溫度對比

溫度對比是指使用溫度測量手段對物體溫度與大氣溫度進行比較，測量物體在持續高溫大氣環境下的溫度狀態值。

基本介紹

• 中文名：溫度對比
• 外文名：Temperature comparison
• 描述：物體溫度與大氣溫度進行比較
• 套用：防曬
• 學科：氣象學

概念

溫度對比在日常生活中套用較廣泛，例如利用專業的氣象觀測用溫度表進行了氣溫與車內溫度的對比觀測實驗，發現晴天氣溫 33.0℃時的車內溫度竟達到了 78.5℃，便於給廣大公眾提供一個準確的觀測數據，提前做好預防工作。

地面溫度與雪面溫度對比

隨著科技的發展，自動觀測系統進入了氣象觀測領域，大大提高_r測報工作效率和觀測數據的準確性，為氣象預報和氣象服務提供了更加及時、完整的氣象資料。為了了解取得資料的差異，《地面氣象觀測規範》(以下簡稱《規範》)規定：各觀測站均對人工觀測和自動觀測兩種方法進行為期兩年的平行觀測。

人工觀測是用人的眼睛去察看各種氣象要素值的方法，對不同狀態下儀器的操作方法也有一些明確的規定。就地面溫度觀測而言，無積雪時，是將地面3支溫度表(0cm溫度表、地面最高溫度表、地面最低溫度表)水平放在地面上，感應部分及表身一半在地面上，一半在土中，觀測得到的是地面溫度。而有積雪時，是將地溫表水平放在雪面上，感應部分及表身一半在雪面上，一半在雪中，觀測得到的是雪面溫度，而不是實際地面溫度。

自動觀測地面溫度，也是將地溫感測器一半埋人土中一半在地面上。地面有積雪時，地面溫度感測器的位置不變。這樣兩種不同的觀測方法所得數據就會產生差異。

在已有的文獻中，沒有對轉入自動觀測後，冬季有積雪時地面溫度發生了怎樣變化方面的報導。本文就如何得到對比值β(β=自動觀測地面溫度/人工觀測地面溫度(或雪面溫度))問題進行探討。

資料來源與選取

由於自動觀測系統開始投入各站使用是分批進行的，所以對比觀測時間也有所不同。本文利用山東省陵縣2003～2004年、武城2004～2005年、德州2006～2007年積雪深度大於等於0cm(共70天)時，所對應日期內的人工觀測資料中地面0cm溫度日平均值、日地面最高溫度、日地面最低溫度、積雪深度、總雲量平均值、日照時數，以及對應時間內自動站觀測資料中的地面溫度0cm日平均值、日地面最高溫度、日地面最低溫度(因積雪深度、雲、日照時數尚未實行自動觀測)作為統計資料。選取德州2007年6～11月人工站與自動站地溫資料(含地面0cm溫度日平均值、日地面最高溫度、日地面最低溫度)，作為無積雪時求算對比值β的統計資料。

無積雪條件下觀測資料對比分析

對德州2007年6～11月地溫資料進行統計，得出無積雪時自動觀測與人工觀測資料對比值口(表1)。由表1可以看出，無積雪時，人工站和自動站雖然觀測儀器不同，且存在觀測時間上的差異，但對比值β=1，所以使用地溫資料的部門，原來的方法仍可以繼續使用。

表1 無積雪時自動觀測地面溫度與人工觀測地面溫度及其對比值

有積雪條件下雪面溫度與地面溫度比較

圖1給出有積雪時人工站觀測的雪面溫度和自動站觀測的地面溫度曲線。對70個樣本資料統計得出有積雪時雪面溫度與地面溫度對比值盧(表2)。

圖1 雪面溫度與地面溫度曲線：最高溫度，最低溫度，0cm平均溫度

從圖1和表2可以看出，由於積雪層相當於土壤與空氣的一個絕熱墊，阻礙了土壤與空氣的熱量交換，使得雪面溫度變化幅度明顯大於地面溫度變化幅度，即白天升溫幅度和夜間降溫幅度均是雪面大於地面(圖1a、b)。就平均狀況而言，由於積雪對太陽輻射的反作用很強(平均反射率60%)，而且又是良好的長波輻射體(其相對輻射率為99.5%)，所以雪面的輻射差額常為負值，加上雪的導熱率很小，不能及時地從較深的土壤中傳來熱量，補償雪面的輻射失熱，使雪面溫度比其覆蓋下的土壤表面的溫度低(圖1c)。由於積雪對地面溫度影響很大，長期使用地溫資料的部門，使用資料時應特別注意。

表2 有積雷時自動觀測地面溫度與人工觀測雷面溫度及其對比值

從表3可以看出，當無雲或少雲時，由於白天雪面接受的太陽直接輻射大於地面，升溫幅度較大，所以雪面最高溫度明顯大於地面最高溫度。同理，夜間由於雪面輻射降溫強度大於地面，所以雪面最低溫度明顯低於地面最低溫度。而多雲或陰天時，由於白天雲層削弱了太陽對雪面的直接輻射，使得雪面增溫較小。而夜間，雲層又能增大逆輻射減少地面的有效輻射，使得雪面降溫較小，雪面溫度日較差較小，從而使得雪面溫度與地面溫度差值減小。二者差值還受雲體厚度和雲狀的影響，當天空為低而厚的雲影響時，二者差值較小，受高而薄的雲影響時，二者差值較大。

表3 不同雲量的地面溫度與雪面溫度對比值

從表4可以看出，當S<4.0時，天空狀況較差，雲量較多或有天氣現象存在，此時由於雲或天氣現象白天削弱了太陽對雪面的直接輻射，夜間又能增大逆輻射減少地面的有效輻射，使雪面溫度日較差較小，使得雪面溫度與地面溫度差值相對減小。而當日照時數較多時，天空雲量較少或大氣透明度較好，此時白天雪面升溫幅度較大，同樣夜間降溫幅度也較大，二者差值明顯增大。

表4不同日照時數(s)的地面溫度與雪面溫度對比值

從表5可以看出，當積雪深度為0cm時，雪面溫度與地面溫度差值很小，隨著積雪深度加大，二者差值增大，說明積雪越厚，隔熱效果越好，對地面的保護作用越強。綜上所述，積雪深度對地溫影響最大，那些寒冷且長期有積雪覆蓋的地區，使用地溫資料或使用地溫與氣溫的關係指導生產的部門，更應該清楚積雪對地面溫度造成的影響。

表5 不同積雪深度的地面溫度與雪面溫度對比值

研究結論

（1）根據70天觀測數據得出的地面溫度與雪面溫度對比值β，其計算方法和套用可成為長期使用地溫資料的部門進行推算和判斷趨向的比較客觀的依據。

（2）由於地溫對農作物生長發育及其農作物對水分、養分的吸收、農作物光合作用的進行，有著不同程度的影響。分析雪面溫度與地面溫度的關係，為對於調整農業結構，預測作物生長發育和科學防災減災等農業生產管理實踐活動提供依據，具有重要意義。

（3）通過對雪面溫度和地面溫度的分析，為以後開展雪面溫度觀測提供依據，同時為氣象人員在使用觀測資料或氣象服務時提據參考。

（4）自動觀測已成為各台站的主要觀測方法，觀測員在日常工作中，一定要高度負責，發現疑、誤、漏現象，及時採取措施，確保資料序列完整和統計結果符合實際。

三種下墊面溫度對比觀測及結冰氣象條件分析

交通道路是國家物資運輸的大動脈，其發達程度是一個國家經濟實力的重要標誌。但公路都會面臨冰雪雨霧等惡劣天氣的影響，而惡劣天氣通常會導致高速公路路段出現諸如能見度低、路面積冰(積水)打滑等惡劣路況，蘊藏著交通事故隱患，並常常引發重大安全事故。公路交通安全運輸屬於對氣象高度敏感的行業，其所追求的快速、高效、安全、準時的目標，在很大程度上要受到氣象因素的制約。提供準確及時的公路氣象與路狀信息對道路交通安全保障具有至關重要的作用。

路面溫度狀況的研究己經有半個多世紀的歷史。綜合各國學者的研究方法，大致可以歸納為兩類：一是理論分析法，即根據氣象學和傳熱學的基本原理採用數值分析方法建立路面溫度場的預測模型。二是統計分析法，即通過大量的實測數據進行回歸分析，建立路面溫度同當地氣溫、太陽輻射等環境氣象要素之間的定量關係。該類國內研究較少，大都針對一種或者兩種下墊面。雖然基於理論的地溫數值預測模刑能夠從本質上反映各種因素對路而溫度場的影響機理，但理論模型形式複雜，輸入參數多且不易獲得。求解過程也較為繁瑣。用統計分析方法雖然需要大量的實測數據，但其卻克服了參數多、計算繁瑣等缺點。研究主要採取統計分析法，研究冬季土壤、水泥、瀝青三種常用的下墊面溫度與氣溫等氣象要素之間的關係，建立相應的多元回歸擬合公式，並分析下墊面結凍的氣象條件。

資料與方法

研究主要採用湖北省氣象局在恩施雷達站和鹹寧金沙區域大氣本底站安裝的一套自動監測三種不同下墊面包括土壤、水泥、瀝青的溫度感測設備、下墊面表面鑲嵌的溫度計以及記錄常規氣象要素的自動氣象站資料。

觀測地點和時間：恩施雷達站位於湖北省西南部利川市石板嶺雷達站山頂(30°17’N、109°16’E)，海拔1722.2m，觀測起止時間為2009年1月12日至2月28日。金沙區域大氣本底站位於湖北省東南部崇陽縣金沙管理區韭菜岩山頂(29°38’N、114°12’E)，海拔751.4m，觀測起止時間為2009年1月1日至2月28日。

觀測方法及項目：自動氣象站逐分鐘記錄本站氣壓、氣溫、相對濕度、風速風向、降水量、能見度。三種下墊面溫度感測器逐小時記錄下墊面溫度。為保證資料的準確和儀器的正常使用，並輔以每天4次人工觀測，分別在台北時間02、08、14、20時記錄三種下墊面表面溫度計溫度值、降水量、天氣現象。

三種下墊面溫度監測簡介：水泥下墊面和瀝青下墊面的場地規格均為2m(東西)×1m(南北)×30cm(厚)。感測器位於觀測地段的中央，埋入水泥或柏油下墊面一半，與水泥或柏油下墊面緊貼，另一半露於空中。水泥和瀝青下墊面按省級1級公路等級標號設定。並在土壤、水泥和瀝青下墊面偏西的位置設定安裝三支地面溫度表，用來人工觀測下墊面溫度，以對比驗證自動檢測數據的準確性。

三種下墊面溫度對比觀測

考慮到恩施資料較為完整，通過對恩施冬季1和2月三種下墊面逐時溫度求取平均值，得到三種下墊面溫度冬季平均日變化，如圖2。由圖可見，三種下墊面溫度逐時變化曲線均呈波浪型，日變化趨勢基本一致，但在溫度範圍和極值上有所差異。

圖2 恩施冬季i種下墊面溫度與氣溫的平均日變化

一方面，通過下墊面溫度日變化可以看出，恩施日出前和日落後，即夜晚時三種下墊面溫度非常接近，並維持在1℃低溫左右。從08時三種下墊面溫度均開始急劇升高。並在14至15時左右達到峰值。之後急劇降低，在18時左右變化放緩，進入低溫維持階段。

另一方面，通過對比土壤、水泥、瀝青三種不同下墊面溫度可以看出，水泥和土壤下墊面溫度變化幅度小於瀝青下墊面溫度，且二者變化趨勢非常一致，在14時左右達到峰值9℃左右。瀝青下墊面平均溫度在14時左右最高可達11℃左右，而夜間三者溫差不大，在0.3℃左右，瀝青略低。表6給出了不同國家和地區不同研究者分析路面溫度時根據不同路面性質所採用的比熱值。可以看出，雖然同種材料比熱取值存在差異，但普遍認為瀝青的比熱容小於水泥的比熱容，土壤與水泥比熱容近似相等。因此，瀝青路面溫度日變化幅度較大町能由於其比熱容較小，在白天同樣的太陽輻射條件下，升溫和降溫更為劇烈所致。表7給出了不同下墊面的平均反照率和長波比輻射率主要兩種輻射特性。可以看出，瀝青的反照率最小，且因其顏色最深，相同的太陽輻射條件下，吸收的太陽輻射最多。因此在白天升溫速度最快。由於夜問溫度受長波輻射影響較大，而由表7可知三種下墊面的長波比輻射率相差不大，因此三者夜間溫度較為接近。

表6不同道路材料的比熱容取值

表7 不同下墊面的輻射特性

研究結論

(1)通過對比土壤、水泥、瀝青三種不同下墊面溫度平均日變化可以看出，水泥和土壤下墊面溫度變化幅度小於瀝青下墊面溫度，且二者變化趨勢非常一致。白天后者比前二者溫度可高2℃左右，而夜間三者溫差不大，在0.3℃左右，瀝青略低。

(2)白天下墊面溫度對氣溫有正強迫，夜晚反之。冬季1、2月恩施、金沙兩地分別計算白天和夜晚的三種下墊面溫度與氣溫相關性比不分白天和夜晚的相關性均有顯著提高，最高達97%以上，表明氣溫是影響下墊面溫度變化的因素中最為重要的一個。

(3)將恩施、金沙兩地天氣條件分為雨、霧天，少雲、晴天以及多雲、陰天三種，同時考慮氣溫、風速、降水量以及相對濕度四種氣象要素對三種下墊面溫度進行多元回歸擬合，雨、霧天恩施夜晚土壤、水泥、瀝青下墊面溫度的相關係數分別高達98.68%、97.26%、97.01%。從誤差分析也可看出，兩地三種下墊面溫度擬合值與實測值相關係數大多在0.9以上。預報誤差在-3～3℃之間的頻率最大，分別占到了90.6%、94.02%、87.37%，金沙分別占了83.95%、81.58%、74.74%。以上結果均表明該擬合公式擬合效果較好。

(4)分析下墊面結冰氣象條件發現，路面溫度維持在0℃及以下，是路面結凍的必要條件，也是相關性最高的條件。較低的風速、較大的相對濕度和地面濕度，有利於低溫路面結冰現象的形成。