不同下垫面环境对近地面气温的影响

不同下垫面环境对近地面气温的影响

栗景翔

山西省大宁县气象局山西省临汾市042300

摘要：城市化建设中采用了大量人工构筑物如铺装地面、各种建筑墙面等，引起下垫面发生变化，改变了下垫面的热属性，再加上较多气象观测站的探测环境遭到破坏，导致观测的气象要素记录有所偏差，严重影响了气象探测数据的代表性、连续性。本文以世界气象组织（WMO）发布的地面观测站环境分级标准为切入点，创建台站环境模拟试验场并开展不同场景观测试验，获取不同下垫面环境因素对要素影响的试验数据集，为分析试验资料获得定量结论提供基础资料。

关键词：不同下垫面；环境；地面气温；影响；分析

引言：气温作为一项气象要素，在农业生产中一直具有重要的影响。不仅气温本身的变化对农作物生长发育具有重要作用，与气温有关的灾害性天气如高温、干旱、寒潮等也对农业生产影响较大，因此气温变化特别是每日的最高最低气温异常越来越受到民众的关注。对气温在不同下垫面环境下的精细化预报，特别是对气温日最高最低的精细化预报成为基层防灾减灾和农业生产的重要内容

1.温度变化分析

城市中不同下垫面对城市温度的影响是多方面的，首先，不同下垫面的反射率存在差异，使得地面接收到的太阳辐射不同；另一方面地表与大气之间的物质（主要是水汽和二氧化碳）、能量交换也取决于下垫面的性质，这些都会直接或间接地影响近地层气温。由于城市中各种下垫面空间尺度较小，相邻较近，其温度特点很大程度受到城市区域气候条件的制约。冬季，4种下垫面的温度在1～7℃间变化，最低温度和最高温度的出现时间分别为7时和14时（北京时，下同）。其中，玄武湖的夜间温度最高，但白天温度与其他站点相近；植物园在夜晚温度最低，低于玄武湖1℃，8时以后温度上升较快，正午过后温度高于玄武湖，但16时以后温度下降也较快，以至于夜晚温度低；光华东街夜间温度接近玄武湖，白天温度最高；河海大学校园在夜间温度较低，只是稍高于植物园，在白天高温时段温度最低。夏季，不同下垫面之间的温度日变化差异与冬季有很大不同，各站点最低温度出现时间为6时，最高温度除光华东街以外均发生在13时。光华东街的夜晚温度一直最高，白天高温特点更加明显，12时以后，光华东街的温度比其他站点高出1.5℃，并且其升温趋势一直持续到16时，最高温度超过32℃；玄武湖和河海大学校园的夜间温度稍低于光华东街，而植物园的夜间温度则要低于光华东街2℃以上，这3个站点白天温度比较一致。春季，玄武湖在夜间温度最高，白天温度与其它站点温度相近；光华东街夜间温度接近于玄武湖，白天温度变为最高，在15时其温度高于其他站点1℃左右；植物园在夜间温度最低，低于玄武湖2℃以上，但白天温度上升很快；河海大学校园在夜间的温度低于光华东街，高于植物园，白天温度变为最低。

2.温度变化速率

自动气象站获得的逐小时温度资料，为我们分析不同下垫面上温度变化速率的日变化提供了条件。本文以相邻2h（整点北京时）的平均温度差表示温度变化速率，得到了四种下垫面上的温度变化速率在不同季节的日变化特征。白天的温度变化明显比夜晚时快，各站点温度变化速率的差异也主要在白天。冬季，夜晚的情况不同于其他季节，各站点的温度变化速率起伏较大，有时还会出现小幅度增温。8时以后，各站点开始稳定增温。植物园早晨升温剧烈，到10时左右增温速率达到最大值1.4℃/h，但11—15时内其升温速率却低于其他站点，进入降温阶段后其降温速率一直最高，并在18时达到最大值－1.2℃/h。玄武湖早晨升温最慢，其一天最大升温速率只有0.7℃/h，15时左右开始降温，降温速率较小。光华东街和河海大学校园内的温度变化速率稍大于玄武湖。

3.温度季节变化

通过分析可以得出，秋冬两季玄武湖的温度最高，尤其在秋季最明显；春夏两季，光华东街的温度最高。植物园4季温度都是最低，但这种特征在夏季最为突出，其温度低于其他站点很多。另外，在季节转换过程中各种下垫面上的温度变化特征一致，均为冬季降温最明显，春季升温最明显（这和代表4季的月份选取有很大关系，但我们的重点是下垫面的改变所造成的温度变化差异）。4种下垫面中，光华东街温度的季节变化在全年均较明显。玄武湖从秋季到冬季降温最大，为－16.91℃，春季升温幅度较大，但在夏季升温和秋季降温过程中温度变化都没有其他站点显著。植物园温度的季节变化特征正好与玄武湖相反，在从秋季向春季转换过程中温度变化相对较小，特别是在从秋季向冬季转换期间，温度变化低于玄武湖1.1℃，而在从春季向秋季转换过程中，植物园的温度变化较玄武湖明显。由此可见，在气温较低的月份，即冬半年，近地层温度的月际变化城市水体较大、城市绿地变化较小，而在气温较高的夏半年，温度的月际变化城市绿地较大、城市水体变化较小。通过分析可知，02时，5—10月各站点的温度差别较大，玄武湖的温度最高，植物园的温度要比其他站点低1-2℃，因此其温度年较差较小。08时，各站点的温度变化特征在各个月份比较一致，年变化范围为2-28℃。14时，在6—8月间，光华东街的温度高出其他站点1℃，其他的月份各站点温度比较一致。

4.试验设计

4.1试验站点选址

综合考虑场地环境科学合理性、试验安装的便利性、移动无线传输的稳定性以及水电和防雷条件等，经过现场勘查评估，确定成都信息工程学院综合气象观测场为试验站点布设并开展观测试验。

4.2试验站点布局

根据选址要求，定义下垫面因子为：人工建筑包括水泥路面、建筑物等，分别对100、30、10m范围选取不同下垫面因子的位置作为试验站点，每个站点分别绘制100、30、10m的距离圈以表征各站点的观测环境；根据“温度观测环境标准”，站1、站2均为2级站点，100m圆内下垫面因子均超过10%，而30m圆内下垫面因子小于10%；站3、站6为3级站点，10m圆内下垫面因子小于10%，站4、站5均为四级站点。

4.3试验设备标定及仪器误差确定

利用标准化观测试验前所进行的一致性对比观测得到各站温度仪器误差，以测站2为参考标准站，测站1、测站3、测站4、测站5、测站6与参考标准站气温的相关系数均为0.99，各站与参考站气温差的方差均为0，说明测站1到测站6的温度数据具有很好的一致性

总结：由于实际预报中影响气温变化的因素较多，且不同因素在不同下垫面和天气条件下的作用也在发生变化，因此实际的气温精细化预报既要考虑冷暖平流的作用，也要考虑下垫面差异和其他因素对气温的影响，以期得到更为精细化的气温预报结论，为指导农业生产提供更好的服务产品。

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