呂雪芹，敖振浪，張 璇，傾鵬程

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

0 引言

人和動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，空氣溫度變化無常，也直接影響著機體的生理狀況[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)境下人體感覺最舒適；而在溫度介于24～30 ℃，濕度小于60%RH時，人體感覺熱而不悶；在溫度高于30 ℃，濕度大于70%RH時，人體感覺悶熱；在溫度高于36 ℃，濕度大于80%RH時，人體感覺嚴(yán)重悶熱，且發(fā)汗機制受阻，容易因體內(nèi)蓄積大量的余熱而中暑，從而導(dǎo)致工作出錯率比平時高許多倍，意外工傷事故比率上升[2-4]。

日常生活中，氣象部門每天都會發(fā)布天氣預(yù)報或者高溫預(yù)警。目前，氣象臺發(fā)布的最高氣溫是大自然狀態(tài)下的流動空氣溫度，是在標(biāo)準(zhǔn)百葉箱里測量的，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公眾預(yù)報的最高溫度是針對較大范圍的，尺度最多精細(xì)到鎮(zhèn)區(qū)范圍，尚沒有精細(xì)到對特定類別的場所進(jìn)行空氣溫度預(yù)報。隨著社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，公眾對天氣預(yù)報的定時、定點、定量預(yù)報要求越來越高，尤其是對特定場所的高溫預(yù)報提出了更多個性化要求。鑒于此，文章研究發(fā)明了一種模擬觀測裝置來測量并仿真特定環(huán)境的實際溫度，以提供更加精細(xì)化的定點高溫預(yù)警信息，滿足公眾對氣象預(yù)報的個性化需求[5，6]。

1 現(xiàn)狀分析

世界氣象組織(WMO)發(fā)布的《氣象儀器和觀測方法指南》推薦全世界采用百葉箱測量氣溫。百葉箱的設(shè)計要求是4個方向有相同的通風(fēng)系數(shù)，箱體可以防太陽直射、防風(fēng)、防雨，安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場草坪內(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)氣象觀測場百葉箱里面自然流通條件下溫度表測量到的空氣溫度不同，文章所指的特定場所(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)部幾乎沒有空氣流動(即沒有風(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)報的溫度不能很好地代表特定場所的實際溫度。

2 模擬觀測裝置設(shè)計

裸露封閉空間、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場所的特點是，通常門和窗的面積相對于建筑物墻面面積較小，一般來說內(nèi)部對流性很弱，自然流動的風(fēng)速極小，一般不超過0.3 m/s，相比標(biāo)準(zhǔn)百葉箱設(shè)計的通風(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)計木屋時，綜合考慮測定裝置的代表性、安裝可行性、便利性和經(jīng)濟(jì)性，模擬測定裝置必須輕便、耐用，其結(jié)構(gòu)和體積具有一定的氣溫測量代表性，能夠反映出特定環(huán)境的普遍情況。因此，模擬測定特定環(huán)境的裝置，采用木質(zhì)材料制成，木質(zhì)材料經(jīng)過碳化處理從而提高防腐性能。木屋尺寸為：1 m×1 m×1 m(長×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個垂直邊使用不銹鋼角鋼加固，木屋主體4個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。

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

木屋內(nèi)部溫度相對均衡的位置是中心點，在木屋底面的中心位置固定1個環(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，按照氣象觀測規(guī)范要求采集木屋內(nèi)部中心點溫度值[13-15]。

3 高溫模擬觀測試驗對比分析

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

試驗點的地址選擇比較困難，其中一個試驗點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)氣象觀測場的木屋比較近，此板房周邊有較多樹木，部分時間受樹蔭影響，但內(nèi)部未安裝空調(diào)等人為調(diào)溫設(shè)備；另一個試驗點選擇位于東山口附近一棟大樓的6樓倉庫，為了盡量真實，倉庫內(nèi)并沒有進(jìn)行特殊整理。本試驗主要是針對夏季高溫時期，觀測對比時間為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段。

1)對比差值分析

分別把板房和倉庫試驗點作為標(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)明顯錯誤的數(shù)據(jù)，分別計算兩者的溫度差值，對比差值反映了高溫模擬觀測裝置(木屋)與標(biāo)準(zhǔn)源之間的相對偏差。統(tǒng)計半年的觀測數(shù)據(jù)，對于板房的對比差值，有正差值和負(fù)差值，平均差值為4.82 ℃；對于倉庫的對比差值，也有正差值和負(fù)差值，平均差值為3.22 ℃。

再按月計算對比差值，從圖1可以看出，板房的最高對比差值出現(xiàn)在9月，倉庫的最高對比差值出現(xiàn)在8月；板房的對比差值6-8月有下降的趨勢，但8-9月出現(xiàn)了上升的情況，9月后又開始下降；倉庫的對比差值則從6月開始有小幅度上升，8月后開始下降，兩者差值變化不完全同步。經(jīng)分析，原因可能是倉庫空間比較大，氣溫變化相對較穩(wěn)定，且倉庫處于樓頂，周邊有高樓；而板房空間小，在不同時段還受到樹蔭影響造成溫度跳變較大。倉庫和板房的環(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 對比差值折線圖

2)標(biāo)準(zhǔn)差分析

同樣對2017年6-11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行按月統(tǒng)計，將板房和倉庫試驗點作為標(biāo)準(zhǔn)源，溫度的標(biāo)準(zhǔn)差反映了高溫模擬觀測裝置(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 ℃，木屋與倉庫標(biāo)準(zhǔn)差為3.45 ℃，兩者的標(biāo)準(zhǔn)差比較接近，說明高溫模擬觀測裝置與特定場所的實際溫度變化有比較一致的趨勢，但不同場所存在一定差異。

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

從圖2可以看出，每個月的標(biāo)準(zhǔn)差變化有所起伏，主要是因為試驗點環(huán)境特殊，特定場所氣溫隨季節(jié)的變化比較劇烈。板房和倉庫的標(biāo)準(zhǔn)差除8月差異較大以外，其他月份比較一致，說明模擬觀測裝置能夠較好地模擬仿真特定場景實際溫度。

圖2 逐月標(biāo)準(zhǔn)差折線圖

上述僅選擇了板房和倉庫兩個地點作為特定場所，與標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場的高溫模擬觀測裝置(木屋)進(jìn)行分析比對，因為場所的環(huán)境條件受到明顯影響，總體趨勢是木屋的模擬溫度普遍偏高，大約存在3～5 ℃的偏差。該差值暫時達(dá)不到預(yù)期，必須通過更多的試驗點獲取大量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計，找出規(guī)律和修正值，對模擬結(jié)果進(jìn)行修正，達(dá)到2 ℃以下偏差才能夠在實際中應(yīng)用。

4 結(jié)束語

文章研制的高溫模擬觀測裝置安裝在標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，模擬仿真特定場所的實際溫度。通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對于不同場景，存在不同的模擬差異，但是總體趨勢比較一致，說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，針對不同環(huán)境條件的特定場景，做進(jìn)一步擬合修正，能夠較好地反映特定場所的實際溫度狀況。

試驗結(jié)果存在3～5 ℃的偏差，兩個試驗地點的實際溫度都低于模擬溫度。分析其主要原因為板房受到樹蔭影響，而倉庫處于大樓頂層6樓，受到周邊高樓和風(fēng)的影響比較大，且倉庫內(nèi)部空氣流動性較好，溫度相對較低，總體來說偏差仍偏大。假如選擇建筑工地工作人員臨時居住的板房或者周邊沒有樹木影響的板房，環(huán)境條件與木屋接近，那么模擬溫度和特定場景溫度預(yù)期會很接近。

本試驗僅研究兩個類型試驗點的特定場景，未能充分涵蓋工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場景的實際情況，后續(xù)需要不斷擴大場景類型和試驗點，通過對特定環(huán)境的大量實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，找出一個經(jīng)驗值，分門別類對模擬測定值進(jìn)行修正，才能接近特定場景的實際氣溫。從結(jié)果來看，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，使模擬裝置對特定場景的適配性更好。爭取經(jīng)過改善裝置和優(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)果對于拓展氣象預(yù)警預(yù)報服務(wù)，為在特定場所工作和生活的人群有針對性地做好高溫預(yù)警，提供個性化指引，對勞動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，但特定場景人群實際感受比日常氣象預(yù)報中大范圍高溫預(yù)警數(shù)值更加接近客觀狀況，公眾是非常期待的。