辐射对安装在瑞士无线电探空仪上的温度传感器的影响外文翻译资料

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大气与海洋科技学报 卷20

辐射对安装在瑞士无线电探空仪上的温度传感器的影响

多米尼加共和国

气象站，MeteoSwiss，(法)佩耶纳，瑞士

JUERG JOSS

洛迦诺 - 蒙蒂天文台，MeteoSwiss，洛迦诺 - 蒙蒂，瑞士

（手稿于2002年6月10日收到，最终形式是2003年3月20日）

摘要：瑞士无线电探空仪（SRS400）用非常薄的铜 - 康铜热电偶测量空气温度。对可见光和红外辐射的影响以及气压对测量温度的依赖性进行了分析。在简要回顾了对流，扩散和辐射传热后，提出了两种独立的估量探头传感器与其环境温差的独立方法：1）实验室实验，其次是2）高空气象探测调查结果的统计分析。发现了理论、实验室实验和统计分析（基于昼夜差异）之间良好的一致性。辐射总体影响在100 hPa时约为0.8 K（10 hPa时为1.8 K）。在高海拔（低压）下，扩散热传递等于通过对流传播。因此，扩散项不应该被忽略，因为较大的传感器或大气压接近地面通常是合理的。作为将实验室中的实验应用于公式 （1），与其他影响相比，长波辐射的影响可以忽略不计。

基于本文的结果，计算了二次多项式，以校正由辐射引起的偏差对测量温度的影响。这种校正在操作上成功的应用于使用SRS400进行的白天探测。

1 引言

自1991年以来，瑞士无线电探空仪（SRS400）已被用于瑞士佩雷恩气象站的运行服务。 其主要特征可以在Ruppert（1999）中找到。 它直接根据物理规律使用温度和压力传感器。 温度用热电偶（Hoegger等，1999）测量，用低温计测量压力（测量水的沸腾温度; Richner等1996），湿度与碳氢化合物测量。

SRS400探头的热电偶由直径为0.063 mm的铜线（图1）焊接的0.05 mm直径的康铜线制成。与较大的双金属温度计（Luers 1990; Luers和Eskridge 1995）相比，其小尺寸具有优势 - 减少了辐射引起的误差并改善了时间响应（Hoegger等，1999）。然而，辐射对温度传感器仍然具有可测量的影响。各种相互比较的运动显示了SRS400与其他系统之间显着的偏差，以纠正辐射的影响，瑞士探头测量的平均气温比其他温度更高。例如，Schmidlin等（1995）报道了SRS400与三热敏电阻参考传感器（维萨拉RS-80传感器与相同参考值之间的1 K）在10 hPa时的2 K的白天温差。此外，Haimberger（2003）也观察到SRS400与欧洲中远程中型天气预报（ECMWF）模型输出之间的系统偏差。通过使用客观插值法比较SRS400探测与数值再分析，他能够在50 hPa显示出0.5-1 K的系统月平均偏差。该分析使用3.5年的数据集（1991-94）进行。

由于不可能将测量的温度曲线与绝对参考进行比较，所以选择了两种估计辐射效应的间接方法。 首先，各种实验室实验表明SRS400温度传感器在各种压力水平下对辐射可见（短波）和红外（长波） - 反射方向，传感器涂层和传感器尺寸的反应。 这些实验室实验与专门的气象探测有关。 然后，讨论了基于昼夜温差的平流层差异的统计方法（即，传感器上有和没有短波太阳辐射）。 在介绍和评论这两种方法之前，温度传感器及其环境之间的热传递的一些理论方面将在以下部分中介绍。

图1。 SRS400温度传感器 （左）热电偶的两个部件和（右）SRS400探头的总体视图，温度传感器位于探头左上角的458度。

2 传热关系，包括扩散

辐射效应的计算基于传热方程（参见例如Schmidlin等人，1986），修改为长圆柱形线:

, (1)

h=h_c h_d=heat通过对流h_c和扩散h_d转移(WK^-1)； T = 真实的空气温度(K）；T_x = 由传感器测量的空气温度(K)；A = 暴露在阳光下的传感器的面积(m²)用d*l计算，传感器的直径和长度(m)；T_c =从地球和大气到传感器的红外辐射（Wm^-1）的等效温度；0.4，实验估计的传感器的红外辐射发射系数；=0.73，实验估计太阳辐射吸收系数；S=在传感器上来自太阳附带的全球辐射(Wm^-2)；=斯蒂芬-玻尔兹曼常数(JK^-1)；而=云层和地球的反照率【平均值由Ohmura和Gilgen（1993）估计为约30％】。

表格1. 雷诺数（Re）对于各种声音（传感器直径）与压力水平和上升速度位V_S=5m/s的温度有关

由等式(1)知，温度偏差可以表示为

. (2)

传热系数的值(WK^-1)在等式(2)中，按照McMillin等 （1992）修改为包括通过空气扩散而损失的热量：

， (3)

其中=空气导热系数(Wm^-1K^-1)，如Mason（1971）所表达的那样。 注意，k独立于压力，只要分子的自由路径短于传感器的尺寸就是真实的：

, (3a)

系数和由传感器的几何形状决定。 对于SRS400，它们已经在真空室中确定（第3节和表3）。

雷诺数Re被计算为

. (3b)

与其他类型的传感器相比，SRS400温度传感器的直径d极小。它影响表面A [等式(2)]和式中的雷诺数.(3b)。表1中的低雷诺数反映了粘性流动的重要性，并且通过扩散反映了热传递。在等式(3b)中，=探头的上升速率(m/s)，=空气密度(kg/m³)：

； (3c)

=压力(hPa)；=空气的粘度(Jsm^-3):

表格2. 云和温度的空气压力依赖于SRS400以及夏季和冬季的温度偏差DT。 最后一列给出了用公式(4)计算的DTyear,并且用于操作地校正白天辐射的影响的平均值。

. (3d)

在公式(3)中，m是表征雷诺数Re的热传递的依赖性的指数。

通过测量来自平滑冰雹模型前半球的局部热传递，Aufdermaur和Joss（1967）发现理论和实验在m = 0.5之间存在很好的一致性。这为4000gt;Regt;66000提供了验证。这种详细的分析得以更深入的了解现象。在Regt;16000的冰雹后部，或当湍流变得重要时，由于不同的转移类型，指数m增加。 关于湍流和粗糙度变得重要的简要讨论，读者可以参考Joss和Aufdermaur（1970）。

通过类比，m = 0.5的值是从微小热电偶到其环境的热传递的对流部分的良好估计，其具有小的Re和湍流（在温度传感器的尺度上）。 该结果在第3节中描述的实验室实验中验证。然而，因为扩散贡献（独立于风速）在低雷诺数下显着,方程式(3)中的总体指数m显着小于0.5。

使用上述方程式，计算了两个典型中纬度曲线（见表2），测得的空气温度与真实空气温度之间的差值DT。 温度曲线以及相应的DT如图1所示。 发现夏季和冬季之间的惊人的小差异。 影响传热的主要因素是空气压力与高度的变化。 云以及探头的温度对的影响相对较小。

表3.真空室内的参数和变化范围。使用真空泵控制压力，在闭环风洞中具有电动呼吸机的真空室中的风速，以及具有来自外部的通过窗口（对短波辐射透明）的人造光源的辐射强度。根据所需的角度选择传感器在腔室中的位置。

3 实验室实验

公式(3)中的系数和，根据传感器的几何结构，在真空室中使用人造光源来估计短波太阳辐射（表3）。线的直径，风速和压力已经变化。对于与其直径相比长的圆柱形导线，通过回归求出=1.21和=1.92的值。

知道从热电偶到环境空气的热传递，真空室与人造光源（表3）一起使用，以及在晴朗的日子使用太阳，以确定短波辐射的吸收(=0.73)。

通过使用提供约3kW m22红外辐射的电加热器的测试，估计对传感器的红外辐射效应。 发现红外（）的发射率在0.2和0.6之间。 这种大的实验不确定性对测量的温度没有显着的影响。 即使在10 hPa的空气压力和2608和08C之间的云温度下，发现小于0.1 K的小红外线影响。 红外辐射的影响减小，因为2608C的热电偶的辐射损耗进入全部空间大约补偿了来自大约2308℃的云层的半空间的辐射增益以及空间的下流辐射（等效黑体温度低于21008℃ ）。

这些实验室实验的结果与使用特殊声环（装备有各种尺寸的多个温度传感器以及在探头上和周围的合适位置）进行的气象探测的结果相结合。 主要的不确定因素及其相对重要性可概括如下。

• 热电偶周围的表面类型。绝缘，镀锡或镀银，残留在两根电线的5 mm长的部分上，将太阳辐射效应提高了约1.3倍（5毫米是电线影响区域的影响程度的数量级）。
• 太阳在传感器上的入射角。 太阳辐射垂直入射到传感器上的影响最大，相对于其平均位置为约1.3。
• 两根电线之间焊接的质量。 与干净，有光泽和小的焊点相比，较差的肮脏的大焊点将辐射的影响提高了约1.2倍。
• 铜线的直径。 使用0.063毫米的铜线而不是0.050毫米，将辐射效应提高到约1.2倍。
• 热电偶形状。 对于“十字架”的形状，发现一种比“线性”形状大1.05倍的辐射; 另见Daniels（1968）。

通过累积所有这些偏差，并添加地球云反照率和污染物的附加效果，如气球和泡沫塑料盒，发现约3的因子为商的最大值。这使我们预期，对于个别单个估计的声音，标准偏差约为2倍。平均来说，如果可控参数没有改变，则重现性以及绝对误差显着较小。

使用实验室学到的经验教训，连同理论，并使用我们的专业声音知识（例如，补偿热电偶）以及昼夜温差的结果（见第4部分），用二次多项式计算代表一个平均的概况：

. (4)

如第2节已经提到的，只有通过将温度包含在公式(4)中可以获得较小的改进。这个结论可以通过传感器的小尺寸和另外两个事实来解释：1）接近地面，在高大气压下，近似值很好，因为微小传感器周围的对流有效地消散了辐射所带来的能量；和2）在高海拔地区，观察到相对较小的温度变化和太阳辐射。

表2的最后一列表示用公式(4)计算的的值。它简单，稳健，用于纠正瑞士行动侦察中白天辐射的平均影响。对于温度的单个估计，围绕这些值的最大变化来源是由传感器暴露于太阳的变化引起的。这种波动是不可数量的，也不是我们所知的。通过平均每3秒采样的许多温度估计，同时探头围绕其垂直轴转动，可以减少其影响。平均偏差使用公式（4）。由于温度传感器尺寸小，误差本质上较小;因此，云盖的变化以及热电偶周围表面的精确形状和纯度与前者较大的传感器相比并不重要。为了详细分析热电偶形状的影响，读者可以参考Daniels（1968），他们在环境压力下实验研究了辐射的影响。他给出了如何构建复杂和多个热电偶的说明，这些热电偶可以补偿辐射效应。对于我们的操作应用，当减少电线尺寸时，发现了更好的成本/效益比，而不是使用相当复杂的传感器来尝试补偿辐射效应。可以通过降低可见光温度传感器的吸收系数来实现辐射的进一步减少。这方面的第一次实验已经取得了成功。

图3.在SRS400温度传感器上以mW cm^-1的辐射影响计算：（左）红外辐射对空间（空心圆）的绝对影响，云层（实心圆）的红外线，从云（空心三角形）可见，可见太阳（实心三角形）（右）对流（实线）和扩散（虚线）的估计相对贡献。

在较低的空气压力下，必须考虑通过从传感器扩散到周围空气的热传递的贡献。 为了估计变量对热传递的相对贡献，必须进行若干假设，例如从Payerne以上的气候特征估计的云气温度，以及从Ohmura和Gilgen（1991）获得的平均云反照率为30％。 使用表2中给出的温度，对各种压力水平估算环境和热电偶之间的热传递。对于SRS400，辐射成分在等式 （1）以及云反照率和对流和扩散的相对贡献如图1所示。 请注意，对于这种类型的传感器，通过扩散在10 hPa附近的传播与通过对流的幅度相似。

公式(4)的应用有效统计学校正平均偏差。在操作条件下，我们将获得较少的更详细的修正，因为对于太阳探头的瞬时展示，关于热电偶（焊点）的细节，关于主体的温度分布 探头，以及气球的瞬时影响。瑞士目前正在研究设计一种对辐射敏感度更低的热电偶。由于这样做可以减轻问题的根源，它不仅会减少平均偏差，还会降低单个估计误差。

表4.最高的昼夜和半日潮，对温度和各种高度的潮汐影响，纬度为458N（Lindzen，1968）。 50公里级别对应于最大理论潮汐效应。

4 统计方法

结果表明，实验室实验验证了理论。然而，如前所述，由于难以复制或模拟影响温度测量的高原条件而引起的不确定性。各种类型的云，底层地形的外观和无线电探空仪包本身确实是难以理解的变量。为了有另一种比较的方法，执行了完全独立于前一个统计方法的统计方法。用于确定辐射对温度传感器的影响的常用方法是将夜间记录的探测（没有任何短波辐射效应，黑暗中的探头）与白天进行的探测比较（参见例如，宝石和手指1960; Zhai and Eskridge 1996）。通过这种方法，白天和黑夜之间的平均温度差异被认为是由于（并代表）一年的辐射误差引起的。然而，白天和黑夜之间的

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