金华市不同下垫面温度特征分析及其预报模型的建立和检验

梁亮 张玉娟 吴森清 张彬 毛剑飞

(1.金华市气象局,浙江 金华 321000;2.东阳市气象局,浙江 东阳 322100;3.磐安县气象局,浙江 磐安 322300)

0 引 言

近年来,城市化进程加快已致使城市土地利用及覆盖类型发生明显改变,耕地、绿地面积减少,人工建筑物增加等因素也使得原有的自然植被和裸露土地被建筑物、沥青、水泥、混凝土等不透水性下垫面所代替,这些不透水性下垫面不仅白天储热夜间释热,而且具有良好的导热性和高热容量,是城市热岛形成的主要原因之一。另一方面,天气预报中的气温通常是百叶箱的气温,这是一种理想状态下的气温,与现实环境状况有很大差异。公众一直对气象部门的气温预报甚至实况监测资料都颇有异议,认为与自己生活环境的气温不相符[1]。

金华地处浙江中部,具有明显的盆地小气候,夏季常受副热带高压稳定控制,出现连续晴热高温天气,这种天气对人体的活动能力和舒适度影响很大[2],这种天气下不同下垫面环境温度与百叶箱温度相差尤为明显。近年来,国内众多学者开始对不同下垫面温度特征进行分析,并着力于在气象服务中开展应用[3-5]。

为更好地满足公众的需求,金华市气象局自2014年开始对沥青、水泥、砂石、草地等4种下垫面环境进行温度监测并在网站实时发布。而目前关于该市不同下垫面温度变化规律及其影响、相应的环境温度的预报方面的研究仍属空白。

本文采用数理统计方法,对2014年10月至2016年9月期间,4种下垫面(沥青、水泥、砂石、草面)的温度观测资料进行统计分析,建立不同下垫面温度与气象要素的线性回归方程,从而获取不同下垫面在不同季节、不同天气条件下的温度特征,进而开展不同环境下的温度预报,以期在城市气象服务提升上取得新的突破。

1 资料来源及处理

1.1 资料来源

不同下垫面观测场地设在金华市气象局观测站的观测场内。选取2014年10月至2016年9月的不同下垫面(沥青、水泥、砂石、草面)自动站资料。参考气象站资料包括气温、日照时数、总云量和日平均相对湿度4个要素,也均来自金华观测站的自动站资料。预报场数据来自日本JMA数值模式。

1.2 资料处理

采用LSD法(使用t检验完成各组间的配对比较)对不同下垫面的温度差异进行多重比较,采用Pearson相关分析法对4种下垫面温度与气温、总云量、日平均相对湿度、日照时数进行相关性分析,通过逐步回归法建立4种下垫面温度与气象因子的线性拟合方程。

2 不同下垫面温度特征分析

2.1 年平均温度分析

表1给出2014年10月至2016年9月各种不同下垫面平均温度及各种差值的统计情况。

由表1可见，4种下垫面测得的年平均温度由高到低依次为沥青、水泥、砂石、草地,各下垫面年平均温度均高于百叶箱测得的年平均气温;各下垫面年平均最高温度、年平均最低温度与年平均温度排序一致,即沥青最高、草地最低,水泥和砂石接近;年平均最低温度除沥青比年平均气温略偏高外,其他3种下垫面均比年平均气温偏低;下垫面温度年较差沥青最大,草地最小。

表1 2014年10月—2016年9月不同下垫面温度及各种差值 ℃

2.2 温度年变化分析

2.2.1 日平均温度

4种下垫面日平均温度年变化趋势与气温一致,均呈单峰型特征,最高值均出现在8月,最低值均出现在12月(图1a)。4种下垫面日平均温度全年均显著高于日平均气温,夏半年比冬半年更显著。夏半年平均气温以沥青为最高(30.8 ℃),水泥其次(29.0 ℃),砂石次之,草地最低。与气温相比,沥青、水泥、砂石和草地夏半年平均温度分别偏高2.8、4.0、3.0和1.0 ℃。各下垫面冬半年平均温度以沥青为最高(15.6 ℃),水泥、砂石和草地次之且三者之间差异较小。与气温相比,沥青、水泥、砂石和草地冬半年日平均温度分别偏高3.8、2.5、1.9、1.3 ℃;夏半年日平均温度分别偏高5.8、4.0、3.0和1.0℃(表2)。

表2 4种城市下垫面地表温度夏、冬半年平均值和气温的对比 ℃

2.2.2 日平均最高温度

4种下垫面日平均最高温度年变化趋势与日平均最高气温总体一致,沥青和水泥的最高值出现时间与气温相同,均出现在8月,砂石和草地下垫面最高值出现时间比气温滞后2个月左右(图1b)。4种下垫面日最高气温全年均显著高于日最高气温,夏半年比冬半年更明显。夏半年平均日最高温度以沥青为最高(48.2),水泥和砂石次之,草地最低。与气温相比,沥青、水泥、砂石和草地分别偏高18.8、15.7、13.9、7.7 ℃。冬半年平均日最高温度也以沥青为最高(30.0),砂石次之,水泥和草地最低。与气温相比,沥青、水泥、砂石和草地分别偏高13.6、11.4、11.5、10.7(表2)。

图1 不同下垫面地表日平均温度(a)、日平均最高(b)、日平均最低温度(c)、日较差(d)年变化

2.2.3 日平均最低温度

4种下垫面的日最低温度年变化均与日最低气温一致,呈单峰型变化,最大值出现在8月,最小值出现在12月(图lc)。夏半年平均日最低温度沥青为最高(22.5 ℃),与气温相比,沥青偏高0.8 ℃,水泥、砂石和草地分别偏低0.2、0.4、0.9 ℃。冬半年平均日最低温度也以沥青为最高(8.5 ℃),与气温相比,沥青偏高0.2 ℃,水泥、砂石和草地分别偏低0.7、1.2、1.4 ℃(表2)。

2.2.4 日较差

4种下垫面温度日较差均显著大于气温日较差,全年呈双峰型,两个大值区分别为4月和10月,除了草地外其他3种下垫面温度日较差夏半年大于冬半年,而气温日较差没有明显的年内波动(图1d)。就全年而言,砂石和草地日较差最小值出现在6—7月。夏半年平均日较差沥青最大(25.6 ℃),水泥和砂石次之,草地最小,与气温日较差相比,沥青、水泥、砂石和草地分别偏高17.9、16.7、14.5、8.6 ℃。冬半年平均日较差也以沥青为最高(21.5 ℃),与气温日较差相比,沥青、水泥、砂石、草地分别偏高13.4、12.1、12.7、12.1 ℃(表2)。

综上所述,4种下垫面日平均温度、日平均最高温度、日平均最低温度在夏半年均高于冬半年,温度逐月变化特征总体与气温变化相似。值得注意的是,沥青和水泥两种不透水性下垫面具有相似的热吸收和耗散特性,但沥青日最高温度及日较差全年(特别是在夏季)显著高于其它3种下垫面,其原因可能是:1)沥青颜色较深,反射率小,在同等太阳辐射条件下可以吸收更多的辐射能;2)沥青比热较小;3)夜间热辐射热耗散强,致使其日较差也最高。尽管水泥和沥青同属不透水性下垫面,但由于水泥地颜色较浅,反射率较大,对太阳辐射吸收少于沥青且比热较大,因此其日平均温度、日最高温度低于沥青。砂石和草地分别作为半透水性下垫面和透水性下垫面,草地更易受到土壤湿度的影响,加上草地下垫面有草皮等覆盖,保温性好,其日较差低于砂石。

3 不同下垫面温度与气象因子的相关性分析

除了自身的物理性质外,不同下垫面的温度变化亦受云量、日照和湿度等气象因子的影响。采用Pearson相关分析法对4种下垫面温度与气温、总云量、日平均相对湿度、日照时数进行相关性分析,分析结果表明(表3),日照时数与4种下垫面日平均温度、日最高温度均呈极显著正相关,与日最低温度相关性较小。总云量与4种下垫面日最高温度均呈显著负相关,而与日最低温度均呈显著正相关,表明在白天云层阻挡太阳辐射,不利于地表温度升高,而在夜间云层又能增加大气逆辐射,从而减低夜间地表辐射降温。

表3 不同下垫面地表温度与气象因子的相关系数

**为0.01显著水平,*为0.05显著水平。T(a)、T(b)、T(c)、T(d)分别表示沥青、水泥、裸地和草地温度,下标max为日最高温度,下标min为日最低温度。T为气温(℃),S为日照时数(时),Rh为日平均相对湿度(%),ND为云量,样本数为730。

相对湿度对下垫面温度的影响与云量相似,日平均相对湿度与4种下垫面日最高温度均呈负相关,而与日最低温度一致呈显著正相关,表明较高的水汽含量在白天可能像云层削弱太阳辐射,不利于地表温度升高,反而在夜间能通过增加大气逆辐射来提高地表温度。相对湿度与4种下垫面日平均温度均呈正相关,表明较高的相对湿度总体上对地表以增温作用为主,与云量相反。透水性下垫面(砂石和草地)最高、最低温度与总云量、相对湿度的相关性均高于不透水性下垫面(沥青、水泥),说明透水性下垫面较易受总云量和日平均相对湿度即与水汽相关的气象因子影响。

4 不同下垫面温度预报系统

4.1 建立不同下垫面温度模拟方程

依托气象站常规气象观测资料建立城市下垫面地表温度模拟方程,可为开展城市气象服务、城市环境评估、灾害监测等业务提供技术支撑[6-9]。经过逐步回归分析,得到不同下垫面地表温度依赖于多种气象因子的模拟方程(表4),所有方程均通过置信度为0.99的F检验。

表4 不同下垫面日温度与气温等因子的拟合方程

T(a)、T(b)、T(c)、T(d)分别表示沥青、水泥、砂石和草地温度,下标max为日最高温度,下标min为日最低温度。T为气温(℃),S为日照时数(时),Rh为日平均相对湿度(%),ND为云量。

4.2 不同下垫面温度预报系统检验

4.2.1 系统预报效果检验

根据多年预报经验及实况检验发现,JMA模式在预报短期形势场、温度场等有其优势,而EC模式的中长期大形势预报及趋势预报是其强项。

下垫面温度预报主要还是以短期预报为主,因此根据拟合方程建立计算程序,采用JMA数值模式预报进行插值后的精细化预报数据,对2014年10月至2016年9月进行试运行预报,对预报结果和实况场进行初步检验,结果如下(表5)。

表5 2014年10月—2016年9月各下垫面温度预报检验

由表5可看出误差<5 ℃内的准确率除了草面最高温度外其他均在75%以上,特别是水泥面和砂石面准确率接近或达到80%以上;而误差<3 ℃准确率则明显偏低,各下垫面最高温度准确率在50%～60%,最低温度在60%～70%。从预报服务角度考虑,下垫面温度预报要求不如气温预报要求高,此外因为金华站下垫面观测开展时间不长,样本数偏少,对回归方程的建立和模型的准确性有很大影响,再加上数值预报场各气象因子的偏差,造成预报误差偏大。今后随着监测数据有效样本的增加,将对此模型进行进一步的改进。

4.2.2 系统应用推广

不同下垫面温度预报系统目前已在金华市气象局服务中心进行试运行,得到了较好的评价,接下去将在已开展不同下垫面观测业务的各县局进行推广应用。

5 结 语

地球表面通过吸收太阳短波辐射升温,同时通过感热和释放长波辐射降温。由于不同下垫面性质不同,其温度变化也会出现较大差异。当下垫面温度高于气温时,对大气起加热作用,反之则对大气起冷却作用。研究结果表明,4种典型城市下垫面日平均温度和日最高温度均高于气温,且夏半年高于冬半年,表明典型城市下垫面对大气具有一定的加热作用,其中以沥青最强,水泥、砂石次之,草地较弱,且以夏半年对大气的增温效应较强。通过地气相互作用,城市下垫面对区域气候产生影响。目前我国城市道路和建筑物多为水泥和沥青等材质,这些不透水性下垫面反射率降低,热容量小,对城市的热环境贡献最大,且面积还在呈逐步上升的趋势,必将进一步扩大了城乡之间的温差,加速城市热岛的形成。

1)4种典型城市下垫面日平均温度、日最高温度、日最低温度的逐月变化特征总体与气温变化相似,不同下垫面问温度差异夏半年均大于冬半年。沥青、水泥、砂石和草地日平均温度、日最高温度全年均高于气温,日最低温度与气温差异不大,表明典型城市下垫面对大气具有一定的加热作用,以沥青最强,水泥、砂石次之,草地较弱。除了草地外其他3种下垫面温度日较差夏半年大于冬半年,其中沥青在夏、冬半年均是最高。

2)气温、日照时数、总云量、日平均相对湿度等气象因子与4种下垫面的地表温度相关性显著。日照时数与4种下垫面日平均温度、日最高温度均呈极显著正相关,与日最低温度相关性较小;总云量与4种下垫面日最高温度均呈显著负相关,而与日最低温度均呈显著正相关,受其相互抵消影响对日平均温度反而影响较小;相对湿度在白天不利于地表温度升高,反而在夜间能通过增加大气逆辐射来提高地表温度。透水性下垫面(砂石和草地)较易受总云量和日平均相对湿度即与水汽相关的气象因子影响。

3)建立了4种下垫面各温度参数依赖于日平均、日最高、日最低气温、日照时数、日平均相对湿度和总云量等影响因子的回归模拟方程,因此利用精细化数值预报资料代入方程就可以得出城市沥青、水泥、砂石和草地4种下垫面地表温度,提高城市气象服务效率。

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