防辐射罩与百叶箱温度观测差异性分析

2015-08-23丁善文于成献陈叶婷

海洋气象学报 2015年3期

关键词：防辐射最低气温差值

袁超，丁善文，于成献，陈叶婷

（泰安市气象局，山东泰安 271000）

防辐射罩与百叶箱温度观测差异性分析

袁超，丁善文，于成献，陈叶婷

（泰安市气象局，山东泰安 271000）

通过统计和整理国家气象观测站与其周围约10km范围内4个区域自动站 2012年的温度数据，对比分析处于不同防辐射罩内的温度传感器的观测资料。指出两者之间的差异及其差异性存在原因和影响因素。讨论了通风对低温观测的影响。

防辐射罩；百叶箱；差值分析；相关系数

引言

由国家气象观测站和区域站气象信息短信报警系统发现，高低温报警信息基本都出现在区域站，主观上认为不同防辐射罩对温度传感器有一定的影响。2007年7月25日至7月31日在吉林长春仪器设备厂进行两种防辐射设备的对比试验［1］。从设备仪器的角度分析了辐射误差及影响因素。结合防辐射罩与百叶箱的特性，通过观测数据对比分析，反映两种设备在实际观测应用中的差异。

图1　大监站与区域站地理位置分布图

1　资料来源与统计方法

对 2012年百叶箱和区域站防辐射罩温度样本观测数据进行对比分析。百叶箱位于泰安市新建的东平气象局国家气象观测站内（以下简称“大监站”）。大监站建在县城外，植被环境良好，没有城市热岛效应。区域站选取与大监站相距约10km的大洋、彭集、新湖、梯门四个站（图1），由4个区域站的温度平均值作为样本与大监站温度资料进行对比。

2012年大监站与区域站观测资料序列完整，其年平均气温差在0.2℃左右（其中三个区域站与大监站年平均气温小于 0.1℃），由于大监站与区域站周围环境比较接近，从而排除了外在环境的影响。世界气象组织在气象仪器与观测方法指南中指出：假如周围测站观测环境适合于进行良好的分析，则在一定时间周期内，在分析场内每个测点的平均误差可假定为零［2］。用四个防辐射罩区域站数据的平均值代表防辐射罩数据与大监站百叶箱数据进行比较有利于减少测站性能误差。

依据气象观测规范要求，对缺测的小时数据用内插法得到。如果小时数据缺测较多，用 02时、08时、14时、20时4个时次求平均。由此得出日平均气温、最高气温、最低气温、月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温。差值由防辐射罩气温减去百叶箱气温数据得到。由于大监站数据可靠，区域站距大监站比较近，风速用大监站月平均风速代替各站风速数据。

由于防辐射罩与百叶箱相比有体积小、结构简单、易于安装等特点，通常用于区域自动站。防辐射罩分为自然通风和强制通风两种形式，文章所用站点全部采用自然通风防辐射罩。防辐射设备的存在将或多或少影响气温分布的自然状况，在影响所及范围内，形成小气候，这种对气温分布自然状况的影响随防辐射设备的形状及结构而定［3］。

2　数据分析

2.1平均气温分析

从表1中可以看出防辐射罩与百叶箱中测得平均气温一致性非常接近，年平均气温差值只有0.01℃。两种设备测的月平均气温相差最大值0.21℃，出现在6月，差值最小值出现在11月，为0.01℃。说明大监站百叶箱内温度在区域内有很好的“代表性”。

表1　月平均气温和风速统计表

2.2平均最高气温分析

图2给出两种方式测得的月平均最高气温曲线，从中可以看出防辐射罩内测得温度曲线位于百叶箱测得温度曲线上方，即防辐射罩内的气温普遍高于百叶箱内的气温，差值最大出现在 10月，为0.73℃，差值最小出现在7月，为0.44℃。防辐射罩内的月平均最高气温年平均高于百叶箱内月平均最高气温0.57℃。

图2　两种设备测得月平均最高气温曲线图

实验指出，对于白天到达地面的太阳辐射而言，强辐射时，到达地面平均辐射通量密度约为1080W/m2［1］，在辐射通量密度不变时，不考虑风的情况下防辐射罩中温度和百叶箱中温度与阿斯曼通风干湿表测量的温度作为标准温度相比较，误差分别为 2.15℃和 0.6℃，它们之间的差值为 1.55℃，比文中统计得出的结果要高0.98℃，这是因为实际应用中还存在风的因素。风与辐射误差呈负相关性，所以统计中误差要小于实验中的差值。实际应用中对差值起主要作用的太阳辐射也达不到实验状态强辐射，实际统计的是每天的平均最高气温而不是强辐射下的最高气温，所以差值也会比实验状态要小但与实际值更接近。由于最高气温出现在一天中太阳辐射最强的 11—14时，可以说两种设备高温的差值是由太阳辐射造成的。

2.3平均最低气温分析

图 3给出两种测温设备月平均最低气温曲线。可以看出全年防辐射罩内的月平均最低气温曲线位于百叶箱月平均最低气温曲线的下方。全年差值最大值是一年中气温最低的 1月份，为-2.26℃。全年差值最小的月份是一年中温度最高的7月份，为-0.42℃。防辐射罩最低气温年平均值比百叶箱最低气温年平均低1.41℃。由于最低气温出现在日出前一段时间内，所以低温差与太阳辐射没有关系。

图3　两种测温设备测得月平均最低气温曲线图

2.4风速与温差分析

图4给出2012年大监站月平均风速，从图上可以得知月平均最大风速出现在 3月，为2.7m/s，月平均最小风速出现在最9月，为1.2m/s，其他月份的月平均风速在其之间徘徊。

图4　月平均风速、月平均最高、最低气温差曲线图

2.4.1风速与高温差值分析

图4给出了防辐射罩和百叶箱月平均最高气温差曲线。计算月平均风速与防辐射罩和百叶箱中月平均最高气温差相关系数，结果为-0.499。负相关说明高温差随着风速的增加而减少。从而也证明了辐射误差和风速之间具有与实验相符的负相关特性。这里算的相关系数的绝对值小于强辐射状态测的相关系数的绝对值0.844［1］，是由于平均最高气温观测的时间段内的辐射强度小于实验状态下日照最强辐射的辐射量，这是计算相关系数的绝对值偏小的主要原因。

2.4.2风速与低温差值分析

计算月平均风速与防辐射罩和百叶箱中月平均最低气温差相关系数，结果为-0.523，即低温差随着风速的增加也呈减少趋势。与风速与高温的相关性同为负数，分析图2得知，防辐射罩内高温曲线在百叶箱中高温曲线上方，其差值为正数，图3中防辐射罩内低温曲线在百叶箱中低温曲线下方，其差值为负数。低温差值负数的负相关为正相关，换句话说就是随着风速的增大防辐射罩内的最低气温低于百叶箱中的最低温度，低温差的绝对值随着风速的增加而增大。究其原因认为最低气温一般出现在日出前一段时间内，不存在太阳辐射因素，主要是与百叶箱和防辐射罩的形状和结构有关。经过中环天仪气象仪器厂试验得出百叶箱的通风系数为1：3，而防辐射罩的通风系数不低于1：3，通风性能更好。通风性能好导致空气流动性大，增加了热交换，从而影响了温度传感器运行的稳定度。

2.5季节与年较差分析

计算得知防辐射罩中温度与百叶箱中温度在夏季平均最高气温差值与平均最低气温差值最小，分别为 0.52℃和-0.62℃，秋季平均最高气温差值最大，为 0.67℃，冬季平均最低气温差距最大，为-1.97℃。防辐射罩中气温的年较差（11.72℃）大于百叶箱中气温的年较差（9.75℃），差值为1.98℃。