的面积，因为必须适应HOBO的盾牌。长方体长l为0.213 m，深度d为0.188 m，高度h为0.152 m，长方体顶部面积对As的贡献为:

。 A=Ldsin@ (4)

长方体侧面对总面积的贡献是太阳方位角和HOBO盾牌方位的函数。可以写下来为较长侧Al的贡献与较短侧Ad的贡献之和:

Asides = Al Ad = h cos@ | l sin(@-amp;) h cos @| d cos(@-amp;) （5） 太阳的角度是根据参数化计算的（可在网上获得，http：// www.jgiesen.de/SME/tk/index.htm）。定向角定义为长方体较长侧上的安装板面向的方向。

冷却项L和S的总和是屏蔽表面温度T和环境空气温度Ta的函数。它写成

L S =hu (T- Ta) Ac ho (T–Ta) Ac, (6)

6式中Ac为屏蔽体表面积，为实际换热面积;胡和ho分别是强制对流冷却和自然对流冷却的传热系数。系数ho是一个常数，因为自然对流定义为零风，完全基于浮力。ho的单位是wm2℃1。强制对流胡的传热系数通常用经验模型来描述(Incropera和DeWitt 1985)。

Hv=CVm, (7)

其中m为无量纲常数，系数C包含另一个无量纲常数C，导热系数k，空气粘度，普朗特数Pr:

C=(CPrk)/v

(8)

假设式(8)中所有参数在实测气温范围内均为常数。因此，C的单位是jm3°c1。结合方程式。(1)(5)(6)除以s，两个传热系数之和为

@=CVm h=RsAs/(T-Ta)Ac (9)

其中Ta可由基准(aspi额定)温度测量值代替，T为屏蔽HOBO温度。在这里，我们假设屏蔽体表面温度可以用HOBO传感器测量到的屏蔽体内部温度来代替。方程(7)右边的所有变量和风速V都是可用的，这就决定了三个经验常数C、m和ho

表1。所选规格的HOBO 12位智能传感器。

规格测量

范围40°至100°C

精度0.2°C从0°到50°C

分辨率0.03°C从0°到50°C

漂移0.1 yr1

响应时间2 min(在2 m s1移动气流中)

根据AB98中描述的回归分析。在自然通风罩中进行修正后的环境温度测量即成为

Tc= T-RsAs/@Ac。 (10)

3.实验装置

HOBO 12位智能传感器是一个内置a /D转换器的热敏电阻。它的数字输出记录在HOBO微型站的数据记录器上(Onset, part H21-002)。传感器被放置在HOBO太阳辐射防护罩内，该防护罩安装在一个3米高的三脚架上(Onset, part M-TPB)。温度传感器的测量高度为地面以上2.6 m。传感器本身的精度根据制造商的要求为0.2℃(表1)，响应时间规范为2 min，由Whiteman et al.(2000)和NM05的研究结果近似确认。这对于测量水平温度梯度来计算对流通量是足够的。我们也不期望在3.5 km的研究区域内，空间平均值会以更快的速度变化，因为空间平均值就像一个低通滤波器。

测量是在加拿大安大略省渥太华西南部(45°18 13 N, 75°46 12 W, 88 m MSL)的农田上进行的。观察期间为2007年5月17日至6月20日。在这片土地上种植了小麦、玉米、大豆、草和紫花苜蓿。25个HOBO传感器分布在3.5公里的区域内，形成一个规则的5.5网格。在我们的设置中，所有25个传感器的HOBO护盾的方向都是54°。该电网的中心位置位于700米的高空300米面积大草原。除了HOBO传感器-数据记录仪组合，该站点还配备了063型高精度温度传感器(MetOne Instruments, Inc.， Grants Pass, Oregon)，在076B型辐射防护罩中，也由MetOne生产。该系统由于其风扇吸风罩将辐射误差减小到0.03℃ 根据制造商(MetOne Instruments 1997)。这种极低的误差通过屏蔽结构得到了保障，包括如图大伞形盖板直径51厘米，三面墙，双跨面罩底部朝向地面，流速较大，为37.7 L min 1

图1所示。25个自然通风式HOBO传感器与1个吸入式MetOne基准传感器(右侧)的对比预实验。

此外，一个CSAT3声波风速仪(Campbell Scientific, Inc.， Logan, Utah)和一个CMA6一等反射率仪(Kippamp;Zonen, Delft, Netherlands)被部署在这个地点。所有这些传感器都布置在20米20米的区域。声波数据以20赫兹的采样率记录在Campbell CR23X数据记录仪上。所有慢响应传感器每30秒记录一次。

4.现场相互比较

为了估算现场条件下HOBO系统的精度，在主要实验中进行实际部署之前进行了并列对比。所有25个HOBO传感器与加拿大安大略省渥太华的加拿大农业中心实验农场和加拿大农业食品加工厂的吸气式农业生物传感器一起建立。 25个HOBO传感器设置在5乘 5格的10米乘 10米MetOne传感器位于该网格旁边2米处（图1）。为了确保与主要实验中后期部署相当的条件，所有传感器安装在面向相同方向的地面以上2.60米的高度，并且采样间隔设置为30秒。该系统于2007年5月2日和3日记录了空气温度。在此期间，温度范围为9.5°C至16°C。计算所有HOBO传感器的均方根误差（rmses），其中一个随机选择作为参考。 rmse值介于0.05°和0.14°C之间，中值为0.09°C。然而，HOBO测量值与风扇吸入的MetOne温度的最大偏差为 1.54℃。这清楚地表明有必要进行辐射校正。幸运的是，所有25个传感器都可以使用相同的辐射校正，因为HOBO单元的精度很高，而且所有防护罩都朝向同一个方向。然而，必须假设整个研究区域的入射短波辐射和风速是相似的，当从25个传感器计算空间平均时，可能的差异抵消了。测量区域的地形一般比较平坦，整个区域的高程变化只有几米。因此，常数V的假设是合理的。

5.结果与讨论

风速V和数值计算为30分钟平均值，以确定辐射校正的经验系数。的依赖关系

无论是风向还是太阳的方位角，如AB98所示，我们的测量都无法

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18758]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word