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(dāng)測站距國道50 m以外，氣溫觀測基本不受影響。當(dāng)高速公路位于測站上風(fēng)方時，其對氣溫的影響明顯大于當(dāng)其位于測站下風(fēng)方時，且當(dāng)風(fēng)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(dāng)高速公路位于測站下風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)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(biāo)基本沿用世界氣象組織儀器和觀測方法委員會(WMO-CIMO)的標(biāo)準(zhǔn)，由于部分判別標(biāo)準(zhǔn)不明確，一些指標(biāo)的誤差范圍存在不確定性等問題，不利于科學(xué)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(xué)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(dāng)?shù)囟嗄曛鲗?dǎo)風(fēng)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(dǎo)熱率的不同會直接影響空氣溫度，而風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速傳感器 (圖1)，同時對風(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)桿上，安裝傳感器的橫臂呈南北向，風(fēng)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(xué)研究所有限公司的自動站設(shè)備。觀測嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)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(dāng)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(yuǎn)的站7所觀測的氣溫不受公路的影響，利用預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差均＜0.2℃(表1)，其中站6與站7差值的標(biāo)準(zhǔn)差最小，為0.09℃，站1與站7差值的標(biāo)準(zhǔn)差最大，為0.16℃，隨著觀測點距參考站距離的縮短，差值的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差越大。距公路100 m以外，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)向玫瑰圖知，合陽站1—4月的主導(dǎo)風(fēng)向為NNEENE，故分別統(tǒng)計在NNE-ENE(66 905條記錄)以及SSW-WSW風(fēng)向(10 077條記錄)下，當(dāng)風(fēng)速＞1.0 m/s時，站1～站6與站7的差值、差值的標(biāo)準(zhǔn)差，分析公路位于觀測點的上風(fēng)方和下風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)差 ℃

在不同風(fēng)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(fēng)向為NNE-ENE時，站1～站6與站7的差值的標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于風(fēng)向為SSW-WSW時，即國道處于觀測點下風(fēng)方對溫度的影響明顯小于其處于觀測點的上風(fēng)方，且無論哪種風(fēng)向下，其均隨測站與公路距離的縮短而增大。但當(dāng)測站與國道的距離增加到50 m以外時，其減小幅度與風(fēng)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(dǎo)致土壤、瀝青路面等導(dǎo)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(dāng)公路處于參考站上風(fēng)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(dǎo)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)向玫瑰圖可知，臨渭站1—5月的主導(dǎo)風(fēng)向為NE-SE，故分別統(tǒng)計當(dāng)高速公路位于測站的下風(fēng)方(NE-SE風(fēng)向)以及上風(fēng)方(SW-NW風(fēng)向)，當(dāng)風(fēng)速＞1.0 m/s時站1～站6與站7的差值及其標(biāo)準(zhǔn)差(表2)，可以明顯看出，當(dāng)高速公路位于測站的上風(fēng)方對溫度的影響大于當(dāng)其位于測站的下風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fēng)向統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)高速公路位于測站下風(fēng)方 (圖3b)時，氣溫差值日變化規(guī)律與其位于上風(fēng)方 (圖3c)時差異較大，且差值及其標(biāo)準(zhǔn)差較其位于上風(fēng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fēng)方對溫度觀測值的影響明顯大于當(dāng)其位于測站的下風(fēng)方時，在風(fēng)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(dāng)高速公路位于測站下風(fēng)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(zhǔn)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.

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[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.

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P412.11

：A

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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)