基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()、江苏省产学研合作项目(B Y )、江苏省研究生科研与实践创新计划项目(S J C X _ )和江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(Z)资助作者简介:葛祥建(),男,硕士研究生主要从事气象传感器设计与应用研究工作基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究葛祥建,杨杰,朱化难,胡晨浩,丁仁惠(南京信息工程大学,江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京 ;江苏省气象探测中心,南京 )摘要:受太阳辐射影响,地面气温观测仪器测量值与自由空气真实温度偏差较大,误差达量级.基于此,文章设计了一种既可以有效阻挡太阳辐射直接照射测温探头,又可以引导气流流向测温探头的地面气温观测仪器.经实验验证,文章研制的气温观测仪器的测量结果与基准值之间的平均绝对误差和均方根误差分别为 和 ,达到了 量级的技术要求.关键词:地面气温;辐射误差;气温观测仪器;计算流体动力学;神经网络中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:X()D e s i g na n dr a d i a t i o ne r r o r r e s e a r c ho f t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o ni n s t r u m e n tb a s e do nc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sm e t h o dG eX i a n g j i a n,Y a n gJ i e,Z h uH u a n a n,H uC h e n h a o,D i n gR e n h u i(N a n j i n gU n i v e r s i t yo fI n f o r m a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g y,J i a n g s uC o l l a b o r a t i v eI n n o v a t i o nC e n t e rf o rA t m o s p h e r i cE n v i r o n m e n t a n dE q u i p m e n tT e c h n o l o g y,N a n j i n g ;J i a n g s uM e t e o r o l o g i c a lD e t e c t i o nC e n t e r,N a n j i n g )A b s t r a c t:A f f e c t e db ys o l a rr a d i a t i o n,ar e l a t i v e l yl a r g e rd e v i a t i o no c c u r sb e t w e e nt h ev a l u em e a s u r e db yg r o u n dt e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o ni n s t r u m e n ta n dt h et r u et e m p e r a t u r eo ff r e ea i r,r e a c h i n g m a g n i t u d e B a s e do n t h i s,ag r o u n d t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o n i n s t r u m e n t i sd e s i g n e d i n t h i sp a p e r,w h i c hc a nb eu s e dt oe f f e c t i v e l yp r e v e n tt h es o l a rr a d i a t i o nf r o mi r r a d i a t i n gt h et e m p e r a t u r ep r o b ed i r e c t l ya n dg u i d et h ea i rf l o wt o w a r d st h et e m p e r a t u r ep r o b e I ti sv e r i f i e db ye x p e r i m e n tt h a tt h em e a na b s o l u t ee r r o ra n dr o o t m e a n s q u a r ee r r o rb e t w e e nt h er e s u l t sm e a s u r e db yt e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o ni n s t r u m e n td e v e l o p e d i n t h i sp a p e r a n d t h eb a s ev a l u e a r e a n d r e s p e c t i v e l y,r e a c h i n gt h e t e c h n i c a l r e q u i r e m e n to f m a g n i t u d e K e yw o r d s:g r o u n dt e m p e r a t u r e;r a d i a t i o ne r r o r;t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o ni n s t r u m e n t;c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s;n e u r a ln e t w o r k引言目前,气候变化正在以多种方式影响着地球,气温上升的水平直接决定了气候变化的多种特征.年,政府间气候变化专门委员会(I P C C)发布的 全球升温 特别报告 强调应把全球气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 平均气温升高的幅度控制在较工业化前的 之内.年,I P C C发布的最新评估报告指出,自 年以来,全球平均气温已上升约,并 指 出 若 按 照 目 前 升 温 趋 势,在 年预计达到或超过 这一控制目标.该报告指出除非立即、迅速和大规模地减少温室气体排放,否则将气温升高幅度限制在 甚至是内都将无法实现.由于气温每 a升高(),为定量研究温室气体、气溶胶和太阳辐射等因素对气候的影响,地面气温观测的准确度需提高至 量级以内 .由于太阳直接辐射、散射辐射、地面反射的短波辐射及其他各类辐射的影响,温度传感器的测量值偏离了自由空气真实温度,尤其是白天强日照将 使仪器的观 测结果明显 高于空气真 实温度.为减少各种辐射对温度传感器产生的加热影响,通常会将温度传感器放置在百叶箱或防辐射罩内部.然而,百叶箱或防辐射罩仍会产生一定的辐射升温,导致流入百叶箱或防辐射罩内部的空气被加热,从而引起温度传感器的观测值高于外部自由空气真实温度,产生辐射误差.此外,由于百叶箱或防辐射罩结构不利于空气流通,内部风速仅为外部风速的/,也会导致辐射误差进一步加大.国内外研究表明,百叶箱或防辐射罩的辐射误差约 量级,人工通风防辐射罩的辐射误差约 量级 .辐射误差已成为影响地面气温观测准确度的主要误差之一.文章设计了一种地面气温观测仪器,以期有效阻挡太阳辐射直接照射测温探头,并引导气流流向测温探头.地面气温观测仪器设计 流体动力学模型构建地面气温观测仪器由防辐射罩、导流装置和传感器探头组成(图).防辐射罩包含上下遮光板,其外表面镀铝,反射率约为 ,遮光板内表面涂覆有黑色涂层,吸收率约为 ,能够有效降低二次辐射对传感器探头的影响.遮光板半径为 m m,边界倾斜角度为 ;导流装置半径为 m m,边界倾斜角度为 ,可有效引导气流流向传感器探头,加速辐射热扩散,实现降低辐射误差的目的.导流装置为白色塑料材质,能够有效减少辐射热的积聚,降低其对传感器探头的热传导影响.遮光板;导流装置;传感器探头;导流装置;遮光板;空气域;气流出口;太阳辐射;气流入口.图地面气温观测仪器计算流体动力学模型及其结构示意图文章通过C F D方法建立气温观测仪器及其内外空气域的物理模型.并将模型导入网格划分软件I C EM中进行网格划分,最终模型网格数约 万,网格质量大于.温度场和流场分析运用C F D方法对气温观测仪器进行流固耦合多物理场数值仿真分析.利用多物理场传热分析软件F l u e n t对各模型进行数值计算,选择k e p s i l o n标准湍流模型、S I M P L E算法、二阶迎风模式进行求解 .在数值仿真过程中,将太阳直接辐射强度p、气流速度v、太阳高度角A、下垫面反射率f、传感器的外表面反射率、传感器的内表面吸收率、下垫面向上长波辐射强度p、散射辐射强度p和气象站 海 拔H分 别 设 为 W/m,m/s,W/m,W/m和k m.气温观测仪器材料特性基本参数值如表所示.第期葛祥建,等:基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究表地表温度传感器材料特性参数材料密度/(k gm)比热容/(Jk gK)导热率/(WmK)铝 塑料 铜 基于上述气象环境参数和材料特性参数,获得气温观测仪器的温度场和流场分布情况(图).从数值仿真结果可知,当气温观测仪器外部自由空气的气流速度为m/s时,由于导流装置可引导气流流向传感器探头,传感器探头周围空气的气流速度增加至 m/s,气流流通速度提升约 .内部温度传感器探头被辐射加热了仅 .图气温观测仪器温度和流场分布图辐射误差修正方程 不同环境因素对辐射误差的影响影响大气温度观测精度的因素主要包括太阳辐射、下垫面反射辐射、下垫面长波辐射、散射辐射、空气密度、太阳高度角和风速,运用C F D方法对不同气象环境条件下气温观测仪器进行多物理场耦合传热分析,气象环境参数变化范围设置如表所示.表气象环境参数环境参数太阳辐射/(W/m)下垫面反射率长波辐射/(W/m)散射辐射/(W/m)海拔/k m太阳高度角/()风速/(m/s)变化范围 变化步长 通过数值计算获得不同气象环境条件下辐射误差结果如图所示.根据图可知,随着太阳辐射强度、下垫面反射率、长波辐射、散射辐射、海拔等环境变量的增加,气温观测仪器的辐射误差也会随之增大.由于测温仪器外表面反射率约为 ,因此可有效降低太阳辐射、反射辐射以及长波辐射对测温仪器的影响.在风速为 m/s条件下,太阳辐射强度从 W/m变化为 W/m时,对应的辐射误差从 增加到 ;下垫面反射率从 变化为 时,辐射误差从 增加到 ;长 波 辐 射 强 度 从 W/m变 化 为 W/m时,对应的辐射误差从 增加到 .由于测温仪器难以阻挡散射辐射,因此散射辐射误差增幅较大,在风速为 m/s条件下,散射辐射从 W/m变化到 W/m时,对应的辐射误差从 增加到 .由于空气密度随着海拔的增加而变得稀薄,空气散热能力会随之降低,因此在不同海拔,测温仪器受到的辐射影响也不同,海拔越高,辐射误差越大.在风速为 m/s条件下,海拔为和k m对应的辐射误差分别为 和 .在风速为 m/s条件下,太阳高度角为 ,和 对应的辐射误差分别为 ,和 .当气流速度增大时,测温仪器的内部散热也会增加,辐射误差均会显著降低.当风速大于 m/s时,辐射误差均小于 .气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 图不同气象环境条件下辐射误差数值计算结果 辐射误差修正方程受计算机硬件和计算时间的限制,C F D方法仅能得到有限数量的辐射误差数值,为了量化任意环境下气温观测仪器的辐射误差,文章提出利用神经网络算法将C F D方法得到的辐射误差数值结果进行学习计算并拟合,得到辐射误差T与风速v、太阳辐射强度p、下垫面向上长波辐射强度p、散射辐射强度p、气象站海拔H、太阳高度角A和下垫面反射率f之间的修正方程如下:Tp u r e l i nt a n s i g(vwipwipwipwiHwiAwifwii)wk ik()式中,t a n s i g函数和p u r e l i n函数的表达式如式()和式()所示:t a n s i gxe x p(x)()p u r e l i nxx()式中,输入层神经元和隐含层神经元数量分别为和,输出层神经元数量为,wi,wi,wi,wi,wi,wi和wi,分别为v,p,p,p,H,A和f对应的由隐含层到输入层的权值;wk i为由输出层到隐含层的权值;i为隐含层阈值;k为输出层阈值.为了验证基于神经网络算法的修正方程的准确性,在C F D仿真值中随机选取 个样本作为测试样本,并将选取样本值所对应的环境变量导入辐射误差修正方程中进行计算,最后将相同环境变量下的辐射误差样本值和修正方程预测值进行对比并计算出者的差值.修正方程预测值和样本值的差值主要集中在 .因此,基于神经网络算法得到的辐射误差修正方程的拟合准确性较高,可进一步提高气温观测仪器的测量准确度.实验测试与结果分析 实验平台搭建为验证气温观测仪器的测量精度,在中国气象局气象探测中心(南京)观测基地(N,E,海拔为 m)搭建了外场辐射误差测试平台.选取晴朗的气象条件开展了温度观测比对实验,以 B强制通风气温观测仪器的测量值作为参考温度.实验海拔为 m,采用太阳总辐射传感器和风速风向传感器分别测量温度传感器接收到的太阳辐射强度和风速,由于其下垫面为草地,假设下垫面反射率为.地面对于长波辐射的吸收率接近常数,故可认为地面为灰体.设地面温度为tg,若下垫面向上的反射率为 ,则下垫面长波辐射强度可由公式()计算.Il,tg()式中,为辐射标准差.太阳辐射强度、风速、长波辐射强度、基准温度和仪器测量温度如图所示.图环境参数观测值第期葛祥建,等:基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究 实验结果分析地面气温观测仪器的测量值与 B强制通风气温观测仪器测量值之差为辐射误差实验值.将各环境参数代入修正方程,并对辐射误差实验值进行修正得到辐射误差修正值.辐射误差实验值与修正值结果如图所示.图辐射误差修正值与实验值对比辐射误差实验值与修正值之间的绝对误差和均方根误差分别为 和 .气温观测仪器经过辐射误差修正方程修正后,可提高测温准确度至 量级.结束语文章利用C F D方法设计了一种地面气温观测仪器,并利用神经网络算法设计了与地面气温观测仪器相配套的辐射误差修正方程.相较于传统百叶箱和防辐射罩,文章设计的气温观测仪器具有较好的通风效果.气温观测仪器的辐射误差实验值与修正值之间的绝对误差和均方根误差分别为 和 .结合辐射误差修正方程,有望将辐射误差降低至 量级.参考文献:Y a n gD,Z h a n gH,L i J C h a n g e s i nc o n c e n t r a t i o n so ff i n ea n d c o a r s e p a r t i c l e s u n d e rt h e C O i n d u c e dg l o b a lw a r m i n gJ A t m o s p h e r i c R e s e a r c h,:Z a r a k a sC M,S w a n n A LS,L a g u M M,e ta l P l a n tp h y s i o l o g yi n c r e a s e st h e m a g n i t u d ea n ds p r e a do ft h et r a n s i e n t c l i m a t e r e s p o n s e t oC Oi nC M I P e a r t hs y s t e mm o d e l sJ J o u r n a l o fC l i m a t e,():D a g a nG,S t i e rP,W a t s o n P a r r i sD A e r o s o l f o r c i n gm a s k sa n dd e l a y s t h e f o r m a t i o no f t h eN o r t h A t l a n t i cw a r m i n gh o l eb y t h r e ed e c a d e sJ G e o p h y s i c a lR e s e a r c hL e t t e r s,(),d o i:/G L D e n gJ,D a iA,X u H N o n l i n e a rc l i m a t er e s p o n s e st oi n c r e a s i n gC Oa n da n t h r o p o g e n i ca e r o s o l ss i m u l a t e db yC E S M J J o u r n a l o fC l i m a t e,():T r e n b e r t h K E,F a s u l l oJ T G l o b a lw a r m i n gd u et oi n c r e a s i n g a b s o r b e d s o l a r r a d i a t i o nJ G e o p h y s i c a l R e s e a r c hL e t t e r s,(),d o i:/G L 赵宗慈,罗勇,黄 建斌地球 能量 失 衡与 全球 变暖J气候变化研究进展,():王振会新编大气探测学M北京:气象出版社,杨显轲,严家德,郭建侠,等百叶箱内部风场特征仿真分析J气候与环境研究,():徐伟,胡振勤,夏立,等轻型百叶箱和玻璃钢百叶箱气温对比研究J气象,():L o p a r d o G,B e r t i g l i aF,C u r c iS,e ta l C o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t h e i n f l u e n c eo f s o l a r r a d i a t i o ns c r e e na g e i n go nt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t sb y m e a n so f w e a t h e rs t a t i o n sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fC l i m a t o l o g y,():王晓蕾,韩有君温湿度传感器防辐射罩研究J气象水文海洋仪器,():T h o m a s C K,S m o o t A R A ne f f e c t i v e,e c o n o m i c,a s p i r a t e dr a d i a t i o ns h i e l d f o r a i r t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o n sa n d i t s s p a t i a lg r a d i e n t sJ J o u r n a lo fA t m o s p h e r i ca n dO c e a n i cT e c h n o l o g y,():李颖,牛萍娟,刘宝丹基于B P神经网络的氢气传感器数据拟合与研究J现代电子技术,():林梅辉基于C F D仿真的海床基防掩埋技术研究J气象水文海洋仪器,():刘洋,行鸿彦,侯天浩基于温度传感器阵列的圆型热式测风仪设计J气象水文海洋仪器,():盛裴轩,毛节泰,李建国,等大气物理学M北京:北京大学出版社,