[科普中國(guó)]-表面溫度

表面溫度是指當(dāng)PTC熱敏電阻在規(guī)定的電壓下并且與周圍環(huán)境間處于熱平衡狀態(tài)已達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，PTC 熱敏電阻表面的溫度。陸地表面溫度在地- 氣相互作用過(guò)程中扮演著十分重要的角色，是全球變化研究的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)水文、生態(tài)、環(huán)境和生物地球化學(xué)等研究有重要意義，并且在農(nóng)業(yè)氣象、熱慣量計(jì)算等方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值。

概念表面溫度和紅外輻射的理論計(jì)算對(duì)紅外熱像的模擬、控制目標(biāo)紅外輻射進(jìn)而實(shí)現(xiàn)紅外隱身等領(lǐng)域有著重要意義。各種復(fù)雜因素的影響導(dǎo)致地面目標(biāo)表面溫度的計(jì)算非常復(fù)雜。邊界條件對(duì)目標(biāo)的表面溫度理論計(jì)算精度有著重要的影響，分析了影響目標(biāo)表面溫度邊界條件的各種因素，得到了計(jì)算地面目標(biāo)表面溫度的一般方法。1

地面目標(biāo)表面溫度及紅外輻射的計(jì)算研究背景隨著熱像儀技術(shù)的日益發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目標(biāo)紅外熱像模擬也受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注而成為研究熱點(diǎn)之一，它可以為各種紅外系統(tǒng)和紅外目標(biāo)的研制、仿真和技術(shù)人員的培訓(xùn)提供一種十分經(jīng)濟(jì)和有效的手段。模擬紅外目標(biāo)的熱像，必須首先有效地計(jì)算目標(biāo)的紅外輻射。

目標(biāo)的表面溫度主要受背景和目標(biāo)內(nèi)部熱源的影響。地面目標(biāo)所處的背景非常復(fù)雜多變，如何有效地弄清各種因素及其變化過(guò)程，對(duì)計(jì)算精度有著重要的影響。從已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)的方法大多是考慮的因素不夠全面而過(guò)于粗糙，所得結(jié)果準(zhǔn)確度不夠，且大多集中于非地面目標(biāo)的溫度計(jì)算；國(guó)外可能由于保密的原因，也難以了解具體研究狀況。

目標(biāo)表面與外界環(huán)境的熱量交換目標(biāo)表面與外界環(huán)境的熱量交換通常是通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種形式進(jìn)行的。對(duì)計(jì)算紅外輻射有意義的表面大都裸露在空氣中，所以目標(biāo)表面與外界環(huán)境的熱量交換主要以輻射和對(duì)流兩種方式進(jìn)行，而傳導(dǎo)主要是在目標(biāo)表面和目標(biāo)內(nèi)部之間進(jìn)行。目標(biāo)表面接收到外部環(huán)境的輻射主要來(lái)自太陽(yáng)、地面和天空的大氣，同時(shí)目標(biāo)也向外輻射熱量。

太陽(yáng)輻射的影響主要在白天，其輻射通量隨季節(jié)、時(shí)間、天氣及地理?xiàng)l件的不同而不同。在處理太陽(yáng)輻射時(shí)，一般將其分為直射、散射和地面反射三部分。散射主要是由于大氣中的各種氣體分子和氣溶膠分子造成的，這些物質(zhì)在對(duì)直射太陽(yáng)光衰減的同時(shí)，也產(chǎn)生了新的輻射。目標(biāo)表面接收地面對(duì)太陽(yáng)的反射輻射與目標(biāo)表面朝向有關(guān)。對(duì)于水平面，只需考慮對(duì)上述太陽(yáng)直射輻射和太陽(yáng)散射輻射的反射；對(duì)于傾斜面，則還需考慮來(lái)自地面的反射輻射。

目標(biāo)表面還將受到地面直接輻射的影響，尤其是在晚上沒(méi)有了太陽(yáng)的輻射，地面的輻射影響就變得更加重要。對(duì)處于開闊地帶水平地面上的物體而言，地面對(duì)物體的張角接近180°，即地面可以近似為一個(gè)位于下方的無(wú)限大水平灰體平面。

天空大氣的輻射也是影響目標(biāo)溫度的一個(gè)因素，常常容易被忽視。大氣的輻射主要是一種長(zhǎng)波輻射。大氣在吸收了一定的太陽(yáng)熱量和地球的熱量后，具有了一定的溫度，因而也會(huì)向目標(biāo)進(jìn)行輻射。天空的大氣輻射也可以等效為一個(gè)位于上方的無(wú)限大水平灰體平面。

導(dǎo)熱微分方程利用導(dǎo)熱微分方程可以求出在一定邊界條件作用下目標(biāo)內(nèi)的溫度隨空間和時(shí)間的分布狀態(tài)，由此可以得出目標(biāo)表面的溫度分布狀態(tài)和隨時(shí)間的變化。導(dǎo)熱方程以能量守恒定律和傅里葉定律為基本依據(jù)。

邊界條件指導(dǎo)熱物體在其邊界面上與外部環(huán)境之間在熱交換方面的聯(lián)系或相互作用。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，常常是使過(guò)程得以發(fā)生和發(fā)展的外界驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于很多復(fù)雜的目標(biāo)，可以看為立方體、球體和圓柱體等簡(jiǎn)單形狀的組合。尤其是建筑物的外墻壁等很多壁面目標(biāo)，在一定范圍內(nèi)可以簡(jiǎn)化為一維導(dǎo)熱。

由圖1可以看出，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在溫度上升的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里吻合得很好，但是在溫度達(dá)到最高點(diǎn)開始下降以后，理論計(jì)算值逐漸與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生了3～4 K的誤差。其原因可能是建筑物內(nèi)側(cè)墻壁在下午受到室內(nèi)溫度升高的影響達(dá)到了較高的溫度，因而傳給墻壁外表面的熱量要比實(shí)際理論計(jì)算得多，造成了墻壁外表面溫度下降過(guò)程的滯后。同時(shí)也說(shuō)明目標(biāo)若有內(nèi)熱源，則內(nèi)熱源也是目標(biāo)表面溫度的一個(gè)及其重要的影響因素。2

東海海表面溫度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)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—黑潮從臺(tái)灣東部海域進(jìn)入東海，并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(guò)朝鮮海峽與日本海連接，往西南通過(guò)臺(tái)灣海峽與南中國(guó)海連接，在北部與黃海相連,其特殊的地理位置、特有的大陸架環(huán)流以及復(fù)雜的季節(jié)變化引起了世界上海洋學(xué)家們的廣泛興趣。同時(shí)，東海及其外緣海域海洋狀況與變異直接影響著我國(guó)海洋資源的開發(fā)與利用，因此有必要開展東海海洋要素長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的研究。

資料概述圖2為東海1月、4月、7月和10月4個(gè)月月平均海表面溫度資料的分布，可以看到衛(wèi)星海表面溫度的氣候分布與通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得的海表面溫度氣候分布有很好的一致性，從而也進(jìn)一步驗(yàn)證了衛(wèi)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，而在東海由于黑潮的影響，東海海表面溫度基本呈現(xiàn)SE-NW向分布，由黑潮區(qū)向東海西北部逐漸遞減。同時(shí)由于東海處于東亞季風(fēng)區(qū)，東海海表面溫度還帶有很強(qiáng)的季節(jié)變化特征。在冬季，可以明顯地看到東海東北部區(qū)域有一暖水舌插入黃海，春季該現(xiàn)象減弱，而夏、秋季不明顯。

資料分析為了研究東海海表面溫度的時(shí)間演變特征，分析了EOF分析特征矢量的時(shí)間變化系數(shù)。圖3 為第一與第二特征向量的時(shí)間變化系數(shù)?？梢钥闯觯嗥交幚聿](méi)有完全去除季節(jié)變化信號(hào)，在第一與第二特征向量的時(shí)間序列中，仍然存在很強(qiáng)的季節(jié)變化。但在第一特征向量的時(shí)間序列中，1994 年與1998 年分別對(duì)應(yīng)于變異較強(qiáng)的信號(hào)。與ENSO 指數(shù)(圖 4) 相比較，發(fā)現(xiàn)這 2 處異常都顯示在厄爾尼諾事件后的冷事件中，說(shuō)明東海海溫異常與厄爾尼諾事件有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。湯明義等根據(jù)東海黑潮流域 6個(gè)日本島嶼海洋站的海表面溫度資料發(fā)現(xiàn)黑潮海溫存在 3a 的年際變化，于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(duì)應(yīng)關(guān)系，而作為東海最大的驅(qū)動(dòng)源，黑潮的這種變化必然會(huì)引起東海海洋的長(zhǎng)期變異。為進(jìn)一步研究東海海表面溫度的變異特征，對(duì)第一特征向量的時(shí)間序列做了功率譜分析(圖5)，表明最強(qiáng)的譜峰顯示在低頻段，對(duì)應(yīng)的周期為40.8個(gè)月，另外還有 2 個(gè)譜峰分別對(duì)應(yīng)6 個(gè)月與4 個(gè)月的變化周期。41個(gè)月左右的變化周期再一次說(shuō)明了東海海表面溫度有與ENSO 變化類似的低頻振蕩。

研究結(jié)論(1)對(duì)比衛(wèi)星資料與實(shí)測(cè)資料，認(rèn)為衛(wèi)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(zhǎng)期變化過(guò)程中，變異最大的區(qū)域在東海北部，從長(zhǎng)江口延伸至濟(jì)州島南部，這與長(zhǎng)江沖淡水、臺(tái)灣暖流和黃海入侵水是相聯(lián)系的。

(3)海海表面溫度存在約41個(gè)月周期的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，與氣候變化的最強(qiáng)信號(hào) ENSO 有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所