木制高溫模擬觀測(cè)裝置的研制

呂雪芹，敖振浪，張 璇，傾鵬程

(1.廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣州 510080；2.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081；3.中山市氣象局，中山528400)

0 引言

人和動(dòng)植物都與自然的空氣溫度息息相關(guān)。生物和環(huán)境是相互依存、相互影響的統(tǒng)一體，生物不斷地受到環(huán)境因素變化影響，空氣溫度變化無(wú)常，也直接影響著機(jī)體的生理狀況[1]。研究結(jié)果表明：人體適宜的健康溫度為18～25 ℃，健康濕度為40%RH～70%RH，在此環(huán)境下人體感覺(jué)最舒適；而在溫度介于24～30 ℃，濕度小于60%RH時(shí)，人體感覺(jué)熱而不悶；在溫度高于30 ℃，濕度大于70%RH時(shí)，人體感覺(jué)悶熱；在溫度高于36 ℃，濕度大于80%RH時(shí)，人體感覺(jué)嚴(yán)重悶熱，且發(fā)汗機(jī)制受阻，容易因體內(nèi)蓄積大量的余熱而中暑，從而導(dǎo)致工作出錯(cuò)率比平時(shí)高許多倍，意外工傷事故比率上升[2-4]。

日常生活中，氣象部門每天都會(huì)發(fā)布天氣預(yù)報(bào)或者高溫預(yù)警。目前，氣象臺(tái)發(fā)布的最高氣溫是大自然狀態(tài)下的流動(dòng)空氣溫度，是在標(biāo)準(zhǔn)百葉箱里測(cè)量的，草坪下墊面的標(biāo)準(zhǔn)空氣溫度。目前全世界的氣象部門對(duì)公眾預(yù)報(bào)的最高溫度是針對(duì)較大范圍的，尺度最多精細(xì)到鎮(zhèn)區(qū)范圍，尚沒(méi)有精細(xì)到對(duì)特定類別的場(chǎng)所進(jìn)行空氣溫度預(yù)報(bào)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，公眾對(duì)天氣預(yù)報(bào)的定時(shí)、定點(diǎn)、定量預(yù)報(bào)要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)特定場(chǎng)所的高溫預(yù)報(bào)提出了更多個(gè)性化要求。鑒于此，文章研究發(fā)明了一種模擬觀測(cè)裝置來(lái)測(cè)量并仿真特定環(huán)境的實(shí)際溫度，以提供更加精細(xì)化的定點(diǎn)高溫預(yù)警信息，滿足公眾對(duì)氣象預(yù)報(bào)的個(gè)性化需求[5，6]。

1 現(xiàn)狀分析

世界氣象組織(WMO)發(fā)布的《氣象儀器和觀測(cè)方法指南》推薦全世界采用百葉箱測(cè)量氣溫。百葉箱的設(shè)計(jì)要求是4個(gè)方向有相同的通風(fēng)系數(shù)，箱體可以防太陽(yáng)直射、防風(fēng)、防雨，安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)草坪內(nèi)，溫度表放在百葉箱里，高度距離地面1.5 m。從百葉箱里面測(cè)得的溫度值，代表著自然狀態(tài)下，不受干擾的標(biāo)準(zhǔn)空氣溫度[7，8]。與標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)百葉箱里面自然流通條件下溫度表測(cè)量到的空氣溫度不同，文章所指的特定場(chǎng)所(比如裸露封閉空間、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等)是非草坪下墊面環(huán)境。由于這些特定建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)成的材料與百葉箱不同，其內(nèi)部幾乎沒(méi)有空氣流動(dòng)(即沒(méi)有風(fēng))，因此夏季其溫度比草坪下墊面的標(biāo)準(zhǔn)空氣溫度高得多[9-11]，所以氣象部門預(yù)報(bào)的溫度不能很好地代表特定場(chǎng)所的實(shí)際溫度。

2 模擬觀測(cè)裝置設(shè)計(jì)

裸露封閉空間、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場(chǎng)所的特點(diǎn)是，通常門和窗的面積相對(duì)于建筑物墻面面積較小，一般來(lái)說(shuō)內(nèi)部對(duì)流性很弱，自然流動(dòng)的風(fēng)速極小，一般不超過(guò)0.3 m/s，相比標(biāo)準(zhǔn)百葉箱設(shè)計(jì)的通風(fēng)系數(shù)(3 m/s)要小很多。室內(nèi)空氣不容易流通是導(dǎo)致特定場(chǎng)所溫度比自然通風(fēng)條件下溫度更高的主要原因。

文章設(shè)計(jì)木屋時(shí)，綜合考慮測(cè)定裝置的代表性、安裝可行性、便利性和經(jīng)濟(jì)性，模擬測(cè)定裝置必須輕便、耐用，其結(jié)構(gòu)和體積具有一定的氣溫測(cè)量代表性，能夠反映出特定環(huán)境的普遍情況。因此，模擬測(cè)定特定環(huán)境的裝置，采用木質(zhì)材料制成，木質(zhì)材料經(jīng)過(guò)碳化處理從而提高防腐性能。木屋尺寸為：1 m×1 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)，各面都是由木板密封連接組成，各面之間采用密封連接，頂面4邊和4個(gè)垂直邊使用不銹鋼角鋼加固，木屋主體4個(gè)腳固定在水泥基座上。頂面略微呈前高后低，便于泄水，其上蓋有1層薄薄的瀝青紙。

考慮特定場(chǎng)所的建筑物結(jié)構(gòu)共性和空氣流動(dòng)性特點(diǎn)，細(xì)節(jié)差異很難一一模擬。根據(jù)粗略推測(cè)[12]，在木屋前面左下方開(kāi)1個(gè)10 cm×20 cm的透氣孔模擬建筑物的門，木屋正面右上方開(kāi)1個(gè)10 cm×10 cm的透氣孔來(lái)模擬建筑物的窗戶，兩個(gè)孔均安裝濾網(wǎng)防止老鼠進(jìn)入，使透氣孔成為木屋室內(nèi)熱空氣向上對(duì)流的通道(僅保持很小的對(duì)流)。

木屋內(nèi)部溫度相對(duì)均衡的位置是中心點(diǎn)，在木屋底面的中心位置固定1個(gè)環(huán)氧樹脂支架，在支架距底面50 cm處安裝Pt100溫度傳感器。溫度傳感器電纜與木屋外的數(shù)據(jù)采集器相連，按照氣象觀測(cè)規(guī)范要求采集木屋內(nèi)部中心點(diǎn)溫度值[13-15]。

3 高溫模擬觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析

選擇位于廣東省預(yù)警信息發(fā)布中心院內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)作為高溫模擬觀測(cè)裝置(木屋)的安裝地址。安裝基礎(chǔ)是1.2 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬)的水泥基座平面，比觀測(cè)場(chǎng)泥土表面高約5 cm，與草坪面高度齊平為宜。考慮太陽(yáng)照射的因素，所以木屋坐南朝北，即小門朝北方向。

試驗(yàn)點(diǎn)的地址選擇比較困難，其中一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)選擇位于廣東省氣象預(yù)警信息發(fā)布中心大院附近一間板房，距離標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)的木屋比較近，此板房周邊有較多樹木，部分時(shí)間受樹蔭影響，但內(nèi)部未安裝空調(diào)等人為調(diào)溫設(shè)備；另一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)選擇位于東山口附近一棟大樓的6樓倉(cāng)庫(kù)，為了盡量真實(shí)，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)并沒(méi)有進(jìn)行特殊整理。本試驗(yàn)主要是針對(duì)夏季高溫時(shí)期，觀測(cè)對(duì)比時(shí)間為2017年6-11月，是廣州出現(xiàn)高溫天氣最多、天氣變化最劇烈的時(shí)段。

1)對(duì)比差值分析

分別把板房和倉(cāng)庫(kù)試驗(yàn)點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)源，剔除一些因設(shè)備故障、人為干擾等因素導(dǎo)致出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算兩者的溫度差值，對(duì)比差值反映了高溫模擬觀測(cè)裝置(木屋)與標(biāo)準(zhǔn)源之間的相對(duì)偏差。統(tǒng)計(jì)半年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于板房的對(duì)比差值，有正差值和負(fù)差值，平均差值為4.82 ℃；對(duì)于倉(cāng)庫(kù)的對(duì)比差值，也有正差值和負(fù)差值，平均差值為3.22 ℃。

再按月計(jì)算對(duì)比差值，從圖1可以看出，板房的最高對(duì)比差值出現(xiàn)在9月，倉(cāng)庫(kù)的最高對(duì)比差值出現(xiàn)在8月；板房的對(duì)比差值6-8月有下降的趨勢(shì)，但8-9月出現(xiàn)了上升的情況，9月后又開(kāi)始下降；倉(cāng)庫(kù)的對(duì)比差值則從6月開(kāi)始有小幅度上升，8月后開(kāi)始下降，兩者差值變化不完全同步。經(jīng)分析，原因可能是倉(cāng)庫(kù)空間比較大，氣溫變化相對(duì)較穩(wěn)定，且倉(cāng)庫(kù)處于樓頂，周邊有高樓；而板房空間小，在不同時(shí)段還受到樹蔭影響造成溫度跳變較大。倉(cāng)庫(kù)和板房的環(huán)境條件與木屋所在的環(huán)境條件有明顯差異，這可能是造成平均差都是正偏差，并且偏差偏大的主要原因。

圖1 對(duì)比差值折線圖

2)標(biāo)準(zhǔn)差分析

同樣對(duì)2017年6-11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行按月統(tǒng)計(jì)，將板房和倉(cāng)庫(kù)試驗(yàn)點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)源，溫度的標(biāo)準(zhǔn)差反映了高溫模擬觀測(cè)裝置(木屋)與標(biāo)準(zhǔn)源之間偏差的離散程度，如表1所示。木屋與板房標(biāo)準(zhǔn)差為3.11 ℃，木屋與倉(cāng)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)差為3.45 ℃，兩者的標(biāo)準(zhǔn)差比較接近，說(shuō)明高溫模擬觀測(cè)裝置與特定場(chǎng)所的實(shí)際溫度變化有比較一致的趨勢(shì)，但不同場(chǎng)所存在一定差異。

表1 木屋與標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)準(zhǔn)差 ℃

從圖2可以看出，每個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)差變化有所起伏，主要是因?yàn)樵囼?yàn)點(diǎn)環(huán)境特殊，特定場(chǎng)所氣溫隨季節(jié)的變化比較劇烈。板房和倉(cāng)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)差除8月差異較大以外，其他月份比較一致，說(shuō)明模擬觀測(cè)裝置能夠較好地模擬仿真特定場(chǎng)景實(shí)際溫度。

圖2 逐月標(biāo)準(zhǔn)差折線圖

上述僅選擇了板房和倉(cāng)庫(kù)兩個(gè)地點(diǎn)作為特定場(chǎng)所，與標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)的高溫模擬觀測(cè)裝置(木屋)進(jìn)行分析比對(duì)，因?yàn)閳?chǎng)所的環(huán)境條件受到明顯影響，總體趨勢(shì)是木屋的模擬溫度普遍偏高，大約存在3～5 ℃的偏差。該差值暫時(shí)達(dá)不到預(yù)期，必須通過(guò)更多的試驗(yàn)點(diǎn)獲取大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，找出規(guī)律和修正值，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修正，達(dá)到2 ℃以下偏差才能夠在實(shí)際中應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章研制的高溫模擬觀測(cè)裝置安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，模擬仿真特定場(chǎng)所的實(shí)際溫度。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于不同場(chǎng)景，存在不同的模擬差異，但是總體趨勢(shì)比較一致，說(shuō)明模擬和反演的方法可行，初步得出的模擬仿真結(jié)果具有一定的代表性。由此表明，針對(duì)不同環(huán)境條件的特定場(chǎng)景，做進(jìn)一步擬合修正，能夠較好地反映特定場(chǎng)所的實(shí)際溫度狀況。

試驗(yàn)結(jié)果存在3～5 ℃的偏差，兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的實(shí)際溫度都低于模擬溫度。分析其主要原因?yàn)榘宸渴艿綐涫a影響，而倉(cāng)庫(kù)處于大樓頂層6樓，受到周邊高樓和風(fēng)的影響比較大，且倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部空氣流動(dòng)性較好，溫度相對(duì)較低，總體來(lái)說(shuō)偏差仍偏大。假如選擇建筑工地工作人員臨時(shí)居住的板房或者周邊沒(méi)有樹木影響的板房，環(huán)境條件與木屋接近，那么模擬溫度和特定場(chǎng)景溫度預(yù)期會(huì)很接近。

本試驗(yàn)僅研究?jī)蓚€(gè)類型試驗(yàn)點(diǎn)的特定場(chǎng)景，未能充分涵蓋工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場(chǎng)景的實(shí)際情況，后續(xù)需要不斷擴(kuò)大場(chǎng)景類型和試驗(yàn)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)特定環(huán)境的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，找出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，分門別類對(duì)模擬測(cè)定值進(jìn)行修正，才能接近特定場(chǎng)景的實(shí)際氣溫。從結(jié)果來(lái)看，也需要進(jìn)一步改善木屋結(jié)構(gòu)，調(diào)整小門及小窗的大小和位置，使模擬裝置對(duì)特定場(chǎng)景的適配性更好。爭(zhēng)取經(jīng)過(guò)改善裝置和優(yōu)化訂正系數(shù)，使模擬溫度差異降低到2 ℃以下。

本研究結(jié)果對(duì)于拓展氣象預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)，為在特定場(chǎng)所工作和生活的人群有針對(duì)性地做好高溫預(yù)警，提供個(gè)性化指引，對(duì)勞動(dòng)者做好安全防范措施、保護(hù)身心健康起到重要作用。盡管模擬結(jié)果存在一定差異，但特定場(chǎng)景人群實(shí)際感受比日常氣象預(yù)報(bào)中大范圍高溫預(yù)警數(shù)值更加接近客觀狀況，公眾是非常期待的。