CN101720422A - 用于补偿探空仪的温度测量误差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种修正大气温度测量中辐射误差的方法，该方法特别是用于在所述大气温度测量中使用了无线电探空仪(1)、火箭或下投式探空仪时，在该方法中在每个测量装置中使用至少一个温度测量传感器。根据本发明，探空仪(1)相对于环境空气的运动状态与温度测量基本上同时测量，并且将测量结果用于修正温度测量的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于补偿探空仪的温度测量误差的方法。
背景技术
探空仪是一种附到气球上的气象观测装置，其典型地在各种高度测量大气温度，压力和湿度，以及对风进行测量。
目前，只有上升率被用作通风因子。然而水平速度也是有意义的，尤其是在单个探空仪探测时。传统上，还没有理解到探空仪的水平速度是有意义的，或者还没有理解到相对于空气的水平速度能够被确定。
大气温度测量中最重要的误差源是温度传感器的辐射误差。该误差尤其随着探空仪上升导致的探空仪周围的空气密度降低而增大。温度传感器常常测量其自身的温度。对于测量环境空气温度的温度传感器来说，一定会在传感器和环境空气之间发生热交换。对流热传递使传感器的温度趋向于环境空气的温度。辐射热传递典型地使传感器的温度与环境空气的温度有偏差。随着高度增加，大气压力下降，传感器和环境空气之间的对流热传递减弱。另一方面，辐射热传递随着探空仪上升而加强。为此，传感器的温度与环境空气的温度不同，而是高于或低于环境空气的温度，这总是取决于大气辐射条件。
温度传感器和环境大气之间的热传递由平衡状态的方程描述：-H(TS-T)-σεATS 4+εR+γS＝0 (1)其中TS是传感器的温度(K)T是空气的温度(K)H是对流热传递系数(W/K)σ是斯蒂芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数(5.67*10-8W/m2K4)ε是传感器表面的辐射系数A是传感器表面积(m2)R是作用于传感器的长波热辐射的功率(W)γ是传感器表面对于短波(太阳)辐射的吸收系数S是作用于传感器的太阳辐射的功率(W)。
在该方程中，第一项-H(TS-T)代表对流热传递。后三项代表辐射热传递。项-σεATS 4代表传感器发出的热辐射，项εR代表传感器所吸收的热辐射(所谓的长波辐射λ＝5..50μm)，以及项γS代表可吸收的太阳辐射(短波辐射λ＝0.2..2.5μm)。
为了估计辐射误差，可以使用相同尺寸但以不同方式进行表面处理的两个或多个传感器。每个处理表面(surfacing)具有不同的热辐射系数以及不同的太阳辐射吸收系数。相应地，以不同方式进行表面处理的传感器具有不同大小的辐射误差并展现出不同的温度，其大小取决于大气辐射条件。如果传感器的形状和尺寸是彼此相同的并且每个处理表面的光学性质是已知的，那么能够为每个传感器写出其自身的热传递方程(1)，由此得到两个或多个方程的方程组以及相应数量的未知数。它们中剩下的未知数——其中T为大气实际温度——因此能够从该方程组中解出。此方法的缺点是传感器在测量的不精确度和传感器几何形状两方面的差异增大了测量误差。包含若干个(至少2个)传感器的探空仪还增加了探空仪的成本，因此在标准的探测中由于成本原因并不使用这样的多热传感器探空仪。
通过使传感器尺寸变小，辐射误差能够减小到一定限度，由此使对流热传递将相对于辐射热传递增大。另一种方式是利用具有尽可能低吸收系数的面层来为传感器加面层。这两种方法都是在已知解决方案中使用。然而，使用这些方法不能完全消除辐射误差，因为尺寸和吸收系数都不能减小到无限小。剩下的辐射误差通过利用大气辐射条件和压力，以及探空仪的上升率来以计算方式修正掉。
发明内容
本发明涉及一种用于补偿无线电探空仪探测的温度测量的辐射误差的方法。根据本方法，在每个探空仪中使用至少一个温度测量传感器。标准的探空仪除了测量温度和湿度以外，还测量风速和风向。通过测量探空仪在每个时刻的位置或速度来对风进行测量。
因为探空仪和气球组件随空气水平运动，由钟摆运动产生的探空仪速度等于在水平上探空仪相对于空气的速度。如果将探空仪的上升率的平方加上水平速度，能够计算传感器的总通风量。
本发明基于当修正辐射误差时使用探空仪相对于环境空气的实际飞行速度代替探空仪的上升率。计算的修正于是变得相当精确。
根据本发明，与温度测量一起，在探空仪飞行速度的基础上测量温度传感器的通风量。
更具体地说，根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分所述。
在本发明的帮助下获得了相当大的优点。
这种方法对于前述传统的辐射修正方法具有若干优点：
1.辐射误差的修正变得实质上更精确。探空仪的上升率典型地在5至7m/s之间变化，并且探空仪的横向速度典型地在2至20m/s之间变化。通过考虑实际通风速度，在修正辐射误差时，温度测量的辐射误差修正对应变得更精确。
2.通过减小取决于测量系统变化的误差，在温度传感器的通风量变化的情况下考虑了气候探测系列中探测设置的变化。
3.单个温度传感器就足够了。
标准的探空仪除了测量温度和湿度以外，还测量风速和风向。通过测量探空仪的瞬时位置或速度来得到风速，最常见的是使用GPS定位。雷达，无线电导航或无线电导向也用于测量探空仪的位置或速度。
附图说明
本发明将参照附图，根据实施例解释。
图1示意性地显示了探空仪-气球组合的运动。
具体实施方式
在图1中，探空仪1由绳索3附到气球上。探空仪1的运动由垂直运动h和水平运动s2，以及钟摆运动形成，该钟摆运动导致探空仪1在绳索3的端部摆动。附图标记s1代表没有摆动的探空仪1的轨迹，附图标记s1′代表有摆动的探空仪1的轨迹。
由探空仪1运动产生的通风将在下文更详细地解释。
气球和探空仪的组合由气流的带动而水平飞行。因为在高层大气(平流层)中，风涡(即，风速或风向的局部变化)是小的，气球2和探空仪1快速地水平加速到风流的速度，因此由风引起的推力终止。在稳风区域，气球2和探空仪1的组合在水平平面中非常精确地跟随环境空气的运动。即，气球和探空仪共同的重心在平静的空气中随空气水平运动。在垂直方向上，气球的浮力产生了相对于空气向上的上升率。
空气阻力随着压力下降急剧减小。当在高层大气中非常低的空气阻力占主导时，探空仪像从气球悬挂下来的钟摆一样非常强烈地摆动。此钟摆运动在单个探空仪的情况下尤其强烈，但是在多个探空仪测试中基本上较弱。钟摆具有钟摆周期，该钟摆周期与钟摆长度的平方根成正比。换言之，在一个钟摆周期之后，探空仪1处于其相对于气球的原始位置。通过求出一个钟摆周期上探空仪1在水平平面中运动数据的平均值，将知道该时间周期内待解的钟摆和气球2重心的运动，这也是环境空气的运动。在水平方向上，探空仪的瞬时运动减去此平均值就是探空仪相对于环境空气的运动。当该运动加上探空仪的垂直运动时，能够分别计算每个时刻的探空仪通风量。
本发明的运行决不取决于如何测量探空仪的轨迹。最常用的方式是GPS定位，GPS信号的频移测量，雷达，无线电导航或无线电导向。还能够通过探空仪传送的载波频率的多普勒频移(Dopplershift)来测量探空仪的相对运动状态，而不会额外增加探空仪的成本。探空仪的相对运动状态当然也能够使用用于此目的的传感器来测量，例如惯性测量，加速度，倾斜或力传感器(探空仪和气球之间的绳索的张力测量)。
数学描述
所有基于位置的定位方法给出了直角坐标系或球坐标系中的探空仪坐标。这些坐标能够转换到直角坐标系(x，y，z)，其中z轴能够选择用来表示探空仪的高度。探空仪的位置在时刻ti在直角坐标系中能够由三个数值xi，yi和zi显示；其中xi是在x轴上探空仪离坐标系原点的距离，yi和zi相应地为在y和z轴上探空仪离坐标系原点的距离。
因此，在每个轴的方向上探空仪的瞬时速度为：vxi＝(xi+1-xi)/(ti+1-ti)，x轴方向上的瞬时速度vyi＝(yi+1-yi)/(ti+1-ti)，y轴方向上的瞬时速度vzi＝(zzi+1-zi)/(ti+1-ti)，z轴方向上的瞬时速度，即上升率。
很多定位方法提供了每个坐标状态下的直接瞬时速度值，而不是瞬时位置(例如，基于多普勒频移的方法)。
探空仪-绳索-气球系统形成了钟摆。在完整钟摆周期之后，钟摆总是处于相同的原始运动状态。这意味着如果在一个或多个完整钟摆周期求平均值，则消除了由钟摆运动产生的速度分量。探空仪-气球系统在平静的空气中由气流带动在x，y平面中运动。因此，探空仪在一个或多个钟摆周期平均的水平速度(在x和y轴方向上)对应于探空仪周围的空气(即，风)的水平速度。vxi，风＝平均值(vxi-n/2..vxi+n/2)vyi/风＝平均值(vyi-n/2..vyi+n/2)其中n对应于一个或多个完整钟摆周期的取样数。
探空仪/气球系统由气流带动在x，y平面中运动。作用于探空仪传感器的通风量由探空仪的上升率和钟摆运动产生的水平气流引起。作用于探空仪的水平气流通过探空仪的瞬时水平速度减去探空仪的环境空气的水平速度而计算得到：vxi，通风＝vxi-vxi，风vyi，通风＝vyi-vyi，风。
作用于探空仪的每个时刻的总通风量通过将探空仪的上升率的平方加上作用于探空仪的水平气流分量的平方而得到：
与仅考虑上升率vzi项相比，通过考虑作用于探空仪的传感器的该总通风量，能够显著提高探空仪温度测量和湿度测量的精确度。
一些定位或运动状态测量方法(例如基于无线电载波信号频移的探空仪运动状态测量)仅提供了钟摆运动的一个水平速度坐标。然后将其他坐标估计为相同，这样失去了一定的通风量测量精确度。
Claims (13)
1.一种修正大气温度测量中辐射误差的方法，该方法特别是用于在所述大气温度测量中使用了无线电探空仪(1)、火箭或下投式探空仪时，在所述方法中在每个测量装置中使用至少一个温度测量传感器，
所述方法的特征在于：
与温度测量基本上同时地，通过将所述探空仪(1)的上升率的平方加上作用于所述探空仪(1)的水平气流分量的平方来测量所述探空仪(1)相对于环境空气的运动状态，并且将测量结果用于修正温度测量的误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)相对于环境空气的运动状态使用以下方程计算：
vzi＝(zzi+1-zi)/(ti+1-ti)，
vxi，通风＝vzi-平均值(vxi-n/2..vxi+n/2)
vyi，通风＝vyi-平均值(vyi-n/2..vyi+n/2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于GPS定位而测量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于雷达而测量。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于探空仪无线电发射器的多普勒频移而测量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于无线电导航而测量。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于无线电导向而测量。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于惯性测量而测量。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于探空仪无线电发射器的加速度测量而测量。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于倾斜测量而测量。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的运动状态借助于力测量而测量。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的相对运动状态即时地测量或作为较长时间周期的平均值测量。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其特征在于，所述探空仪(1)的测量的运动状态与探空仪-气球钟摆的钟摆周期的运动状态平均值相比较。
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