木制高溫模擬觀測裝置的研制

呂雪芹，敖振浪，張 璇，傾鵬程

(1.廣東省氣象探測數據中心，廣州 510080；2.中國氣象局氣象探測中心，北京100081；3.中山市氣象局，中山528400)

0 引言

人和動植物都與自然的空氣溫度息息相關。生物和環境是相互依存、相互影響的統一體，生物不斷地受到環境因素變化影響，空氣溫度變化無常，也直接影響著機體的生理狀況[1]。研究結果表明：人體適宜的健康溫度為18～25 ℃，健康濕度為40%RH～70%RH，在此環境下人體感覺最舒適；而在溫度介于24～30 ℃，濕度小于60%RH時，人體感覺熱而不悶；在溫度高于30 ℃，濕度大于70%RH時，人體感覺悶熱；在溫度高于36 ℃，濕度大于80%RH時，人體感覺嚴重悶熱，且發汗機制受阻，容易因體內蓄積大量的余熱而中暑，從而導致工作出錯率比平時高許多倍，意外工傷事故比率上升[2-4]。

日常生活中，氣象部門每天都會發布天氣預報或者高溫預警。目前，氣象臺發布的最高氣溫是大自然狀態下的流動空氣溫度，是在標準百葉箱里測量的，草坪下墊面的標準空氣溫度。目前全世界的氣象部門對公眾預報的最高溫度是針對較大范圍的，尺度最多精細到鎮區范圍，尚沒有精細到對特定類別的場所進行空氣溫度預報。隨著社會經濟飛速發展，公眾對天氣預報的定時、定點、定量預報要求越來越高，尤其是對特定場所的高溫預報提出了更多個性化要求。鑒于此，文章研究發明了一種模擬觀測裝置來測量并仿真特定環境的實際溫度，以提供更加精細化的定點高溫預警信息，滿足公眾對氣象預報的個性化需求[5，6]。

1 現狀分析

世界氣象組織(WMO)發布的《氣象儀器和觀測方法指南》推薦全世界采用百葉箱測量氣溫。百葉箱的設計要求是4個方向有相同的通風系數，箱體可以防太陽直射、防風、防雨，安裝在標準氣象觀測場草坪內，溫度表放在百葉箱里，高度距離地面1.5 m。從百葉箱里面測得的溫度值，代表著自然狀態下，不受干擾的標準空氣溫度[7，8]。與標準氣象觀測場百葉箱里面自然流通條件下溫度表測量到的空氣溫度不同，文章所指的特定場所(比如裸露封閉空間、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等)是非草坪下墊面環境。由于這些特定建筑結構和構成的材料與百葉箱不同，其內部幾乎沒有空氣流動(即沒有風)，因此夏季其溫度比草坪下墊面的標準空氣溫度高得多[9-11]，所以氣象部門預報的溫度不能很好地代表特定場所的實際溫度。

2 模擬觀測裝置設計

裸露封閉空間、工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場所的特點是，通常門和窗的面積相對于建筑物墻面面積較小，一般來說內部對流性很弱，自然流動的風速極小，一般不超過0.3 m/s，相比標準百葉箱設計的通風系數(3 m/s)要小很多。室內空氣不容易流通是導致特定場所溫度比自然通風條件下溫度更高的主要原因。

文章設計木屋時，綜合考慮測定裝置的代表性、安裝可行性、便利性和經濟性，模擬測定裝置必須輕便、耐用，其結構和體積具有一定的氣溫測量代表性，能夠反映出特定環境的普遍情況。因此，模擬測定特定環境的裝置，采用木質材料制成，木質材料經過碳化處理從而提高防腐性能。木屋尺寸為：1 m×1 m×1 m(長×寬×高)，各面都是由木板密封連接組成，各面之間采用密封連接，頂面4邊和4個垂直邊使用不銹鋼角鋼加固，木屋主體4個腳固定在水泥基座上。頂面略微呈前高后低，便于泄水，其上蓋有1層薄薄的瀝青紙。

考慮特定場所的建筑物結構共性和空氣流動性特點，細節差異很難一一模擬。根據粗略推測[12]，在木屋前面左下方開1個10 cm×20 cm的透氣孔模擬建筑物的門，木屋正面右上方開1個10 cm×10 cm的透氣孔來模擬建筑物的窗戶，兩個孔均安裝濾網防止老鼠進入，使透氣孔成為木屋室內熱空氣向上對流的通道(僅保持很小的對流)。

木屋內部溫度相對均衡的位置是中心點，在木屋底面的中心位置固定1個環氧樹脂支架，在支架距底面50 cm處安裝Pt100溫度傳感器。溫度傳感器電纜與木屋外的數據采集器相連，按照氣象觀測規范要求采集木屋內部中心點溫度值[13-15]。

3 高溫模擬觀測試驗對比分析

選擇位于廣東省預警信息發布中心院內標準氣象觀測場作為高溫模擬觀測裝置(木屋)的安裝地址。安裝基礎是1.2 m×1.2 m(長×寬)的水泥基座平面，比觀測場泥土表面高約5 cm，與草坪面高度齊平為宜。考慮太陽照射的因素，所以木屋坐南朝北，即小門朝北方向。

試驗點的地址選擇比較困難，其中一個試驗點選擇位于廣東省氣象預警信息發布中心大院附近一間板房，距離標準氣象觀測場的木屋比較近，此板房周邊有較多樹木，部分時間受樹蔭影響，但內部未安裝空調等人為調溫設備；另一個試驗點選擇位于東山口附近一棟大樓的6樓倉庫，為了盡量真實，倉庫內并沒有進行特殊整理。本試驗主要是針對夏季高溫時期，觀測對比時間為2017年6-11月，是廣州出現高溫天氣最多、天氣變化最劇烈的時段。

1)對比差值分析

分別把板房和倉庫試驗點作為標準源，剔除一些因設備故障、人為干擾等因素導致出現明顯錯誤的數據，分別計算兩者的溫度差值，對比差值反映了高溫模擬觀測裝置(木屋)與標準源之間的相對偏差。統計半年的觀測數據，對于板房的對比差值，有正差值和負差值，平均差值為4.82 ℃；對于倉庫的對比差值，也有正差值和負差值，平均差值為3.22 ℃。

再按月計算對比差值，從圖1可以看出，板房的最高對比差值出現在9月，倉庫的最高對比差值出現在8月；板房的對比差值6-8月有下降的趨勢，但8-9月出現了上升的情況，9月后又開始下降；倉庫的對比差值則從6月開始有小幅度上升，8月后開始下降，兩者差值變化不完全同步。經分析，原因可能是倉庫空間比較大，氣溫變化相對較穩定，且倉庫處于樓頂，周邊有高樓；而板房空間小，在不同時段還受到樹蔭影響造成溫度跳變較大。倉庫和板房的環境條件與木屋所在的環境條件有明顯差異，這可能是造成平均差都是正偏差，并且偏差偏大的主要原因。

圖1 對比差值折線圖

2)標準差分析

同樣對2017年6-11月的數據進行按月統計，將板房和倉庫試驗點作為標準源，溫度的標準差反映了高溫模擬觀測裝置(木屋)與標準源之間偏差的離散程度，如表1所示。木屋與板房標準差為3.11 ℃，木屋與倉庫標準差為3.45 ℃，兩者的標準差比較接近，說明高溫模擬觀測裝置與特定場所的實際溫度變化有比較一致的趨勢，但不同場所存在一定差異。

表1 木屋與標準源標準差 ℃

從圖2可以看出，每個月的標準差變化有所起伏，主要是因為試驗點環境特殊，特定場所氣溫隨季節的變化比較劇烈。板房和倉庫的標準差除8月差異較大以外，其他月份比較一致，說明模擬觀測裝置能夠較好地模擬仿真特定場景實際溫度。

圖2 逐月標準差折線圖

上述僅選擇了板房和倉庫兩個地點作為特定場所，與標準氣象觀測場的高溫模擬觀測裝置(木屋)進行分析比對，因為場所的環境條件受到明顯影響，總體趨勢是木屋的模擬溫度普遍偏高，大約存在3～5 ℃的偏差。該差值暫時達不到預期，必須通過更多的試驗點獲取大量觀測數據進行綜合統計，找出規律和修正值，對模擬結果進行修正，達到2 ℃以下偏差才能夠在實際中應用。

4 結束語

文章研制的高溫模擬觀測裝置安裝在標準氣象觀測場，在一定區域范圍內，模擬仿真特定場所的實際溫度。通過試驗數據統計分析，對于不同場景，存在不同的模擬差異，但是總體趨勢比較一致，說明模擬和反演的方法可行，初步得出的模擬仿真結果具有一定的代表性。由此表明，針對不同環境條件的特定場景，做進一步擬合修正，能夠較好地反映特定場所的實際溫度狀況。

試驗結果存在3～5 ℃的偏差，兩個試驗地點的實際溫度都低于模擬溫度。分析其主要原因為板房受到樹蔭影響，而倉庫處于大樓頂層6樓，受到周邊高樓和風的影響比較大，且倉庫內部空氣流動性較好，溫度相對較低，總體來說偏差仍偏大。假如選擇建筑工地工作人員臨時居住的板房或者周邊沒有樹木影響的板房，環境條件與木屋接近，那么模擬溫度和特定場景溫度預期會很接近。

本試驗僅研究兩個類型試驗點的特定場景，未能充分涵蓋工棚、板房、瓦房、民宅和茅棚等特定場景的實際情況，后續需要不斷擴大場景類型和試驗點，通過對特定環境的大量實測數據的統計分析，找出一個經驗值，分門別類對模擬測定值進行修正，才能接近特定場景的實際氣溫。從結果來看，也需要進一步改善木屋結構，調整小門及小窗的大小和位置，使模擬裝置對特定場景的適配性更好。爭取經過改善裝置和優化訂正系數，使模擬溫度差異降低到2 ℃以下。

本研究結果對于拓展氣象預警預報服務，為在特定場所工作和生活的人群有針對性地做好高溫預警，提供個性化指引，對勞動者做好安全防范措施、保護身心健康起到重要作用。盡管模擬結果存在一定差異，但特定場景人群實際感受比日常氣象預報中大范圍高溫預警數值更加接近客觀狀況，公眾是非常期待的。