CN113899468B - 一种地表温度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地表温度的测量方法，包括：S1，在固体地表下，采用等间隔方式设置若干层采样深度，测量土壤内温度垂直分布；S2，在冠层中，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层内温度垂直分布；S3，在冠层外，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层外温度垂直分布；S4，通过上述温度垂直分布建立温度廓线拟合方程；S5，解答温度廓线拟合方程，确定极值点位置和温度。本发明实现在植被下垫面上，获得表面温度，同时获得热力地表高度。

Description

一种地表温度的测量方法
技术领域
本发明涉及气象观测技术领域，特别涉及一种地表温度的测量方法。
背景技术
地表温度即地面的温度，是与大气相接的地球固态或者液态下垫面上的界面温度。对于森林、草地、农田等植被下垫面，由于植被在生长周期中，高度、密度以及植被反照率存在明显变化，与大气相接的表面位置和特性也存在明显变化，为植被下垫面地表温度测量带来困难。
地表温度是气象观测的重要内容。地表温度的常规测量方法有温度计接触式测量和红外温度计非接触式测量。地表温度接触式测量是指将温度计(例如水银温度计或电子温度计)半埋在地表，一种方式是直立的将温度计一半插入地表，一种是将温度计水平放置在地面沙土中，然后通过擦抹方式，将温度计一半裸漏于空气中。非接触式测量是指将红外温度计朝向地面，通过测量地面放射出的红外线频谱，通过黑体辐射公式计算获得地表温度。
地表温度接触式测量是最直接的测量方法，但其存在如下问题，1)适用范围有限，仅适用于沙土地表，对于森林、草地、农田等植被下垫面，其地表温度是植被冠层表面的温度，并不是土壤表面的温度，由于植被的生长，植被叶面结构等特征，接触式测量无法找到合适的测量位置。2)接触式测量温度计受到太阳辐射的直接照射，由于其比热容和表面反照率与所测量的地表不同，可造成辐射偏差。
地表温度非接触式测量原理上存在先天缺陷，没有一种表面是真正的黑体，所以基于理想黑体计算获得的辐射温度与真实温度间存在偏差，实际测量中采用灰体系数来订正该偏差，但真实地表的灰体系数是可变的，甚至无法准确描述。同样对于森林、草地、农田等植被下垫面，虽然红外温度计可以很好的获得观测区域内红外辐射特征，但由于植被叶面间的缝隙、植被叶面特性形成的非均匀性，使其代表性存在不确定性；同时，植被叶面的变化，荣枯，叶面颜色变化，使观测区域的灰体系数存在变化和不可计算性，无法获得可靠的地表温度。
对于森林、草地、农田等植被下垫面，由于植被在生长周期中，高度、密度以及植被反照率存在明显变化，作为地表的植被上表面，其高度和温度均无法通过单一传感器测量，无论接触式还是非接触式传感器进行测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何更好的揭示地表温度的变化规律以及获得准确的地表温度数值，因此提出了一种地表温度的测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种地表温度的测量方法，包括：
S1，在固体地表下，采用等间隔方式设置若干层采样深度，测量土壤内温度垂直分布；
S2，在冠层中，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层内温度垂直分布；
S3，在冠层外，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层外温度垂直分布；
S4，通过上述温度垂直分布建立温度廓线拟合方程；
S5，解答温度廓线拟合方程，确定极值点位置和温度。
优选的，步骤S1中所述测量土壤内温度垂直分布采用埋设温度传感器或者基于近表层的温差传感器的方式。
优选的，步骤S2中所述测量获得冠层内温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
优选的，步骤S3中所述测量获得冠层外温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
优选的，步骤S4中所述温度廓线拟合方程为：
Ts＝Ash2+Bsh+Cs
Tc＝Ach2+Bch+Cc
To＝Aoh2+Boh+Co
其中，Ts，Tc，To分别为土壤、冠层内和冠层外温度，h为垂直位置，A、B、C为拟合系数。
优选的，步骤S5中所述解答温度廓线拟合方程包括分别计算Ts，Tc和Tc，To的交点h1和h2，以及交点位置T1和T2，比较T1和T2，确定有效地表高度和有效地表温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明分别测量固体地表下、冠层中和冠层外的地表温度，根据在不同地表分类的温度变化是具有明显规律可循的，故分别建立固体地表下、冠层中和冠层外的温度廓线拟合方程，结合该三个方程可以更好的解释地表温度的变化规律以及获得更准确的地表温度数值，尤其是不同分类地表结合处的温度数值，因此能够更好地推动气象观测研究的发展。
附图说明
图1为本发明地表温度探测示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
地表温度是与大气相接的地球固态或者液态下垫面上的界面温度，白天，地表吸收太阳辐射，得到加热，向大气释放出红外辐射，加热大气，通常，白天在阳光照射下，地表温度明显高于其上大气温度和其下土壤温度。夜间无太阳辐射加热，地表依然释放红外辐射，加热大气，其温度可能低于大气温度和其下土壤温度。地表温度在从土壤到大气温度垂直结构中通常是一个极值。
根据上述现象，本发明提出了一种地表温度的测量方法，该方法采用拟合方法获得温度极值作为地表温度，温度极值高度作为有效地表高度，参考图1，具体方法如下：
S1，在固体地表下，采用等间隔方式设置若干层采样深度，测量土壤内温度垂直分布；
S2，在冠层中，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层内温度垂直分布；
S3，在冠层外，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层外温度垂直分布；
S4，通过上述温度垂直分布建立温度廓线拟合方程；
S5，解答温度廓线拟合方程，确定极值点位置和温度。
在一个实施例中，步骤S1中所述测量土壤内温度垂直分布采用埋设温度传感器或者基于近表层的温差传感器的方式。
在一个实施例中，步骤S2中所述测量获得冠层内温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
在一个实施例中，步骤S3中所述测量获得冠层外温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
在一个实施例中，步骤S4中所述温度廓线拟合方程为：
Ts＝Ash2+Bsh+Cs
Tc＝Ach2+Bch+Cc
To＝Aoh2+Boh+Co
其中，Ts，Tc，To分别为土壤、冠层内和冠层外温度，h为垂直位置，A、B、C为拟合系数。
在一个实施例中，步骤S5中所述解答温度廓线拟合方程包括分别计算Ts，Tc和Tc，To的交点h1和h2，以及交点位置T1和T2，比较T1和T2，确定有效地表高度和有效地表温度。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上的进一步改进，具体方法如下：
S1，在固体地表下(例如土壤中)，采用等间隔方式设置3层采样深度(例如5cm，15cm，25cm)，埋设温度传感器，或基于近表层的温差传感器，测量获得土壤内温度垂直分布；
S2，在冠层中，冠层是指一片植被底部到顶部的部分，在其中采用等间隔方式(例如，植被0.2，0.6，0.8倍高度)，设置3层，架设温度传感器或温差传感器，测量获得冠层内温度垂直分布；
S3，在冠层外，采用等间隔方式(例如，冠层以上1m，3m，5m)，架设温度传感器或温差传感器，测量获得冠层外温度垂直分布；
S4，通过上述温度垂直分布建立温度廓线拟合方程：
Ts＝Ash2+Bsh+Cs
Tc＝Ach2+Bch+Cc
To＝Aoh2+Boh+Co
其中，Ts，Tc，To为土壤、冠层内和冠层外温度，h为垂直位置，A、B、C为拟合系数，由上述传感器观测的温度计算获得；
S5，分别计算Ts，Tc和Tc，To的交点h1和h2，以及交点位置T1和T2，比较T1和T2，确定极值点位置和温度，即有效地表高度和有效地表温度。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种地表温度的测量方法，其特征在于，包括：
S1，在固体地表下，采用等间隔方式设置若干层采样深度，测量土壤内温度垂直分布；
S2，在冠层中，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层内温度垂直分布；
S3，在冠层外，采用等间隔方式，设置若干层温度采样，测量获得冠层外温度垂直分布；
S4，通过上述温度垂直分布建立温度廓线拟合方程：
Ts＝Ash2+Bsh+Cs
Tc＝Ach2+Bch+Cc
To＝Aoh2+Boh+Co
其中，Ts，Tc，To分别为土壤、冠层内和冠层外温度，h为垂直位置，A、B、C为拟合系数；
S5，解答温度廓线拟合方程，确定极值点位置和温度；
所述解答温度廓线拟合方程包括分别计算Ts，Tc和Tc，To的交点h1和h2，以及交点位置T1和T2，比较T1和T2，确定有效地表高度和有效地表温度。
2.根据权利要求1所述的一种地表温度的测量方法，其特征在于，步骤S1中所述测量土壤内温度垂直分布采用埋设温度传感器或者基于近表层的温差传感器的方式。
3.根据权利要求2所述的一种地表温度的测量方法，其特征在于，步骤S2中所述测量获得冠层内温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
4.根据权利要求3所述的一种地表温度的测量方法，其特征在于，步骤S3中所述测量获得冠层外温度垂直分布采用架设温度传感器或者温差传感器的方式。
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