一種自然通風防輻射罩的設計與研究

孫中琳， 劉清惓*， 楊 杰， 張婷婷

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院， 南京 210000； 2.江蘇省氣象探測中心， 南京 210000；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室， 南京 210000)

在全球變暖的背景下，氣溫變化成為人們關注的重點，相關問題也被世界各地的政府組織和公眾廣泛討論。據研究，喜馬拉雅地區的冰川范圍持續減少，對未來能否可持續發展帶來關鍵挑戰[1]；水溫升高1～2 ℃可能會加速許多熱帶水域生物的死亡[2]；植物生長期將會發生變化，從而導致溫室效應惡性循環[3]。目前全球平均氣溫較20世紀50年代已經上升了約1 ℃[4]。預測表明，到21世紀末，如果不進行減排減碳，還有可能上升2.5～4 ℃[5]。由此可見，氣溫變化不管是對于地球生態或人類生活來說都非常重要，氣溫監測的準確度更是研究氣候變化的重要因素。

氣溫的監測主要是由溫度傳感器進行采集，但由于太陽直接輻射、散射輻射、下墊面反射輻射等多重輻射的影響，一般氣象站通常會利用百葉箱或者防輻射罩等設備來保護傳感器，但也同時會造成通風性差、溫度變化不同步的問題。任芝花等[6]用了5個月的時間對比了兩種不同材質的百葉箱對于大氣溫濕度的變化反應，玻璃鋼百葉箱更勝一籌。徐偉等[7]針對上海楓涇區域2012年自動氣象站的數據進行分析，發現輕型百葉箱對于大氣溫度的變化比玻璃鋼百葉箱更敏感。袁超等[8]通過對比防輻射罩和百葉箱的溫度樣本觀測數據，發現防輻射罩的通風比大于百葉箱。陽艷紅等[9]在鄭州國家基準氣象觀測站做了不同防輻射罩的對比實驗，找出了其在材料上和結構上的差異。他們認為在設計防輻射罩時，首先應考慮通風性是否良好，其次再考慮材料防輻射特性。Richardson等[10]提出了一種具有拋物線截面的Gill防輻射罩優化結構，一定程度上提升了通風量，但未量化新結構的輻射誤差。Erell等[11]針對不同形狀和材料的防輻射罩進行了研究，發現其平均輻射誤差在1 ℃量級。Zachary等[12]設計了一種盾牌結構防輻射罩，其成本遠低于市場價，但平均輻射誤差為0.99 ℃。Christoph等[13]提出了一種強制通風防輻射罩，其溫度誤差約為0.2 ℃，難以滿足高精度觀測的要求。

與百葉箱相比，防輻射罩體積小、成本低，且結構簡易、安裝攜帶方便[14]，所以應用日益廣泛。它的通風結構設計可以有效提高罩內傳感器附近的氣流速度，同時還可以減少來自個各個方向的輻射，保護內部傳感器免受雨、雪、風沙等惡劣天氣的破壞。但防輻射罩的結構樣式繁多，因此，有必要對其進行研究，以提高工作性能，減小輻射誤差，提高測溫精確度。

1 防輻射罩流體動力學分析

1.1 防輻射罩物理模型

本文中設計的多導管式球形防輻射罩模型如圖1所示，包括1個球形導流罩及均勻分布在導流罩外壁上的8根導流管道。導流罩呈球形，直徑40 mm，厚度1.5 mm，此結構可有效引導自然風在罩內流通，減少各個角度的太陽輻射及下墊面反射輻射。導流管道呈圓臺狀，內徑為7 mm，外徑為12 mm，長度為30 mm，厚度為1.5 mm。測溫時，溫度傳感器可置于導流罩截面的中心位置。

圖1 模型示意圖

1.2 多物理場仿真分析

地表溫度傳感器的測量誤差主要包括傳感器標定誤差、電路誤差和輻射誤差。相對而言，輻射誤差引起的溫度誤差比其他兩個因素影響更為顯著，尤其是太陽輻射誤差[15]。為了與后續實驗進行比對，并且在實際應用場景中，固定氣象站的海拔、防輻射罩表面涂層反射率等因素幾乎不變，對輻射誤差影響較小，因此主要圍繞太陽輻射強度、風速及太陽高度角三個因素與輻射誤差之間的關系進行研究。

通過網格劃分軟件ICEM對防輻射罩模型不同計算區域進行不同的網格大小劃分，保證了網格質量及仿真的收斂性和精度。當網格數量達到一百四十萬時，網格質量良好。隨后采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法建立防輻射罩的流體動力學模型，如圖2所示。空氣入口設為速度入口，空氣出口設為壓力出口，同時開啟太陽輻射模型，用來模擬真實條件下的太陽輻射強度及太陽高度角。

圖2 仿真模型原理

設風速為V，太陽輻射強度為I，太陽高度角為α，輻射誤差為ΔT。當V=4 m/s、α=45°、I=1 000 W/m2時，模擬結果如圖3所示，防輻射罩中心的ΔT=0.059 ℃、V=3.003 m/s。由此可得，該防輻射罩具有良好的防輻射效果和通風性。

圖3 防輻射罩內部溫度場及流場分布

1.3 不同環境因素對輻射誤差的影響

通過CFD方法分別對不同條件下的防輻射罩模型進行仿真，如圖4所示，其中I、V、α范圍分別設置為200～1 600 W/m2、1～16 m/s 、0°～90°。太陽輻射誤差ΔT與I呈正相關，I越大，ΔT越大；與V呈負相關，V越大，ΔT越小；與α呈正相關，α越大，ΔT越大。

圖4 不同條件下的輻射誤差仿真結果

2 SVM算法設計

2.1 支持向量機回歸算法

大氣科學研究不僅需要對氣候氣象等要素進行監測，更需要對氣候進行準確的預測。孫靖等[16]利用時間序列負荷預測法對空調負荷進行預測，發現此模型更適用于規律性較強的樣本。李松等[17]研究表明神經網絡預測法需要大量的樣本進行訓練，否則預測誤差極有可能偏大。而支持向量機(support vector machine, SVM)模型更適用于樣本少、波動大等問題[18]，預測性能較好。

支持向量機回歸算法就是找出輸入樣本數據和輸出樣本數據之間的映射關系，然后再利用這樣的映射關系對其他樣本數據進行預測。

回歸問題的數據樣本可表示為

T={(xi,yi),i=1,2,…,N}

(1)

式(1)中：N為訓練樣本數；xi為輸入向量；yi為輸出向量[19]。

SVM模型的建立包含樣本集的建立、數據的歸一化處理和訓練集的選取訓練等部分，其模型框架流程如圖5所示，整個過程中的關鍵部分在于訓練樣本數據的構造、SVM模型及相關參數選取等。根據本文需求分析，所設輸入為太陽輻射強度、太陽高度角和風速，輸出為輻射誤差。

圖5 SVM模型流程圖

2.2 預測結果分析

選用LIBSVM工具箱，該工具箱內擁有很多默認選項供使用者直接設置，無需過多調節，并且具有運行速度快、運用靈活等特點，便于對數據做分類或回歸[20]。

將SVM預測的結果與仿真結果進行比較，如圖6所示，仿真值與預測值基本接近。為了便于結果分析，將仿真值與預測值相減得出絕對誤差，如圖7所示。誤差值均介于-0.006～0.004 ℃，由此可見，算法預測精度較為準確。

圖6 仿真值與預測值對比

圖7 仿真值與預測值的絕對誤差

3 實驗測試與分析

3.1 實驗平臺的搭建

為了驗證防輻射罩的輻射屏蔽效果及算法預測精度，在中國氣象局氣象探測中心(南京)觀測基地(32.12 °N，118.42 °E，海拔22 m)搭建了外場輻射誤差測試平臺，進行了為期4 d的大氣溫度觀測比對實驗。在實驗過程中，以076B型強制通風防輻射罩的氣溫觀測值作為溫度參考，其產品手冊上給出的誤差值小于0.03 ℃。輻射誤差測試平臺如圖8所示。

圖8 實驗裝置圖

3.2 實驗結果分析

實驗測得太陽輻射強度和風速結果如圖9所示。將強制通風防輻射罩測得的溫度與本設計測得的溫度作差，得到輻射誤差結果如圖10所示，經計算得出本設計的平均輻射誤差為0.081 ℃。因此，本文提出的多導管式球形防輻射罩具有較好的防輻射效果，可以有效提高測溫精度。

圖9 不同時間下風速和太陽輻射強度的觀測結果

圖10 不同時間下的輻射誤差

為了驗證算法的預測精度，將實驗測得的輻射誤差結果和由預測模型提供的輻射誤差結果進行比較，如圖11所示。可知，算法預測結果與實驗值相差較小。經計算得，實驗給出的平均輻射誤差和算法預測得出的平均輻射誤差分別為0.081 ℃和0.047 ℃。由均方根誤差(root mean squared error,RMSE)和平均絕對誤差(mean absolute error,MAE)，兩個輻射誤差之間的RMSE為0.054 ℃、MAE為0.039 ℃。RMSE、MAE的計算公式為

圖11 不同時間下實驗值和預測值的比較

(2)

(3)

式中：Epre為算法預測誤差；Eexp為實驗輻射誤差；n為抽樣總數。

由此可得，本文中設計具有較好的防輻射效果，且算法預測精度較高，對未來氣象預報精度、氣候趨勢預測、氣象災害預警等相關科學研究有一定作用。

4 結論與展望

設計了一種多導管式球形防輻射罩。首先對防輻射罩外形結構進行設計；然后利用CFD方法量化太陽輻射強度、風速、太陽高度角等不同環境參數下傳感器的輻射誤差；接著，采用SVM算法訓練出針對多變量變化的誤差預測模型；最后，利用外場輻射誤差實驗平臺對其輻射屏蔽效果及算法預測精度進行驗證。由此可以得出以下結論。

(1) 本文提出的多導管式球形防輻射罩可將輻射誤差精度降低至0.05 ℃量級，輻射屏蔽效果較好。

(2) 輻射誤差的實驗結果與預測結果的差值的均方根誤差為0.054 ℃、平均絕對誤差為0.039 ℃。表明算法預測值與實測值之間較為符合，預測模型準確性高，對未來氣象相關科學研究有一定價值。