基于传感器热平衡的百叶箱气温订正模型研究

The louvered screen shield is the standard protective equipment for surface air temperature observation in China. Many studies found that the average biases of louvered screen shield temperature system (LSTS) is more than + 0.3 ℃ during daytime , and could be expanded to + 3.4 ℃ under the condition of strong solar radiation and weak wind speed, which cannot meet the requirement of WMO and CMA that the biases must within ±0.1℃. Based on above, this study, firstly, takes the U.S. Climate Reference Network (USCRN) temperature observation system as a reference, research the mechanism of the internal microclimate bring about, analyze the relationship between external and internal factors, such as wind speed, solar radiation, infrared radiation and so on. And then takes the sensor as a researching object, analyze the relationship between its energy budget and the internal microclimate, and thus establish and validate the biases correction model for LSTS based on the thermometer heat balance. Finally, based on the model, the influence to the temperature biases, caused by the environmental factors such as solar radiation, wind speed, land surface, ambient temperature, and the material and structure of LSTS, is evaluated. The study is a very important fundamental work for both theoretical research, such as global climate change and land - air exchange, and practical application, such as national security and economic development, for which would provide a new theoretical basis for the biases correction of LSTS, and would improve the accuracy of the surface air temperature further.

百叶箱是我国常规地面气温观测的标准防护设备。国内、外研究表明，百叶箱气温观测系统在白天存在超过+0.3℃的平均误差，当太阳辐射较强且风速较小时，误差可扩大至+3.4℃，无法满足WMO和CMA关于气温误差不得超过±0.1℃的要求。基于此，本项目拟首先以美国USCRN气温观测系统为参考，研究百叶箱内部小气候的形成机理，分析其内部风速、太阳辐射以及红外辐射等与外部因素的关系。然后以传感器为对象，分析其能量收支与百叶箱小气候的关系，进而建立以传感器热平衡为基础的百叶箱气温订正模型，并对其订正效果进行检验。最后利用该模型，定量评估太阳辐射、环境风速、下垫面、环境温度以及百叶箱材质、结构等对气温误差的影响。本项目将为百叶箱气温数据的订正提供新的理论依据，可进一步提高我国地面气温数据的准确性，对气候变化、地气交换等理论研究，以及国防安全、经济建设等具体应用来说，是一项非常重要的基础性研究工作。

气温是常规地面气象观测的基本要素，建立适合我国气象观测系统的气温数据观测模型，对提高观测数据的质量以及天气预报的精度具有重要意义。本项目以百叶箱气温观测系统为研究对象，开展了百叶箱内部风场特征研究、太阳辐射热效应及其对气温测量的影响研究、百叶箱气温测量系统能量平衡模型研究，提出了新的适合我国气象观测系统的百叶箱气温订正模型，并对其订正效果进行了验证。结果表明：百叶箱对环境空气的流动具有明显的阻挡作用，平均相对风速减小率在箱体中轴线上存在明显的垂直差异，最小值53.1%出现在0.08m附近，同时在0.25m和0.55m高度附近分别存在值为84.9%和88.3%的局部最大值。平均相对风速减小率随环境风向的改变而呈周期性变化，当环境风向与箱体侧面成45°、135°、225°和315°时，出现极小值73.1%，当环境风向与箱体侧面成0°、90°、180°和270°时，出现极大值92.6%。；百叶箱箱体内部0.1m-0.4m高度之间，辐射误差整体上的变化并不大，中轴线上辐射误差最小。在0.4m高度以上，辐射误差随着高度的增加而急剧增加。辐射误差的日变化呈现明显的双峰型，即整体呈现一个“M”型分布；气温误差 和箱体温度和空气温度之差 基本成线性递增关系，其斜率随对流热传送系数 的减小而增大；百叶箱箱体温度和空气温度的相对大小决定气温误差 的变化方向：空气流动速度，使对流热传送系数 变大，促进气温传感器与空气的热交换，不仅可以减小 ，还可减少传感器老化等自身因素对气温观测的影响；气温误差 是太阳辐射与环境风速互相耦合作用的结果：太阳辐射有较强的增温效应，与辐射误差呈现近似的抛物线函数关系；环境风速有较好的冷却效应，与辐射误差呈现出近似的负指数函数关系；经本项目建立的百叶箱气温订正模型订正后，白天和夜间符合观测精度需求的数据比例分别从订正前的64.5%和45.3%提高到了83.7%和80.6%，一致率提高到了92.3%和96.0%。本项目研究结果为百叶箱气温观测数据的订正提供新的理论与模型，可进一步提高我国地面气温数据的准确性，对气候变化、地气交换等理论研究，以及国防安全、经济建设等具体应用来说，是一项非常重要的基础性研究工作。