CN111307297A - 水体表皮温度测量装置与方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

水体表皮温度测量装置与方法及其应用，涉及自然水温度测量领域。包括红外辐射计和天空光屏蔽罩，所述天空光屏蔽罩紧密连接于红外辐射计的下方，天空光屏蔽罩的末端浸没水面之下，红外辐射计暴露于水面之上，天空光屏蔽罩的底部开口尺寸大于传感器视场角。通过对红外辐射计增设天空光屏蔽罩，屏蔽了天空光对传感器测量海水皮温带来的误差，从而实现直接“测到”水体皮温，而不是“计算”得到水体皮温，操作简单，结果准确。对任何水体都可采用，特别对于垂直分层水体，因为垂直分层水体测量的皮温和水内部的体温差别会更大；也可以用在测量内陆湖泊、河流水体温度等，适用范围广。

Description

水体表皮温度测量装置与方法及其应用
技术领域
本发明涉及自然水体温度领域，尤其涉及海水、湖泊、水库表皮温度测量装置与方法及其应用。
背景技术
水体表皮温度或者常常表述的海表温度(Sea Surface Temperature，SST)是气象学与海洋学研究的重要物理量。其中海水表皮温度(Sea-Surface Skin Temperature，SSST，以下用海水皮温代表一切自然水体的表皮温度)，即水体表层大约0.5mm厚度测得的温度，是热红外和微波辐射探测仪等遥感设备测得的结果，也是卫星遥感观测到的海面温度。遥感测量的海面温度与通常采用CTD等设备测量的海洋表层温度(称之为海水体温，Bulk Temperature)是不一样的，二者之间会有0.5℃或更高差异，因此不能用CTD海水温度代替海水皮温，需要单独准确测量海水皮温。
由于海洋表面温度测量易受太阳辐射、表面搅拌效应、表皮增发效应等影响，目前国外最高测量精度为±0.1℃。但此时测量的“皮温”实际并不是真实的皮温Tskin，因为仪器接收到的是海面总辐射亮度LT，该信号除海水内部本身发射的辐射Lsea外，里面还包含了部分天空光和水体表面反射的天光(以下用Lsky代表)，即外部辐射亮度(Jian et al.南海北部区域海洋水体皮温-体温模型研究[J].光子学报,2018,47(11).)，即LT＝Lsea+Lsky。因此，现有的红外辐射计一般离海水数米或数十米远，在接收到海表温度的时候，也会同时接收到水表面反射的天空光信号，导致测量结果偏差，需要测量辅助参数和后期校正。
Lsky受云量、风速(海面粗糙度)、观测角度等因素影响。
首先，在云量小时(晴朗)，校正量大，可达到0.5℃；云量大时(阴天)，校正量可能小于0.1℃。但并能不认为，阴天测量的数据较为准确。因为阴天光强不稳定，数据观测海面与天空的同步效应，将严重影响测量结果的稳定。
其次，风速不同导致的海面粗糙度变化，也将使仪器接收到不同大小的天空光信号，不仅带来误差，且很难准确校正。
最后，仪器一般安装在船体，仪器会随着船体不断摇动，观测角度(入射角)会不断变化，得到的海水发射率相应也在表动，导致误差。
综上可知，测得的水体信号包含其他信号，需要同时测量现场其他参数(风速)，再估算海面发射率，进而对数据进行校正，最后得到海水皮温Tskin。
因此，除仪器本身性能外，造成海水皮温测量不准确的很大原因是因为天空光的干扰，这会引起测量时的误差和后期校正困扰。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供水体表皮温度测量装置与方法及其应用，可直接测量得到水体表皮温度；同时，可以根据实际红外辐射计形状大小，定做适合的天空光屏蔽罩，以应用在不同的设备上及不同的水体温度测量上。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
水体表皮温度测量装置，包括红外辐射计和天空光屏蔽罩，所述天空光屏蔽罩紧密连接于红外辐射计的下方，天空光屏蔽罩的末端浸没水面之下，红外辐射计暴露于水面之上，天空光屏蔽罩的底部开口尺寸大于传感器视场角。
所述天空光屏蔽罩呈从上至下渐扩的结构。
所述天空光屏蔽罩浸没于水面之下的长度不小于5cm。
所述天空光屏蔽罩的颜色为黑色。
本发明还包括浮式平台，所述浮式平台连接天空光屏蔽罩，以支撑天空光屏蔽罩。
水体表皮温度的测量方法，通过红外辐射计直接测得水体表皮温度。
水体表皮温度测量装置的应用，用于测量水体表皮温度，包括海水、内陆湖泊、水库、河流。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明通过对红外辐射计增设天空光屏蔽罩，屏蔽了天空光对传感器测量海水皮温带来的误差，从而实现直接“测到”海水皮温，而不是“计算”得到海水皮温，操作简单，结果准确。
2、本发明对任何水体都可采用，特别对于垂直分层水体，因为垂直分层水体测量的皮温和水内部的体温差别会更大；也可以用在测量内陆湖泊、河流水体温度等，适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，所述水体表皮温度测量装置包括红外辐射计和天空光屏蔽罩；
所述天空光屏蔽罩紧密连接于红外辐射计的下方，保证不漏光；红外辐射计暴露于水面之上；天空光屏蔽罩的末端浸没水面之下，且浸没于水面之下的长度不小于5cm，以应对不同海况；天空光屏蔽罩的底部开口尺寸大于传感器视场角。
本实施例中，所述天空光屏蔽罩呈从上至下渐扩的结构；天空光屏蔽罩的颜色为黑色。
实施例1的结构采用单传感器模式测量，较为简便。
实施例2
如图2所示，本实施例在实施例1的基础上还包括浮式平台，所述浮式平台连接天空光屏蔽罩，以支撑天空光屏蔽罩。本实施例浮式平台也可以改为圆圈状结构，把天空光屏蔽罩围在中间，或者用三角泡沫支架支撑，只要起支撑作用的装置即可。实施例2的结构可以在海上定点、长期或者浮标式测量海水皮温。
本发明海水表皮温度的测量方法，是通过红外辐射计直接测得海水表皮温度；除了用于测量海水表皮温度，也可应用于测量内陆湖泊水体温度、河流水体温度等。
本发明可依据实际情况，比如可以根据实际红外辐射计形状大小，定做适合的天空光屏蔽罩，以应用在不同的设备上及不同的水体温度测量上。
本发明的原理如下：
本发明通过黑色的天空光屏蔽罩屏蔽水表面反射进入红外辐射计的天空光，有效屏蔽天空光带来的影响，从而准确直接得到海水皮温Tskin，无需校正；具体地，通过本发明，红外辐射计的传感器自然地测量到海水皮温，有效地避开了水面反射光的影响，从而消除了传统方法在后续处理中带来的误差，最大限度地避开了传统方法在Tskin现场测量上带来的问题。本发明方法在任何水体都可采用，特别对于垂直分层水体，因为垂直分层水体测量的皮温和内部的体温差别会更大。

Claims (7)

1.水体表皮温度测量装置，其特征在于：包括红外辐射计和天空光屏蔽罩，所述天空光屏蔽罩紧密连接于红外辐射计的下方，天空光屏蔽罩的末端浸没水面之下，红外辐射计暴露于水面之上，天空光屏蔽罩的底部开口尺寸大于传感器视场角。
2.如权利要求1所述的水体表皮温度测量装置，其特征在于：所述天空光屏蔽罩呈从上至下渐扩的结构。
3.如权利要求1所述的水体表皮温度测量装置，其特征在于：所述天空光屏蔽罩浸没于水面之下的长度不小于5cm。
4.如权利要求1所述的水体表皮温度测量装置，其特征在于：所述天空光屏蔽罩的颜色为黑色。
5.如权利要求1所述的水体表皮温度测量装置，其特征在于：还包括浮式平台，所述浮式平台连接天空光屏蔽罩，以支撑天空光屏蔽罩。
6.采用权利要求1～5任一项所述的水体表皮温度测量装置测量水体表皮温度的方法，其特征在于：通过红外辐射计直接测得水体表皮温度。
7.权利要求1～5任一项所述的水体表皮温度测量装置的应用，其特征在于：用于测量水体表皮温度，包括海水、内陆湖泊、水库、河流。
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