防雨帽对探空仪湿度测量影响的CFD研究*

冒晓莉, 张加宏, 李 敏, 马 涛, 杨 杰, 戴 伟

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044;4.中国科学院 紫金山天文台,江苏 南京 210008)

防雨帽对探空仪湿度测量影响的CFD研究*

冒晓莉1,2,3, 张加宏1,2, 李 敏1,2, 马 涛4, 杨 杰2,3, 戴 伟2,3

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044;4.中国科学院 紫金山天文台,江苏 南京 210008)

采用流体动力学方法研究了GL—5000P探空仪湿度传感器的防雨帽对湿度测量的影响。运用Pro/E对湿度测量系统结构进行建模,使用前处理软件ICEM对其进行网格划分,导入Fluent软件进行稳态和瞬态计算分析。模拟结果表明：GL—5000P防雨帽很好地防止了高空云雨滴对湿度传感器的影响,其兼具一定的防太阳辐射功能,但高空25 km以上防辐射能力减弱,甚至起相反作用；防雨帽厚度对太阳辐射误差影响较小,而其反射率影响则较显著；瞬态分析揭示了传感器表面的湿度场分布产生了时间滞后,且时间滞后常数随海拔高度的升高而增加,到27 km达到0.42 s。该研究为湿度垂直廓线的时间滞后修正提供了理论依据。

防雨帽； 湿度传感器； 太阳辐射； 响应时间； 计算流体动力学

0 引 言

高空气象要素的准确测量对短期天气预报和中长期气候预估均具有重要意义[1]。高空气象要素的测量最早出现的是无线探空仪,后来发展较为先进的飞机、卫星遥感等方法。但是无线探空仪以其价格便宜、操作方便等优势,一直作为探空的主要技术手段。同时,无线探空仪的直接测量数据也常常作为遥感探测反演数据的标准[2]。目前,我国高空气象要素的常规测量主要是采用无线探空仪,测量要素中温度、气压、风速风向等测量均已达到较高精度,而由于传感器本身和定标操作、太阳辐射等诸多原因,湿度廓线的测量精度相对较低[3,4]。而垂直湿度廓线对于短期预报是否有降水,以及降水量的多少尤为重要,所以,研究探空仪湿度测量的误差以提高湿度垂直廓线的测量精度非常重要。

为了能够直接与空气接触,温度传感器一般是完全暴露在空气中,由于太阳辐射的照射导致温度传感器输出值产生太阳辐射正偏差[5,6]。高空雨水对湿度测量影响较大,湿度传感器上面一般安装有防雨帽。但防雨帽在太阳辐射下内部的温度场将升高,导致湿度传感器周围空气温度升高,饱和水汽压随之下降,从而导致湿度传感器输出的相对湿度(relative humidity,RH)值升高,即太阳辐射对湿度测量也产生正偏差[5,6]。值得注意的是,防雨帽一般为倒扣圆筒形状,这在一定程度上阻碍了湿度传感器与空气直接接触,影响了湿度传感器上的通风量,使得湿度传感器与空气的接触产生了时间延迟,这个延迟时间影响了湿度垂直廓线的准确测量。针对上述问题,为了进一步提高探空湿度测量的精度,本文采用流体动力学方法研究了防雨帽对湿度测量太阳辐射误差的影响,同时模拟了湿度传感器在防雨帽下响应环境湿度的响应时间,相关研究为湿度垂直廓线的精确修正提供了一定的理论依据。

1 模型与计算方法

1.1 防雨帽模型

图1为韩国Jinyang公司的GL—5000P型探空仪温湿度传感器。如图1(a)所示,上方为珠状温度传感器,下方为带防雨帽的湿度测量结构,湿度传感器采用E+E公司的电容式湿度传感器HC103M2,具体见图1(b)。带有防雨帽结构的探空仪还有很多,例如：我国上海长望气象科技有限公司生产的GTS1型数字探空仪,参加2010阳江比对的非洲InterMet公司的iMet—2型探空仪,Modem公司的M2K2DC型探空仪,德国Graw公司的DFM—09型探空仪等[7],这些探空仪在湿度传感器的上方均罩有一个防雨帽,虽然各自的形状和大小不尽相同,但以倒扣的圆筒形为主。本文以Jinyang典型的倒扣圆筒形防雨帽结构作为具体的建模研究对象。

图1 Jinyang公司GL—5000P型探空仪温湿度传感器Fig 1 Temperature and humidity sensor of GL—5000P radiosonde of Jinyang corporation

1.2 计算理论和方法

采用计算流体动力学方法研究探空湿度测量系统相关参数的具体步骤包括：首先采用Pro/E进行建模,然后采用Ansys软件包中的前处理软件ICEM进行网格划分,最后导入国际主流的计算流体动力学(CFD)软件Ansys Fluent中进行稳态和瞬态数值模拟,获取温度场、湿度场以及风场等信息参数进行分析处理。

以Jinyang的GL—5000P型探空湿度测量系统(见图1)为研究对象,采用流体动力学软件模拟其湿度传感器上温度场和湿度场分布。HC103M2电容式湿度传感器采用玻璃作为其衬底,采用Pro/E建立的湿度测量系统结构模型如图2(a)所示,然后采用前处理软件ICEM对模型进行网格划分,网格划分的局部截面如图2(b)所示。网格划分采用适应性较强的非结构化四面体网格,在权衡了计算规模和计算精度的前提下,采用局部加密的方法,由图2(b)中可以看出传感器与防雨帽的加密网格。最后将ICEM划分网格后形成的MESH文件导入Fluent分别进行稳态和瞬态的数值模拟。

图2 GL—5000P型探空仪湿度测量系统Fig 2 Humidity measurement system of GL—5000P radiosonde

2 仿真与讨论

2.1 防辐射效果

高空湿度测量除雨水影响,还有常常被忽略的太阳辐射影响[8],带有防雨帽的湿度传感器虽然不暴露在太阳辐射直接照射下,但太阳辐射对湿度测量的影响是否可完全消除需要具体研究。本文采用Fluent仿真软件建立探空仪GL—5000P湿度测量系统的稳态传热模型,对其施加外部复杂对流—太阳辐射耦合热边界条件,进行流固耦合传热分析。通过Fluent仿真分析,研究不同条件下传感器衬底上的温度场分布,求解太阳辐射加热引起衬底的温度变化,再通过公式推导传感器测量湿度引起的相对湿度RH的相对误差[8]。

图3给出了防雨帽的防辐射效果。为了研究防雨帽的防辐射效果,将GL—5000P的防雨帽去掉,让湿度传感器完全暴露在空气中,比较两者在同样的太阳辐射条件下引起的温度误差和湿度的相对误差。由图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辐射效果,但是25 km以上,太阳辐射引起的误差反而比不带防雨帽的时候大。产生这种现象的原因可能是因为防雨帽倒扣形状影响了空气的流通量,高空空气稀薄,流通量不畅更为明显,导致防雨帽不仅起不到防辐射效果,相反导致太阳辐射误差增大。

为了比较不同防雨帽的防辐射效果,图3给出了探空仪GL—5000P和GTS1的湿度测量的太阳辐射误差。以南京探空站2014年9月6日的探空仪GTS1探测的气压、温度等数据作为边界条件,分别模拟了GL—5000P和GTS1在同样的太阳辐射条件下引起的误差变化。由图3不难看出,GTS1的防辐射效果明显优于GL—5000P,尤其在高空。太阳辐射引起的湿度传感器衬底上温度误差两者之间最大相差9 ℃,引起的RH相对误差两者最大相差20 %。产生这种现象的原因是GTS1采用方形的防雨帽,上方设计了气体导流入口,侧面设置了气体导流出口,与GL—5000P的防雨帽相比GTS1的空气流通性较好,而通风量较好则易带走衬底上的热量,所以,防辐射的效果GTS1更优。

图3 防雨帽的防辐射效果Fig 3 Anti-radiation effect of rain shield

由以上分析可知,探空仪GL—5000P的防雨帽在一定程度上降低了太阳辐射误差,而防雨帽的厚度与反射率等参数是否会对太阳辐射误差产生影响,从优化设计的角度出发,本文进一步采用流体动力学方法研究了这两个参数对太阳辐射误差的影响。图4反映了防雨帽厚度对太阳辐射误差的影响,由图不难发现,无论是温度误差还是湿度的相对误差,低海拔时两条曲线均基本重合；而高空,在0.5 mm厚的防雨帽作用下太阳辐射引起的误差较0.3 mm的小,这是由于厚度较大散热面较大,故防雨帽内由太阳辐射引起的温升较小,总体来说,防雨帽厚度对太阳辐射引起的误差影响较小。除厚度外,反射率也是防雨帽的一项重要参数,将防雨帽厚度统一设置为0.5 mm,模拟不同反射率下的太阳辐射误差,如图5所示,防雨帽反射率对太阳辐射误差影响显著。反射率越低,即吸收率越高,防雨帽内外的温度差就越大,由此引起的湿度测量值的相对误差越大。由以上分析可知,在设计防雨帽时,除了防雨帽的形状对太阳辐射误差有较大影响之外,防雨帽的反射率影响也不可忽视,尽量选择高反射率的材料或者在防雨帽上涂上高反射率膜,这样可有效地减小太阳辐射误差影响,从而提高湿度测量精度。

图4 防雨帽的厚度对太阳辐射误差的影响Fig 4 Influence of rain shield thickness on solar radiation error

图5 防雨帽的反射率对太阳辐射误差的影响Fig 5 Influence of rain shield reflectance on solar radiation error

2.2 防雨效果

实际上防雨帽的主要任务是防雨,湿度值出现严重偏湿会直接导致测量失败。高空主要是云滴和雨滴对湿度测量产生影响,根据计算可得无论是雨滴还是云滴下体积率均小于10 %,符合离散相计算条件。首先进行稳态计算,然后在气流入口上方设置云雨滴面源,通过Fluent模拟仿真典型云滴和典型雨滴的运动轨迹。从传感器的捕捉数据来看,对典型云雨滴的捕捉个数均为0,说明防雨帽能够很好地防止高空中云雨滴对湿度传感器的影响。

2.3 时间滞后效应

防雨帽的存在影响了湿度传感器上的通风量,外界气流不能直接流经传感器,而是通过气流的湍流作用卷进防雨帽内部,这势必造成湿度传感器输出的湿度值产生一定的时间延迟。为研究该问题,采用Fluent对GL—5000P模型进行瞬态模拟,分析湿度传感器上水汽质量分数的瞬态分布。结合一阶函数的传递函数,对湿度传感器表面的水汽质量分数随时间变化的数据采用公式拟合

MF(t)=MF(∞)+(MF(0)-MF(∞))e-t/τ.

(1)

其中,MF表示湿度传感器表面的水汽质量分数,τ为防雨帽产生的时间滞后常数。近地面时间滞后常数τ为0.136 s,上升时间(定义为上升阶梯90 %的时间)为0.315 s。

图6给出了时间滞后常数和上升时间随海拔高度变化的关系。由图6可看出,随海拔高度升高,时间滞后常数和上升时间均逐渐非线性变大,这是因为高空空气稀薄,气压较低,空气不易卷进防雨帽所致。海拔27 km处,时间滞后常数达到0.43 s,上升时间达到0.99 s。上述研究为湿度垂直廓线的精确修正提供了一定的理论依据。值得指出的是,虽然高空较低的温度引起湿度传感器本身的响应时间升高达到十几秒,但是从提高湿度垂直廓线的精确测量角度,仍可将本文提出的时间滞后常数作为其修正因子来提高探空湿度测量的准确性。

图6 防雨帽气流的响应时间随海拔高度的关系Fig 6 Relationship between response time of airflow of rain shield and altitude

3 结 论

1)湿度传感器的防雨帽起到一定的防辐射作用。

2)防雨帽厚度对太阳辐射误差影响较小；防雨帽的反

射率对太阳辐射误差影响较显著,反射率越小,太阳辐射误差越大,在海拔32 km处防雨帽反射率70 %的情况下太阳辐射引起的RH的相对误差高达70 %。

3)防雨帽对典型云雨滴起到很好的保护作用,在垂直气流下,湿度传感器表面不会捕捉到云雨滴,即高空云雨滴对湿度传感器无影响。

4)由于防雨帽阻碍空气流通,湿度传感器表面的感湿时间产生延迟,时间滞后常数和上升时间均随海拔升高而增大,海拔27 km处分别达到0.42 s和0.99 s。

[1] 张利红,何光碧.GRAPES_Meso模式对2011年夏季青藏高原东部及周边区域的预报检验[J].高原气象,2014,33(1):14-25．

[2] 严 卫,韩 丁,陆 文,等.基于COSMIC掩星探测资料的云底高反演研究[J].地球物理学报,2012,55(1):111-115.

[3] 王 洪,曹云昌,肖稳安.COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析[J].气象,2010,36(9):14-20.

[4] 张颖超,王飞帆,廖俊玲.双加热探空仪湿度传感器的加热控制研究[J].传感器与微系统,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,Vömel H,et al.WMO intercomparison of high quality radiosonde systems yangjiang[R].China:World Meteorological Organization,2010.

[8] 冒晓莉,肖韶荣,刘清惓,等.探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究[J].物理学报,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

国家自然科学基金资助项目(61306138)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2012460)；东南大学MEMS教育部重点实验室开放研究基金资助项目(2013—3)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

TN 302

: A

: 1000—9787(2015)12—0039—04

冒晓莉(1977-),女,江苏如东人,博士研究生,主要从事光电传感材料性能表征和信号处理方面的研究工作。