粤北地区4种城市典型下垫面温度差异分析

罗烨泓，陈 斌，郭 馨，黄观荣

(1.广东省韶关市气象局 韶关市防雷减灾管理中心, 广东 韶关 512028；2.成都信息工程大学 管理学院, 四川 成都 610225；3.广东省兴宁市气象局 预报股, 广东 兴宁 514500)

为探索不同下垫面温度变化特征，赵美艳等[1]对重庆市巴南区多种下垫面温度进行分析，发现不同下垫面温度具有显著的季、月变化特征，夏季(尤其是7月)最高，春季和秋季次之，冬季最低。毛佩柱等[2]分析了夏季不同天气条件下多种下垫面昼夜温度变化，发现不同下垫面晴天的温度差异最明显，阴天次之，雨天差异最小。刘霞等[3]利用沥青、水泥、裸地和草地4种下垫面温度分析发现云量、相对湿度、日照时数等气象因子对下垫面温度的影响较大。梁亮等[4]通过分析金华市不同下垫面温度特征及其与气象因子的相关性，建立4种城市典型下垫面温度预报模型。为探索不同类型下垫面温度变化的规律，还有不少学者对不同下垫面温度进行了相关研究[5-13]。本研究重点分析粤北地区4种城市典型下垫面温度观测资料，尝试分析各下垫面温度的季、月、日变化规律及其差异，以期对城市人居生活环境改善提供参考。

1 资料来源及方法

1.1 资料来源

资料来自韶关市南岭生态气象中心生态气象观测站，该站位于韶关市仁化县丹霞街道黄屋村。下垫面观测场设置了草地、水泥、透水砖、沥青、鹅卵石、黄土6种下垫面的特种观测，观测项目周边较空旷，无高大树木及建筑物。观测项目中的下垫面区块规格均为长4 m，宽2 m，厚0.2 m，温度测量采用PT-100电阻温度传感器，安装在相应材质下垫面表层2 cm深处，数据采集频次为每分钟采集一次。为方便对比研究，选择下垫面观测场正南方5 m距离处国家标准气象观测场内百叶箱气温数据作参照。

为了研究不同下垫面温度变化特征，选取下垫面观测场内水泥、透水砖、沥青、鹅卵石4种下垫面,从2016-05-01T00：00：00到2019-07-31T23：59：00逐分钟记录温度数据及对应时间内气象观测场内百叶箱气温数据，所有数据均按照气象观测规范进行严格地质量控制。研究中，春、夏、秋、冬四季的划分分别是3月到5月为春季、6月到8月为夏季、9月到11月为秋季、12月到次年2月为冬季。

1.2 分析方法

采用Excel2003对数据进行处理及绘图，采用LSD法对不同下垫面的温度差异进行多重比较，主要使用t检验完成各组间的配对比较，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，采用逐步回归法建立4种下垫面温度与气象因子的线性拟合方程。

2 结果与分析

2.1 不同下垫面季平均温度差异特征

将水泥、透水砖、沥青、鹅卵石作为粤北地区4种城市典型下垫面的四季平均温度与气温对比，发现粤北地区这4种城市典型下垫面的不同季节平均温度变化趋势均与气温一致，即夏季最高，秋季次之，冬季最低，春季介于秋、冬季之间，且春、夏、秋、冬四季4种下垫面的平均温度排序均为沥青高于鹅卵石，鹅卵石高于透水砖，透水砖高于水泥。

粤北地区4种城市典型下垫面在四个季节的平均温度均比气温高。夏季和秋季差异最为显著，与气温相比，夏季沥青、鹅卵石、透水砖、水泥分别偏高8.3 ℃、6.6 ℃、5.6 ℃、5.1 ℃；秋季偏高6.4 ℃、5.1 ℃、4.7℃、3.9℃。春季和冬季相对差异较小，与气温相比，春季沥青、鹅卵石、透水砖、水泥分别偏高4.7 ℃、3.8 ℃、3.3 ℃、2.6 ℃；冬季偏高3.7 ℃、2.9 ℃、2.8 ℃、2.2 ℃。粤北地区4种城市典型下垫面中，夏季沥青平均温度高达36.2 ℃，冬季水泥平均温度低到13.9 ℃。

2.2 不同下垫面月平均温度差异特征

城市典型下垫面不同月份平均温度如图1所示。由图1可知：粤北地区4种城市典型下垫面月平均温度变化趋势与气温相似，均呈单峰型变化特征，峰值均出现在7月，最小值均出现在1月；从4月到10月，各下垫面吸收太阳能短波辐射后温度上升速率不同，从而温度差异明显，以7月、8月尤为显著，从11月到翌年3月，各月平均温度之间的差异较小；全年各下垫面月平均温度均高于月平均气温，且排序一致，即沥青最高，其次是鹅卵石、透水砖，水泥最低。

图1 不同下垫面月平均温度差异特征

2.3 不同下垫面日最高温、日最低温差异特征

下垫面日最高温、日最低温差异特征如图2所示。由图2(a)可知，①粤北地区4种城市典型下垫面日最高温度的变化趋势与日最高气温总体一致，水泥、鹅卵石的日最高温度极高值与日最高气温极高值均出现在7月，透水砖的日最高温度极高值出现在8月，较其他下垫面滞后一个月，4种下垫面极低值均出现在1月。②从全年来看，粤北地区4种城市典型下垫面日最高温度均显著高于日最高气温，在夏季更加明显。全年日最高温度极高值以沥青为最高(55.1 ℃)，其次为透水砖(48.9 ℃)、鹅卵石(48.7 ℃)，且二者差异不明显，最低为水泥(45.6 ℃)。与日最高气温极高值相比，沥青、透水砖、鹅卵石、水泥分别偏高20.7 ℃、14.5 ℃、14.3 ℃、11.2 ℃。值得注意的是，上半年透水砖与鹅卵石日最高气温差异不明显，然而在下半年透水砖却明显高于鹅卵石。

由图2(b)可知，①粤北地区4种城市典型下垫面日最低温度的变化趋势与日最高气温总体一致，水泥、鹅卵石的日最低温度极低值与日最低气温极低值均出现在1月，透水砖、鹅卵石日最低温度极高值出现在7月，水泥出现在8月，沥青日最低温度极高值在7月、8月两月相同。②从全年来看，粤北地区4种城市典型下垫面日最低温度均显著高于日最低气温，且四者之间差异不明显。全年日最低温度极低值以透水砖为最高(9.9 ℃)，其次为鹅卵石(9.7 ℃)、沥青(9.3 ℃)，最低为水泥(9.1 ℃)。与日最低气温极低值相比，鹅卵石、沥青、透水砖、水泥分别偏高2.4 ℃、2.2 ℃、1.8 ℃、1.6 ℃。

图2 不同下垫面日最高温、日最低温差异特征

2.4 不同下垫面四季日平均温度差异特征

下垫面四季日平均温度特征如图3所示。由图3可知，粤北地区4种城市典型下垫面温度逐时变化曲线均呈现波浪型，日变化趋势与气温相近。在夜间4种下垫面温度逐时缓慢下降，春、夏、秋三个季节于06时达到最低值，冬季于07时达到最低值，08时之后开始以较快速度上升，在14时达到最高值，之后快速下降，在18时开始到夜间其他时段缓慢下降；气温在15时左右达到最高值，比粤北地区4种城市典型下垫面达到最高值的时间滞后一小时左右。

从全天来看，粤北地区4种城市典型下垫面日变化幅度明显高于气温日变化幅度，沥青的变化幅度最大，其次是鹅卵石，再是透水砖和水泥，后两者在夏、秋季差异相对较明显，春季差异不明显，在冬季，甚至水泥日变化大于透水砖日变化。沥青、鹅卵石、透水砖、水泥在夏季日变化温度分别为21.4 ℃、15.8 ℃、14.1 ℃、13.2 ℃；秋季日变化温度分别为17.9 ℃、12.7 ℃、11.8 ℃、11.3 ℃；春季日变化温度分别为15.9 ℃、11.8 ℃、10.1 ℃、9.8 ℃；冬季日变化温度分别为15.5 ℃、11.1 ℃、10.1 ℃、10.8 ℃。

图3 下垫面四季日平均温度差异特征

2.5 产生下垫面温度差异的主要原因

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。由于不同下垫面材料的颜色、反射率、比热容、透水性的差异，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，反之起冷却作用。以沥青为例，沥青颜色比其他下垫面的较深，反射率小，在同等条件下，能吸收更多的太阳辐射，因此沥青的日最高温度显著高于其他三种下垫面，特别是夏季尤为明显；尽管鹅卵石和沥青同属不透水性下垫面，但由于鹅卵石颜色较浅，反射率大，对太阳辐射吸收少于沥青且比热容大，鹅卵石日平均温度、日最高温度均低于沥青，但日最低温度高于沥青；水泥地和透水砖作为透水性下垫面，容易受到土壤湿度的影响，温度特性趋于一致。

3 结论

通过分析发现，粤北地区水泥、透水砖、沥青、鹅卵石这4种城市典型下垫面季节平均温度、月平均温度、日最高温度、日最低温度及日平均温度变化特征均与气温变化密切相关。主要有以下特征：

1) 4种城市典型下垫面温度具有显著的季节变化特征，季节平均温度变化趋势均与气温一致，夏季最高，秋季次之，冬季最低。季节平均温度均比气温高。夏季和秋季差异最为显著，春季和冬季相对差异较小。

2) 4种城市典型下垫面月平均温度变化趋势与气温相似，均呈单峰型变化特征，峰值均出现在7月，最小值均出现在1月。在4月到10月期间，各下垫面吸收太阳能短波辐射后温度上升速率不同，从而温度差异明显，以7月、8月尤为显著，从11月到翌年3月，各月平均温度之间的差异较小。

3) 4种城市典型下垫面日平均温度、日最高温度、日最低温度的年变化特征与百叶箱内气温基本相同，在夜间各下垫面温度均呈现缓慢下滑趋势，日变化幅度明显高于气温日变化幅度，在14时左右达到当日最高值，沥青、鹅卵石的日变化幅度最大，透水砖、水泥变化幅度相对较小。夜间各下垫面温度变化幅度均较小。

4) 不同季节和月份的平均温度均为沥青高于鹅卵石，鹅卵石高于透水砖，透水砖高于水泥。