冒曉莉， 張加宏， 肖韶榮， 劉清惓， 陳永， 戴偉， 楊杰

1 南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室， 南京 210044 2 南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044 3 南京信息工程大學(xué)，大氣物理學(xué)院， 南京 210044 4 南京信息工程大學(xué)，電子與信息工程學(xué)院， 南京 210044 5 南京信息工程大學(xué)，物理與光電工程學(xué)院， 南京 210044 6 南京市氣象局， 南京 210000

?

基于流體動力學(xué)的探空儀GTS1濕度測量誤差修正研究

冒曉莉1,3,4， 張加宏1,2,4*， 肖韶榮3,5， 劉清惓1,2,3,4， 陳永6， 戴偉3， 楊杰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實驗室， 南京 210044 2 南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044 3 南京信息工程大學(xué)，大氣物理學(xué)院， 南京 210044 4 南京信息工程大學(xué)，電子與信息工程學(xué)院， 南京 210044 5 南京信息工程大學(xué)，物理與光電工程學(xué)院， 南京 210044 6 南京市氣象局， 南京 210000

準(zhǔn)確的濕度垂直廓線對短期數(shù)值天氣預(yù)報和中長期氣候研究分析均具有重要參考價值，但太陽輻射與高空云雨等因素導(dǎo)致探空濕度測量精度較低.針對探空儀GTS1白天進(jìn)行濕度測量時存在明顯偏干誤差的現(xiàn)象，本文建立了GTS1濕度測量結(jié)構(gòu)模型，采用計算流體動力學(xué)方法重點研究了太陽輻射對GTS1濕度測量的影響，同時探討了其防雨/防輻射罩的防雨效果.結(jié)合改進(jìn)的太陽輻射計算模型，利用Fluent模擬分析了防雨/防輻射罩云雨滴軌跡和內(nèi)部溫度場分布，數(shù)值仿真結(jié)果表明：在垂直氣流下防雨/防輻射罩基本保護(hù)濕度傳感器免受高空云雨的影響，對太陽輻射也起到一定防護(hù)作用.但太陽輻射對GTS1濕度測量的偏干影響仍較顯著，海拔30 km左右相對誤差甚至高達(dá)70%.通過與RS92及GTS1探空濕度測量中的太陽輻射偏干誤差相對比，發(fā)現(xiàn)基于流體動力學(xué)數(shù)值計算的濕度相對誤差隨海拔高度的變化趨勢與之基本吻合.本文也給出了理論計算與實驗測量存在一定差異的原因，進(jìn)而以南京探空站2014年不同季節(jié)的溫度、氣壓、氣球的上升速度等探空數(shù)據(jù)為計算參數(shù)，獲取了太陽輻射誤差與海拔及環(huán)境溫度的關(guān)系，并對四組探空濕度廓線進(jìn)行太陽輻射誤差修正，提升了GTS1探空儀高空濕度測量的精度.本文研究結(jié)果為探空濕度測量太陽輻射偏干誤差的有效修正提供了一定的參考.

探空濕度測量； 流體動力學(xué)； 太陽輻射偏干誤差； 防雨/防輻射罩

1 引言

高空氣象要素的精確探測對于天氣預(yù)報(Posada et al., 2013)、氣候診斷預(yù)測(肖存英等, 2008; Dai et al., 2011)、大氣環(huán)境監(jiān)測(李剛等, 2015)以及氣象災(zāi)害預(yù)警與減災(zāi)而言均具有重要的意義.無線探空儀是高空氣象要素探測的主要手段之一.盡管目前已將飛機、火箭和衛(wèi)星等應(yīng)用于高空探測，但無線探空儀以其價格低廉和操作方便等優(yōu)勢仍被普遍應(yīng)用于全球氣象探空觀測站.例如，我國120個探空站每天的常規(guī)探測全部采用無線探空儀實施高空探測.由此可見，無線探空儀提供的歷史或?qū)淼母呖諝庀笠財?shù)據(jù)對天氣預(yù)報與氣候研究具有極其重要的參考價值.無線探空儀高空測量中溫度、氣壓、風(fēng)速等均具有較高測量精度，但濕度測量精度較低，而高空濕度的準(zhǔn)確測量對預(yù)報是否降水及降水量大小均起關(guān)鍵性作用.探空濕度測量誤差來自多方面，值得注意的是，高空中太陽輻射加熱效應(yīng)導(dǎo)致的誤差由于相關(guān)研究尚不充分而往往被忽視.實際上，由于濕度傳感器測量空氣相對濕度，當(dāng)空氣絕對濕度不變而溫度升高時，所測量的相對濕度值會變小.在低溫環(huán)境下溫度每增加10 ℃，飽和水汽壓將升高一倍(李英干和范金鵬, 1990)，導(dǎo)致相對濕度降為原來的50%.可見，探空濕度傳感器測量準(zhǔn)確的濕度值與感知準(zhǔn)確的環(huán)境溫度值有很大關(guān)聯(lián).

一般探空濕度測量時，為防止高空下雨或者雨云的干擾，在濕度傳感器上通常加防雨罩，如Vaisala公司的RS80探空儀、韓國JinYang探空儀以及國內(nèi)GTS1型探空儀.雖然防雨罩能起到一定的防雨效果，但通風(fēng)效果變差會帶來較大的延遲效應(yīng)(Leiterer et al., 2005; Verver et al., 2006)，且防雨罩在太陽輻射下被加熱也會導(dǎo)致罩內(nèi)濕度傳感器及周圍溫度升高(Ciesielski et al., 2009).為避免雨水和高空低溫結(jié)露的影響，Vaisala公司推出的新型RS92探空儀的濕度測量采用雙加熱濕度傳感器.它使用交替加熱和測量的方式解決了雨水及結(jié)露的問題，同時也保持了良好的通風(fēng)效果，但兩個濕度傳感器均完全暴露在太陽輻射下，輻射加熱引起傳感器上的溫度升高不可避免(Yoneyama et al., 2008; Bock and Nuret, 2009; Kottayil et al., 2012).因此，無論上述哪種方式，均由于太陽輻射導(dǎo)致濕度傳感器襯底溫度比周圍大氣溫度有所升高，從而提高了濕度傳感器感濕材料周圍空氣的飽和水汽壓，使得測量的相對濕度值偏干(Guichard et al., 2000).太陽輻射對濕度測量準(zhǔn)確性影響顯著，這制約了與高空濕度相關(guān)的天氣預(yù)報與氣候變化預(yù)估預(yù)警等研究水平的提高.

近些年來，國內(nèi)外專家針對太陽輻射引起探空濕度測量誤差的問題開展了一些相關(guān)研究.在實驗方面，V?mel等(2007)最早提出太陽輻射偏干誤差SRDB(Solar Radiation Dry Bias)的概念，并給出了一種太陽輻射誤差實驗修正方法.隨后Cady-Pereira等(2008)、Nuret等(2008)、Rowe等(2008)、Ciesielski等(2009,2010)對RS80、RS90和RS92探空儀的測濕誤差進(jìn)行了研究，主要采用的方法是將其測量的數(shù)據(jù)與CFH(Cryogenic Frost-point Hygrometer)進(jìn)行對比研究得出濕度誤差修正系數(shù).國內(nèi)張立功等(2007)、姚雯等(2008)、Bian J C等(2011)、顏曉露等(2012)對我國目前使用的L波段無線探空儀與國外的探空儀以及CFH進(jìn)行一系列對比試驗，均發(fā)現(xiàn)我國GTS1型探空儀高空濕度測量有偏干現(xiàn)象，但文中僅對其簡單闡述，未進(jìn)行詳細(xì)分析或提出相關(guān)的修正理論方法.在理論方面，國內(nèi)已有部分專家開始采用計算流體動力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)軟件對探空溫度傳感器模型進(jìn)行數(shù)值模擬與分析(劉清惓等,2012,2013; Luo et al., 2014).本文作者前期采用流體動力學(xué)方法建立了濕度測量簡化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，并初步得出太陽輻射加熱效應(yīng)引起高空濕度測量值偏干的結(jié)論.同時著重研究了由此引起的濕度相對誤差與海拔高度、濕度傳感器尺寸、襯底材料及反射率等因素之間的關(guān)系(冒曉莉等, 2014)，而文獻(xiàn)(冒曉莉等, 2015)則進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)由太陽輻射引起的偏干相對誤差與觀測地點、施放氣球時間等因素均有密切關(guān)系.總體上講，目前關(guān)于濕度的數(shù)值模擬方法僅研究了濕度傳感器基本模型的穩(wěn)態(tài)分析，正如前文所述，為了減少云雨等因素的影響，探空儀實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中使用的濕度傳感器通常帶有防雨/防輻射罩，或者采用雙加熱的濕度測量方式.因此，為更加真實研究太陽輻射和云雨對探空儀濕度測量的影響，本文將結(jié)合我國探空站使用的GTS1型探空儀中的濕度測量系統(tǒng)作為研究模型，該探空濕度測量結(jié)構(gòu)帶有一個盒狀的防雨/防輻射罩.結(jié)合改進(jìn)的太陽輻射計算模型，本文通過CFD方法研究太陽輻射和云雨對其測量濕度產(chǎn)生的影響，著重研究防雨/防輻射罩對于提高探空濕度測量精度的實際效果.同時以南京探空站2014年的部分典型濕度測量數(shù)據(jù)作為具體研究和修正對象，以期本文研究結(jié)果為探空濕度測量太陽輻射偏干誤差的有效修正提供有益參考.

2 GTS1測濕原理及太陽輻射相關(guān)理論

2.1 GTS1探空儀濕度測量原理

數(shù)字探空儀GTS1于 1998年由上海長望氣象科技有限公司研發(fā)成功，如今廣泛應(yīng)用于我國探空站.圖1為南京探空站所用探空儀GTS1中的濕度傳感器實物照片，該傳感器采用型號為XGH-02的高分子濕敏電阻，具有測濕范圍廣、互換性好，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點.從圖1可以看出，XGH-02濕敏電阻是一片帶有電極的有機玻璃基片，其片上浸漬了按一定比例混合攪拌后的羥乙基纖維素HEC(吸濕材料)、碳黑(導(dǎo)電材料)、Tx-100和三梨醇(漲力輔助材料).電阻表面感應(yīng)材料為黑色，可以吸附和釋放水分子，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，電阻值反應(yīng)外界大氣的相對濕度，故濕敏電阻傳感器是通過測量電阻來間接獲得大氣的相對濕度.理論上講，為充分與大氣交換水汽，感應(yīng)材料應(yīng)直接裸露在空氣中.

圖2給出了GTS1探空儀的俯視圖，溫度傳感器為能與空氣充分接觸，其直接裸露在空氣中.雖然濕度傳感器也需充分與空氣接觸，但為避免空中雨云和雨滴直接影響，故在濕度傳感器上端安裝了防雨罩.為反射太陽輻射和大氣輻射，防雨罩內(nèi)部涂黑，從而起到了防輻射功能，所以一般稱之為防雨/防輻射罩，其在一定程度上阻礙了濕度傳感器與空氣的充分接觸.為解決通風(fēng)問題，圖2中當(dāng)防雨/防輻射罩放下時，右邊上方蓋子留有一個進(jìn)氣口，下方斜坡設(shè)計將氣流導(dǎo)向濕度傳感器方向，而左側(cè)采用缺口設(shè)計作為出氣口.此設(shè)計使得GTS1探空儀在上升過程中，空氣可快速且較充分地與濕度傳感器接觸交換水汽.

圖1 GTS1探空儀電阻式濕度傳感器Fig.1 Resistive humidity sensor of the GTS1 radiosonde

圖2 GTS1探空儀的俯視圖Fig.2 The top view of the GTS1 radiosonde

2.2 太陽輻射誤差理論

濕度表示大氣干燥程度，可用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來表示.探空儀上濕敏電阻感測的是大氣的相對濕度RH(Relative Humitidy)，其為大氣的實際水汽壓e與飽和水汽壓es之比.這里要注意的是飽和水汽壓與大氣溫度有關(guān)，當(dāng)溫度T升高，飽和水汽壓es變大，在相同的實際水汽壓e下大氣相對濕度RH變小.因而嚴(yán)格來說，相對濕度是一定溫度下的相對濕度，可用RH(T)來表示.對于濕敏電阻而言，若由于某種原因，使得基片溫度T1比環(huán)境溫度T0高，則濕度傳感器給出的相對濕度值RH(T1)會出現(xiàn)偏干現(xiàn)象，即RH(T1)

(1)

式中es(T0)、es(T1)分別為溫度T0和T1下的飽和水汽壓.不難理解，若已知實測濕度值RH(T1)，則修正后濕度值RHc為

RHc=RH(T1)/(1-er).

(2)

在上文中提到探空儀GTS1設(shè)置了防雨/防輻射罩，但防雨/防輻射罩的防輻射效果到底如何？結(jié)合下面提出的改進(jìn)的太陽輻射計算模型，本文將利用計算流體動力學(xué)方法研究該防雨/防輻射罩具體的防輻射能力.

2.3 改進(jìn)的太陽輻射計算模型

本文需研究太陽輻射對濕度傳感器的加熱影響，因而太陽輻射量是重點設(shè)置參數(shù).太陽輻射包括直射量IDN和散射量Id，在很多流體動力學(xué)的計算中，均將它們設(shè)為常數(shù).實際上IDN和Id均與時空有著密切關(guān)系，觀測地不同的經(jīng)緯度和不同的海拔高度，觀測日期以及觀測的時刻等均對其產(chǎn)生影響.目前，太陽輻射相關(guān)的計算模型也較豐富，例如，Bird and Hulstrom 模型(1980年)、Heliosat-1 模型(1995年)、MAC模型(1987年)、METSTAT模型(1998年)、MLWT2模型(2003年)、MRM-5模型(2008年)等.本文中我們采用了一種新的改進(jìn)型太陽輻射計算模型(Dai and Fang, 2014)，結(jié)合南京探空站GTS1探測的相關(guān)參數(shù)，通過Fluent仿真計算獲得太陽輻射引起的濕度測量誤差.具體的改進(jìn)型太陽輻射計算模型如下：

大氣層外的太陽常數(shù)年平均為1367 W·m-2，由于地球繞太陽軌道為橢圓形，一年中第d天(一年中的1月1號，d=0)大氣層外的太陽常數(shù)ISUN為

ISUN=1367(1.017+0.0174 cos ξ)2，

(3)

這里ξ代表圓的不規(guī)則度，可由下式得到

ξ=M+0.0334sin(M)+0.000349sin(2M),

(4)

其中M=2dπ/365.

在無云理想狀態(tài)下，隨海拔高度降低，太陽直射通量呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢.海平面太陽直射通量為總太陽輻射量的80%，從大氣層外到海平面損失近20%，這主要歸因于大氣分子、水汽等的吸收與散射.不同海拔高度太陽直射通量IDN和散射通量Id可由下式得到：

(5)

其中w為垂直水汽柱，τ為氣溶膠光學(xué)厚度，在美國標(biāo)準(zhǔn)大氣中分別取值1.416 cm和0.2688，其余參數(shù)如太陽高度角h、空氣相對質(zhì)量mR和絕對質(zhì)量mA定義如下.

根據(jù)文獻(xiàn)(Liou, 2004)得知，太陽高度角h可由下式得到：

sin h=sin φ sin δ+cos φ cos δ cos t,

(6)

式中φ為觀測地緯度，北緯為正，南緯為負(fù)；t為地方時角，正午為0；δ為太陽赤緯，式(7)為其計算公式：

(7)

其中系數(shù)cn和dn見文獻(xiàn)(Liou, 2004).

空氣的相對質(zhì)量mR和絕對質(zhì)量mA計算公式為

(8)

其中p為氣壓，可由無線探空儀同步測量提供.

3 建模及研究方法

3.1 流體動力學(xué)濕度測量誤差修正研究流程

圖3為本文采用計算流體動力學(xué)方法研究探空濕度測量時太陽輻射偏干誤差的流程圖.首先確定探空儀GTS1濕度測量系統(tǒng)為研究對象，采用Pro/E(Pro/Engineer)進(jìn)行建模，然后采用Ansys軟件包中的前處理軟件ICEM CFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接著導(dǎo)入國際主流的CFD軟件Ansys Fluent中進(jìn)行傳熱數(shù)值模擬，在準(zhǔn)確獲得太陽輻射下濕度傳感器上的溫度場分布之后，結(jié)合Goff-Gratch飽和水汽壓逼近公式，通過數(shù)據(jù)處理獲得上述太陽輻射偏干誤差理論推導(dǎo)的濕度測量時的相對誤差，最后與部分實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析.下文給出各個步驟的具體信息.

3.2 三維實體建模

Pro/E作為一種當(dāng)前最流行的高端三維CAD(Computer Aided Ddsign)軟件，越來越受到人們的青睞.根據(jù)上述GTS1濕度測量結(jié)構(gòu)簡化模型的實際尺寸，采用Pro/E建立GTS1濕度測量結(jié)構(gòu)計算模型，如圖4所示.根據(jù)實際測量，防雨/防輻射罩的總尺寸為170 mm×87 mm×47.5 mm，上方氣流入口尺寸48 mm×47.5 mm，斜坡角度45°，傳感器尺寸為43 mm×10.06 mm×1 mm.圖4中標(biāo)出了氣流入口、氣流出口、導(dǎo)流斜坡以及防雨/防輻射罩，濕度傳感器位于防雨/防輻射罩下方.需要說明的是，本文主要考慮的是濕敏電阻周圍區(qū)域的溫度場分布，如果模型過于復(fù)雜，不僅計算量急劇增加，也不能很好地反映局部細(xì)節(jié)情況，故將濕度測量結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行一定的簡化.經(jīng)過前期分析計算得知，防雨/防輻射罩下方的電路盒子與濕度傳感器的安裝座對罩內(nèi)氣流和溫度場的影響較小，因而這里將其省略.此外，由于濕敏電阻傳感器的襯底有機玻璃厚度為1 mm左右，而感濕膜和電極的厚度在微米量級，對整體與外界熱交換影響甚小，為了簡化模型，采用襯底直接代替濕敏電阻作為溫度場分析主體(冒曉莉等, 2014).

圖3 基于計算流體動力學(xué)的濕度測量誤差修正流程圖Fig.3 The flow chart of the correction for humidity measurement errors based on CFD

圖4 GTS1探空儀濕度測量結(jié)構(gòu)計算模型Fig.4 The structure model of humidity measurement system of the GTS1 radiosonde

3.3 網(wǎng)格劃分

為了進(jìn)行有限元分析，仿真計算前需采用前處理軟件ICEM對Pro/E所建實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.由于防雨/防輻射罩外形尺寸與壁面厚度懸殊較大，若采用常規(guī)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，計算量將倍增，且未必取得較好的計算結(jié)果.針對該問題，本文提出了運用面網(wǎng)格代替體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分方法.在Pro/E建模時，防雨/防輻射罩暫采用一個無厚度的面代替，在ICEM中作為面劃分網(wǎng)格，而在后續(xù)的Fluent計算中，可設(shè)置此面的尺寸為0.55 mm，這樣既可提高計算精度，計算量又較適中.網(wǎng)格劃分可采用六面體和四面體，這里采用適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格.在權(quán)衡了計算規(guī)模和計算精度的前提下，為更好地捕捉邊界層處的流體情況，采用了局部加密及邊界層棱柱網(wǎng)格，通過加強邊界層的處理以獲得更真實的計算結(jié)果.如圖5所示，不難發(fā)現(xiàn)防雨/防輻射罩及傳感器周圍的邊界層均為5層棱柱網(wǎng)格.

3.4 流體動力學(xué)計算方法及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

Ansys Fluent是當(dāng)前國際主流的CFD軟件，是求解流體流動和傳熱問題強有力的工具.本文采用Fluent仿真軟件建立探空儀GTS1濕度測量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對其施加外部復(fù)雜對流-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，研究不同條件下濕敏電阻傳感器(簡化為襯底)上的溫度場分布，求解太陽輻射加熱引起的濕敏電阻上的溫度變化，再通過公式(1)推導(dǎo)濕敏電阻測量濕度時由太陽輻射引起的相對誤差.

本文中太陽輻射方向的設(shè)置采用了軟件自帶的“solar calculation”功能自動計算出太陽高度角和方位角.經(jīng)過調(diào)研分析得知，探空儀GTS1上升過程中在各種氣流作用下做復(fù)雜的二維擺動(張恩紅等, 2013)，姿態(tài)也各異，這里為了簡化計算過程，暫假設(shè)探空儀上升姿態(tài)固定(冒曉莉等, 2014)，設(shè)模型坐標(biāo)中X方向為北，Z方向為東，Y方向為天頂方向，即氣流入口方向.南京探空站經(jīng)緯度為東經(jīng)118.5°，北緯32°，時區(qū)為東八區(qū)；日期根據(jù)選定數(shù)據(jù)設(shè)立，時間設(shè)為探空儀在空中的實際時刻(氣球上升過程是連續(xù)的，但模擬仿真過程是離散的，這里將探空儀上升過程以1 min進(jìn)行平均以獲取離散數(shù)據(jù)).關(guān)于太陽輻射量，軟件中有兩個備選模式：“Theoretical Maximum”和“Fair Weather Condition”.但是無論是哪種模式均只能針對地面的情況，換言之，軟件無法給出高空的具體數(shù)值.本文采用上文闡述的改進(jìn)的太陽輻射通量的計算方法，計算出從地面到高空32km左右太陽輻射的直射通量和散射通量值.以南京2014年9月6日為例，早上七點半施放氣球，太陽直接輻射通量和散射輻射通量隨海拔高度(隨上升時間)的關(guān)系如圖6所示.由圖6可知，太陽直接輻射通量隨海拔高度的升高而急劇增大，原因有兩個：第一，同一時刻，太陽直接輻射通量隨海拔的升高而增大；第二，隨著探空儀的上升，時間的推移，太陽高度角變高，也會導(dǎo)致太陽直接輻射通量增加.太陽散射輻射通量正好相反，低空較大，海拔10 km以上可忽略.由此可見，太陽散射通量的準(zhǔn)確設(shè)置在低空尤為重要.

圖5 GTS1探空儀濕度測量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分情況Fig.5 The mesh of humidity measurement model of the GTS1 radiosonde

圖6 2014年9月6日南京太陽輻射通量與海拔高度的關(guān)系Fig.6 The relationship between solar flux and altitude at Nanjing in September 6, 2014

此外，本文主要對探空儀GTS1濕度測量模型在太陽輻射下的傳熱進(jìn)行分析，材料傳熱系數(shù)及流體流速均對傳熱過程影響較大，根據(jù)實際情況，傳感器的襯底有機玻璃和防雨/防輻射罩的傳熱系數(shù)均設(shè)定為0.2 W·m-1·K-1.探空儀在隨氣球上升過程中，忽略空氣本身的垂直和水平運動，探空儀與空氣存在垂直方向的相對運動，則假設(shè)探空儀靜止在空中不動而設(shè)定氣流垂直向下.GTS1探空儀上升速度為5～9 m·s-1，相當(dāng)于氣流的流速為5～9 m·s-1，由于流速較低，空氣可設(shè)為不可壓縮理想氣體(彭小勇等, 2004).另外，濕度測量系統(tǒng)簡化模型迎風(fēng)面尺寸達(dá)到170 mm×87 mm，氣流在流動中形成湍流，湍流模型采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，壓力和速度解耦采用SIMPLE算法.湍流尺度即水力直徑D由防雨/防輻射罩尺寸計算得到.湍流強度I=0.16×Re-0.125，其中雷諾數(shù)Re根據(jù)氣流密度、速度、動力黏度及特征尺寸得到.

軟件設(shè)置中對傳熱分析影響較大的另一個參數(shù)設(shè)置是邊界層參數(shù)，傳感器表面因為被防雨/防輻射罩遮擋，不直接接受太陽輻射，故表面吸收率設(shè)為0，防雨/防輻射罩反射率設(shè)定為70%.氣流進(jìn)口采用速度入口邊界條件，速度利用探空儀上升過程中每分鐘的平均速度，如圖7a所示.由該圖可見，低空速度較小，隨著氣球膨脹等原因，高空氣球的上升速度逐漸變大，但在海拔10 km的地方，探空儀上升速度出現(xiàn)先下降再上升的過程.氣流出口采用壓力出口，大氣壓以探空儀同球的壓力傳感器所測大氣壓為準(zhǔn)，2014年9月6日的大氣壓隨海拔高度的曲線如圖7b所示，壓力隨海拔高度的升高而單調(diào)下降.溫度也設(shè)置為同球探空儀溫度傳感器測量的溫度值，如圖7c所示，溫度隨海拔增加先下降再上升，分界處位于對流層和平流層的過渡層，初步判定南京9月份的對流層頂大概在17～18 km之間.結(jié)合南京全年的探空數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，南京四季的對流層頂均在16～19 km之間.

圖7 2014年9月6日南京探空站探空儀GTS1觀測的部分氣象參數(shù)與海拔高度的關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between partial meteorological parameters measured by the GTS1 radiosonde and altitude at Nanjing sounding station in September 6, 2014

4 結(jié)果與討論

4.1 探空儀GTS1濕度測量系統(tǒng)防雨效果

探空儀在高空探測濕度時，空中雨滴和云滴均會對濕度測量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，為解決該問題，探空儀GTS1的濕度測量系統(tǒng)安裝防雨設(shè)備，如圖2所示，探空儀GTS1濕度傳感器雖然隱藏在防雨罩下方，但雨滴和云滴是否隨著氣流流經(jīng)濕度傳感器從而影響濕度測量？下面通過仿真計算濕度傳感器上捕捉云雨滴的情況來分析此問題.典型云滴半徑為10 μm，密度為108m-3，而典型雨滴半徑為1 mm，密度為103m-3，根據(jù)計算可得無論是雨滴還是云滴下體積率均小于10%，不屬于氣粒耦合問題，符合離散相計算條件.因此本文在氣流入口上方設(shè)置不同的云滴和雨滴面源，通過fluent模擬仿真典型云滴和典型雨滴的運動軌跡.這里給出了流體動力學(xué)仿真的南京2014年9月6日海拔2 km處探空儀防雨罩的防雨情況，圖8(a,b)分別為典型云滴和典型雨滴在垂直方向速度分量仿真圖.由圖不難發(fā)現(xiàn)，由于雨滴尺寸較大，氣流幾乎不影響它的運行軌跡，碰到防雨罩之后順著壁面從罩內(nèi)流出.由于典型云滴尺寸較小，氣流改變了它們的運行軌跡.但是傳感器表面捕捉粒子數(shù)均為0.云底高度位于400 m至幾公里，云層最高可延伸至對流層頂，根據(jù)計算模型在不同海拔高度下的仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，濕度傳感器表面均未捕捉到雨滴和云滴粒子，說明GTS1探空儀的防雨罩確實起到了很好的防雨效果.

4.2 防輻射效果

圖9給出了南京探空站2014年9月6日探空儀上升83 min后，到達(dá)最高點(海拔高度32.126 km)氣球爆炸時太陽輻射下防雨/防輻射罩上的溫度場分布.圖9a為防雨/防輻射罩與XOY平面平行的側(cè)面上溫度場分布，由圖可見此側(cè)面上溫度場分布較均勻，這主要是由于忽略了探空儀在空中的擺動，該側(cè)面沒有直接接受太陽輻射的原因.圖9b為水平氣流方向剖面圖，從防雨/防輻射罩內(nèi)部的溫度場分布可看出內(nèi)部的溫度明顯比外界環(huán)境溫度高，但從防雨/防輻射罩壁面到中間溫度逐漸降低，這與流速場仿真結(jié)果相吻合.中間區(qū)域氣流流速較強，因而帶走熱量的能力較強，從這個角度來看，濕敏電阻的放置位置盡量處于溫度場較低的中間區(qū)域.圖9c為防雨/防輻射罩上表面的溫度場分布俯視圖，由于設(shè)置X方向為北，Z方向為東，所以由圖中可清楚看出，此時太陽輻射在-X和Z方向之間，根據(jù)設(shè)置可知，這屬于東南方向，而實際在7∶30時施放氣球，83 min后即接近9∶00時，太陽的方位角顯然仍在東南方向，因而本文仿真結(jié)果與實際情況吻合.

由上述分析可看出，在太陽輻射下防雨/防輻射罩內(nèi)的溫度明顯高于周圍環(huán)境的溫度，說明其不可能消除太陽輻射的影響，但是否具有一定的防輻射效果呢？下面以南京2014年6月6日的相關(guān)數(shù)據(jù)為例，通過對比有無防輻射罩時濕度傳感器上的溫度場分布進(jìn)行討論分析.一方面，如果將GTS1的防輻射罩去掉，將濕敏電阻完全暴露在空氣中，在太陽輻射加熱下，由圖10a可知濕敏電阻上的溫度與環(huán)境溫度的差異明顯高于有防輻射罩時的情形，由此引起的濕度測量相對誤差也存在明顯差別(圖10b所示).通過上述分析可知GTS1的防輻射罩具備一定的防輻射能力，但它并不能完全消除太陽輻射加熱對濕度測量結(jié)果的影響.另一方面，若施放氣球的時間改為同一天的11∶30，即探空儀在空中的時間為正午前后，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)此時太陽輻射加熱引起的相對誤差比早上7∶30施放氣球時要高很多，該研究結(jié)果表明太陽輻射加熱對濕度測量誤差的影響與施放氣球的時間有直接關(guān)聯(lián)，根本原因在于正午前后太陽高度角較高，太陽輻射量較大，因而太陽輻射加熱效果較明顯.一般情況下，國內(nèi)將8∶00時和20∶00時(實際施放氣球的時間較8∶00時和20∶00時提前30 min左右)作為常規(guī)探測時間.但實際上，由于夏天短時對流天氣較明顯，且50%以上的雷暴大風(fēng)、局部強降雨等天氣生消在兩次常規(guī)探測之間(廖曉農(nóng)等，2007).所以，即使正午前后太陽輻射誤差較大，仍可通過增加14∶00時的高空探測來提高短時臨近潛勢預(yù)報的準(zhǔn)確率.同時，應(yīng)用這些高空觀測資料也可檢驗和修正前期預(yù)報結(jié)果.隨著技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)實際研究或者應(yīng)用中的需求，我國將會與國際接軌，將2∶00時和14∶00時的兩次探測也列為常規(guī)探測.

圖8 云雨滴軌跡仿真(a)典型云滴垂直方向速度仿真圖；(b)典型雨滴垂直方向速度仿真圖.Fig.8 The simulation map of trajectories of cloud- and rain-drops(a) The simulation map of the typical cloud droplet velocity in the vertical direction; (b) The simulation map of the typical raindrop velocity in the vertical direction.

圖9 2014年9月6日探空儀GTS1濕度測量系統(tǒng)在海拔32.126 km的溫度場分布(a) XOY平面； (b) YOZ平面； (c) XOZ平面.Fig.9 The temperature distribution of humidity measurement system from GTS1 radiosonde at altitude of 32.126km at Nanjing in September 6, 2014(a) The plane of XOY; (b) The plane of YOZ; (c) The plane of XOZ.

4.3 GTS1和RS92相對誤差比較

RS92作為Vaisala新一代探空儀，濕度測量采用雙加熱式濕度傳感器，其輪流加熱交替測量的方法有效避免了傳感器表面結(jié)冰導(dǎo)致測量失效的問題.圖11給出了GTS1與RS92由于太陽輻射引起的濕度測量相對誤差隨氣壓變化的曲線.無論是GTS1還是RS92，其相對誤差均隨氣壓降低而呈單調(diào)遞增關(guān)系，即海拔高度越高，相對誤差越大.原因可歸納為以下兩點：(1)海拔越高，太陽的直接輻射通量增大，導(dǎo)致輻射加熱效應(yīng)增強，濕度傳感器與環(huán)境的溫度差變大從而使得濕度相對誤差也逐漸變大；(2)海拔高度增加后，大氣密度急劇減小，直接導(dǎo)致傳熱能力降低.值得注意的是，雖然隨海拔高度增加，風(fēng)速增大和氣體黏度下降均會導(dǎo)致傳熱增強，但相比較前兩個因素而言影響較小，于是總體表現(xiàn)為溫差依然增大，因而相對濕度測量時相對誤差顯著增加.

由圖11還可清楚看出，與GTS1相比，RS92的偏干現(xiàn)象更為嚴(yán)重，該仿真結(jié)果符合實際情況.RS92采用雙加熱濕度傳感器，它們完全暴露在空氣之中，優(yōu)點是直接與空氣充分接觸，減小了延遲時間.但缺點也很明顯，由于傳感器上無遮擋，太陽輻射直接對其進(jìn)行加熱，使傳感器上的溫度高于周圍環(huán)境溫度.而GTS1的防雨/防輻射罩在很大程度上阻擋了太陽輻射的直接加熱，起到了一定的防輻射功能.例如，氣壓100 hPa處，RS92的相對誤差高達(dá)70%，而GTS1的誤差約為40%.需要說明的是，盡管防雨/防輻射罩對太陽輻射能起到一定的防護(hù)作用，但還不能完全消除其影響，為提高濕度觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此探空儀GTS1濕度測量的歷史或?qū)淼臄?shù)據(jù)仍需進(jìn)行太陽輻射誤差修正.為進(jìn)一步驗證本文提出的基于流體動力學(xué)的太陽輻射偏干誤差修正模型的有效性，下文將該模型的計算結(jié)果與GTS1的實驗結(jié)果做具體的對比分析.

圖10 GTS1防輻射罩防輻射效果圖(a) 溫度差與海拔高度的關(guān)系； (b) 相對誤差隨海拔高度的關(guān)系.Fig.10 The anti-radiation effect of radiation shield of GTS1(a) The relationship between temperature error and altitude; (b) The relationship between the relative error of RH and altitude.

圖11 太陽輻射條件下GTS1與RS92濕度測量的相對誤差的比較曲線Fig.11 The curve of the relative error of RH respectively from GTS1 and RS92 considering the solar radiation

4.4 昆明實驗與流體動力學(xué)仿真比較

2009年8月7日至13日卞建春等在昆明(北緯25.01°，東經(jīng)102.65°，海拔1.889 km)對探空儀GTS1、RS80以及CFH進(jìn)行了濕度測量的對比實驗(Bian et al., 2011).實驗結(jié)果表明GTS1和RS80的濕度傳感器(帶有防輻射罩)與CFH相比均表現(xiàn)出偏干現(xiàn)象，且GTS1的偏干更顯著.文中還分別給出了白天和夜晚GTS1與CFH濕度測量的相對誤差曲線，通過曲線不難發(fā)現(xiàn)白天的偏干現(xiàn)象明顯高于夜晚，而事實上白天與夜晚GTS1濕度傳感器本身的誤差變化很小，最大的區(qū)別在于有無太陽輻射，這表明白天與夜晚偏干值之差主要來源于太陽輻射加熱效應(yīng).通過將白天和夜晚GTS1與CFH濕度測量的相對誤差相減，本文間接獲取了GTS1由于太陽輻射引起的濕度測量相對誤差的最小值、最大值和平均值.如圖12所示，500 hPa以下GTS1濕度測量由太陽輻射引起的平均相對偏差在10%以內(nèi)，而500 hPa以上誤差急劇增加，到310 hPa時平均相對偏差達(dá)30%.接近100 hPa時，由于溫度較低，GTS1很容易結(jié)冰，導(dǎo)致無法正常測量濕度值，由圖12可知這個區(qū)域出現(xiàn)了明顯不正常的偏濕現(xiàn)象.

利用本文建立的GTS1的濕度測量模型，在Fluent中嚴(yán)格按照昆明的地理位置，施放氣球的時間等進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和模擬計算.通過圖12比較數(shù)值分析結(jié)果和實驗結(jié)果可知，基于流體動力學(xué)的仿真值隨海拔高度增加而單調(diào)遞增，而實驗結(jié)果中相對誤差的波動范圍較大，且隨海拔高度呈現(xiàn)非單調(diào)遞增關(guān)系.盡管如此，仿真值基本落在實驗相對誤差范圍內(nèi)，尤其是300 hPa以下吻合度較好.當(dāng)氣壓在200～300 hPa范圍內(nèi)時，實驗結(jié)果的相對誤差急劇增加達(dá)到30%，而此時仿真值僅約10%.除了實驗測量本身會存在一定的誤差外，兩者產(chǎn)生偏差的原因還可能在于：(1)由于文獻(xiàn)(Bian et al., 2011)給出的濕度觀測數(shù)據(jù)是多天測量的結(jié)果，且未給出具體的溫度和氣壓值，在本文實際計算中溫度和氣壓采用標(biāo)準(zhǔn)大氣的相關(guān)參數(shù)；(2)從計算量的角度出發(fā)，本文對GTS1濕度測量計算模型進(jìn)行了簡化處理；(3)在本文的流體動力學(xué)計算中，忽略了水平側(cè)風(fēng)的影響.若考慮側(cè)風(fēng)，GTS1探空儀將做復(fù)雜二維擺動，在這種情況下，氣流與防雨/防輻射罩的入口面會形成不同的角度，導(dǎo)致通風(fēng)效果變差，其變差程度與擺動半徑成正比.而文獻(xiàn)(張恩紅等, 2013)的實驗結(jié)果表明擺動半徑與側(cè)風(fēng)風(fēng)速成正比.一般情況下，氣壓在200～300 hPa范圍內(nèi)時，側(cè)風(fēng)將達(dá)到最大值，因此該范圍內(nèi)防雨/防輻射罩的通風(fēng)效果最差，這導(dǎo)致了顯著的太陽輻射偏干誤差.為了充分說明這一問題，本文在暫不考慮探空儀復(fù)雜二維擺動的前提下，結(jié)合一般的高空側(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，最大的側(cè)風(fēng)一般出現(xiàn)在200 hPa左右高度，此時氣流與防雨/防輻射罩的入口面的夾角幾乎為零.在這種通風(fēng)效果最差的靜態(tài)條件下，通過流體動力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)太陽輻射偏干誤差為55%～70%.實際上，在探空儀上升的動態(tài)過程中，不同海撥的側(cè)風(fēng)均不同，防雨/防輻射罩會做復(fù)雜的二維擺動因而太陽輻射偏干誤差比上面計算的靜態(tài)值小.我們將在后續(xù)的工作中開展復(fù)雜二維擺動方面的研究.但從總體上可以看出，本文基于流體動力學(xué)計算的修正值和實驗修正范圍吻合較好，這在一定程度上表明本文數(shù)值分析法的有效性.

圖12 太陽輻射下昆明實驗GTS1觀測的濕度數(shù)據(jù)相對誤差與流體動力學(xué)仿真值的比較Fig.12 The comparison of relative error of RH between the measurement datum from GTS1 in Kunming and the simulation results using CFD under similar conditions of solar radiation

4.5 南京探空站GTS1數(shù)據(jù)分析比較

南京探空站每天早晚使用GTS1探空儀實施8∶00時和20∶00時兩次常規(guī)探測，從而獲取高空溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素.國內(nèi)專家對高空濕度測量的相關(guān)實驗研究表明(Bian J C, et al.，2011；顏曉露等，2012)，GTS1濕度測量白天呈現(xiàn)明顯的偏干現(xiàn)象，且主要為太陽輻射加熱導(dǎo)致的偏干現(xiàn)象.采用基于流體動力學(xué)的太陽輻射誤差修正方法，現(xiàn)選取2014年南京具有代表性的四天(3月12日、6月6日、9月6日、12月11日)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真.具體結(jié)合GTS1濕度測量系統(tǒng)的簡化模型，在Fluent軟件中設(shè)置南京探空站的地理位置和時區(qū)，施放氣球時間為上午7∶30，日期分別設(shè)置為3月12日、6月6日、9月6日、12月11日，氣流速度按照氣球上升速度設(shè)置，溫度、氣壓按照探空儀實測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置.通過Fluent模擬仿真太陽輻射下濕度傳感器上的溫度場分布，再通過公式(1)推導(dǎo)濕度測量的太陽輻射相對誤差，四天的比較曲線如圖13所示.由圖13可以看出，四條曲線均隨海拔高度的升高而單調(diào)遞增；6月6日的相對誤差最大、9月6日的次之、12月11日的最小.這主要歸因于一年中6月份的太陽高度角最大，太陽直接輻射通量最大；12月份的太陽高度角最小，太陽直接輻射通量最小，故太陽高度角直接影響太陽輻射對防雨/防輻射罩的加熱效應(yīng).我國對施放氣球的高度要求是26 km，南京探空站年平均在28.5 km左右，一般情況下秋冬季較高，由圖13中可以看出9月份的施放氣球的高度最大，達(dá)到32 km以上.

圖14為相對濕度的絕對誤差比較曲線，由圖可知，絕對誤差與海拔高度基本呈現(xiàn)遞增關(guān)系，但由于不同海拔高度的相對濕度值RH區(qū)別較大，絕對誤差呈現(xiàn)了一定的波動，如6月份在對流層上部波動較大.總體上講，GTS1相對濕度測量精度較低，要求溫度高于-25 ℃時誤差≤5%RH，溫度低于- 25 ℃時，誤差≤10%RH.雖然從圖14中不難看出，海拔高度25 km以下基本能滿足要求，但25 km以上，誤差基本在10%RH以上，且最高已達(dá)20%RH，這嚴(yán)重制約了我國高空濕度的測量精度.鑒于這種現(xiàn)狀，結(jié)合實際觀測數(shù)據(jù)，基于流體動力學(xué)數(shù)值方法對25 km以下濕度測量的誤差進(jìn)行修正可進(jìn)一步提高濕度測量的精度，而對25 km以上濕度測量太陽輻射偏干誤差實現(xiàn)修正則可顯著提升我國濕度探空高度.

圖13 不同季節(jié)南京探空站GTS1濕度測量的太陽輻射相對誤差Fig.13 The solar radiation dry error of humidity measurement by GTS1 in different seasons at Nanjing sounding station

圖14 不同四天的探空濕度測量的絕對誤差Fig.14 The absolute error of sounding humidity measurement in different four days

圖15反映了濕度測量誤差與溫度之間的關(guān)系.圖15a是濕度測量的相對誤差隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線，當(dāng)溫度高于-40 ℃時，相對誤差較小，反之誤差較大.溫度-60 ℃以下一般在對流層頂和平流層下部15～20 km左右，相對誤差較大，在10%～30%之間.溫度在-40～-60 ℃區(qū)間，太陽輻射相對誤差不確定，因為該溫度區(qū)間海拔高度對應(yīng)著對流層下部和平流層中部，而這兩層的相對誤差差異很大.如圖15b所示，濕度絕對誤差的變化規(guī)律與相對誤差類似，區(qū)別為6月6日的絕對誤差波動較大.

本文最后對南京探空站探空儀GTS1的濕度實測數(shù)據(jù)實施了流體動力學(xué)太陽輻射偏干誤差修正.圖16反映了不同的四天修正前后的濕度廓線對比曲線.對比四天的濕度廓線不難發(fā)現(xiàn)，200 hPa以下(對流層)大氣的相對濕度較高，且波動較大，尤其是6月6日濕度的波動較多.200 hPa以上(平流層)大氣的相對濕度較小，屬于典型低溫低濕區(qū)域，波動也較小.不難發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)的對流層濕度廓線修正前后曲線變化不明顯，而平流層濕度廓線修正后的曲線與修正前的曲線相差較大，該結(jié)果表明這個區(qū)域的偏干現(xiàn)象較為嚴(yán)重.值得注意的是，2014年3月12日平流層的濕度測量值出現(xiàn)固定不變的值，這可能是由于濕敏電阻結(jié)冰導(dǎo)致測量失效引起的，因此平流層濕度的準(zhǔn)確測量目前仍是個難點.但總的來說，前面與RS92相對誤差以及昆明實驗結(jié)果的對比研究，均表明了基于流體動力學(xué)的太陽輻射誤差修正方法是可靠有效的，其能夠在一定程度上提升我國探空濕度測量精度.由圖16中太陽輻射誤差修正前后的濕度廓線對比可知，100 hPa(海拔16.5 km)以下區(qū)域測量精度提高2%RH左右，而100 hPa以上區(qū)域測量精度可提高2%～21%RH，該結(jié)果同時表明太陽輻射誤差修正對于對流層頂(16～19 km)以上的高空濕度測量更為重要.

圖15 濕度測量的誤差與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.15 The relationship between humidity measurement error and ambient temperature

圖16 不同季節(jié)GTS1觀測的濕度廓線修正前后的曲線(a) 2014年3月12日； (b) 2014年6月6日； (c) 2014年9月6日；(d) 2014年12月11日.Fig.16 The vertical humidity profiles in different seasons (corrected vs uncorrected) from GTS1(a) March 12, 2014; (b) June 6, 2014; (c) September 6, 2014; (d) December 11, 2014.

5 結(jié)論

結(jié)合改進(jìn)的太陽輻射計算模型，通過計算流體力學(xué)CFD軟件Fluent對探空儀GTS1濕度測量結(jié)構(gòu)模型在太陽輻射加熱下溫濕度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重探討了GTS1濕度測量系統(tǒng)的防雨和防輻射效果，并最終選取南京探空站2014年不同季節(jié)的四天的觀測數(shù)據(jù)作為模擬仿真參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計算和修正.經(jīng)過對數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與實驗測試結(jié)果進(jìn)行對比研究分析得到如下結(jié)論：

(1) 探空儀GTS1的防雨/防輻射罩有很好的防雨效果，防輻射效果也較明顯，但尚不能消除太陽輻射的影響，特別是100 hPa以上的高空.而本文提出的基于流體動力學(xué)的太陽輻射偏干誤差修正方法可在一定程度上提高濕度測量精度，100 hPa以下區(qū)域提高2%RH左右，而100 hPa以上區(qū)域可提高2%～21%RH；

(2) 由于太陽輻射加熱影響，探空儀GTS1雖然設(shè)有防輻射罩，但濕度測量仍存在明顯偏干現(xiàn)象.流體動力學(xué)計算得到的濕度測量偏干程度隨海拔高度的升高而增加，這與太陽輻射引起Viasala探空儀RS92濕度偏干現(xiàn)象一致；

(3) 基于流體動力學(xué)方法，以南京探空站2014年3月12日、6月6日、9月6日、12月11日四天為例，計算得到的太陽輻射加熱引起的探空儀GTS1濕度測量的相對誤差er隨海拔高度單調(diào)遞增，而絕對誤差RH%隨海拔高度非單調(diào)遞增；

(4) 太陽輻射加熱對探空儀濕度測量的偏干影響與環(huán)境溫度存在非單調(diào)關(guān)系，在對流層，環(huán)境溫度越低，偏干程度越大；在平流層，環(huán)境溫度越低，偏干程度越小.

本文也給出了理論計算與實驗測量存在一定差異的原因，其中水平側(cè)風(fēng)引起探空儀做復(fù)雜二維擺動是最重要的原因，在后續(xù)工作中我們將考慮這一復(fù)雜因素對探空濕度測量太陽輻射偏干誤差的具體影響.總之，本文提出的研究方法及獲得的計算結(jié)果對探空濕度測量太陽輻射偏干誤差的有效修正等方面的研究具有一定的參考價值.

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(本文編輯 胡素芳)

Research on corrections of humidity measurement errors from GTS1 radiosonde based on fluid dynamics analysis

MAO Xiao-Li1,3,4， ZHANG Jia-Hong1,2,4*， XIAO Shao-Rong3,5， LIU Qing-Quan1,2,3,4， CHEN Yong6， DAI Wei3， YANG Jie3

1JiangsuKeyLaboratoryofMeteorologicalObservationandInformationProcessing,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China2JiangsuCollaborativeInnovationCenteronAtmosphericEnvironmentandEquipmentTechnology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China3SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China4SchoolofElectronic&InformationEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China5SchoolofPhysics&OptoelectronicEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China6NanjingMeteorologyBureau,Nanjing210000,China

An accurate humidity profile has important reference values for short-term numerical weather prediction and long-term climate research. However, the solar radiation, high-altitude clouds and rains as well as other factors lead to the low accuracy of radiosonde humidity measurement. In order to solve the problem that the GTS1 radiosonde has a strong solar radiation dry bias during daytime humidity measurement, the structure model of GTS1 humidity sensor was established in this paper. The influence of solar radiation on humidity measurement was carefully studied by computational fluid dynamics (CFD) method and the rainproof effect of the rain/radiation shield was also discussed at the same time.Combining with the improved solar radiation calculation model, both the trajectories of clouds and raindrops and internal temperature distribution of the rain/radiation shield were specifically simulated and analyzed by using Fluent. The numerical simulation results show that the rain/radiation shield basically protects the humidity sensor from the effects of high-altitude clouds and rains in the vertical airflow and it also plays a certain protective role against the solar radiation. However, the solar radiation dry bias of humidity measurements from GTS1 radiosonde is still significant, and the relative error at altitude of 30 km is even up to 70%.Compared to the solar radiation dry biases of humidity measurements from RS92 and GTS1 radiosondes, it is found that the change trend of humidity relative error with the altitude based on fluid dynamics numerical calculation is basically consistent with them. The reason of the difference between theoretical calculation and experiment measurement is also given. Furthermore, the measurement datum of Nanjing sounding station such as temperature, air pressure and balloon rising speed in different seasons of 2014 were taken as the CFD calculation parameters and the relationships between the solar radiation error and altitude as well as ambient temperature were obtained, and finally the solar radiation error corrections were carried out for four sets of sounding humidity profiles, which enhances the accuracy of humidity measurement from the GTS1 radiosonde. The research results in this paper provide some reference for the effective correction of the solar radiation dry bias of the humidity measurements.

Radiosonde humidity measurement; CFD; Solar radiation dry bias; Rain/radiation shield

10.6038/cjg20161237.

國家自然科學(xué)基金項目(41605120，61306138，41275042)，江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2012460)，江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科Ⅱ期建設(shè)工程項目和江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室開放課題(KDXS1504)資助．

冒曉莉,女,1977年生,博士,主要從事大氣探測及數(shù)據(jù)處理等研究.E-mail:mxl426@163.com

*通訊作者 張加宏,男,1979年生,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事MEMS氣象傳感技術(shù)及應(yīng)用方面的研究.E-mail:zjhnuist@163.com

10.6038/cjg20161237

P401

2015-11-06，2016-08-30收修定稿

冒曉莉， 張加宏， 肖韶榮等. 2016. 基于流體動力學(xué)的探空儀GTS1濕度測量誤差修正研究. 地球物理學(xué)報，59(12):4791-4805,

Mao X L， Zhang J H， Xiao S R,et al. 2016. Research on corrections of humidity measurement errors from GTS1 radiosonde based on fluid dynamics analysis.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(12):4791-4805,doi:10.6038/cjg20161237.