由浮标测量自然通风空气温度的辐射加热误差外文翻译资料

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

由浮标测量自然通风空气温度的辐射加热误差

【摘要】检查浮标安装，自然通风的空气温度传感器中的太阳辐射加热误差。来自具有多个辐射屏蔽的传感器和TOGA COARE（热带海洋全球大气耦合海洋 - 大气反应实验）和阿拉伯海混合层动力学实验中的三个浮标部署的并置，风扇抽吸式空气温度传感器的数据用于描述自然通风的测量。自然通风传感器的平均白天误差为0.278℃，最大瞬时误差为3.48℃。误差有时大于空气和海面温度的差异。这些误差导致在1〜4Wm 22的敏感和潜热流中的平均白天偏差和高达22W m22的瞬时误差。加热误差随着短波辐射的增加而增加，随着风速的增加而减小。辐射加热也被发现是太阳升高的函数，最大加热误差发生在大约458度的高度。提出了一种将辐射加热与对流和导电冷却平衡的传感器加热的简单模型。该模型可以用经验确定的系数和风速和短波辐射的观测来量化自然通风空气温度传感器中的辐射加热误差。

气候研究计划对船舶和浮标制造的海空气流的准确估计的需求增加，导致对精确地面气温测量的需求增加。在这些测量中，温度传感器元件的辐射加热是显着的误差源。一般来说，辐射加热误差将随着太阳辐射的增加而增加，随着风速的增加而减小（图1）。理想情况下，将使用连续吸气的温度元件来减少该误差。然而，驾驶商用吸气器所需的功率目前太大，远远不能在长期（.1-2个月）的海上远程部署中实用。相反，太阳辐射屏蔽通常用于浮标，作为最小可用的技术，以最小化空气温度测量中的辐射加热误差。热带太平洋地区（Hayes等人1991），60国家数据浮标中心（NDBC）浮标中的大约70个TAO阵列浮标和沿海和大陆架的60个沿海海洋自动化网络（CMAN）站点中的许多美国的水依靠自然通风的屏蔽来减少辐射加热的错误。由于这么多浮标运行时没有传感器，辐射加热的问题必须被认为是空气温度测量的误差源，并且被解决。

Gill（1983）开发了通常用于浮标空气温度测量的自然通风，多重辐射屏蔽。 这些盾牌是由吉尔设计的，以满足特定的性能标准。 温度元件的加热和冷却误差分别不超过6,18,68和638℃，风速分别高于5，2和0.5 m s21。 此外，屏蔽将承受40 m s21风，并在传感器上波浪破裂，而不会造成可测量的损坏。 该设计使用由白色PVC制成的12厘米直径的“饼盘”。 这些板可堆叠并完全覆盖传感器元件，将其从上方的直接辐射加热和下面的表面反射辐射遮蔽。

海面上的明显热量与空气温度和海面皮肤温度之间的差异大致成正比。 这个差异通常低于低纬度开放海域的28℃，这在这里提出的观察证明。 因此，空气温度测量中的小误差可能导致表面显热量估计值的显着误差。 本研究的目的是量化由浮标进行的自然通风空气温度测量的辐射加热误差。 来自三个单独的浮标部署的配置的吸入温度元素提供了量化观察到的误差的参考。 这些数据用于导出具有经验派生系数的简单热传递模型，导致定量辐射加热误差的算法。 使用这种模型，可以使用来自浮标的短波辐射和风速测量来校正观察到的空气温度测量。

明火热量项在海面总能量预算中的作用通常相当小，有时比潜热或短波辐射低一个数量级。因此，由于显热量的贡献小，所以测量空气 - 海温差的精度的提高似乎是不必要的。热带海洋全球大气（TOGA）耦合海洋 - 大气反应实验（COARE）的目标之一是将净热量估计在10 W m22以内（Webster和Lukas 1992; Fairall等1996a）。通过比较风扇抽吸和自然通风的空气温度传感器的显热量的估计，我们观察到高达22.5 W m22的瞬时误差。最近从TOGA COARE的自然通风传感器计算的显热量的研究并不认识到由于辐射加热误差引起的潜在偏差（Esbensen和McPhaden 1996; Lin和Johnson 1996）。必须解决这些错误，以便将敏感和净热量估计到所需的精度。

原位表面空气温度与大气模型产物的有效比较也受辐射加热误差的影响。 由于白天观察可能是可疑的，只能使用夜间测量来评估模型产品。 这限制了可用于比较的数据量和评估重要昼夜过程的能力。 除了绝对精度的问题之外，昼夜循环的形状可以以可预测的方式改变。 在低纬度地区，由于屏蔽几何形状，多数盾构的最大加热度不会发生在当地的太阳中午，而是在中午和下午。 由辐射加热误差引起的这种昼夜信号可能被误解为边界层过程的表现。 用于浮标上的自然通风传感器的用户需要了解辐射加热对空气温度测量的大小和影响。

第2节是本研究中使用的仪器和现场部署的综述。 第3节介绍了自然通风的空气温度传感器的观测和定量辐射加热误差。 第4节介绍了辐射加热和校正算法的简单模型。第5节介绍了在三次部署期间对观测应用校正的结果。

2.仪器和部署

所提出的观察数据来自于部署在热带西太平洋和阿拉伯海的三米铁饼浮标上的仪器（表1）。 热带太平洋测量是TOGA COARE的一部分（详见Weller和Anderson 1996）。 这个系泊部署在1992年10月21日至1993年3月4日期间的1568E，1.758S。该地区以高海拔高度（SST）和低风速（通常为3ms 21）而闻名，这是由罕见但强风的事件中断的 （.5 ms 21）与季节内振荡有关（Weller和Anderson 1996）（表2）。 阿拉伯海测量在1993年10月至1994年10月的两次背靠背6个月的部署期间，在阿富汗海岸15.58N，61.58E进行了测量（详见Weller等人1997）。 这个地区的特征是强烈的季风风，轻微的间生风，小海平面温差，通常天空晴朗（表2）。

这些浮标携带了两个独立的气象仪器包：矢量平均风速记录仪（VAWR）（Weller等，1990）和改进的气象（IMET）封装（Hosom等人，1995）。 VAWR使用热敏电阻元件来测量空气温度，该温度由Gill（1983）（R.M.Young 41002）的设计基于9板式辐射屏蔽屏蔽。 VAWR记录其7.5分钟采样周期的最后3.75分钟的平均温度。 IMET空气温度模块使用铂电阻温度计（PRT）并被12板式辐射屏蔽屏蔽。 IMET模块以1Hz离散采样并记录1分钟平均值。这些是浮标上的两个主要空气温度测量。从IMET湿度模块和独立湿度传感器（Way 1996）获得额外的空气温度观测值。这两种仪器都有一个与Rotronic MP 100相对湿度传感器并置的热敏电阻，该传感器位于由Gill多重辐射屏蔽包围的多孔Te fl内盖的内部。所有这些温度元素在伍兹霍尔海洋研究所校准实验室（Payne等，1976）中的准确度优于0.018C。多重辐射屏蔽是由R.M.Young，Inc。指定的，分别在3和2s和21s处的1080W m22的辐射强度分别产生0.48,0.78和1.58C的均方根空气温度误差。

除了自然通风的空气温度模块外，还在TOGA COARE浮标和两个阿拉伯海洋浮标（阿拉伯1和阿拉伯2）上部署了一个IMET吸气温度模块。 该模块由一个带有直流电机驱动风扇的RM Young Aspirated Shield（43408型）组成，12 V功耗为0.5 A，抽吸速率为3ms。该仪器具有不再有误差 比60.28C低于1080W m22从太阳辐射加热。

TOGA COARE浮标使用了一个对称气象塔，由一个具有三个臂的中央桅杆组成（图2a）。两个臂各支撑一对在平均水线以上2.6米的高度处的一对IMET空气温度和湿度模块。将VAWR空气温湿度模块倒置并连接到第二臂，高度为2.7米。 IMET吸气空气温湿度模块位于支撑结构的正下方，高度为2.6米。该模块从由太阳能电池板充电的浮筒中的电池中抽出电力。当测量的短波辐射低于200 W m22时，通过软件控制吸气器，从而节约能源（该控制系统未被用于未来部署，有利于连续吸气）。晚上没有使用吸气，编程错误在1200 LT下关闭吸气器半小时。愿望系统从1992年10月21日起运作了13天。

阿拉伯海浮标使用了一个具有大风向标的不对称塔（图2b）。自然通风的IMET和VAWR空气和湿度模块位于叶片的对面，在浮标的上风侧，高于平均水线2.7米的高度。然而，在低风中，浮标叶片不能提供足够的扭矩来将浮标旋转到风中。具有采样周期的自动空气温度/湿度模块（以下称为独立传感器）
的3.75分钟放置在浮标中心附近，高度为3.0米。 IMET抽吸空气温度（无并置湿度）位于2.2米高度的支撑结构的正下方。专用电池电源连接到吸气器，为连续（昼夜）操作提供足够的电力约2个月。第一个浮标（阿拉伯1号）于1994年10月15日部署，吸引者跑了59天。第二个浮标（阿拉伯2号）于1995年4月22日部署，吸引者运行了51天。

在本研究中使用的明显和潜在的热流体使用空气动力学散装公式估计（Fairall等人1996a）。在TOGA COARE的热带地区，将这些公式进行了调整，估算热流量在10 W m22以内。该算法基于Liu等人开发的方法。 （1979）对低风化度进行了修改，但不限于此。使用Fairall等人的参数化来估计这些公式中使用的海面皮肤或“凉爽的皮肤”温度（即，海洋的上几毫米的温度）。 （1996年b）。流量计算的特定湿度来自于用于阿拉伯海数据的屏蔽，并置的相对湿度和空气温度传感器以及TOGA COARE的抽吸搭配对。除了不同的空气温度测量之外，相同部署的所有流量计算都使用相同的输入变量（例如风速，海面温度，特定湿度等）。相对于参考热量（根据抽吸空气温度估计的流量），报告了由于辐射加热引起的敏感和潜在热流的误差。我们选择使用海洋学习惯例，正面热流与海洋加热和大气降温有关。

3.观察

从各种传感器测量的典型的2天时间序列的空气温度示出了辐射加热（图3）。数据来自阿拉伯1，在中等，接近恒定的风和晴朗的天气期间。四种自然通风测量与夜间吸气温度吻合良好，平均夜间偏差小于0.018℃，标准偏差小于0.078℃（表3）。因此，传感器元件本身被很好校准。在白天，看到各种温度测量分歧。吸气传感器报告最低的白天温度，而IMET空气温度报告最大，在此2天时间内达到吸气温度以上最高1.358℃。独立单元执行自然通风传感器中最好的。该单元位于较高的位置，比其他传感器更容易暴露在风中。吸气和自然通风传感器之间的差异的平均值和标准偏差见表3.注意TOGA
COARE VAWR传感器迄今为止最大的白天偏差。用于该仪器的传感器元件在用于实验的多重屏蔽中反转，这不允许充分的屏蔽和通风。

也在图1中示出。 3是在0.89米的深度测量的海洋温度和估计的表皮温度（Fairall等人1996b）。抽吸的空气温度保持在或刚好低于皮肤温度。这些观察结果与不稳定或接近中性的边界层一致。所有自然通风的空气温度在2天的某一时间点内，明显高于皮肤温度。在这些时候，使用自然通风测量计算的空气 - 海温差和显热量是错误的，如图1所示。 4A。在三个部署期间，来自自然通风的传感器的瞬时显热估计具有22.5W m22的最大误差。潜热值的变化仅估计了空气 - 海洋温度差异的变化对边界层稳定性的影响，空气 - 海洋湿度差异不大（图4b）。平均潜热值远远大于明显的热流量，但日间平均误差几乎与大小相同（表4和表5）。这些白天偏差有助于估计潜热和明显热量引起的平均白天海洋降温减少0.5-8.6 W m22。

自然通风测量的平均昼夜周期（图5）和昼夜范围（表3）也显示了辐射加热误差的明确证据。辐射加热导致昼夜范围误差，几乎与真实的昼夜温度范围一样大。空气和海面温度之间的差异在阿拉伯1期间平均足够小，即天然气通风传感器的平均白天气温大于皮肤温度。除偏倚之外，平均昼夜周期的形状也通过辐射加热显着改变。在阿拉伯1号中，广泛的最大吸气温度位于1200和1500 LT之间，而几个自然通风传感器报告中午最大值和下午减少。在阿拉伯国家2，吸入的温度在下午（1700 LT）下午有明显的最大值，而所有自然通风的传感器都报告了在中午和下午发生的双峰。

昼夜循环中这种形状变化的一部分与太阳能加热对屏蔽几何形状和太阳高度的敏感性有关。吉尔（1983）报道：“所有盾牌的最大加热发生在408到708的太阳[海拔]。（这不是预期，但似乎没有什么重要意义。）”然而，这种灵敏度有直接的影响关于自然通风空气温度传感器的日间循环误差。考虑到阿拉伯1和2部署的情况，其平均昼夜周期在图1中给出。 5.在观察期间，当太阳在1200 L左右几乎直接高空时，阿拉伯两国的测量在5月15.58N进行。所有非吸气阿拉伯二气温相对于吸气温度具有明显的中午和下午峰值（图6）。如果采样周期是在太阳每天直接通过天花板的一年的时间内，则Gill建议的辐射加热误差在1200 LT相对于中午和下午会降低。这个在阿拉伯数据中，双峰值信号并不明显，这是在11月当太阳高度从未达到668以上时所采取的。在独立温度下，更为微妙的双峰最为明显，因为浮标位置足够高以最小化由于其他仪器的阻风或太阳阴影引起的变异性。因此，与Gill（1983）的陈述相反，辐射加热对太阳升起的敏感度对于研究大气边界层日间循环的敏感度是非常重要的。在下一节描述的模型中进一步探讨这个问题。

相对湿度传感器元件也经常放置在自然通风的辐射屏蔽中。理论上讲，如果传感器元件周围的空气相对于周围空气加热，相对湿度会发生变化，但是特定的湿度将保持不变。因此，如果已知相对湿度传感器的空气温度，那么特定的湿度估计不应受辐射加热的显着影响。在每个实验中部署了配置的空气温度和相对湿度传感器。比较了由并置的屏蔽和并置吸气温度和相对湿度传感器计算的特定湿度，以确定辐射加热对湿度测量的影响，从而确定潜热流。尽管屏蔽空气温度测量中存在辐射加热误差，但并置的屏蔽和并置吸气特定湿度一致。在1992年10月25日UTC TOGA COARE期间（图7），自然通风的空气温度较高，相对湿度低于吸入传感器对由于辐射加热的相应测量值。然而，每个传感器对的特定湿度保持一致。这些观察结果表明，空气温度和相对湿度传感器的搭配
可以最小化衍生的特定湿度中的辐射加热误差。如果保存了特定的湿度并精确测量了环境空气温度，则简单的计算将产生环境相对湿度。注意，在图1中的特定湿度时间序列中0.2g kg21的表观偏移量。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[26887]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word