公路典型环境对气温观测的影响分析

李亚丽，薛春芳，郭江峰，周 林，李崇福，毛明策，龙亚星

(1.陕西省气象信息中心，西安 710014；2.陕西省气象局，西安 710014；3.陕西省大气探测技术保障中心，西安 710014；4.陕西省气候中心，西安 710014)

公路典型环境对气温观测的影响分析

李亚丽1，薛春芳2，郭江峰2，周 林2，李崇福3，毛明策4，龙亚星3

(1.陕西省气象信息中心，西安 710014；2.陕西省气象局，西安 710014；3.陕西省大气探测技术保障中心，西安 710014；4.陕西省气候中心，西安 710014)

为了研究不同等级公路对气温观测的影响，在渭南市境内108国道和渭蒲高速公路进行公路典型环境特定观测试验，结果表明：当测站距国道50 m以外，气温观测基本不受影响。当高速公路位于测站上风方时，其对气温的影响明显大于当其位于测站下风方时，且当风速＞1.0 m/s，靠近高速公路的测站增温现象明显，这种影响延伸到距测站100 m以内；当高速公路位于测站下风方时，距高速公路75 m以内测站的气温受其影响增大或减小趋势呈明显的日变化特征。建议在气象观测站选址和观测环境保护时，充分考虑测站对公路路基回避距离的要求。

公路典型环境；气温；观测试验；陕西

研究表明[1-2]，观测环境变化所造成的误差通常大于仪器观测误差，可完全淹没气候变化的信号。大面积铺砌地面 (如水泥地面)对气温、湿度等气象要素的影响非常显著[3]。世界气象组织针对不同台站类别、不同气象要素提出了基本的观测环境要求。国内关于台站观测环境分级标准的科学研究较少，对不同等级测站、不同气象要素的观测环境保护的指标基本沿用世界气象组织仪器和观测方法委员会(WMO-CIMO)的标准，由于部分判别标准不明确，一些指标的误差范围存在不确定性等问题，不利于科学合理地设置台站和保护环境。为了研究不同等级公路对气温观测影响的量化规律和误差范围，在陕西渭南市境内合阳和临渭区进行公路典型环境台站特定观测试验，并对试验数据进行初步质量控制和统计分析，试图得出气温观测与公路路基距离的回避要求，为气象台站科学选址、观测环境保护及合理使用观测数据提供依据和技术支撑。

1 公路典型环境台站特定观测试验的设计与实施

1.1 试验场选址依据

利用遥感影像EOS/MODIS和DEM高程数据初步确定试验区域自然植被的均一性和地势的平坦开阔程度；利用高分辨率遥感卫星影像彩色合成技术，分类解译或目视解译试验区域内沟壑、水体、树木、建筑物等信息；利用地理信息技术将基础地理数据 (道路矢量数据)叠加到卫星遥感影像，判断区域内有无等级合适的公路。

1.2 站址的选定

针对陕西省地理地貌特征，对挑选的10余个备选试验场进行现场勘察，在综合考虑观测大环境的自然植被均一、地势平坦开阔的需求，试验场小环境对障碍物、建筑物的回避要求及备选公路走向与当地多年主导风向的关系的同时，兼顾观测试验过程中仪器安装维护的方便，最终在陕西渭南市临渭区的渭蒲高速公路(109°37′25″E、34°39′26″N，南北走向，宽28 m)和108国道合阳段(110°07′03″E，35°09′40″N，南北走向，宽10 m)选定试验场开展野外观测试验，试验场下垫面基本为农田和裸土，且与村庄、工厂的距离都在600 m以上。

1.3 台站特定观测试验的设计与实施

由于测站周围大面积的水泥、混凝土下垫面与自然植被导热率的不同会直接影响空气温度，而风对空气的交换程度决定影响程度[1]。因此，试验设定：在垂直路基的一侧布设7套温度传感器，1套风向风速传感器 (图1)，同时对风向风速及温度进行观测。108国道观测试验场温度传感器距离路基分别为15(站1)、30(站2)、50 (站3)、75(站4)、100(站5)、125(站6)、150 m(站7)，渭蒲高速公路观测试验场温度传感器距离路基分别为15(站1)、30(站2)、50 (站3)、75(站4)、100(站5)、125(站6)、200 m(站7)，风向风速传感器距离路基30 m，7套温度传感器分别安装在各自的百叶箱内，风向风速传感器安装在风杆上，安装传感器的横臂呈南北向，风向传感器的指南 (北)针与横臂平行。为减少人为因素对观测的影响，采集器放置在距离路基103 m处。

图1 公路典型环境的特定观测试验场示意图

观测所用的传感器选用江苏省无线电科学研究所有限公司的自动站设备。观测严格执行 《气象仪器和观测方法指南》[1]、 《地面气象观测规范》[4]等技术标准。试验前、后分别依据 《JJG (气象)002—2011自动气象站温度传感器检定规程》对仪器进行标定。试验结束后将7支温度传感器置于同一个百叶箱进行一致性观测。

2 公路典型环境台站特定观测试验数据

试验场观测以北京时20时为日界，每天24 h连续观测，每分钟采样一次，起止时间分别为2014年1月2日—4月16日和1月23日—5月25日。一致性观测时间分别为2014年4月17—24日和6月30日—7月8日。

在分析之前首先对数据进行了极值与定时值、气候极值的比较检查以及质量控制，删除了有缺测数据的当日记录以及奇异值；然后利用检定示值误差对数据进行误差订正；最后将站1～站6气温数据分别与站7进行比较，求得相关系数均为1，说明站1～站7温度数据一致性较好。

假设距公路东边界最远的站7所观测的气温不受公路的影响，利用预处理后的分钟数据，分别统计站1～站6与站7(参考站)的气温差值及其标准差[5]，评估温度差值随观测点距公路距离的变化情况。

3 公路典型环境对温度观测影响的定量评估

3.1 国道对温度观测的影响

108国道观测试验场的150 122条7路温度分钟数据的计算结果显示，站1～站6与站7的平均差值较小，均＜0.1℃，且差值大小与两站间距离无明显的变化规律；平均气温差值的标准差均＜0.2℃(表1)，其中站6与站7差值的标准差最小，为0.09℃，站1与站7差值的标准差最大，为0.16℃，随着观测点距参考站距离的缩短，差值的标准差明显减小。即距离公路越近，所测温度与参考站的差值的标准差越大。距公路100 m以外，标准差＜0.1℃。

表1 108国道观测试验场站1～站6与站7的平均气温差值的标准差 ℃

近地层的热量交换除受太阳辐射热交换影响外，还受平流和湍流的影响。由与试验场距离最近的合阳国家一般气象站1981—2010年风向玫瑰图知，合阳站1—4月的主导风向为NNEENE，故分别统计在NNE-ENE(66 905条记录)以及SSW-WSW风向(10 077条记录)下，当风速＞1.0 m/s时，站1～站6与站7的差值、差值的标准差，分析公路位于观测点的上风方和下风方对温度测量值的影响。

表2 渭蒲高速公路观测试验场站1～站6与站7的平均气温差值及其标准差 ℃

在不同风向的影响下，试验场站1～站6与站7的平均差值均＜0.1℃，与测点离公路的距离无明显相关性 (图略)。但从表1可看出，在盛行风向为NNE-ENE时，站1～站6与站7的差值的标准差明显小于风向为SSW-WSW时，即国道处于观测点下风方对温度的影响明显小于其处于观测点的上风方，且无论哪种风向下，其均随测站与公路距离的缩短而增大。但当测站与国道的距离增加到50 m以外时，其减小幅度与风向无关。

受太阳辐射的影响，近地层气象要素日变化较大。下垫面性质的差异导致土壤、沥青路面等导热率不同，大面积铺砌地面对气温、湿度等气象要素的影响非常显著[2-3]。观测结果 (图2)说明：当公路处于参考站上风方，白天太阳辐射使公路加热升温幅度高于农田和裸土，同时车流量大，尾气排放增多导致靠近公路的站受热源影响升温，升温效应只维持到距公路30 m处；夜间公路辐射冷却程度大于农田，车流量极小，基本没有尾气排放，公路成为冷源，靠近公路的站有降温现象，降温效应只延伸到30 m，夜间冷源的强度远小于白天的热源强度。

3.2 高速公路对温度观测的影响

利用渭蒲高速公路观测试验场的172 649条7路温度分钟数据，分别计算站1～站6与站7的平均气温差值(表2)，差值均＜0.2℃，同时随着站3～站6与站7距离的缩短有逐渐减小的趋势，其标准差变化趋势与差值较为一致。

图2 108国道观测试验场站1～站6与站7的气温差值日变化

图3 临渭高速公路站1～站6与站7的气温差值(a，b，c)及其标准差(a′，b′，c′)日变化

由与渭蒲高速公路试验场最近的临渭国家一般气象站1981—2010年30 a风向玫瑰图可知，临渭站1—5月的主导风向为NE-SE，故分别统计当高速公路位于测站的下风方(NE-SE风向)以及上风方(SW-NW风向)，当风速＞1.0 m/s时站1～站6与站7的差值及其标准差(表2)，可以明显看出，当高速公路位于测站的上风方对温度的影响大于当其位于测站的下风方，自距高速公路50 m的站3起，差值随着高速公路距观测点距离的增长而减小。利用渭蒲高速公路观测试验场的分钟温度数据统计分析站1～站6与站7(距公路200 m处)的气温差值、差值的标准差日变化特征 (图3)。结果表明，气温差值在一天中变化规律较为一致，23时—04时差值略大于其它时次。图3a和3c表明，高速公路车流量较大且不分昼夜，相当于热源始终存在，其影响范围可延伸至距高速公路100 m。

按风向统计结果表明，当高速公路位于测站下风方 (图3b)时，气温差值日变化规律与其位于上风方 (图3c)时差异较大，且差值及其标准差较其位于上风方时偏小，白天太阳辐射使靠近高速公路的站升温较快，夜间公路辐射冷却使靠近高速公路的站降温较快，这种影响只延伸到距测站75 m以内。

由于白天受辐射热交换影响较大，且风速大于夜间[6]，热量交换充分，因此，站1～站6与站7白天(08—18时)的差值的标准差明显小于夜间(图3a′、图3b′、图3c′)。

从表2和图3可以看出，差值的标准差随着高速公路距观测点距离的增长，均不同程度地减小。

图4 秦岭地区水源涵养能力分区(文见14页3.2)

4 结论和讨论

在陕西渭南市境内的108国道和渭蒲高速公路进行了公路典型环境的特定观测试验，并通过对试验数据统计分析，得出以下结论。

(1)当测站与国道的距离大于50 m时，气温观测基本不受国道的影响。

(2)高速公路位于测站的上风方对温度观测值的影响明显大于当其位于测站的下风方时，在风速＞1.0 m/s的情况下，靠近高速公路的测点增温现象明显，这种影响延伸到距测站100 m以内。当高速公路位于测站下风方时，距高速公路75 m以内的测站，气温观测值受其影响增大或减小的趋势呈明显的日变化特征。

(3)在气象台站选址和观测环境保护时，应充分考虑测站周围公路对气温观测的影响，确保气象观测资料的代表性、准确性、比较性。

(4)由于近地层的大气运动，除受到太阳辐射的影响外，还受到贴地层湍流的影响。在分析过程中遇到一些仅靠数理统计无法解释的现象，有待运用数值模拟等进行更深层次的研究。

[1] World Meteorological Organization.Guide to meteorological instruments and methods of observation(WMO-No.8)[R].2008 edition.Geneva：2010.

[2] EPA.On-site meteorological program guidance for regulatory modeling applications[R].EPA-450/ 4-87-013，North Carolina，1987.

[3] 周亚丽，李敏，武广良.漳关气象站周边环境变化对气象要素影响的事实分析 [J].陕西气象，2013(5)：33-35.

[4] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：98.

[5] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：16.

[6] 鲁渊平，杜继稳，侯建忠，等.陕西省风速风向时空变化特征[J].陕西气象，2006(1)：1-4.

P412.11

：A

李亚丽，薛春芳，郭江峰，等.公路典型环境对气温观测的影响分析[J].陕西气象，2015(3)：16-20.

1006-4354(2015)03-0016-05

2015-01-08

李亚丽 (1978—)，女，陕西韩城人，高级工程师，从事气象资料分析与应用研究。

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106049)，陕西省气象局气象科技创新基金项目(2014M-27)