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ASOS，MMTS，Gill和CRS气温辐射盾的有效性
K. G. HUBBARD, X. LIN, AND E. A. WALTER-SHEA
内布拉斯加大学林肯分校内陆自然资源学院
（手稿于2000年6月13日收到，最终形式为2000年11月8日）
摘要
定期升级地表气象站网络中的空气温度测量系统会导致数据不连续性。从气候的角度来看，当升温空气温度辐射屏蔽时，有必要评估空气温度数据不连续性。这项研究是为了研究四种常见的空气温度辐射屏蔽的有效性，包括自动表面观测系统（ASOS），最大 - 最小温度系统（MMTS），鳃和棉花区遮蔽物（CRS）盾。太阳能研究了典型草地表面和不同人造表面（黑色，白色和铝色）下每个屏蔽层的辐射屏蔽效能。通过测量室内太阳辐射和辐射屏蔽的内表面温度来评估屏蔽效能。抛物线曲线描述了进入屏蔽层的太阳辐射的分数，随着下面的表面的太阳能反射率的增加而增加。就太阳辐射屏蔽效能的等级上来说，ASOS＞CRS＞ MMTS＞ Gill（即相对来说，室内太阳辐照度的总载荷是ASOS:CRS:MMTS:Gill =5 1:1.3:1.7:2.5），在典型的草地条件下。 对于ASOS，MMTS，Gill和CRS盾牌，室内太阳辐射从典型草地表面到白色表面的增加分别上升了1.2,2.3,1.6和1.9倍。由于使用冷却镜加热/冷却系统作为位于屏蔽中部的露点温度测量系统，ASOS屏蔽具有明显的红外辐射效能的缺点。就红外辐射屏蔽效能的等级来说，在白天CRS ＞MMTS＞Gill ＞ ASOS，而在晚上Gillge;MMTS＞CRSasymp;ASOS。
- 引言
户外空气温度观测系统通常屏蔽空气温度传感器免受太阳辐射。 理想情况下，防护罩可防止太阳的直射和反射的太阳光线加热传感器，避免传感器受到恶劣天气的影响，并允许充足的气流使传感器通风。在控制条件下，温度传感器技术的进步导致了温度传感器的准确度达到plusmn;0.01℃-plusmn;0.02℃（Hart Scientific，Inc。1996）。然而，在现场，不可能实现这样的高精度，因为空气温度辐射屏蔽不能完全阻挡太阳辐射而不会阻碍自然气流。 缺乏通风会导致传感器和空气温度的耦合不足，是空气温度测量中最大的误差源（Brock等，1995）。充足的气流，空气温度传感器往往与空气保持热平衡。 虽然强制通风确保充足的气流，但在没有电力（交流）的远程位置是不可行的。今天通常使用的盾牌是棉花区域避难所（CRS），最大 - 最小温度系统（MMTS）屏蔽，Gill屏蔽和自动表面观测系统（ASOS）屏蔽。 CRS在美国被使用了几十年，作为主要的空气温度盾牌。这种木结构有足够的空间容纳最大和最小液晶玻璃（LIG）温度计。在一些情况下，将双金属温度计放置在CRS中以记录连续的空气温度。随着传感器技术的出现，空气温度传感器变得越来越小，易于接口，因此不需要诸如CRS的大屏蔽。在20世纪80年代后期，具有多层叠板设计的MMTS开始替换美国气象局网络中的CRS。 MMTS屏蔽包含一个热敏电阻，MMTS读数显示每日最大和最小空气温度。吉尔盾是一种多板圆柱形护罩（Gill 1979），已广泛应用于非接触式自动气象站网络。ASOS在20世纪90年代初被规划和安装。 ASOS中使用的空气温度和露点温度测量系统由用于测量空气温度的铂线电阻温度（PRT）传感器和用于测量露点温度的冷却镜组成。PRT位于空气流中的圆形形状的金属屏蔽层，通过屏蔽底部的圆形开口进入。 对于这四种常用的空气温度辐射屏蔽，几何尺寸如表1所示。
表1. CRS，Gill，MMTS和ASOS屏蔽的几何尺寸。
|
CRS(mm) |
Gill(mm) |
MMTS(mm) |
ASOS(mm) |
|
|
屏蔽高度 |
830 |
158 |
240 |
390 |
|
宽度*深度/直径 |
765*515 |
120 |
235 |
112 |
|
气流间隙高度 |
15-12 |
13 |
25.4 |
关闭 |
|
中央露天场所 |
Alla |
127b*32c |
150b*85c |
部分d |
|
传感器的高度e |
150–250 |
70–85 |
95–115 |
50–80 |
a. CRS内的所有空间都是打开的
b. 内筒内部的中央开放空间高度。
c. 内胆内部中心开口空间直径
d. 开放空间的一小部分仅用于ASOS中的温度传感器。
e. 传感器在正常工作条件下对准高度。
图1屏蔽内的LI-200S太阳辐射计位置示意图。 ASOS屏蔽只提供一个安装LI-200S的位置。 在MMTS，Gill和CRS屏蔽中有六个位置。每个盾牌上标有最低和最高位置。 其他四个测量位置位于距离相等的最低位置和最高位置之间。 请注意，上述四个屏蔽不在相同的缩放尺寸。
图2（a）在MMTS，Gill和CRS盾牌内的六个高度测量值的平均ISRR％。 （b）ASOS屏蔽内平均ISRR为六天白天测量值。 （c）ASOS屏蔽内的MMTS，Gill和CRS屏蔽的四次高度测量的平均OSRR％和四天白天测量（一个高度）的平均OSRR％。
表2.方程的回归系数 （3）每个辐射屏蔽内的ISRR％，OSRR％和TSRR％。 r2代表确定的回归系数。
图3. ASOS，MMTS，Gill和CRS盾牌的平均TSRR％。 太阳能时间0600-1800的每条曲线的积分面积分别为ASOS，MMTS，Gill和CRS盾牌的45.5,77.0,115.9和68.6。
传感器上的日间热负荷主要取决于入射的全球太阳辐射和下层表面反射的太阳辐射，但是在较高的环境风速下，空气和传感器温度的差异会降低（McKay和McTaggart-Cowan 1977; Gill 1983; Wylie and Lalas 1992;温德兰和阿姆斯特朗1993; 理查森1995; Guttman和Baker 1996）。理想的辐射屏蔽将阻挡所有的太阳辐射;然而，这是目前不可能的，因为需要开口以允许气流通过屏蔽。 因此，室内太阳辐射的测定成为评估辐射屏蔽效能的必要条件。 Gill（1983）在高辐射和低风速条件下对几种自然通风的辐射屏蔽进行了风洞试验。 使用高输出灯阵列来模拟太阳，屏蔽被放置在模拟的雪面上。空气温度误差随着风速和屏蔽类型的变化很大，在最低风速下从 5°到接近 20℃。 另外，当传感器和内壁的温度不相等，有红外辐射的净交换，传感器温度将不再代表“空气”温度。
Fuchs和Tanner（1965）研究了各种屏蔽涂层在太阳能和热辐射辐射特性方面的性能。 结果表明，太阳能吸收率与红外吸收率的比例小的涂层最适用于太阳辐射屏蔽，特别是当它们耐候时。 Gill（1979）指出，“充满阳光的暖气程度对于材料的选择至关重要，而夜间辐射特性只是次要的”。多板辐射屏蔽（如Gill屏蔽）通常具有空气 温度误差约为0.5°-1℃（Richardson 1995），但有时在白天达到接近2.0℃（Tanner等人，1996）。
因此，入射到空气温度传感器上的辐射由散射太阳辐射和红外辐射两个主要部分组成。 太阳辐射和红外辐射都会影响测量中的空气温度精度，因为任何辐射屏蔽层将具有非完全的反射率和非零的吸收率。透过屏蔽内部的太阳辐射的测量以及由屏蔽的内壁发射的红外辐射提供了量化屏蔽效能的手段。
历史气候时期可以通过使用的辐射屏蔽的类型来表征。 从一种类型的屏蔽到另一种类型的屏蔽会导致空气温度偏差的系统变化。 因此，有必要评估辐射屏蔽差异，以了解造成的原因，并最终或潜在地纠正现有气象站网络中数据中存在的“屏蔽”偏差。 这项研究的具体目标是调查四种常见的辐射屏蔽的有效性。 为了实现这一点，量化了以下几个方面：1）ASOS，MMTS，Gill和CRS辐射屏蔽内的太阳辐射; 2）当下面的表面改变时，屏蔽内的太阳辐照度变化; 和3）辐射屏蔽的内壁温度与传感器温度之间的温差。
2.材料和方法
2.1实验设计和测量
在内布拉斯加州内布拉斯加大学园艺实验站位于内布拉斯加州林肯市的1998年夏季，测量了盾构内的太阳辐射。这个网站是在平坦的地形上，一片草地。在半径为100米的地方几乎没有物理障碍物，25米内没有物理障碍物。在距离辐射屏蔽体20米的距离处，在1.5米的高度处测量环境全球太阳辐射。 ASOS，MMTS，Gill和CRSshields安装在草地表面上方1.5米的高度，并相隔10米。在四个辐射屏蔽的每一个内安装校准的太阳辐射计[型号LI-200S（LI-COR，Inc.，1991）]以测量太阳辐射（参见附录的校准细节）.ASOS辐射屏蔽的内部空间是由于吸入器风扇和封装在ASOS系统中的湿热计组件受限，因此LI-200S安装在空气温度传感器的高度（图1）。对于MMTS屏蔽，从20 mm（H1）到120 mm（H6）的距离，LI-200S定位在屏蔽中心的每个垂直高度，从25 mm（H1）到125 mm（H6）对于Gill屏蔽，间隔为20 mm，对于CRS屏蔽，间距为35 mm（H1）至535 mm（H6），间距为100 mm。在每个高度，测量向上的太阳辐照度。由于LI-200S太阳辐射计不能安装在最高位置（H6）或最低位置（H1），所以在四个垂直高度（H2-H5）处测量向下的辐照度。辐射屏蔽中的空气温度传感器对准的正常操作高度对于MMTS为85至105 mm，Gill为60至85 mm（取决于传感器尺寸和用户安装），从110到155 mm对于CRS盾（即CRS（气象部门1965年的标准LIG温度计位置）]。将日射测光仪用硅胶粘附到白色PVC管（外径22mm）上，该管在屏蔽内（ASOS屏蔽除外）上下滑动到希望的高度。在此期间测量，辐射屏蔽和辐射计保持水平。
图4.（a）每日ISRR％，（b）日常OSRR％和（c）MMTS，Gill和CRS盾牌内每日TSRR％的配置文件。 请注意，由于ASOS屏蔽的内部空间有限，ASOS屏蔽内部没有轮廓。 所有的日常值都是从0700-1700太阳时间。
在安装在正常工作空气温度传感器高度处的LI-200S内，在屏蔽内部测量了底层“人造”表面的太阳辐射的贡献。 通过安装第一铝，然后安装黑色，最后在长方形面积7.32m* 4.88m处涂上白色胶合板，制成人造地面。天然草地表面和三层胶合板表面四面治疗。黑色，草坪，铝和白色表面的表面太阳能反射率（日平均值）分别为0.06,0.24,0.69和0.85（Monteith和Unsworth 1990; Lin和Hubbard 1999）。在每个表面处理之后，辐射屏蔽在对称位置处安装在1.5米处（间隔距离为2.44 m）沿着人造表面的中心线长度。在晴朗的天空条件下进入太阳辐照度（安装的太阳辐射计向上）和出射的太阳辐射，在ASOS，MMTS，Gill和CRS屏蔽内测量测量值（反射镜）。为了保持准确性，在现场使用相同的组件组合，如在校准过程中[即，相同的CR10数据记录器，用于日射计的相同布线，高分辨率模式，数据采样（5秒）和平均时间间隔（3分钟）]。太阳辐照测量的持续时间是6月20日至9月30日（第171号至第273号，1998年）。选择分析数据的标准是基于天气条件;也就是说，只有无云的白天或大部分阳光明媚的白天数据用于评估盾牌内的太阳辐射。对应于太阳时间收集所有太阳辐照度测量值。
使用屏蔽层的平均内表面（壁）温度之间的差异来确定红外辐射和传感器的温度对空气温度测量的影响。在空气温度传感器上，东，南，西，北两侧的每个护罩的内表面上安装了5根细线水泥电热电偶（E型，厚1.27 mm，长9 m *19 mm）测量每个护罩的内表面温度。内表面的热电偶全视图内的空气温度传感器盾，但不会阻碍气流或太阳辐射。屏蔽内的温度传感器是ASOS内部的湿度计，MMTS内的热敏电阻，GMP35（Vaisala，Inc。）的空气温度和相对湿度传感器，以及CRS屏蔽内的HMP35传感器。所有热电偶都使用干井温度校准器D55SE（AMETEK，Inc.，JOFRA Instruments）以plusmn;3℃的精度进行校准。在1997年1月至10月在实验地点测量了内表面（壁）热电偶和空气（传感器）温度。内测热电偶在测量期间重新校准一次。内表面温度和空气温度传感器测量的采样频率为30分钟。
图5.暴露于不同下表面的辐射屏蔽中的空气温度传感器位置的TSRR％[（a）黑色表面，（b）典型草地表面，（c）铝表面和（d）白色表面]。
2.2数据分析
图6（a）每日ISRR％，（b）日常OSRR％，（c）随着底层太阳能反射率的变化，每日TSRR％变化。
每个屏蔽内进入的太阳辐射的相对幅度使用入射太
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