铂电阻地温计与红外地温计的对比分析

冯志航 吴道航 倾鹏程 蔡成满

摘  要：通过2016年5月至2017年4月不同天气条件下铂电阻地表温度与红外地表温度对比观测的数据分析，不同典型天气条件下（高湿、低湿、降雨等），观测两者差值的变化情况。结果表明：两者差值的大小主要受太阳辐射和下垫面状况改变的影响。低湿时，两者受太阳辐射影响较大，观测差值在早上（或夜间）较小，中午至下午时分较大，基本在14时左右达最大值;高湿时，两者的观测差值日变化较小，规律基本是低湿的情况相似;降雨时，两者的下垫面发生了改变，而且不受太阳辐射的影响，两者观测差值逐渐减少。

关键字：铂电阻地温传感器  红外传感器  地表温度  分析对比

引言

目前，气象地面观测中地表温度主要采用铂电阻进行数据的测量，用玻璃液体温度计进行辅助对比观测。然而玻璃液体计根据所用的观测方法得出的数据在准确性、比较性、代表性方面都存在一些问题，对于现在观测数据要求来说是远远不够的。而通过长时间的对比观测，用铂电阻测地温能有效缓解玻璃液体计所带来的缺陷，也有助于自动气象的发展。而按照《地面气象观测规范》要求，地面温度传感器一半埋入土中，一半露出地面。埋入土中部分必须与土壤密贴，不可留有空隙，露出部分应保持干净。但是这种测得的地表温度只是地表温度和近地面空气的平均值。而且观测结果还会受地表风速、太阳辐射、传感器埋入土中的深度等的影响。

随着红外测温技术的日趋成熟，气象观测上也引进了该技术。红外测温是根据被测物体红外热辐射出来的能量来测量物体的温度，不需要与被测物体接触，因此其优点就是不会扰动被测物体温度场、温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性好等，近年来在医疗、汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。本文从不同的天气状况中分析两者数据的差异。

1 相对湿度偏高条件下，两者数值的变化分析

分析2016年5月数据到2017年4月数据，选取2017年3月11日湿度偏大（表1）的资料和其对应时间段铂电阻地表温度和红外地表温度的数据（表2），对比在不同时间段两者地表温度观测结果的差异变化。

从表1、2中可以发现铂电阻和红外地表温度在14：00左右出现最大值，分别为20.5℃和19.5℃;最小值为分别17.9℃和17.6℃，出现在8：00。而且两种仪器在14：00差值为1.0℃，在15：00达最大为1.1℃。由表2观测数据可知，在8时和19时时差值很小，随着温度升高，差值也越大，到14时出现最大差值。从上面数据分析可得，在湿度偏高的天气条件下，铂电阻和红外地温传感器所测数据的差值相对高湿比较小，而且在早晚更小，午后偏大。两者的差值随着太阳辐射的增强而增加。

2 相对湿度偏低条件下，两者数值的变化分析

从2015年5月到2017年4月中选取湿度偏低的一天进行低湿条件下的分析。表3为2017年2月11日相对湿度情况，表4为两者在该湿度条件下的地表温度差值，对比分析两种仪器的差值变化情况和原因。

从表3、4可以看到铂电阻和红外地温传感器地表温度的最高值出现在14：00，分别为34.9℃和29.3℃;最小值出现在08：00，分别为9.6℃和8.8℃。而且可在表中观察到随着温度的慢慢升高，两者的差值越来越大，直到14：00温度达最高值，出现最大差值5.6，然后随温度的逐渐降低，差值逐渐减少。从上面数据分析可得，在湿度偏低的条件下，铂电阻和红外地温传感器的测温差异相对低湿来说偏大，而且也是在早晚偏小，午后偏大。两者的差值随着太阳辐射的增强而增加。

3 在降雨条件下，两者数值的变化分析

分析2017年2月4日样本的降雨数据，该日下雨的时间段为15：22-20：00，正点雨量16：00为0.2mm，17：00为1.3mm，18：00为3.4mm，19：00为0.2mm，20：00为0.1mm。对比两种仪器在此条件下地温的变化情况（表5）。

从表5我们可以看到：在降雨前随着太阳辐射的增强，地面温度直线上升，两者的差值逐渐增大，并在14：00达最大差值4.0℃。在下雨时，随着土壤含水量的增加，土壤的异热性也会增加。导致地表降温时，下层温度迅速向上传递，使铂电阻地温传感器和红外地温传感器获取的地表温度值比较接近。所以，在下雨条件时，下垫面状况发生了变化，而且没有受到太阳复审的影响，两者所测的地表温度差值将会减少。

4 两者测地表温度所存在的问题

铂电阻地温传感器采用的是直接测量，感应部分按严格要求埋入土中，而且与土壤必须密贴，不留空隙。而红外地温传感器采用的是间接测量，不需要接触被测物。所以两者存在的问题也有所不一样。铂电阻地温计来说，铂电阻的安装方法就决定其所测的温度并不完全代表地表面温度，而是地面温度和近地面空气温度的平均值;铂电阻埋入土中的深度、近地面的风速、太阳的辐射、土壤湿度等因素的影响引起其数值的偏差;人为安装仪器所造成的人工误差。红外地温计来说，因为红外地温传感器从地面接收到的辐射能量大小正比于地表辐射率，所以受下垫面状况的影响，对于凹凸不平、粗糙泥泞的地面和表面覆盖的状况都会影响仪器所测值的变化;根据测量距离和所测直径的变化也会影响测量值的准确度，即测量距离一定时，所测直径越小，测分辨率越高;所测直径一定时，测量距离越远，则分辨率越高;环境温度的变化也会造成测量误差。即当环境温度升高时，产生的附加輻射影响越大，测温误差也越大。

5 总结

因为铂电阻和红外地温测量地表温度的原理、观测方法的不同，所以测量结果也存在着一定的差异。通过观察中山国家基本气象站地表温度，两者在不同天气条件、不同时段观测结果的差异最大时超过5.0℃以上，差异的大小主要受太阳辐射和下垫面状况影响。

对不同典型天气条件下两种仪器获取的地表温度资料对比和分析表明：在高湿条件下，两者的观测差值日变化较小，具有搞好的可比性;在干燥条件下，受太阳辐射影响较大，白天差值较大，夜晚差值较小;降雨时，因为土壤导热性因含水量增加而增强，同时不受太阳辐射的影响，所以两种仪器观测值会比较接近。

参考文献

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