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
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1、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
2、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
3、 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
4、 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
5、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
6、 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
7、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
8、 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
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、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
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