粵北地區(qū)4種城市典型下墊面溫度差異分析

羅燁泓，陳 斌，郭 馨，黃觀榮

(1.廣東省韶關(guān)市氣象局 韶關(guān)市防雷減災(zāi)管理中心, 廣東 韶關(guān) 512028；2.成都信息工程大學(xué) 管理學(xué)院, 四川 成都 610225；3.廣東省興寧市氣象局 預(yù)報(bào)股, 廣東 興寧 514500)

為探索不同下墊面溫度變化特征，趙美艷等[1]對(duì)重慶市巴南區(qū)多種下墊面溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同下墊面溫度具有顯著的季、月變化特征，夏季(尤其是7月)最高，春季和秋季次之，冬季最低。毛佩柱等[2]分析了夏季不同天氣條件下多種下墊面晝夜溫度變化，發(fā)現(xiàn)不同下墊面晴天的溫度差異最明顯，陰天次之，雨天差異最小。劉霞等[3]利用瀝青、水泥、裸地和草地4種下墊面溫度分析發(fā)現(xiàn)云量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等氣象因子對(duì)下墊面溫度的影響較大。梁亮等[4]通過(guò)分析金華市不同下墊面溫度特征及其與氣象因子的相關(guān)性，建立4種城市典型下墊面溫度預(yù)報(bào)模型。為探索不同類(lèi)型下墊面溫度變化的規(guī)律，還有不少學(xué)者對(duì)不同下墊面溫度進(jìn)行了相關(guān)研究[5-13]。本研究重點(diǎn)分析粵北地區(qū)4種城市典型下墊面溫度觀測(cè)資料，嘗試分析各下墊面溫度的季、月、日變化規(guī)律及其差異，以期對(duì)城市人居生活環(huán)境改善提供參考。

1 資料來(lái)源及方法

1.1 資料來(lái)源

資料來(lái)自韶關(guān)市南嶺生態(tài)氣象中心生態(tài)氣象觀測(cè)站，該站位于韶關(guān)市仁化縣丹霞街道黃屋村。下墊面觀測(cè)場(chǎng)設(shè)置了草地、水泥、透水磚、瀝青、鵝卵石、黃土6種下墊面的特種觀測(cè)，觀測(cè)項(xiàng)目周邊較空曠，無(wú)高大樹(shù)木及建筑物。觀測(cè)項(xiàng)目中的下墊面區(qū)塊規(guī)格均為長(zhǎng)4 m，寬2 m，厚0.2 m，溫度測(cè)量采用PT-100電阻溫度傳感器，安裝在相應(yīng)材質(zhì)下墊面表層2 cm深處，數(shù)據(jù)采集頻次為每分鐘采集一次。為方便對(duì)比研究，選擇下墊面觀測(cè)場(chǎng)正南方5 m距離處國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)百葉箱氣溫?cái)?shù)據(jù)作參照。

為了研究不同下墊面溫度變化特征，選取下墊面觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)水泥、透水磚、瀝青、鵝卵石4種下墊面,從2016-05-01T00：00：00到2019-07-31T23：59：00逐分鐘記錄溫度數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)氣象觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)百葉箱氣溫?cái)?shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均按照氣象觀測(cè)規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格地質(zhì)量控制。研究中，春、夏、秋、冬四季的劃分分別是3月到5月為春季、6月到8月為夏季、9月到11月為秋季、12月到次年2月為冬季。

1.2 分析方法

采用Excel2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖，采用LSD法對(duì)不同下墊面的溫度差異進(jìn)行多重比較，主要使用t檢驗(yàn)完成各組間的配對(duì)比較，采用Pearson相關(guān)分析法，對(duì)4種下墊面溫度與氣溫、總云量、日平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用逐步回歸法建立4種下墊面溫度與氣象因子的線性擬合方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面季平均溫度差異特征

將水泥、透水磚、瀝青、鵝卵石作為粵北地區(qū)4種城市典型下墊面的四季平均溫度與氣溫對(duì)比，發(fā)現(xiàn)粵北地區(qū)這4種城市典型下墊面的不同季節(jié)平均溫度變化趨勢(shì)均與氣溫一致，即夏季最高，秋季次之，冬季最低，春季介于秋、冬季之間，且春、夏、秋、冬四季4種下墊面的平均溫度排序均為瀝青高于鵝卵石，鵝卵石高于透水磚，透水磚高于水泥。

粵北地區(qū)4種城市典型下墊面在四個(gè)季節(jié)的平均溫度均比氣溫高。夏季和秋季差異最為顯著，與氣溫相比，夏季瀝青、鵝卵石、透水磚、水泥分別偏高8.3 ℃、6.6 ℃、5.6 ℃、5.1 ℃；秋季偏高6.4 ℃、5.1 ℃、4.7℃、3.9℃。春季和冬季相對(duì)差異較小，與氣溫相比，春季瀝青、鵝卵石、透水磚、水泥分別偏高4.7 ℃、3.8 ℃、3.3 ℃、2.6 ℃；冬季偏高3.7 ℃、2.9 ℃、2.8 ℃、2.2 ℃。粵北地區(qū)4種城市典型下墊面中，夏季瀝青平均溫度高達(dá)36.2 ℃，冬季水泥平均溫度低到13.9 ℃。

2.2 不同下墊面月平均溫度差異特征

城市典型下墊面不同月份平均溫度如圖1所示。由圖1可知：粵北地區(qū)4種城市典型下墊面月平均溫度變化趨勢(shì)與氣溫相似，均呈單峰型變化特征，峰值均出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在1月；從4月到10月，各下墊面吸收太陽(yáng)能短波輻射后溫度上升速率不同，從而溫度差異明顯，以7月、8月尤為顯著，從11月到翌年3月，各月平均溫度之間的差異較小；全年各下墊面月平均溫度均高于月平均氣溫，且排序一致，即瀝青最高，其次是鵝卵石、透水磚，水泥最低。

圖1 不同下墊面月平均溫度差異特征

2.3 不同下墊面日最高溫、日最低溫差異特征

下墊面日最高溫、日最低溫差異特征如圖2所示。由圖2(a)可知，①粵北地區(qū)4種城市典型下墊面日最高溫度的變化趨勢(shì)與日最高氣溫總體一致，水泥、鵝卵石的日最高溫度極高值與日最高氣溫極高值均出現(xiàn)在7月，透水磚的日最高溫度極高值出現(xiàn)在8月，較其他下墊面滯后一個(gè)月，4種下墊面極低值均出現(xiàn)在1月。②從全年來(lái)看，粵北地區(qū)4種城市典型下墊面日最高溫度均顯著高于日最高氣溫，在夏季更加明顯。全年日最高溫度極高值以瀝青為最高(55.1 ℃)，其次為透水磚(48.9 ℃)、鵝卵石(48.7 ℃)，且二者差異不明顯，最低為水泥(45.6 ℃)。與日最高氣溫極高值相比，瀝青、透水磚、鵝卵石、水泥分別偏高20.7 ℃、14.5 ℃、14.3 ℃、11.2 ℃。值得注意的是，上半年透水磚與鵝卵石日最高氣溫差異不明顯，然而在下半年透水磚卻明顯高于鵝卵石。

由圖2(b)可知，①粵北地區(qū)4種城市典型下墊面日最低溫度的變化趨勢(shì)與日最高氣溫總體一致，水泥、鵝卵石的日最低溫度極低值與日最低氣溫極低值均出現(xiàn)在1月，透水磚、鵝卵石日最低溫度極高值出現(xiàn)在7月，水泥出現(xiàn)在8月，瀝青日最低溫度極高值在7月、8月兩月相同。②從全年來(lái)看，粵北地區(qū)4種城市典型下墊面日最低溫度均顯著高于日最低氣溫，且四者之間差異不明顯。全年日最低溫度極低值以透水磚為最高(9.9 ℃)，其次為鵝卵石(9.7 ℃)、瀝青(9.3 ℃)，最低為水泥(9.1 ℃)。與日最低氣溫極低值相比，鵝卵石、瀝青、透水磚、水泥分別偏高2.4 ℃、2.2 ℃、1.8 ℃、1.6 ℃。

圖2 不同下墊面日最高溫、日最低溫差異特征

2.4 不同下墊面四季日平均溫度差異特征

下墊面四季日平均溫度特征如圖3所示。由圖3可知，粵北地區(qū)4種城市典型下墊面溫度逐時(shí)變化曲線均呈現(xiàn)波浪型，日變化趨勢(shì)與氣溫相近。在夜間4種下墊面溫度逐時(shí)緩慢下降，春、夏、秋三個(gè)季節(jié)于06時(shí)達(dá)到最低值，冬季于07時(shí)達(dá)到最低值，08時(shí)之后開(kāi)始以較快速度上升，在14時(shí)達(dá)到最高值，之后快速下降，在18時(shí)開(kāi)始到夜間其他時(shí)段緩慢下降；氣溫在15時(shí)左右達(dá)到最高值，比粵北地區(qū)4種城市典型下墊面達(dá)到最高值的時(shí)間滯后一小時(shí)左右。

從全天來(lái)看，粵北地區(qū)4種城市典型下墊面日變化幅度明顯高于氣溫日變化幅度，瀝青的變化幅度最大，其次是鵝卵石，再是透水磚和水泥，后兩者在夏、秋季差異相對(duì)較明顯，春季差異不明顯，在冬季，甚至水泥日變化大于透水磚日變化。瀝青、鵝卵石、透水磚、水泥在夏季日變化溫度分別為21.4 ℃、15.8 ℃、14.1 ℃、13.2 ℃；秋季日變化溫度分別為17.9 ℃、12.7 ℃、11.8 ℃、11.3 ℃；春季日變化溫度分別為15.9 ℃、11.8 ℃、10.1 ℃、9.8 ℃；冬季日變化溫度分別為15.5 ℃、11.1 ℃、10.1 ℃、10.8 ℃。

圖3 下墊面四季日平均溫度差異特征

2.5 產(chǎn)生下墊面溫度差異的主要原因

地球表面通過(guò)吸收太陽(yáng)短波輻射升溫，同時(shí)通過(guò)感熱和釋放長(zhǎng)波輻射降溫。由于不同下墊面材料的顏色、反射率、比熱容、透水性的差異，其溫度變化也會(huì)出現(xiàn)較大差異。當(dāng)下墊面溫度高于氣溫時(shí)，對(duì)大氣起加熱作用，反之起冷卻作用。以瀝青為例，瀝青顏色比其他下墊面的較深，反射率小，在同等條件下，能吸收更多的太陽(yáng)輻射，因此瀝青的日最高溫度顯著高于其他三種下墊面，特別是夏季尤為明顯；盡管鵝卵石和瀝青同屬不透水性下墊面，但由于鵝卵石顏色較淺，反射率大，對(duì)太陽(yáng)輻射吸收少于瀝青且比熱容大，鵝卵石日平均溫度、日最高溫度均低于瀝青，但日最低溫度高于瀝青；水泥地和透水磚作為透水性下墊面，容易受到土壤濕度的影響，溫度特性趨于一致。

3 結(jié)論

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，粵北地區(qū)水泥、透水磚、瀝青、鵝卵石這4種城市典型下墊面季節(jié)平均溫度、月平均溫度、日最高溫度、日最低溫度及日平均溫度變化特征均與氣溫變化密切相關(guān)。主要有以下特征：

1) 4種城市典型下墊面溫度具有顯著的季節(jié)變化特征，季節(jié)平均溫度變化趨勢(shì)均與氣溫一致，夏季最高，秋季次之，冬季最低。季節(jié)平均溫度均比氣溫高。夏季和秋季差異最為顯著，春季和冬季相對(duì)差異較小。

2) 4種城市典型下墊面月平均溫度變化趨勢(shì)與氣溫相似，均呈單峰型變化特征，峰值均出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在1月。在4月到10月期間，各下墊面吸收太陽(yáng)能短波輻射后溫度上升速率不同，從而溫度差異明顯，以7月、8月尤為顯著，從11月到翌年3月，各月平均溫度之間的差異較小。

3) 4種城市典型下墊面日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度的年變化特征與百葉箱內(nèi)氣溫基本相同，在夜間各下墊面溫度均呈現(xiàn)緩慢下滑趨勢(shì)，日變化幅度明顯高于氣溫日變化幅度，在14時(shí)左右達(dá)到當(dāng)日最高值，瀝青、鵝卵石的日變化幅度最大，透水磚、水泥變化幅度相對(duì)較小。夜間各下墊面溫度變化幅度均較小。

4) 不同季節(jié)和月份的平均溫度均為瀝青高于鵝卵石，鵝卵石高于透水磚，透水磚高于水泥。