表面温度

表面温度研究背景

随着热像仪技术的日益发展和广泛应用，目标红外热像模拟也受到了国内外越来越多的关注而成为研究热点之一，它可以为各种红外系统和红外目标的研制、仿真和技术人员的培训提供一种十分经济和有效的手段。模拟红外目标的热像，必须首先有效地计算目标的红外辐射。

目标的表面温度主要受背景和目标内部热源的影响。地面目标所处的背景非常复杂多变，如何有效地弄清各种因素及其变化过程，对计算精度有着重要的影响。从已发表的相关文献来看，国内的方法大多是考虑的因素不够全面而过于粗糙，所得结果准确度不够，且大多集中于非地面目标的温度计算；国外可能由于保密的原因，也难以了解具体研究状况。

表面温度目标表面与外界环境的热量交换

目标表面与外界环境的热量交换通常是通过辐射、对流和传导三种形式进行的。对计算红外辐射有意义的表面大都裸露在空气中，所以目标表面与外界环境的热量交换主要以辐射和对流两种方式进行，而传导主要是在目标表面和目标内部之间进行。目标表面接收到外部环境的辐射主要来自太阳、地面和天空的大气，同时目标也向外辐射热量。

太阳辐射的影响主要在白天，其辐射通量随季节、时间、天气及地理条件的不同而不同。在处理太阳辐射时，一般将其分为直射、散射和地面反射三部分。散射主要是由于大气中的各种气体分子和气溶胶分子造成的，这些物质在对直射太阳光衰减的同时，也产生了新的辐射。目标表面接收地面对太阳的反射辐射与目标表面朝向有关。对于水平面，只需考虑对上述太阳直射辐射和太阳散射辐射的反射；对于倾斜面，则还需考虑来自地面的反射辐射。

目标表面还将受到地面直接辐射的影响，尤其是在晚上没有了太阳的辐射，地面的辐射影响就变得更加重要。对处于开阔地带水平地面上的物体而言，地面对物体的张角接近180°，即地面可以近似为一个位于下方的无限大水平灰体平面。

天空大气的辐射也是影响目标温度的一个因素，常常容易被忽视。大气的辐射主要是一种长波辐射。大气在吸收了一定的太阳热量和地球的热量后，具有了一定的温度，因而也会向目标进行辐射。天空的大气辐射也可以等效为一个位于上方的无限大水平灰体平面。

表面温度导热微分方程

利用导热微分方程可以求出在一定边界条件作用下目标内的温度随空间和时间的分布状态，由此可以得出目标表面的温度分布状态和随时间的变化。导热方程以能量守恒定律和傅里叶定律为基本依据。

边界条件指导热物体在其边界面上与外部环境之间在热交换方面的联系或相互作用。对于非稳态导热，常常是使过程得以发生和发展的外界驱动力。对于很多复杂的目标，可以看为立方体、球体和圆柱体等简单形状的组合。尤其是建筑物的外墙壁等很多壁面目标，在一定范围内可以简化为一维导热。

由图1可以看出，理论计算值与实测值在温度上升的相当长时间里吻合得很好，但是在温度达到最高点开始下降以后，理论计算值逐渐与实测值产生了3～4 K的误差。其原因可能是建筑物内侧墙壁在下午受到室内温度升高的影响达到了较高的温度，因而传给墙壁外表面的热量要比实际理论计算得多，造成了墙壁外表面温度下降过程的滞后。同时也说明目标若有内热源，则内热源也是目标表面温度的一个及其重要的影响因素。

东海及其邻近的半封闭海—黄海有着世界上最为宽广的大陆架。著名的太平洋西边界流—黑潮从台湾东部海域进入东海，并沿着大陆架朝着东北方向流入日本南部海域。东海往东北方向通过朝鲜海峡与日本海连接，往西南通过台湾海峡与南中国海连接，在北部与黄海相连,其特殊的地理位置、特有的大陆架环流以及复杂的季节变化引起了世界上海洋学家们的广泛兴趣。同时，东海及其外缘海域海洋状况与变异直接影响着我国海洋资源的开发与利用，因此有必要开展东海海洋要素长期变化趋势的研究。

表面温度资料概述

图2为东海1月、4月、7月和10月4个月月平均海表面温度资料的分布，可以看到卫星海表面温度的气候分布与通过现场调查获得的海表面温度气候分布有很好的一致性，从而也进一步验证了卫星海表面温度资料的可靠性。在大洋中，温度的分布基本是按照纬度分布的，而在东海由于黑潮的影响，东海海表面温度基本呈现SE-NW向分布，由黑潮区向东海西北部逐渐递减。同时由于东海处于东亚季风区，东海海表面温度还带有很强的季节变化特征。在冬季，可以明显地看到东海东北部区域有一暖水舌插入黄海，春季该现象减弱，而夏、秋季不明显。

表面温度资料分析

为了研究东海海表面温度的时间演变特征，分析了EOF分析特征矢量的时间变化系数。图3 为第一与第二特征向量的时间变化系数。可以看出，距平化处理并没有完全去除季节变化信号，在第一与第二特征向量的时间序列中，仍然存在很强的季节变化。但在第一特征向量的时间序列中，1994 年与1998 年分别对应于变异较强的信号。与ENSO 指数(图 4) 相比较，发现这 2 处异常都显示在厄尔尼诺事件后的冷事件中，说明东海海温异常与厄尔尼诺事件有比较好的对应关系。汤明义等根据东海黑潮流域 6个日本岛屿海洋站的海表面温度资料发现黑潮海温存在 3a 的年际变化，于非等的研究表明黑潮流量变化与厄尔尼诺事件有较好的对应关系，而作为东海最大的驱动源，黑潮的这种变化必然会引起东海海洋的长期变异。为进一步研究东海海表面温度的变异特征，对第一特征向量的时间序列做了功率谱分析(图5)，表明最强的谱峰显示在低频段，对应的周期为40.8个月，另外还有 2 个谱峰分别对应6 个月与4 个月的变化周期。41个月左右的变化周期再一次说明了东海海表面温度有与ENSO 变化类似的低频振荡。

表面温度研究结论

(1)对比卫星资料与实测资料，认为卫星海表面温度资料可以较好地反映东海海表面温度的分布状况。

(2)东海海表面温度长期变化过程中，变异最大的区域在东海北部，从长江口延伸至济州岛南部，这与长江冲淡水、台湾暖流和黄海入侵水是相联系的。

(3)海海表面温度存在约41个月周期的长期变化趋势，与气候变化的最强信号 ENSO 有较好的对应关系。 2100433B

表面温度和红外辐射的理论计算对红外热像的模拟、控制目标红外辐射进而实现红外隐身等领域有着重要意义。各种复杂因素的影响导致地面目标表面温度的计算非常复杂。边界条件对目标的表面温度理论计算精度有着重要的影响，分析了影响目标表面温度边界条件的各种因素，得到了计算地面目标表面温度的一般方法。

表面温度计（Surface Thermometer）

定义：

用于测量物体表面温度的仪器。

它是温度计中的一个分类，是专门用于精确的测量物体表面温度。

由表面温度传感器和显示仪表构成。

表面温度传感器是构成表面温度计的关键性器件，其性能优劣直接决定的表面温度计的性能优劣。通常表面温度传感器是一种专用的温度传感器，必须是具有极薄厚度的片状外形，以避免由于传感器的自身形状导热干扰原温度场而引起测量误差。

表面温度传感器可以是热电偶，也可以是热电阻。

显示仪表可以是通常使用的热电偶或热电阻显示仪，或数据记录仪，或计算机数据采集系统。

航空、航天、能源、化工、纺织和其它需要精确测量表面温度的科研和生产中