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      用Fortran實現(xiàn)《濕度查算表》的電子化

      2017-03-23 21:11:42徐元魁
      科學與財富 2016年34期
      關鍵詞:二分法

      徐元魁

      (民航華東空管局氣象中心 上海 200335)

      摘 要:空氣濕度濕表征大氣物理狀態(tài)的一個要素,是民航氣象觀測基本觀測項目之一。在應急人工觀測時,通過人工查閱《濕度查算表》的方式得到相對濕度和露點溫度值。人工查表的過程比較繁瑣,如遇復雜天氣,值班人員還要忙于通報天氣,很容易造成遲發(fā)報。本文將以中國氣象局編寫的《濕度查算表》為依據(jù),介紹用Fortran語言作為工具進行程序設計,實現(xiàn)電子化《濕度查算表》的思路與方法。經(jīng)檢驗,程序計算濕度結(jié)果與人工查算結(jié)果相吻合。

      關鍵詞:濕度查算表,F(xiàn)ortran,二分法

      一、引言

      空氣濕度濕表征大氣物理狀態(tài)的一個要素,是民航氣象觀測基本觀測項目之一。當自動觀測設備發(fā)生故障時,氣象觀測員需要在室外進行應急人工觀測。其中濕度項目的觀測采用傳統(tǒng)的干濕表法,將百葉箱內(nèi)讀取到的干濕球溫度,通過人工查閱《濕度查算表》的方式得到相對濕度和露點溫度值。在查表過程中,由于需要對濕球溫度進行訂正,因此需要來回翻閱多次,不僅費時,而且很容易出錯,如遇復雜天氣,值班人員還要忙于通報天氣,很容易造成遲發(fā)報。如能由計算機計算代替人工查算,將會大大提高觀測員的工作效率,幫助觀測員節(jié)約時間,從而有更多精力進行報文的編制與檢查等工作。

      本文將以中國氣象局編寫的《濕度查算表》為依據(jù),介紹用Fortran語言作為工具進行程序設計,實現(xiàn)電子化《濕度查算表》的思路與方法。

      二、《濕度查算表》的查算方法簡介

      《濕度查算表》主要由表1濕球結(jié)冰部分,表2濕球未結(jié)冰部分以及附表的濕球溫度訂正值組成。表1和表2中,每欄居中的數(shù)值為干球溫度,其余每行分別給出了訂正參數(shù)(n),濕球溫度(tw),水汽壓(e),相對濕度(U)和露點溫度(td)的一組數(shù)值。附表為不同型號干濕表的濕球溫度訂正值,不同干濕表經(jīng)過各自的濕球溫度訂正值訂正后,就可以從表1或表2查取濕度。比如,浦東機場氣象臺使用通風速度為0.4m/s的球狀干濕表,應使用附表3進行濕球溫度值的訂正。

      查表時,根據(jù)濕球結(jié)冰與否,決定使用表1或表2。用讀取到的干濕球溫度從表2(或表1)中查得訂正參數(shù)n值,再用n值和本站氣壓(個位數(shù)四舍五入)查附表3中相應的濕球溫度訂正值dtw,將此訂正值加在tw上,然后用干球溫度和經(jīng)訂正后的濕球溫度再查表2(或表1),即可查出相對濕度和露點溫度。

      由此可見,要嚴格按照查表方法進行查算,要求觀測員做十分細致的工作,才能保證工作質(zhì)量。如能將這部分工作交給計算機去完成,將起到事半功倍的效果。

      三、開發(fā)工具簡介

      Fortran作為一種擅長科學計算的語言,其語法簡明易讀,非常接近數(shù)學公式的自然描述。在數(shù)值計算上,有強大的IMSL函數(shù)庫的支持,使用Fortran語言進行科學計算能夠保證很好的精度。Fortran源代碼編譯成.exe文件后可以直接運行。在對界面要求不高的情況下,通過讀寫語句即可與用戶進行交互。基于以上優(yōu)點,筆者選擇使用Fortran進行開發(fā)。

      四、電子《濕度查算表》的主要功能

      電子《濕度查算表》對人工查算過程做了簡化,用戶只需輸入讀取到的干濕球溫度和本站氣壓,即可由程序計算出相應的相對濕度和露點溫度,而無需關注中間的計算細節(jié)。程序以《濕度查算表》提供的有關公式為依據(jù),計算結(jié)果與人工查算結(jié)果是一致的。

      五、濕度計算相關公式

      1、水汽壓e(hPa)

      (1)

      式中, etw(hPa)為濕球溫度所對應的純水平液(冰)面飽和水汽壓,A為干濕表系數(shù)(),P為本站氣壓(hPa),這里取1000hPa,t為干球溫度(℃),tw為濕球溫度(℃)。

      2、飽和水汽壓

      純水平液(冰)面飽和水汽壓根據(jù)Goff-Gratch公式計算得出。

      (2)

      (3)

      式中, ew為純水平液面飽和水汽壓(hPa), ei為純水平冰面飽和水汽壓(hPa), T1=273.16K,T°K=273.15+t℃(絕對溫度)。濕球結(jié)冰且濕球溫度小于等于0℃時,才使用純水平冰面飽和水汽壓公式。

      3、相對濕度U(%)

      (4)

      4、露點溫度

      根據(jù)露點溫度的定義,與當時空氣中水汽壓e相等的飽和水汽壓值所對應的溫度值,即為該水汽壓e對應的露點溫度。因此實際水汽壓e與露點溫度的關系可以用Goff-Gratch公式來描述。由于露點溫度無法用水汽壓e直接表示,《濕度差算表》中沒有給出露點溫度的直接計算公式。但根據(jù)實際水汽壓可以反查露點溫度,為解決該問題可用數(shù)值迭代的方法求出露點溫度的數(shù)值解。

      露點溫度的初值由馬格拉斯公式給出:

      (5)

      式中,為0℃時的飽和水汽壓,為6.1078hPa,a為系數(shù),取7.69,b也為系數(shù),取243.92。本程序采用最簡單的二分法進行數(shù)值迭代。假設露點溫度初值為x0,將[x0-0.1,x0+0.1]作為初始區(qū)間進行迭代,代碼片段為:

      aa=x0-0.1d0

      bb=x0+0.1d0

      do i=1,MAX

      c=(aa+bb)/2d0

      if ((func(c)-y)==0) exit

      if((func(aa)-y)*(func(c)-y)<0d0) then

      bb=c

      else

      aa=c

      end if

      dfx=dabs((func(aa)-y)-(func(bb)-y))

      if (dfx

      end do

      x=c

      fx=func(c)-y

      iter=i

      經(jīng)檢驗,二分法已能得到滿足精度要求的露點溫度數(shù)值解。

      5、濕球溫度訂正值Δ

      (6)

      (7)

      式中, Ai 為不同型號干濕表的干濕表系數(shù)(℃-1 )。注意,需要將輸入的濕球溫度進行訂正后,才可按(1)式進行水汽壓等物理量的計算。

      三、總結(jié)與展望

      將浦東機場氣象臺觀測站人工觀測簿一年的記錄進行對比,程序計算結(jié)果與人工查算結(jié)果是一致的。使用濕度查算程序可以作為傳統(tǒng)工作方法的替代,幫助值班觀測員加快查算速度,提高準確率。在遇到復雜天氣時,能夠讓觀測員有更多時間進行編發(fā)報文和天氣通報等其他事務,進一步降低了遲發(fā)報的可能性。

      該程序可移植性好,不同地區(qū)的氣象臺站根據(jù)自己的實際情況設置干濕表系數(shù)后即可直接使用。核心算法也便于移植到其他平臺,如手機移動端。

      在民航日益發(fā)展的今天,航班量不斷上升,對觀測部門的要求也越來越高,許多機場氣象臺站的觀測頻率提高了。使用電子化的濕度查算表作為一種傳統(tǒng)工作方式的創(chuàng)新,有著很好的推廣意義。

      參考文獻:

      [1]中國氣象局編 《濕度查算表》(甲種本)

      [2] 邊富昌 ,張金翰. 地面氣象測報程序中濕度的計算.《氣象》 1985年07期

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