表面溫度

表面溫度是指當PTC熱敏電阻在規定的電壓下並且與周圍環境間處於熱平衡狀態已達較長時間時，PTC 熱敏電阻表面的溫度。陸地表面溫度在地- 氣相互作用過程中扮演著十分重要的角色，是全球變化研究的關鍵參數，對水文、生態、環境和生物地球化學等研究有重要意義，並且在農業氣象、熱慣量計算等方面也有重要的套用價值。

基本介紹

• 中文名：表面溫度
• 外文名：surface temperature
• 描述：熱敏電阻表面的溫度
• 套用：表示溫度的一種物理量
• 學科：物理

概念

表面溫度和紅外輻射的理論計算對紅外熱像的模擬、控制目標紅外輻射進而實現紅外隱身等領域有著重要意義。各種複雜因素的影響導致地面目標表面溫度的計算非常複雜。邊界條件對目標的表面溫度理論計算精度有著重要的影響，分析了影響目標表面溫度邊界條件的各種因素，得到了計算地面目標表面溫度的一般方法。

地面目標表面溫度及紅外輻射的計算

研究背景

隨著熱像儀技術的日益發展和廣泛套用，目標紅外熱像模擬也受到了國內外越來越多的關注而成為研究熱點之一，它可以為各種紅外系統和紅外目標的研製、仿真和技術人員的培訓提供一種十分經濟和有效的手段。模擬紅外目標的熱像，必須首先有效地計算目標的紅外輻射。

目標的表面溫度主要受背景和目標內部熱源的影響。地面目標所處的背景非常複雜多變，如何有效地弄清各種因素及其變化過程，對計算精度有著重要的影響。從已發表的相關文獻來看，國內的方法大多是考慮的因素不夠全面而過於粗糙，所得結果準確度不夠，且大多集中於非地面目標的溫度計算；國外可能由於保密的原因，也難以了解具體研究狀況。

目標表面與外界環境的熱量交換

目標表面與外界環境的熱量交換通常是通過輻射、對流和傳導三種形式進行的。對計算紅外輻射有意義的表面大都裸露在空氣中，所以目標表面與外界環境的熱量交換主要以輻射和對流兩種方式進行，而傳導主要是在目標表面和目標內部之間進行。目標表面接收到外部環境的輻射主要來自太陽、地面和天空的大氣，同時目標也向外輻射熱量。

太陽輻射的影響主要在白天，其輻射通量隨季節、時間、天氣及地理條件的不同而不同。在處理太陽輻射時，一般將其分為直射、散射和地面反射三部分。散射主要是由於大氣中的各種氣體分子和氣溶膠分子造成的，這些物質在對直射太陽光衰減的同時，也產生了新的輻射。目標表面接收地面對太陽的反射輻射與目標表面朝向有關。對於水平面，只需考慮對上述太陽直射輻射和太陽散射輻射的反射；對於傾斜面，則還需考慮來自地面的反射輻射。

目標表面還將受到地面直接輻射的影響，尤其是在晚上沒有了太陽的輻射，地面的輻射影響就變得更加重要。對處於開闊地帶水平地面上的物體而言，地面對物體的張角接近180°，即地面可以近似為一個位於下方的無限大水平灰體平面。

天空大氣的輻射也是影響目標溫度的一個因素，常常容易被忽視。大氣的輻射主要是一種長波輻射。大氣在吸收了一定的太陽熱量和地球的熱量後，具有了一定的溫度，因而也會向目標進行輻射。天空的大氣輻射也可以等效為一個位於上方的無限大水平灰體平面。

導熱微分方程

利用導熱微分方程可以求出在一定邊界條件作用下目標內的溫度隨空間和時間的分布狀態，由此可以得出目標表面的溫度分布狀態和隨時間的變化。導熱方程以能量守恆定律和傅立葉定律為基本依據。

圖 1 目標表面溫度理論計算值和實測值

邊界條件指導熱物體在其邊界面上與外部環境之間在熱交換方面的聯繫或相互作用。對於非穩態導熱，常常是使過程得以發生和發展的外界驅動力。對於很多複雜的目標，可以看為立方體、球體和圓柱體等簡單形狀的組合。尤其是建築物的外牆壁等很多壁面目標，在一定範圍內可以簡化為一維導熱。

由圖1可以看出，理論計算值與實測值在溫度上升的相當長時間裡吻合得很好，但是在溫度達到最高點開始下降以後，理論計算值逐漸與實測值產生了3～4 K的誤差。其原因可能是建築物內側牆壁在下午受到室內溫度升高的影響達到了較高的溫度，因而傳給牆壁外表面的熱量要比實際理論計算得多，造成了牆壁外表面溫度下降過程的滯後。同時也說明目標若有內熱源，則內熱源也是目標表面溫度的一個及其重要的影響因素。

東海海表面溫度長期變化趨勢研究

東海及其鄰近的半封閉海—黃海有著世界上最為寬廣的大陸架。著名的太平洋西邊界流—黑潮從台灣東部海域進入東海，並沿著大陸架朝著東北方向流入日本南部海域。東海往東北方向通過朝鮮海峽與日本海連線，往西南通過台灣海峽與南中國海連線，在北部與黃海相連,其特殊的地理位置、特有的大陸架環流以及複雜的季節變化引起了世界上海洋學家們的廣泛興趣。同時，東海及其外緣海域海洋狀況與變異直接影響著我國海洋資源的開發與利用，因此有必要開展東海海洋要素長期變化趨勢的研究。

圖2東海4個月月平均海表面溫度資料的分布

資料概述

圖2為東海1月、4月、7月和10月4個月月平均海表面溫度資料的分布，可以看到衛星海表面溫度的氣候分布與通過現場調查獲得的海表面溫度氣候分布有很好的一致性，從而也進一步驗證了衛星海表面溫度資料的可靠性。在大洋中，溫度的分布基本是按照緯度分布的，而在東海由於黑潮的影響，東海海表面溫度基本呈現SE-NW向分布，由黑潮區向東海西北部逐漸遞減。同時由於東海處於東亞季風區，東海海表面溫度還帶有很強的季節變化特徵。在冬季，可以明顯地看到東海東北部區域有一暖水舌插入黃海，春季該現象減弱，而夏、秋季不明顯。

圖 3 第一與第二特徵向量的時間變化係數

資料分析

為了研究東海海表面溫度的時間演變特徵，分析了EOF分析特徵矢量的時間變化係數。圖3 為第一與第二特徵向量的時間變化係數。可以看出，距平化處理並沒有完全去除季節變化信號，在第一與第二特徵向量的時間序列中，仍然存在很強的季節變化。但在第一特徵向量的時間序列中，1994 年與1998 年分別對應於變異較強的信號。與ENSO 指數(圖 4) 相比較，發現這 2 處異常都顯示在厄爾尼諾事件後的冷事件中，說明東海海溫異常與厄爾尼諾事件有比較好的對應關係。湯明義等根據東海黑潮流域 6個日本島嶼海洋站的海表面溫度資料發現黑潮海溫存在 3a 的年際變化，於非等的研究表明黑潮流量變化與厄爾尼諾事件有較好的對應關係，而作為東海最大的驅動源，黑潮的這種變化必然會引起東海海洋的長期變異。為進一步研究東海海表面溫度的變異特徵，對第一特徵向量的時間序列做了功率譜分析(圖5)，表明最強的譜峰顯示在低頻段，對應的周期為40.8個月，另外還有 2 個譜峰分別對應6 個月與4 個月的變化周期。41個月左右的變化周期再一次說明了東海海表面溫度有與ENSO 變化類似的低頻振盪。

圖 4 1990-2001 年 ENSO 指數

圖 5 第一特徵向量的時間序列的功率譜分析

研究結論

(1)對比衛星資料與實測資料，認為衛星海表面溫度資料可以較好地反映東海海表面溫度的分布狀況。

(2)東海海表面溫度長期變化過程中，變異最大的區域在東海北部，從長江口延伸至濟州島南部，這與長江沖淡水、台灣暖流和黃海入侵水是相聯繫的。

(3)海海表面溫度存在約41個月周期的長期變化趨勢，與氣候變化的最強信號 ENSO 有較好的對應關係。