木制高温模拟观测装置的研制

吕雪芹，敖振浪，张 璇，倾鹏程

(1.广东省气象探测数据中心，广州 510080；2.中国气象局气象探测中心，北京100081；3.中山市气象局，中山528400)

0 引言

人和动植物都与自然的空气温度息息相关。生物和环境是相互依存、相互影响的统一体，生物不断地受到环境因素变化影响，空气温度变化无常，也直接影响着机体的生理状况[1]。研究结果表明：人体适宜的健康温度为18～25 ℃，健康湿度为40%RH～70%RH，在此环境下人体感觉最舒适；而在温度介于24～30 ℃，湿度小于60%RH时，人体感觉热而不闷；在温度高于30 ℃，湿度大于70%RH时，人体感觉闷热；在温度高于36 ℃，湿度大于80%RH时，人体感觉严重闷热，且发汗机制受阻，容易因体内蓄积大量的余热而中暑，从而导致工作出错率比平时高许多倍，意外工伤事故比率上升[2-4]。

日常生活中，气象部门每天都会发布天气预报或者高温预警。目前，气象台发布的最高气温是大自然状态下的流动空气温度，是在标准百叶箱里测量的，草坪下垫面的标准空气温度。目前全世界的气象部门对公众预报的最高温度是针对较大范围的，尺度最多精细到镇区范围，尚没有精细到对特定类别的场所进行空气温度预报。随着社会经济飞速发展，公众对天气预报的定时、定点、定量预报要求越来越高，尤其是对特定场所的高温预报提出了更多个性化要求。鉴于此，文章研究发明了一种模拟观测装置来测量并仿真特定环境的实际温度，以提供更加精细化的定点高温预警信息，满足公众对气象预报的个性化需求[5，6]。

1 现状分析

世界气象组织(WMO)发布的《气象仪器和观测方法指南》推荐全世界采用百叶箱测量气温。百叶箱的设计要求是4个方向有相同的通风系数，箱体可以防太阳直射、防风、防雨，安装在标准气象观测场草坪内，温度表放在百叶箱里，高度距离地面1.5 m。从百叶箱里面测得的温度值，代表着自然状态下，不受干扰的标准空气温度[7，8]。与标准气象观测场百叶箱里面自然流通条件下温度表测量到的空气温度不同，文章所指的特定场所(比如裸露封闭空间、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等)是非草坪下垫面环境。由于这些特定建筑结构和构成的材料与百叶箱不同，其内部几乎没有空气流动(即没有风)，因此夏季其温度比草坪下垫面的标准空气温度高得多[9-11]，所以气象部门预报的温度不能很好地代表特定场所的实际温度。

2 模拟观测装置设计

裸露封闭空间、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定场所的特点是，通常门和窗的面积相对于建筑物墙面面积较小，一般来说内部对流性很弱，自然流动的风速极小，一般不超过0.3 m/s，相比标准百叶箱设计的通风系数(3 m/s)要小很多。室内空气不容易流通是导致特定场所温度比自然通风条件下温度更高的主要原因。

文章设计木屋时，综合考虑测定装置的代表性、安装可行性、便利性和经济性，模拟测定装置必须轻便、耐用，其结构和体积具有一定的气温测量代表性，能够反映出特定环境的普遍情况。因此，模拟测定特定环境的装置，采用木质材料制成，木质材料经过碳化处理从而提高防腐性能。木屋尺寸为：1 m×1 m×1 m(长×宽×高)，各面都是由木板密封连接组成，各面之间采用密封连接，顶面4边和4个垂直边使用不锈钢角钢加固，木屋主体4个脚固定在水泥基座上。顶面略微呈前高后低，便于泄水，其上盖有1层薄薄的沥青纸。

考虑特定场所的建筑物结构共性和空气流动性特点，细节差异很难一一模拟。根据粗略推测[12]，在木屋前面左下方开1个10 cm×20 cm的透气孔模拟建筑物的门，木屋正面右上方开1个10 cm×10 cm的透气孔来模拟建筑物的窗户，两个孔均安装滤网防止老鼠进入，使透气孔成为木屋室内热空气向上对流的通道(仅保持很小的对流)。

木屋内部温度相对均衡的位置是中心点，在木屋底面的中心位置固定1个环氧树脂支架，在支架距底面50 cm处安装Pt100温度传感器。温度传感器电缆与木屋外的数据采集器相连，按照气象观测规范要求采集木屋内部中心点温度值[13-15]。

3 高温模拟观测试验对比分析

选择位于广东省预警信息发布中心院内标准气象观测场作为高温模拟观测装置(木屋)的安装地址。安装基础是1.2 m×1.2 m(长×宽)的水泥基座平面，比观测场泥土表面高约5 cm，与草坪面高度齐平为宜。考虑太阳照射的因素，所以木屋坐南朝北，即小门朝北方向。

试验点的地址选择比较困难，其中一个试验点选择位于广东省气象预警信息发布中心大院附近一间板房，距离标准气象观测场的木屋比较近，此板房周边有较多树木，部分时间受树荫影响，但内部未安装空调等人为调温设备；另一个试验点选择位于东山口附近一栋大楼的6楼仓库，为了尽量真实，仓库内并没有进行特殊整理。本试验主要是针对夏季高温时期，观测对比时间为2017年6-11月，是广州出现高温天气最多、天气变化最剧烈的时段。

1)对比差值分析

分别把板房和仓库试验点作为标准源，剔除一些因设备故障、人为干扰等因素导致出现明显错误的数据，分别计算两者的温度差值，对比差值反映了高温模拟观测装置(木屋)与标准源之间的相对偏差。统计半年的观测数据，对于板房的对比差值，有正差值和负差值，平均差值为4.82 ℃；对于仓库的对比差值，也有正差值和负差值，平均差值为3.22 ℃。

再按月计算对比差值，从图1可以看出，板房的最高对比差值出现在9月，仓库的最高对比差值出现在8月；板房的对比差值6-8月有下降的趋势，但8-9月出现了上升的情况，9月后又开始下降；仓库的对比差值则从6月开始有小幅度上升，8月后开始下降，两者差值变化不完全同步。经分析，原因可能是仓库空间比较大，气温变化相对较稳定，且仓库处于楼顶，周边有高楼；而板房空间小，在不同时段还受到树荫影响造成温度跳变较大。仓库和板房的环境条件与木屋所在的环境条件有明显差异，这可能是造成平均差都是正偏差，并且偏差偏大的主要原因。

图1 对比差值折线图

2)标准差分析

同样对2017年6-11月的数据进行按月统计，将板房和仓库试验点作为标准源，温度的标准差反映了高温模拟观测装置(木屋)与标准源之间偏差的离散程度，如表1所示。木屋与板房标准差为3.11 ℃，木屋与仓库标准差为3.45 ℃，两者的标准差比较接近，说明高温模拟观测装置与特定场所的实际温度变化有比较一致的趋势，但不同场所存在一定差异。

表1 木屋与标准源标准差 ℃

从图2可以看出，每个月的标准差变化有所起伏，主要是因为试验点环境特殊，特定场所气温随季节的变化比较剧烈。板房和仓库的标准差除8月差异较大以外，其他月份比较一致，说明模拟观测装置能够较好地模拟仿真特定场景实际温度。

图2 逐月标准差折线图

上述仅选择了板房和仓库两个地点作为特定场所，与标准气象观测场的高温模拟观测装置(木屋)进行分析比对，因为场所的环境条件受到明显影响，总体趋势是木屋的模拟温度普遍偏高，大约存在3～5 ℃的偏差。该差值暂时达不到预期，必须通过更多的试验点获取大量观测数据进行综合统计，找出规律和修正值，对模拟结果进行修正，达到2 ℃以下偏差才能够在实际中应用。

4 结束语

文章研制的高温模拟观测装置安装在标准气象观测场，在一定区域范围内，模拟仿真特定场所的实际温度。通过试验数据统计分析，对于不同场景，存在不同的模拟差异，但是总体趋势比较一致，说明模拟和反演的方法可行，初步得出的模拟仿真结果具有一定的代表性。由此表明，针对不同环境条件的特定场景，做进一步拟合修正，能够较好地反映特定场所的实际温度状况。

试验结果存在3～5 ℃的偏差，两个试验地点的实际温度都低于模拟温度。分析其主要原因为板房受到树荫影响，而仓库处于大楼顶层6楼，受到周边高楼和风的影响比较大，且仓库内部空气流动性较好，温度相对较低，总体来说偏差仍偏大。假如选择建筑工地工作人员临时居住的板房或者周边没有树木影响的板房，环境条件与木屋接近，那么模拟温度和特定场景温度预期会很接近。

本试验仅研究两个类型试验点的特定场景，未能充分涵盖工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定场景的实际情况，后续需要不断扩大场景类型和试验点，通过对特定环境的大量实测数据的统计分析，找出一个经验值，分门别类对模拟测定值进行修正，才能接近特定场景的实际气温。从结果来看，也需要进一步改善木屋结构，调整小门及小窗的大小和位置，使模拟装置对特定场景的适配性更好。争取经过改善装置和优化订正系数，使模拟温度差异降低到2 ℃以下。

本研究结果对于拓展气象预警预报服务，为在特定场所工作和生活的人群有针对性地做好高温预警，提供个性化指引，对劳动者做好安全防范措施、保护身心健康起到重要作用。尽管模拟结果存在一定差异，但特定场景人群实际感受比日常气象预报中大范围高温预警数值更加接近客观状况，公众是非常期待的。