冒曉莉, 張加宏, 李 敏, 馬 濤, 楊 杰, 戴 偉

(1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;4.中國科學(xué)院 紫金山天文臺(tái),江蘇 南京 210008)

防雨帽對(duì)探空儀濕度測量影響的CFD研究*

冒曉莉1,2,3, 張加宏1,2, 李 敏1,2, 馬 濤4, 楊 杰2,3, 戴 偉2,3

(1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;4.中國科學(xué)院 紫金山天文臺(tái),江蘇 南京 210008)

采用流體動(dòng)力學(xué)方法研究了GL—5000P探空儀濕度傳感器的防雨帽對(duì)濕度測量的影響。運(yùn)用Pro/E對(duì)濕度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,使用前處理軟件ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算分析。模擬結(jié)果表明：GL—5000P防雨帽很好地防止了高空云雨滴對(duì)濕度傳感器的影響,其兼具一定的防太陽輻射功能,但高空25 km以上防輻射能力減弱,甚至起相反作用；防雨帽厚度對(duì)太陽輻射誤差影響較小,而其反射率影響則較顯著；瞬態(tài)分析揭示了傳感器表面的濕度場分布產(chǎn)生了時(shí)間滯后,且時(shí)間滯后常數(shù)隨海拔高度的升高而增加,到27 km達(dá)到0.42 s。該研究為濕度垂直廓線的時(shí)間滯后修正提供了理論依據(jù)。

防雨帽； 濕度傳感器； 太陽輻射； 響應(yīng)時(shí)間； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

0 引 言

高空氣象要素的準(zhǔn)確測量對(duì)短期天氣預(yù)報(bào)和中長期氣候預(yù)估均具有重要意義[1]。高空氣象要素的測量最早出現(xiàn)的是無線探空儀,后來發(fā)展較為先進(jìn)的飛機(jī)、衛(wèi)星遙感等方法。但是無線探空儀以其價(jià)格便宜、操作方便等優(yōu)勢,一直作為探空的主要技術(shù)手段。同時(shí),無線探空儀的直接測量數(shù)據(jù)也常常作為遙感探測反演數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前,我國高空氣象要素的常規(guī)測量主要是采用無線探空儀,測量要素中溫度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向等測量均已達(dá)到較高精度,而由于傳感器本身和定標(biāo)操作、太陽輻射等諸多原因,濕度廓線的測量精度相對(duì)較低[3,4]。而垂直濕度廓線對(duì)于短期預(yù)報(bào)是否有降水,以及降水量的多少尤為重要,所以,研究探空儀濕度測量的誤差以提高濕度垂直廓線的測量精度非常重要。

為了能夠直接與空氣接觸,溫度傳感器一般是完全暴露在空氣中,由于太陽輻射的照射導(dǎo)致溫度傳感器輸出值產(chǎn)生太陽輻射正偏差[5,6]。高空雨水對(duì)濕度測量影響較大,濕度傳感器上面一般安裝有防雨帽。但防雨帽在太陽輻射下內(nèi)部的溫度場將升高,導(dǎo)致濕度傳感器周圍空氣溫度升高,飽和水汽壓隨之下降,從而導(dǎo)致濕度傳感器輸出的相對(duì)濕度(relative humidity,RH)值升高,即太陽輻射對(duì)濕度測量也產(chǎn)生正偏差[5,6]。值得注意的是,防雨帽一般為倒扣圓筒形狀,這在一定程度上阻礙了濕度傳感器與空氣直接接觸,影響了濕度傳感器上的通風(fēng)量,使得濕度傳感器與空氣的接觸產(chǎn)生了時(shí)間延遲,這個(gè)延遲時(shí)間影響了濕度垂直廓線的準(zhǔn)確測量。針對(duì)上述問題,為了進(jìn)一步提高探空濕度測量的精度,本文采用流體動(dòng)力學(xué)方法研究了防雨帽對(duì)濕度測量太陽輻射誤差的影響,同時(shí)模擬了濕度傳感器在防雨帽下響應(yīng)環(huán)境濕度的響應(yīng)時(shí)間,相關(guān)研究為濕度垂直廓線的精確修正提供了一定的理論依據(jù)。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 防雨帽模型

圖1為韓國Jinyang公司的GL—5000P型探空儀溫濕度傳感器。如圖1(a)所示,上方為珠狀溫度傳感器,下方為帶防雨帽的濕度測量結(jié)構(gòu),濕度傳感器采用E+E公司的電容式濕度傳感器HC103M2,具體見圖1(b)。帶有防雨帽結(jié)構(gòu)的探空儀還有很多,例如：我國上海長望氣象科技有限公司生產(chǎn)的GTS1型數(shù)字探空儀,參加2010陽江比對(duì)的非洲InterMet公司的iMet—2型探空儀,Modem公司的M2K2DC型探空儀,德國Graw公司的DFM—09型探空儀等[7],這些探空儀在濕度傳感器的上方均罩有一個(gè)防雨帽,雖然各自的形狀和大小不盡相同,但以倒扣的圓筒形為主。本文以Jinyang典型的倒扣圓筒形防雨帽結(jié)構(gòu)作為具體的建模研究對(duì)象。

圖1 Jinyang公司GL—5000P型探空儀溫濕度傳感器Fig 1 Temperature and humidity sensor of GL—5000P radiosonde of Jinyang corporation

1.2 計(jì)算理論和方法

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究探空濕度測量系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的具體步驟包括：首先采用Pro/E進(jìn)行建模,然后采用Ansys軟件包中的前處理軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后導(dǎo)入國際主流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Ansys Fluent中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)值模擬,獲取溫度場、濕度場以及風(fēng)場等信息參數(shù)進(jìn)行分析處理。

以Jinyang的GL—5000P型探空濕度測量系統(tǒng)(見圖1)為研究對(duì)象,采用流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬其濕度傳感器上溫度場和濕度場分布。HC103M2電容式濕度傳感器采用玻璃作為其襯底,采用Pro/E建立的濕度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖2(a)所示,然后采用前處理軟件ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分的局部截面如圖2(b)所示。網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,在權(quán)衡了計(jì)算規(guī)模和計(jì)算精度的前提下,采用局部加密的方法,由圖2(b)中可以看出傳感器與防雨帽的加密網(wǎng)格。最后將ICEM劃分網(wǎng)格后形成的MESH文件導(dǎo)入Fluent分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的數(shù)值模擬。

圖2 GL—5000P型探空儀濕度測量系統(tǒng)Fig 2 Humidity measurement system of GL—5000P radiosonde

2 仿真與討論

2.1 防輻射效果

高空濕度測量除雨水影響,還有常常被忽略的太陽輻射影響[8],帶有防雨帽的濕度傳感器雖然不暴露在太陽輻射直接照射下,但太陽輻射對(duì)濕度測量的影響是否可完全消除需要具體研究。本文采用Fluent仿真軟件建立探空儀GL—5000P濕度測量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)傳熱模型,對(duì)其施加外部復(fù)雜對(duì)流—太陽輻射耦合熱邊界條件,進(jìn)行流固耦合傳熱分析。通過Fluent仿真分析,研究不同條件下傳感器襯底上的溫度場分布,求解太陽輻射加熱引起襯底的溫度變化,再通過公式推導(dǎo)傳感器測量濕度引起的相對(duì)濕度RH的相對(duì)誤差[8]。

圖3給出了防雨帽的防輻射效果。為了研究防雨帽的防輻射效果,將GL—5000P的防雨帽去掉,讓濕度傳感器完全暴露在空氣中,比較兩者在同樣的太陽輻射條件下引起的溫度誤差和濕度的相對(duì)誤差。由圖3(a)可以看出,在海拔25 km以下,GL—5000P的防雨帽起到一定的防輻射效果,但是25 km以上,太陽輻射引起的誤差反而比不帶防雨帽的時(shí)候大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榉烙昝钡箍坌螤钣绊懥丝諝獾牧魍?高空空氣稀薄,流通量不暢更為明顯,導(dǎo)致防雨帽不僅起不到防輻射效果,相反導(dǎo)致太陽輻射誤差增大。

為了比較不同防雨帽的防輻射效果,圖3給出了探空儀GL—5000P和GTS1的濕度測量的太陽輻射誤差。以南京探空站2014年9月6日的探空儀GTS1探測的氣壓、溫度等數(shù)據(jù)作為邊界條件,分別模擬了GL—5000P和GTS1在同樣的太陽輻射條件下引起的誤差變化。由圖3不難看出,GTS1的防輻射效果明顯優(yōu)于GL—5000P,尤其在高空。太陽輻射引起的濕度傳感器襯底上溫度誤差兩者之間最大相差9 ℃,引起的RH相對(duì)誤差兩者最大相差20 %。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是GTS1采用方形的防雨帽,上方設(shè)計(jì)了氣體導(dǎo)流入口,側(cè)面設(shè)置了氣體導(dǎo)流出口,與GL—5000P的防雨帽相比GTS1的空氣流通性較好,而通風(fēng)量較好則易帶走襯底上的熱量,所以,防輻射的效果GTS1更優(yōu)。

圖3 防雨帽的防輻射效果Fig 3 Anti-radiation effect of rain shield

由以上分析可知,探空儀GL—5000P的防雨帽在一定程度上降低了太陽輻射誤差,而防雨帽的厚度與反射率等參數(shù)是否會(huì)對(duì)太陽輻射誤差產(chǎn)生影響,從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā),本文進(jìn)一步采用流體動(dòng)力學(xué)方法研究了這兩個(gè)參數(shù)對(duì)太陽輻射誤差的影響。圖4反映了防雨帽厚度對(duì)太陽輻射誤差的影響,由圖不難發(fā)現(xiàn),無論是溫度誤差還是濕度的相對(duì)誤差,低海拔時(shí)兩條曲線均基本重合；而高空,在0.5 mm厚的防雨帽作用下太陽輻射引起的誤差較0.3 mm的小,這是由于厚度較大散熱面較大,故防雨帽內(nèi)由太陽輻射引起的溫升較小,總體來說,防雨帽厚度對(duì)太陽輻射引起的誤差影響較小。除厚度外,反射率也是防雨帽的一項(xiàng)重要參數(shù),將防雨帽厚度統(tǒng)一設(shè)置為0.5 mm,模擬不同反射率下的太陽輻射誤差,如圖5所示,防雨帽反射率對(duì)太陽輻射誤差影響顯著。反射率越低,即吸收率越高,防雨帽內(nèi)外的溫度差就越大,由此引起的濕度測量值的相對(duì)誤差越大。由以上分析可知,在設(shè)計(jì)防雨帽時(shí),除了防雨帽的形狀對(duì)太陽輻射誤差有較大影響之外,防雨帽的反射率影響也不可忽視,盡量選擇高反射率的材料或者在防雨帽上涂上高反射率膜,這樣可有效地減小太陽輻射誤差影響,從而提高濕度測量精度。

圖4 防雨帽的厚度對(duì)太陽輻射誤差的影響Fig 4 Influence of rain shield thickness on solar radiation error

圖5 防雨帽的反射率對(duì)太陽輻射誤差的影響Fig 5 Influence of rain shield reflectance on solar radiation error

2.2 防雨效果

實(shí)際上防雨帽的主要任務(wù)是防雨,濕度值出現(xiàn)嚴(yán)重偏濕會(huì)直接導(dǎo)致測量失敗。高空主要是云滴和雨滴對(duì)濕度測量產(chǎn)生影響,根據(jù)計(jì)算可得無論是雨滴還是云滴下體積率均小于10 %,符合離散相計(jì)算條件。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,然后在氣流入口上方設(shè)置云雨滴面源,通過Fluent模擬仿真典型云滴和典型雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。從傳感器的捕捉數(shù)據(jù)來看,對(duì)典型云雨滴的捕捉個(gè)數(shù)均為0,說明防雨帽能夠很好地防止高空中云雨滴對(duì)濕度傳感器的影響。

2.3 時(shí)間滯后效應(yīng)

防雨帽的存在影響了濕度傳感器上的通風(fēng)量,外界氣流不能直接流經(jīng)傳感器,而是通過氣流的湍流作用卷進(jìn)防雨帽內(nèi)部,這勢必造成濕度傳感器輸出的濕度值產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲。為研究該問題,采用Fluent對(duì)GL—5000P模型進(jìn)行瞬態(tài)模擬,分析濕度傳感器上水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瞬態(tài)分布。結(jié)合一階函數(shù)的傳遞函數(shù),對(duì)濕度傳感器表面的水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)采用公式擬合

MF(t)=MF(∞)+(MF(0)-MF(∞))e-t/τ.

(1)

其中,MF表示濕度傳感器表面的水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù),τ為防雨帽產(chǎn)生的時(shí)間滯后常數(shù)。近地面時(shí)間滯后常數(shù)τ為0.136 s,上升時(shí)間(定義為上升階梯90 %的時(shí)間)為0.315 s。

圖6給出了時(shí)間滯后常數(shù)和上升時(shí)間隨海拔高度變化的關(guān)系。由圖6可看出,隨海拔高度升高,時(shí)間滯后常數(shù)和上升時(shí)間均逐漸非線性變大,這是因?yàn)楦呖湛諝庀”?氣壓較低,空氣不易卷進(jìn)防雨帽所致。海拔27 km處,時(shí)間滯后常數(shù)達(dá)到0.43 s,上升時(shí)間達(dá)到0.99 s。上述研究為濕度垂直廓線的精確修正提供了一定的理論依據(jù)。值得指出的是,雖然高空較低的溫度引起濕度傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間升高達(dá)到十幾秒,但是從提高濕度垂直廓線的精確測量角度,仍可將本文提出的時(shí)間滯后常數(shù)作為其修正因子來提高探空濕度測量的準(zhǔn)確性。

圖6 防雨帽氣流的響應(yīng)時(shí)間隨海拔高度的關(guān)系Fig 6 Relationship between response time of airflow of rain shield and altitude

3 結(jié) 論

1)濕度傳感器的防雨帽起到一定的防輻射作用。

2)防雨帽厚度對(duì)太陽輻射誤差影響較??；防雨帽的反

射率對(duì)太陽輻射誤差影響較顯著,反射率越小,太陽輻射誤差越大,在海拔32 km處防雨帽反射率70 %的情況下太陽輻射引起的RH的相對(duì)誤差高達(dá)70 %。

3)防雨帽對(duì)典型云雨滴起到很好的保護(hù)作用,在垂直氣流下,濕度傳感器表面不會(huì)捕捉到云雨滴,即高空云雨滴對(duì)濕度傳感器無影響。

4)由于防雨帽阻礙空氣流通,濕度傳感器表面的感濕時(shí)間產(chǎn)生延遲,時(shí)間滯后常數(shù)和上升時(shí)間均隨海拔升高而增大,海拔27 km處分別達(dá)到0.42 s和0.99 s。

[1] 張利紅,何光碧.GRAPES_Meso模式對(duì)2011年夏季青藏高原東部及周邊區(qū)域的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)[J].高原氣象,2014,33(1):14-25．

[2] 嚴(yán) 衛(wèi),韓 丁,陸 文,等.基于COSMIC掩星探測資料的云底高反演研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2012,55(1):111-115.

[3] 王 洪,曹云昌,肖穩(wěn)安.COSMIC掩星數(shù)據(jù)與L波段探空數(shù)據(jù)的對(duì)比分析[J].氣象,2010,36(9):14-20.

[4] 張穎超,王飛帆,廖俊玲.雙加熱探空儀濕度傳感器的加熱控制研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):47-49.

[5] Wang Junhong,Zhang Liangying,Dai Aiguo,et al.Radiation dry bias corrections of Vaisala RS92 humidity data and its impacts on historical radiosonde data[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2013,30:197-214.

[6] Ciesielski P E,Chang W M,Huang S C,et al.Quality-controlled upper-air sounding dataset for TiMREX/SoWMEX:Development and corrections[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Techno-logy,2010,27:1802-1821.

[7] Nash J,Oakley T,V?mel H,et al.WMO intercomparison of high quality radiosonde systems yangjiang[R].China:World Meteorological Organization,2010.

[8] 冒曉莉,肖韶榮,劉清惓,等.探空濕度測量太陽輻射誤差修正流體動(dòng)力學(xué)研究[J].物理學(xué)報(bào),2014,63(14):144701.

Research on influence of rain shield on humidity measurements of radiosonde based on CFD*

MAO Xiao-li1,2,3, ZHANG Jia-hong1,2, LI Min1,2, MA Tao4, YANG Jie2,3, DAI Wei2,3

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China；2.School of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;4.Purple Mountain Observatory Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China)

Influences of rain shield for GL—5000P radiosonde humidity sensor on humidity measurements is researched by using computational fluid dynamics(CFD) method.The humidity measurement system structure is modeling by Pro/E software,and it is meshed with ICEM pre-processing software.Fluent software is introduced for steady-state and transient calculation and analysis.The simulation results show that the rain shield effectively prevents the effects of high-altitude clouds and rain on humidity sensor; rain shield combines certain features of anti-solar radiation,but its ability of anti-solar radiation is significantly weakened at high altitude (over 25 km),and even it plays the opposite role; thickness of rain shield has less impact on solar radiation error,however,impact of its reflectance seems more significant;transient analysis reveals that humidity field distribution of sensor surface produces time lag,and time lag constant increases with increasing altitude,and it reaches 0.42 s at 27 km.This research provides theoretical basis for time lag correction of humidity vertical profiles.

rain shield; humidity sensor; solar radiation; response time; computational fluid dynamics(CFD)

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0039—04

2015—10—08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61306138)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012460)；東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(2013—3)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

TN 302

: A

: 1000—9787(2015)12—0039—04

冒曉莉(1977-),女,江蘇如東人,博士研究生,主要從事光電傳感材料性能表征和信號(hào)處理方面的研究工作。