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  气象   2012, Vol. 38 Issue (5): 623-628.  

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陈荣, 程正泉, 黄健聪, 2012. 广州地区湿球黑球温度指数预报研究[J]. 气象, 38(5): 623-628. DOI: .
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CHEN Rong, CHENG Zhengquan, HUANG Jiancong, 2012. Study on Forecast of WBGT Index of Guangzhou[J]. Meteorological Monthly, 38(5): 623-628. DOI: .
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资助项目

广东省科技计划项目(00697331120128016) 资助

第一作者

陈荣, 主要从事灾害性天气预报技术研究. Email: pycr@sina.com

文章历史

2011年6月15日收稿
2011年9月25日收修定稿
广州地区湿球黑球温度指数预报研究
陈荣 1, 程正泉 2, 黄健聪 1    
1. 广州市番禺区气象局,广州 511400
2. 广州中心气象台,广州 510080
摘要:利用广州地区2009年10月至2010年3月的湿球温度、干球温度、黑球温度,以及附近自动气象站相同时刻的温度、风速、湿度资料进行统计分析,在对广州地区湿球黑球温度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)统计、特征分析的基础上,分别采用昼夜两段模式和分时模式构建出WBGT预报方程。利用WBGT的实测资料,对上述两种预报方程和直接引用的香港天文台WBGT预报方程一同分析预报误差,对比发现:直接引用的香港天文台的预报方程预报效果最差,分时段WBGT预报模式总体偏差最小;三种预报方法在夜间比白天预报偏差小,昼夜预报法和分时预报法预报偏差不超过1℃,两者对夜间的WBGT预报能力相当,但在白天时段分时预报法明显比昼夜预报法的预报偏差小。据此,文章选取预报效果最好的分时模式建立预报方程,文中最后针对预报方程中温度、相对湿度因子由于预报误差而导致的WBGT预报误差进行了讨论。基于此研究成果,气象部门为第16届亚洲运动会的马术比赛提供了准确、周到的气象服务,为马术比赛的赛事安排及比赛的成功举办提供了重要的决策依据。
关键词湿球黑球温度指数    预报    马术比赛    气象服务    
Study on Forecast of WBGT Index of Guangzhou
CHEN Rong1, CHENG Zhengquan2, HUANG Jiancong1    
1. Panyu District Office of Meteorology, Guangzhou 511400;
2. Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080
Abstract: Based on the observation of web-bulb, dry-bulb, black-globe temperatures, and the simultaneous air temperature, wind speed and relative humidity records of the adjacent AWS of Guangzhou in September 2009 to March 2010, study is carried out of the features of Wet Bulb Globe Temperature (WBGT) index of Guangzhou and two kinds of forecasting equations-a daytime and nighttime forecasting method and an hourly forecasting method. Then the forecasting errors of the two kinds of methods together with the initial equation imported from Hongkong Observatory are analyzed, and results show that, the initial Hongkong equation has the biggest error, and the hourly forecasting method constructed based on the hourly fitting has the least error; The three methods all have less errors in nighttime than in daytime, and errors of both daytime and nighttime forecasting method and hourly forecasting method are less than 1℃. Compared with the daytime and nighttime forecasting method, the hourly forecasting method has the similar errors in nighttime and much less errors in daytime. Therefore, based on these, the hourly forecasting method is applied in the meteorological service of the equestrianism of Guangzhou 2010 Asian Games. In the end, the forecasting error of WBGT equation is discussed based on the forecast error of temperature and relative humidity.
Key words: WBGT index    forecast    equestrian competition    meteorogical service    
引言

在马术比赛中,马匹的表现是影响比赛结果很关键的因素。马匹往往会因为炎热和潮湿的天气而影响到比赛的成绩,国际马术联会1995年引入了湿球黑球温度指数(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT),用于监测和预报马匹实际感受的暑热压力。第16届亚洲运动会于2010年11月在广州举办,马术比赛是本次亚运会的重要比赛项目,广州亚组委需要气象部门提供WBGT指数预报和服务。

为了衡量不同天气条件下人体舒适状况,多年来国内外学者对舒适度指数进行了研究,这些指数在人体热舒适、生物气候条件评价、气象与健康以及城市规划等方面得到了广泛应用[1-17]。WBGT指数最早于1957年由Yaglou等[18]提出。WBGT指数是表示人体接触生产环境热强度的一个经验指数,它采用了自然湿球温度、黑球温度和干球温度3种参数,3种要素占不同的权重,并通过公式计算而获得[19]。在国际上, WBGT指数已被ISO 7243标准体系认证[20];WBGT被美国职业安全与健康研究所选作评估炎热环境安全性的指标[21]。1982年, 国际标准化组织(ISO)在ISO 7243标准中,采用了WBGT指数来评价高温作业环境的热强度。芬兰、瑞典、罗马尼亚、俄罗斯、比利时、澳大利亚和日本等许多国家都采用了WBGT指数作为评价高温作业环境热强度的指数。英国、法国和德国等国还进行了WBGT指数的现场和实验室评价研究。我国绿色奥运建筑研究课题组采用WBGT作为评估奥运园区夏季室外热环境的安全性指标[22]。吴结晶等[23]统计分析了青岛市区夏季(6-9月)与体感温度关系密切的最高气温、相对湿度和风速的气候概况,根据体感温度的计算形式和有关气象要素的分布特征, 得出其经验计算公式。吴兑等[24]对环境气象学进行了深入的研究,提出人体的舒适感与气温、湿度、风速综合作用有关的生物气温指标,并按研究的不同角度进行了分类,其中一类是根据生理反应综合气象因素制定的指标,如湿黑球温度。2008年北京奥运会期间,在香港奥运分赛场马术比赛期间,香港天文台专门为马术比赛预报WBGT指数。

由于WBGT指数的特征、预报方程式会因为地区的差异而有所不同,因此很有必要开展广州地区WBGT指数的气候特征研究和预报方程式的建立。

本文在对广州地区WBGT数据统计、分析的基础上,依据广州地区WBGT的特点,分别采用昼夜两段模式和分24个时次模式建立WBGT预报方程,通过对这两种预报方程以及直接引用香港天文台WBGT预报方程进行预报误差分析,选取预报效果最好的分时预报模式,建立预报方程,并对方程中温度、相对湿度因子由于预报误差而导致的WBGT预报误差大小进行分析。基于此研究成果,气象部门为第16届亚运会的马术比赛提供了准确、周到的气象服务,为马术比赛的赛事安排以及比赛的成功举办提供了重要的决策依据。

1 WBGT的监测与特征 1.1 WBGT指数的监测

为了收集广州地区的WBGT监测资料,广州市气象局于2009年10月在广州建立了WBGT自动监测站,WBGT自动监测站主要由湿球温度、干球温度、黑球温度3个感应器组成,温度感应器的测量范围介于-40~50℃,分辨率为0.1℃,误差范围为±0.3℃。监测站通过GPRS技术自动将数据传输至广东省气象局信息中心,与区域自动气象站的传输时间一样,每6 min有一次数据传送,数据文件采用XML类型存放,通过上述方式能实时探测到安装地点的自然湿球温度、干球温度和黑球温度。

按照国际上WBGT指数既定的计算公式,利用自然湿球温度、干球温度、黑球温度计算得到对应时间的WBGT值,即:WBGT=0.7Tnw+0.2Tg+0.1Ta,其中,Tnw(Natural Wet Bulb Temperature)是自然湿球温度,Tg(Globe Temperature)是黑球温度,Ta(Dry Bulb Temperature)是干球温度。

在2008年奥运会期间,国际马术联合会按暑热对马匹的影响程度,对WBGT指数大小进行了分级(见表 1)并提出应对措施。

表 1 WBGT指数高低对马匹影响表 Table 1 Category of WBGT index and its trategies
1.2 资料介绍

本文基于2009年10月中旬到2010年3月的采集所得到的资料进行数据分析和特征研究,资料中包括每6 min一次的温度、湿度、风、雨量资料,同时也保存同一时刻的黑球温度、湿球温度、WBGT指数资料。

1.2.1 月变化特征

从2009年10月到2010年3月的月平均统计资料看,黑球温度、湿球温度、干球温度在几个月里的变化趋势体现出相同的季节变化特征,因为WBGT指数是由黑球温度、湿球温度和干球温度按权重求和所得,因此也表现出随温度升降而升降的季节变化特点,从秋季的10月至冬季的1月WBGT指数跟随黑球温度、湿球温度、干球温度一起逐月下降,然后由冬季的1月至春季3月WBGT指数又随着3种温度逐月上升(如图 1)。

图 1 WBGT月平均值变化图 Fig. 1 Monthly averaged WBGT index (unit:℃)
1.2.2 WBGT指数的日变化

WBGT指数的变化受气温、相对湿度、风和太阳辐射等多种因子影响,不同天气下其变化也非常复杂。基于每天00:00-23:00每6 min一次的WBGT指数和相对湿度资料,按小时分别对WBGT指数、干球温度、湿球温度和黑球温度求平均,统计发现,它们的变化特点类似,有明显的日变化现象,WBGT指数在早晨出现最低值,日出以后随着气温的上升逐渐增大,午后(14:00) 随着气温达到最高值而达到最大,日落后随气温的下降而逐渐减小(如图 2)。

图 2 WBGT日变化特征图 Fig. 2 Diurnal variations of WBGT index (unit:℃)
1.2.3 WBGT指数与湿度的变化关系

基于每天00:00-23:00每6 min一次的WBGT指数和相对湿度资料,按小时分别对它们进行求平均,得到00:00-23:00每小时的WBGT平均值、相对湿度平均值,对比分析发现,WBGT指数与相对湿度曲线有较好的对应,大致上呈反位相的关系(如图 3)。

图 3 WBGT指数与相对湿度变化趋势图 Fig. 3 Diurnal variations of WBGT index (unit:℃) and relative humidity (unit:%)
2 WBGT指数预报方法

香港天文台利用气温和相对湿度预报WBGT指数,为2008年奥运会马术比赛提供了优质的气象服务。广州地区WBGT的统计特点研究表明,同一时刻的气温、相对湿度与WBGT关系非常密切,基于WBGT资料统计特点和借鉴香港天文台的WBGT预报方法,本文利用WBGT值与同一时间的温度、相对湿度因子进行回归分析,建立二元线性回归方程式。

为了建立广州地区的WBGT预报方程式,本文利用2009年10月至2010年3月资料,用两种方法去研究WBGT预报方法:第一种方法是按照昼夜两段模式,建立本地白天、夜间两段的WBGT预报方程;第二种方法是为了避免日变化带来的影响,分24个时次建立WBGT预报方程。

为了进一步了解上述两种预报方法的预报效果,本文将它们连同香港天文台的WBGT预报方法进行误差对比分析,从而确定最优的预报模式,提高预报准确率。

2.1 昼夜WBGT预报方法

利用2009年10月至2010年1月中旬的WBGT、温度和相对湿度资料,借鉴香港天文台的预报方法,将预报时间分为白天(07:01-19:00) 和夜间(19:01-07:00) 两段,通过对WBGT与温度(TEMP)、湿度(RH)关系的统计分析,得到回归系数,组建预报方程,最后得到方程

$ \begin{array}{l} {\rm{白天}}\left( {07:01 - 19:00} \right):{WBGT} = - 3.361 + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;0.947TEMP + 5.769RH \end{array} $ (1)
$ \begin{array}{l} {\rm{夜间}}\left( {19:01 - 07:00} \right):{WBGT} = - 6.329 + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;0.943TEMP + 8.990RH \end{array} $ (2)

经过分析,方程的相关系数均超过了0.98,说明拟合效果理想。

2.2 分时WBGT预报方法

昼夜预报方法建立的方程拟合效果不错,也简单考虑了白天和夜间WBGT的变化规律,但仍不能满足预报的需求,特别是白天,WBGT的日变化幅度在早晚和中午时段有很大差别。为此,考虑到WBGT指数明显的日变化的特征,为了避免日变化的影响,将预报时段划分为24个(每天00:00-01:00, 01:00-02:00, …,23:00-00:00),利用2009年10月至2010年1月中旬的WBGT、温度和相对湿度资料,建立WBGT分时段预报方程式,如00:00-01:00,将2009年10月至2010年1月每日0时00分、06分、12分、18分、24分、30分、36分、42分、48分和54分的WBGT值、气温、相对湿度进行回归分析,建立00:00-01:00时段的预报方程,依此方法可得到其他23个时段(01:00-02:00, …, 23:00-00:00) 的预报方程,方程的形式如式(4)

$ \begin{array}{l} WBGT = 0.943TEMP + 9.03RH - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;6.311 \end{array} $ (3)
$ y = a{x_1} + b{x_2} + c $ (4)

式中,y代表WBGT, x1代表温度,x2代表相对湿度,c为常数。

通过回归分析,得到各时段方程系数abc(见图 4),系数a在0.923~0.965之间,系数b在2.521~9.648之间,系数c在-6.606~-0.35之间。从图 4可以看出,系数a的全天变动相对于bc幅度小,系数bc在傍晚19时至早晨06时这段时间变化不明显,而在早晨07时至傍晚18时变化明显;abc系数相对于自身而言,在中午前后的变幅最大,由此可见WBGT预报系数具有一定的日变化特点,说明分时次研究建立WBGT预报方程是非常必要的。

图 4 24个时段的WBGT预报方程系数变化图 Fig. 4 Houly coefficients of WBGT forecasting equations (Coefficient a magnified by 10 is drawn with long dashed line, b with dot-dashed line, and c with solid line)

通过查F分布表(α=0.05),得到自由度(2,900) 时,Fα=3.01, 因为各时次的F值均远大于3.01,所以可以认为所求算出来的24个预报方程式的回归效果是显著的。

2.3 香港天文台预报方法

在2008年香港奥运分赛场马术比赛期间,香港天文台研究了一套WBGT指数预报方法, 为奥运马术比赛提供了优质的服务。香港天文台的预报方程利用温度和湿度作为WBGT方程因子,方程大致分为白天和夜间两段,其中白天的时间段是07:01-19:00,夜间时间段是19:01-07:00。以下是沙田赛马场(地理位置最靠近广州,位于香港北部)的预报方程式:

$ \begin{array}{l} \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{白天}}\left( {07:01 - 19:00} \right):WBGT = - 13.35 + }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;1.24TEMP + 7.3RH} \end{array}\\ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{夜间}}\left( {19:01 - 07:00} \right):WBGT = - 8.41 + }\\ {\;\;\;\;\;\;\;\;0.98TEMP + 9RH} \end{array} \end{array} $

由于此方程式应用于离广州最近的沙田赛马场,作为预报方法的一种,本文尝试直接引用此方程式来对广州地区WBGT进行预报,与上文介绍的两种拟合方法进行对比,了解其在广州地区的预报准确程度。

2.4 预报方法的误差对比分析

利用2010年1月下旬至3月的WBGT的实测资料(共492个样本),对WBGT预报方程进行检验,比较三种预报方法的预报效果。利用本地昼夜两段预报方程、分24时段的预报方程和香港天文台预报方程对2011年1-3月的00-23时每6 min计算一次WBGT预报值,然后计算其与实测值之间的误差[见(5) 式],结果见图 5。对比发现,分24个时段的WBGT预报方法总体偏差最小,效果最好,未经处理直接引用香港天文台预报方程效果最差;三种预报方法夜间比白天预报偏差小,香港天文台的预报方程夜间段预报偏差在2~2.5℃,而白天的预报偏差平均在2.5℃以上,最大偏差达到4℃;昼夜预报方法和分时预报方法偏差不超过1℃,两者对夜间段的WBGT预报误差相当,但在白天的07-20时,分时预报方法预报偏差明显比昼夜预报方法小,特别是11-15时气温相对较高时段,分时预报方法的预报偏差最小,此外,昼夜预报方法在傍晚前后拟合误差也明显较分时预报方法要大。因而,分时预报方法明显比其他两种预报法拟合效果好,适宜用于建模。

$ X = \frac{1}{n}\sum {abs\left( {WBG{T_{{\rm{实际}}}} - WBG{T_{{\rm{预报}}}}} \right)} $ (5)

n为各时次的记录数。

图 5 WBGT预报方法偏差对比 Fig. 5 Forecasting errors for different forecasting equations (Solid line is hourly equation, long dashed line is equation imported from HKO, and dot-dashed line is updated equation with new local coefficients in the same way as HKO)
3 误差理论分析

由WBGT的预报方程[式(4)]可知abc是常数。在业务应用中,若要对WBGT进行预报,则WBGT(y)的预报误差是主要由温度(x1)和相对湿度(x2)的预报误差所引起,可表示为

$ \Delta y = a\Delta {x_1} + b\Delta {x_2} $

假设温度预报误差在±5℃,相对湿度预报误差在±20%,可分析WBGT的误差变化范围。由于系数a变化范围在0.923~0.965之间,而b的变化范围从14:00-15:00时段的2.521到18:00-19:00时段的9.648,由此可见系数a变化不大,而系数b变化大,故选取18:00-19:00和14:00-15:00时段为代表来分析误差的变化情况。

选取18:00-19:00时段的预报方程,代入ab得到

$ \Delta y = 0.923\Delta {x_1} + 9.648\Delta {x_2} $

Δx1取值-5~5℃,Δx2取值-20%~20%,计算得到Δy变化值在-9~9℃间。在相对湿度误差为0的条件下,1℃的温度预报偏差导致的WBGT偏差约为1℃,这与温度预报偏差为0时,由相对湿度预报偏差10%所导致的WBGT偏差相当。

选取14:00-15:00时段的预报方程,代入ab得到

$ \Delta y = 0.931\Delta {x_1} + 2.521\Delta {x_2} $

Δx1取值-5~5℃,Δx2取值-20%~20%,计算得到Δy变化值在-6~6℃间。温度预报偏差1℃可导致约1℃左右的WBGT偏差,而40%的相对湿度预报偏差才导致1℃左右的WBGT偏差。由此可见,WBGT的预报误差主要由温度预报误差造成。由图 5可知,中午前后是一天中系数b最小的时段,因此该时段的WBGT预报误差主要由温度预报误差产生。

图 6可以看出导致WBGT预报误差的原因,相对湿度的预报误差比温度预报误差影响小,相对湿度预报误差对WBGT的影响夜间大于白天。日常预报中,通常温度预报偏差通常在±2℃以内、相对湿度偏差约为±10%以内,这种情况下,WBGT日常预报误差可以控制在±2.8℃以内;若气温预报偏差控制在±1℃以内、相对湿度预报偏差在±10%以内,则WBGT预报误差在±1.9℃以内。

图 6 18:00-19:00(a)和14:00-15:00(b)时段WBGT误差分析 Fig. 6 Forecasting errors of WBGT equation for (a) 18:00-19:00 BT and (b) 14:00-15:00 BT based on the forecasting errors of temperature and relative humidity
4 结论与讨论

(1) 统计发现,广州地区的WBGT与干球温度、湿球温度和黑球温度变化特点相似,具有明显的季节和日变化特征。一天里,WBGT指数在早晨出现最低值,日出以后随着气温的上升逐渐增大,午后达到最大,日落后随气温的下降逐渐减小。

(2) 根据WBGT以及气温、湿度等历史资料及其统计特征,可以采用昼夜预报方法、分时预报方法来拟合出WBGT指数的预报方程,通过对上述两种预报方法和香港天文台WBGT预报方程的误差对比,分析发现采用分时预报方法拟合出来的WBGT预报方程的预报效果最好,适宜用分时预报方法建模,拟合预报方程进行WBGT指数预报。

(3) WBGT分时预报方法的误差主要由温度、湿度预报误差引起,而中午前后WBGT的预报误差主要由温度预报误差造成,相对湿度预报误差对WBGT预报误差的影响夜间大于白天。在温度预报偏差±2℃、相对湿度偏差±10%的情况下,WBGT预报误差可以控制在±2.8℃以内,该条件可满足业务需求。

亚运会期间,WBGT分时预报方程投入业务运行,预报准确率高。基于此研究成果,气象部门为亚运会的马术比赛提供了准确、周到的气象服务,为马术比赛赛事安排及比赛的成功举办提供了重要的决策依据。

将来,在现有WBGT预报成果的基础上,可以通过优化WBGT预报方程、调整WBGT阈值、重新划分防御等级等方式,为公众提供更有效的高温中暑预报预警服务。

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