李亞麗，薛春芳，郭江峰，周 林，李崇福，毛明策，龍亞星

(1.陜西省氣象信息中心，西安 710014；2.陜西省氣象局，西安 710014；3.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014；4.陜西省氣候中心，西安 710014)

公路典型環(huán)境對氣溫觀測的影響分析

李亞麗1，薛春芳2，郭江峰2，周 林2，李崇福3，毛明策4，龍亞星3

(1.陜西省氣象信息中心，西安 710014；2.陜西省氣象局，西安 710014；3.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014；4.陜西省氣候中心，西安 710014)

為了研究不同等級公路對氣溫觀測的影響，在渭南市境內(nèi)108國道和渭蒲高速公路進行公路典型環(huán)境特定觀測試驗，結(jié)果表明：當測站距國道50 m以外，氣溫觀測基本不受影響。當高速公路位于測站上風方時，其對氣溫的影響明顯大于當其位于測站下風方時，且當風速＞1.0 m/s，靠近高速公路的測站增溫現(xiàn)象明顯，這種影響延伸到距測站100 m以內(nèi)；當高速公路位于測站下風方時，距高速公路75 m以內(nèi)測站的氣溫受其影響增大或減小趨勢呈明顯的日變化特征。建議在氣象觀測站選址和觀測環(huán)境保護時，充分考慮測站對公路路基回避距離的要求。

公路典型環(huán)境；氣溫；觀測試驗；陜西

研究表明[1-2]，觀測環(huán)境變化所造成的誤差通常大于儀器觀測誤差，可完全淹沒氣候變化的信號。大面積鋪砌地面 (如水泥地面)對氣溫、濕度等氣象要素的影響非常顯著[3]。世界氣象組織針對不同臺站類別、不同氣象要素提出了基本的觀測環(huán)境要求。國內(nèi)關(guān)于臺站觀測環(huán)境分級標準的科學研究較少，對不同等級測站、不同氣象要素的觀測環(huán)境保護的指標基本沿用世界氣象組織儀器和觀測方法委員會(WMO-CIMO)的標準，由于部分判別標準不明確，一些指標的誤差范圍存在不確定性等問題，不利于科學合理地設(shè)置臺站和保護環(huán)境。為了研究不同等級公路對氣溫觀測影響的量化規(guī)律和誤差范圍，在陜西渭南市境內(nèi)合陽和臨渭區(qū)進行公路典型環(huán)境臺站特定觀測試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行初步質(zhì)量控制和統(tǒng)計分析，試圖得出氣溫觀測與公路路基距離的回避要求，為氣象臺站科學選址、觀測環(huán)境保護及合理使用觀測數(shù)據(jù)提供依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 公路典型環(huán)境臺站特定觀測試驗的設(shè)計與實施

1.1 試驗場選址依據(jù)

利用遙感影像EOS/MODIS和DEM高程數(shù)據(jù)初步確定試驗區(qū)域自然植被的均一性和地勢的平坦開闊程度；利用高分辨率遙感衛(wèi)星影像彩色合成技術(shù)，分類解譯或目視解譯試驗區(qū)域內(nèi)溝壑、水體、樹木、建筑物等信息；利用地理信息技術(shù)將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù) (道路矢量數(shù)據(jù))疊加到衛(wèi)星遙感影像，判斷區(qū)域內(nèi)有無等級合適的公路。

1.2 站址的選定

針對陜西省地理地貌特征，對挑選的10余個備選試驗場進行現(xiàn)場勘察，在綜合考慮觀測大環(huán)境的自然植被均一、地勢平坦開闊的需求，試驗場小環(huán)境對障礙物、建筑物的回避要求及備選公路走向與當?shù)囟嗄曛鲗эL向的關(guān)系的同時，兼顧觀測試驗過程中儀器安裝維護的方便，最終在陜西渭南市臨渭區(qū)的渭蒲高速公路(109°37′25″E、34°39′26″N，南北走向，寬28 m)和108國道合陽段(110°07′03″E，35°09′40″N，南北走向，寬10 m)選定試驗場開展野外觀測試驗，試驗場下墊面基本為農(nóng)田和裸土，且與村莊、工廠的距離都在600 m以上。

1.3 臺站特定觀測試驗的設(shè)計與實施

由于測站周圍大面積的水泥、混凝土下墊面與自然植被導熱率的不同會直接影響空氣溫度，而風對空氣的交換程度決定影響程度[1]。因此，試驗設(shè)定：在垂直路基的一側(cè)布設(shè)7套溫度傳感器，1套風向風速傳感器 (圖1)，同時對風向風速及溫度進行觀測。108國道觀測試驗場溫度傳感器距離路基分別為15(站1)、30(站2)、50 (站3)、75(站4)、100(站5)、125(站6)、150 m(站7)，渭蒲高速公路觀測試驗場溫度傳感器距離路基分別為15(站1)、30(站2)、50 (站3)、75(站4)、100(站5)、125(站6)、200 m(站7)，風向風速傳感器距離路基30 m，7套溫度傳感器分別安裝在各自的百葉箱內(nèi)，風向風速傳感器安裝在風桿上，安裝傳感器的橫臂呈南北向，風向傳感器的指南 (北)針與橫臂平行。為減少人為因素對觀測的影響，采集器放置在距離路基103 m處。

圖1 公路典型環(huán)境的特定觀測試驗場示意圖

觀測所用的傳感器選用江蘇省無線電科學研究所有限公司的自動站設(shè)備。觀測嚴格執(zhí)行 《氣象儀器和觀測方法指南》[1]、 《地面氣象觀測規(guī)范》[4]等技術(shù)標準。試驗前、后分別依據(jù) 《JJG (氣象)002—2011自動氣象站溫度傳感器檢定規(guī)程》對儀器進行標定。試驗結(jié)束后將7支溫度傳感器置于同一個百葉箱進行一致性觀測。

2 公路典型環(huán)境臺站特定觀測試驗數(shù)據(jù)

試驗場觀測以北京時20時為日界，每天24 h連續(xù)觀測，每分鐘采樣一次，起止時間分別為2014年1月2日—4月16日和1月23日—5月25日。一致性觀測時間分別為2014年4月17—24日和6月30日—7月8日。

在分析之前首先對數(shù)據(jù)進行了極值與定時值、氣候極值的比較檢查以及質(zhì)量控制，刪除了有缺測數(shù)據(jù)的當日記錄以及奇異值；然后利用檢定示值誤差對數(shù)據(jù)進行誤差訂正；最后將站1～站6氣溫數(shù)據(jù)分別與站7進行比較，求得相關(guān)系數(shù)均為1，說明站1～站7溫度數(shù)據(jù)一致性較好。

假設(shè)距公路東邊界最遠的站7所觀測的氣溫不受公路的影響，利用預處理后的分鐘數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計站1～站6與站7(參考站)的氣溫差值及其標準差[5]，評估溫度差值隨觀測點距公路距離的變化情況。

3 公路典型環(huán)境對溫度觀測影響的定量評估

3.1 國道對溫度觀測的影響

108國道觀測試驗場的150 122條7路溫度分鐘數(shù)據(jù)的計算結(jié)果顯示，站1～站6與站7的平均差值較小，均＜0.1℃，且差值大小與兩站間距離無明顯的變化規(guī)律；平均氣溫差值的標準差均＜0.2℃(表1)，其中站6與站7差值的標準差最小，為0.09℃，站1與站7差值的標準差最大，為0.16℃，隨著觀測點距參考站距離的縮短，差值的標準差明顯減小。即距離公路越近，所測溫度與參考站的差值的標準差越大。距公路100 m以外，標準差＜0.1℃。

表1 108國道觀測試驗場站1～站6與站7的平均氣溫差值的標準差 ℃

近地層的熱量交換除受太陽輻射熱交換影響外，還受平流和湍流的影響。由與試驗場距離最近的合陽國家一般氣象站1981—2010年風向玫瑰圖知，合陽站1—4月的主導風向為NNEENE，故分別統(tǒng)計在NNE-ENE(66 905條記錄)以及SSW-WSW風向(10 077條記錄)下，當風速＞1.0 m/s時，站1～站6與站7的差值、差值的標準差，分析公路位于觀測點的上風方和下風方對溫度測量值的影響。

表2 渭蒲高速公路觀測試驗場站1～站6與站7的平均氣溫差值及其標準差 ℃

在不同風向的影響下，試驗場站1～站6與站7的平均差值均＜0.1℃，與測點離公路的距離無明顯相關(guān)性 (圖略)。但從表1可看出，在盛行風向為NNE-ENE時，站1～站6與站7的差值的標準差明顯小于風向為SSW-WSW時，即國道處于觀測點下風方對溫度的影響明顯小于其處于觀測點的上風方，且無論哪種風向下，其均隨測站與公路距離的縮短而增大。但當測站與國道的距離增加到50 m以外時，其減小幅度與風向無關(guān)。

受太陽輻射的影響，近地層氣象要素日變化較大。下墊面性質(zhì)的差異導致土壤、瀝青路面等導熱率不同，大面積鋪砌地面對氣溫、濕度等氣象要素的影響非常顯著[2-3]。觀測結(jié)果 (圖2)說明：當公路處于參考站上風方，白天太陽輻射使公路加熱升溫幅度高于農(nóng)田和裸土，同時車流量大，尾氣排放增多導致靠近公路的站受熱源影響升溫，升溫效應(yīng)只維持到距公路30 m處；夜間公路輻射冷卻程度大于農(nóng)田，車流量極小，基本沒有尾氣排放，公路成為冷源，靠近公路的站有降溫現(xiàn)象，降溫效應(yīng)只延伸到30 m，夜間冷源的強度遠小于白天的熱源強度。

3.2 高速公路對溫度觀測的影響

利用渭蒲高速公路觀測試驗場的172 649條7路溫度分鐘數(shù)據(jù)，分別計算站1～站6與站7的平均氣溫差值(表2)，差值均＜0.2℃，同時隨著站3～站6與站7距離的縮短有逐漸減小的趨勢，其標準差變化趨勢與差值較為一致。

圖2 108國道觀測試驗場站1～站6與站7的氣溫差值日變化

圖3 臨渭高速公路站1～站6與站7的氣溫差值(a，b，c)及其標準差(a′，b′，c′)日變化

由與渭蒲高速公路試驗場最近的臨渭國家一般氣象站1981—2010年30 a風向玫瑰圖可知，臨渭站1—5月的主導風向為NE-SE，故分別統(tǒng)計當高速公路位于測站的下風方(NE-SE風向)以及上風方(SW-NW風向)，當風速＞1.0 m/s時站1～站6與站7的差值及其標準差(表2)，可以明顯看出，當高速公路位于測站的上風方對溫度的影響大于當其位于測站的下風方，自距高速公路50 m的站3起，差值隨著高速公路距觀測點距離的增長而減小。利用渭蒲高速公路觀測試驗場的分鐘溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析站1～站6與站7(距公路200 m處)的氣溫差值、差值的標準差日變化特征 (圖3)。結(jié)果表明，氣溫差值在一天中變化規(guī)律較為一致，23時—04時差值略大于其它時次。圖3a和3c表明，高速公路車流量較大且不分晝夜，相當于熱源始終存在，其影響范圍可延伸至距高速公路100 m。

按風向統(tǒng)計結(jié)果表明，當高速公路位于測站下風方 (圖3b)時，氣溫差值日變化規(guī)律與其位于上風方 (圖3c)時差異較大，且差值及其標準差較其位于上風方時偏小，白天太陽輻射使靠近高速公路的站升溫較快，夜間公路輻射冷卻使靠近高速公路的站降溫較快，這種影響只延伸到距測站75 m以內(nèi)。

由于白天受輻射熱交換影響較大，且風速大于夜間[6]，熱量交換充分，因此，站1～站6與站7白天(08—18時)的差值的標準差明顯小于夜間(圖3a′、圖3b′、圖3c′)。

從表2和圖3可以看出，差值的標準差隨著高速公路距觀測點距離的增長，均不同程度地減小。

圖4 秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)能力分區(qū)(文見14頁3.2)

4 結(jié)論和討論

在陜西渭南市境內(nèi)的108國道和渭蒲高速公路進行了公路典型環(huán)境的特定觀測試驗，并通過對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論。

(1)當測站與國道的距離大于50 m時，氣溫觀測基本不受國道的影響。

(2)高速公路位于測站的上風方對溫度觀測值的影響明顯大于當其位于測站的下風方時，在風速＞1.0 m/s的情況下，靠近高速公路的測點增溫現(xiàn)象明顯，這種影響延伸到距測站100 m以內(nèi)。當高速公路位于測站下風方時，距高速公路75 m以內(nèi)的測站，氣溫觀測值受其影響增大或減小的趨勢呈明顯的日變化特征。

(3)在氣象臺站選址和觀測環(huán)境保護時，應(yīng)充分考慮測站周圍公路對氣溫觀測的影響，確保氣象觀測資料的代表性、準確性、比較性。

(4)由于近地層的大氣運動，除受到太陽輻射的影響外，還受到貼地層湍流的影響。在分析過程中遇到一些僅靠數(shù)理統(tǒng)計無法解釋的現(xiàn)象，有待運用數(shù)值模擬等進行更深層次的研究。

[1] World Meteorological Organization.Guide to meteorological instruments and methods of observation(WMO-No.8)[R].2008 edition.Geneva：2010.

[2] EPA.On-site meteorological program guidance for regulatory modeling applications[R].EPA-450/ 4-87-013，North Carolina，1987.

[3] 周亞麗，李敏，武廣良.漳關(guān)氣象站周邊環(huán)境變化對氣象要素影響的事實分析 [J].陜西氣象，2013(5)：33-35.

[4] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：98.

[5] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007：16.

[6] 魯淵平，杜繼穩(wěn)，侯建忠，等.陜西省風速風向時空變化特征[J].陜西氣象，2006(1)：1-4.

P412.11

：A

李亞麗，薛春芳，郭江峰，等.公路典型環(huán)境對氣溫觀測的影響分析[J].陜西氣象，2015(3)：16-20.

1006-4354(2015)03-0016-05

2015-01-08

李亞麗 (1978—)，女，陜西韓城人，高級工程師，從事氣象資料分析與應(yīng)用研究。

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201106049)，陜西省氣象局氣象科技創(chuàng)新基金項目(2014M-27)