金華市不同下墊面溫度特征分析及其預(yù)報模型的建立和檢驗

梁亮 張玉娟 吳森清 張彬 毛劍飛

(1.金華市氣象局,浙江 金華 321000;2.東陽市氣象局,浙江 東陽 322100;3.磐安縣氣象局,浙江 磐安 322300)

0 引 言

近年來,城市化進程加快已致使城市土地利用及覆蓋類型發(fā)生明顯改變,耕地、綠地面積減少,人工建筑物增加等因素也使得原有的自然植被和裸露土地被建筑物、瀝青、水泥、混凝土等不透水性下墊面所代替,這些不透水性下墊面不僅白天儲熱夜間釋熱,而且具有良好的導(dǎo)熱性和高熱容量,是城市熱島形成的主要原因之一。另一方面,天氣預(yù)報中的氣溫通常是百葉箱的氣溫,這是一種理想狀態(tài)下的氣溫,與現(xiàn)實環(huán)境狀況有很大差異。公眾一直對氣象部門的氣溫預(yù)報甚至實況監(jiān)測資料都頗有異議,認(rèn)為與自己生活環(huán)境的氣溫不相符[1]。

金華地處浙江中部,具有明顯的盆地小氣候,夏季常受副熱帶高壓穩(wěn)定控制,出現(xiàn)連續(xù)晴熱高溫天氣,這種天氣對人體的活動能力和舒適度影響很大[2],這種天氣下不同下墊面環(huán)境溫度與百葉箱溫度相差尤為明顯。近年來,國內(nèi)眾多學(xué)者開始對不同下墊面溫度特征進行分析,并著力于在氣象服務(wù)中開展應(yīng)用[3-5]。

為更好地滿足公眾的需求,金華市氣象局自2014年開始對瀝青、水泥、砂石、草地等4種下墊面環(huán)境進行溫度監(jiān)測并在網(wǎng)站實時發(fā)布。而目前關(guān)于該市不同下墊面溫度變化規(guī)律及其影響、相應(yīng)的環(huán)境溫度的預(yù)報方面的研究仍屬空白。

本文采用數(shù)理統(tǒng)計方法,對2014年10月至2016年9月期間,4種下墊面(瀝青、水泥、砂石、草面)的溫度觀測資料進行統(tǒng)計分析,建立不同下墊面溫度與氣象要素的線性回歸方程,從而獲取不同下墊面在不同季節(jié)、不同天氣條件下的溫度特征,進而開展不同環(huán)境下的溫度預(yù)報,以期在城市氣象服務(wù)提升上取得新的突破。

1 資料來源及處理

1.1 資料來源

不同下墊面觀測場地設(shè)在金華市氣象局觀測站的觀測場內(nèi)。選取2014年10月至2016年9月的不同下墊面(瀝青、水泥、砂石、草面)自動站資料。參考?xì)庀笳举Y料包括氣溫、日照時數(shù)、總云量和日平均相對濕度4個要素,也均來自金華觀測站的自動站資料。預(yù)報場數(shù)據(jù)來自日本JMA數(shù)值模式。

1.2 資料處理

采用LSD法(使用t檢驗完成各組間的配對比較)對不同下墊面的溫度差異進行多重比較,采用Pearson相關(guān)分析法對4種下墊面溫度與氣溫、總云量、日平均相對濕度、日照時數(shù)進行相關(guān)性分析,通過逐步回歸法建立4種下墊面溫度與氣象因子的線性擬合方程。

2 不同下墊面溫度特征分析

2.1 年平均溫度分析

表1給出2014年10月至2016年9月各種不同下墊面平均溫度及各種差值的統(tǒng)計情況。

由表1可見，4種下墊面測得的年平均溫度由高到低依次為瀝青、水泥、砂石、草地,各下墊面年平均溫度均高于百葉箱測得的年平均氣溫;各下墊面年平均最高溫度、年平均最低溫度與年平均溫度排序一致,即瀝青最高、草地最低,水泥和砂石接近;年平均最低溫度除瀝青比年平均氣溫略偏高外,其他3種下墊面均比年平均氣溫偏低;下墊面溫度年較差瀝青最大,草地最小。

表1 2014年10月—2016年9月不同下墊面溫度及各種差值 ℃

2.2 溫度年變化分析

2.2.1 日平均溫度

4種下墊面日平均溫度年變化趨勢與氣溫一致,均呈單峰型特征,最高值均出現(xiàn)在8月,最低值均出現(xiàn)在12月(圖1a)。4種下墊面日平均溫度全年均顯著高于日平均氣溫,夏半年比冬半年更顯著。夏半年平均氣溫以瀝青為最高(30.8 ℃),水泥其次(29.0 ℃),砂石次之,草地最低。與氣溫相比,瀝青、水泥、砂石和草地夏半年平均溫度分別偏高2.8、4.0、3.0和1.0 ℃。各下墊面冬半年平均溫度以瀝青為最高(15.6 ℃),水泥、砂石和草地次之且三者之間差異較小。與氣溫相比,瀝青、水泥、砂石和草地冬半年日平均溫度分別偏高3.8、2.5、1.9、1.3 ℃;夏半年日平均溫度分別偏高5.8、4.0、3.0和1.0℃(表2)。

表2 4種城市下墊面地表溫度夏、冬半年平均值和氣溫的對比 ℃

2.2.2 日平均最高溫度

4種下墊面日平均最高溫度年變化趨勢與日平均最高氣溫總體一致,瀝青和水泥的最高值出現(xiàn)時間與氣溫相同,均出現(xiàn)在8月,砂石和草地下墊面最高值出現(xiàn)時間比氣溫滯后2個月左右(圖1b)。4種下墊面日最高氣溫全年均顯著高于日最高氣溫,夏半年比冬半年更明顯。夏半年平均日最高溫度以瀝青為最高(48.2),水泥和砂石次之,草地最低。與氣溫相比,瀝青、水泥、砂石和草地分別偏高18.8、15.7、13.9、7.7 ℃。冬半年平均日最高溫度也以瀝青為最高(30.0),砂石次之,水泥和草地最低。與氣溫相比,瀝青、水泥、砂石和草地分別偏高13.6、11.4、11.5、10.7(表2)。

圖1 不同下墊面地表日平均溫度(a)、日平均最高(b)、日平均最低溫度(c)、日較差(d)年變化

2.2.3 日平均最低溫度

4種下墊面的日最低溫度年變化均與日最低氣溫一致,呈單峰型變化,最大值出現(xiàn)在8月,最小值出現(xiàn)在12月(圖lc)。夏半年平均日最低溫度瀝青為最高(22.5 ℃),與氣溫相比,瀝青偏高0.8 ℃,水泥、砂石和草地分別偏低0.2、0.4、0.9 ℃。冬半年平均日最低溫度也以瀝青為最高(8.5 ℃),與氣溫相比,瀝青偏高0.2 ℃,水泥、砂石和草地分別偏低0.7、1.2、1.4 ℃(表2)。

2.2.4 日較差

4種下墊面溫度日較差均顯著大于氣溫日較差,全年呈雙峰型,兩個大值區(qū)分別為4月和10月,除了草地外其他3種下墊面溫度日較差夏半年大于冬半年,而氣溫日較差沒有明顯的年內(nèi)波動(圖1d)。就全年而言,砂石和草地日較差最小值出現(xiàn)在6—7月。夏半年平均日較差瀝青最大(25.6 ℃),水泥和砂石次之,草地最小,與氣溫日較差相比,瀝青、水泥、砂石和草地分別偏高17.9、16.7、14.5、8.6 ℃。冬半年平均日較差也以瀝青為最高(21.5 ℃),與氣溫日較差相比,瀝青、水泥、砂石、草地分別偏高13.4、12.1、12.7、12.1 ℃(表2)。

綜上所述,4種下墊面日平均溫度、日平均最高溫度、日平均最低溫度在夏半年均高于冬半年,溫度逐月變化特征總體與氣溫變化相似。值得注意的是,瀝青和水泥兩種不透水性下墊面具有相似的熱吸收和耗散特性,但瀝青日最高溫度及日較差全年(特別是在夏季)顯著高于其它3種下墊面,其原因可能是:1)瀝青顏色較深,反射率小,在同等太陽輻射條件下可以吸收更多的輻射能;2)瀝青比熱較小;3)夜間熱輻射熱耗散強,致使其日較差也最高。盡管水泥和瀝青同屬不透水性下墊面,但由于水泥地顏色較淺,反射率較大,對太陽輻射吸收少于瀝青且比熱較大,因此其日平均溫度、日最高溫度低于瀝青。砂石和草地分別作為半透水性下墊面和透水性下墊面,草地更易受到土壤濕度的影響,加上草地下墊面有草皮等覆蓋,保溫性好,其日較差低于砂石。

3 不同下墊面溫度與氣象因子的相關(guān)性分析

除了自身的物理性質(zhì)外,不同下墊面的溫度變化亦受云量、日照和濕度等氣象因子的影響。采用Pearson相關(guān)分析法對4種下墊面溫度與氣溫、總云量、日平均相對濕度、日照時數(shù)進行相關(guān)性分析,分析結(jié)果表明(表3),日照時數(shù)與4種下墊面日平均溫度、日最高溫度均呈極顯著正相關(guān),與日最低溫度相關(guān)性較小。總云量與4種下墊面日最高溫度均呈顯著負(fù)相關(guān),而與日最低溫度均呈顯著正相關(guān),表明在白天云層阻擋太陽輻射,不利于地表溫度升高,而在夜間云層又能增加大氣逆輻射,從而減低夜間地表輻射降溫。

表3 不同下墊面地表溫度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

**為0.01顯著水平,*為0.05顯著水平。T(a)、T(b)、T(c)、T(d)分別表示瀝青、水泥、裸地和草地溫度,下標(biāo)max為日最高溫度,下標(biāo)min為日最低溫度。T為氣溫(℃),S為日照時數(shù)(時),Rh為日平均相對濕度(%),ND為云量,樣本數(shù)為730。

相對濕度對下墊面溫度的影響與云量相似,日平均相對濕度與4種下墊面日最高溫度均呈負(fù)相關(guān),而與日最低溫度一致呈顯著正相關(guān),表明較高的水汽含量在白天可能像云層削弱太陽輻射,不利于地表溫度升高,反而在夜間能通過增加大氣逆輻射來提高地表溫度。相對濕度與4種下墊面日平均溫度均呈正相關(guān),表明較高的相對濕度總體上對地表以增溫作用為主,與云量相反。透水性下墊面(砂石和草地)最高、最低溫度與總云量、相對濕度的相關(guān)性均高于不透水性下墊面(瀝青、水泥),說明透水性下墊面較易受總云量和日平均相對濕度即與水汽相關(guān)的氣象因子影響。

4 不同下墊面溫度預(yù)報系統(tǒng)

4.1 建立不同下墊面溫度模擬方程

依托氣象站常規(guī)氣象觀測資料建立城市下墊面地表溫度模擬方程,可為開展城市氣象服務(wù)、城市環(huán)境評估、災(zāi)害監(jiān)測等業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐[6-9]。經(jīng)過逐步回歸分析,得到不同下墊面地表溫度依賴于多種氣象因子的模擬方程(表4),所有方程均通過置信度為0.99的F檢驗。

表4 不同下墊面日溫度與氣溫等因子的擬合方程

T(a)、T(b)、T(c)、T(d)分別表示瀝青、水泥、砂石和草地溫度,下標(biāo)max為日最高溫度,下標(biāo)min為日最低溫度。T為氣溫(℃),S為日照時數(shù)(時),Rh為日平均相對濕度(%),ND為云量。

4.2 不同下墊面溫度預(yù)報系統(tǒng)檢驗

4.2.1 系統(tǒng)預(yù)報效果檢驗

根據(jù)多年預(yù)報經(jīng)驗及實況檢驗發(fā)現(xiàn),JMA模式在預(yù)報短期形勢場、溫度場等有其優(yōu)勢,而EC模式的中長期大形勢預(yù)報及趨勢預(yù)報是其強項。

下墊面溫度預(yù)報主要還是以短期預(yù)報為主,因此根據(jù)擬合方程建立計算程序,采用JMA數(shù)值模式預(yù)報進行插值后的精細(xì)化預(yù)報數(shù)據(jù),對2014年10月至2016年9月進行試運行預(yù)報,對預(yù)報結(jié)果和實況場進行初步檢驗,結(jié)果如下(表5)。

表5 2014年10月—2016年9月各下墊面溫度預(yù)報檢驗

由表5可看出誤差<5 ℃內(nèi)的準(zhǔn)確率除了草面最高溫度外其他均在75%以上,特別是水泥面和砂石面準(zhǔn)確率接近或達到80%以上;而誤差<3 ℃準(zhǔn)確率則明顯偏低,各下墊面最高溫度準(zhǔn)確率在50%～60%,最低溫度在60%～70%。從預(yù)報服務(wù)角度考慮,下墊面溫度預(yù)報要求不如氣溫預(yù)報要求高,此外因為金華站下墊面觀測開展時間不長,樣本數(shù)偏少,對回歸方程的建立和模型的準(zhǔn)確性有很大影響,再加上數(shù)值預(yù)報場各氣象因子的偏差,造成預(yù)報誤差偏大。今后隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)有效樣本的增加,將對此模型進行進一步的改進。

4.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用推廣

不同下墊面溫度預(yù)報系統(tǒng)目前已在金華市氣象局服務(wù)中心進行試運行,得到了較好的評價,接下去將在已開展不同下墊面觀測業(yè)務(wù)的各縣局進行推廣應(yīng)用。

5 結(jié) 語

地球表面通過吸收太陽短波輻射升溫,同時通過感熱和釋放長波輻射降溫。由于不同下墊面性質(zhì)不同,其溫度變化也會出現(xiàn)較大差異。當(dāng)下墊面溫度高于氣溫時,對大氣起加熱作用,反之則對大氣起冷卻作用。研究結(jié)果表明,4種典型城市下墊面日平均溫度和日最高溫度均高于氣溫,且夏半年高于冬半年,表明典型城市下墊面對大氣具有一定的加熱作用,其中以瀝青最強,水泥、砂石次之,草地較弱,且以夏半年對大氣的增溫效應(yīng)較強。通過地氣相互作用,城市下墊面對區(qū)域氣候產(chǎn)生影響。目前我國城市道路和建筑物多為水泥和瀝青等材質(zhì),這些不透水性下墊面反射率降低,熱容量小,對城市的熱環(huán)境貢獻最大,且面積還在呈逐步上升的趨勢,必將進一步擴大了城鄉(xiāng)之間的溫差,加速城市熱島的形成。

1)4種典型城市下墊面日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度的逐月變化特征總體與氣溫變化相似,不同下墊面問溫度差異夏半年均大于冬半年。瀝青、水泥、砂石和草地日平均溫度、日最高溫度全年均高于氣溫,日最低溫度與氣溫差異不大,表明典型城市下墊面對大氣具有一定的加熱作用,以瀝青最強,水泥、砂石次之,草地較弱。除了草地外其他3種下墊面溫度日較差夏半年大于冬半年,其中瀝青在夏、冬半年均是最高。

2)氣溫、日照時數(shù)、總云量、日平均相對濕度等氣象因子與4種下墊面的地表溫度相關(guān)性顯著。日照時數(shù)與4種下墊面日平均溫度、日最高溫度均呈極顯著正相關(guān),與日最低溫度相關(guān)性較小;總云量與4種下墊面日最高溫度均呈顯著負(fù)相關(guān),而與日最低溫度均呈顯著正相關(guān),受其相互抵消影響對日平均溫度反而影響較小;相對濕度在白天不利于地表溫度升高,反而在夜間能通過增加大氣逆輻射來提高地表溫度。透水性下墊面(砂石和草地)較易受總云量和日平均相對濕度即與水汽相關(guān)的氣象因子影響。

3)建立了4種下墊面各溫度參數(shù)依賴于日平均、日最高、日最低氣溫、日照時數(shù)、日平均相對濕度和總云量等影響因子的回歸模擬方程,因此利用精細(xì)化數(shù)值預(yù)報資料代入方程就可以得出城市瀝青、水泥、砂石和草地4種下墊面地表溫度,提高城市氣象服務(wù)效率。

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