引言

近几年来，我国为满足气象数据观测密度的需求，逐步增加区域自动气象站的数量。同时，在中国气象局的指导下，各省气象监测工作的重心转移到数据质量控制，逐步从一般站数据延伸到区域自动气象站数据，对基础观测数据的研究得到越来越多的关注(刘小宁等，2006；王海军等，2007；周笑天等；2012)。在该项工作中，气温质控具有重要的意义。空气温度是表示热量特征的重要指标之一，是进行气候资源分析、自然区划、农业生产潜力估算、城市热岛等研究的重要参数(王怀清等，2011；杨鹏等，2013)。空气温度也是地球大气系统能量和水分循环的关键参数，在陆面过程模式、全球或区域气候和天气数值预报模式中扮演着越来越重要的角色(廖顺宝等，2003；周婷婷等，2011；李佰平等，2012；王圆圆等，2014；白建辉等，2013；王素娟等，2014)。

目前，我国台站防辐射所用的百叶箱普遍为玻璃钢百叶箱，而区域自动气象站采用的是轻型百叶箱，以ABS工程塑料和PVC材质为主。轻型百叶箱和玻璃钢百叶箱因其结构和材质不同，两者的防辐射性能、防降水影响、空气置换速率等存在差异，进而导致两者对外界温度反应的速度和误差有所差异。

国外对不同类型百叶箱气温测量值对比试验开展较多(Sparks，1972；Brandsma et al，2008；Tadayoshi et al，2011)，研究发现不同类型百叶箱气温测量值对外界气温的反应程度不同，并且受各种气象因素的影响程度也不同。而国内这类对比试验较少，任芝花等(2006)曾对玻璃钢百叶箱与木质百叶箱内温、湿进行对比试验，公式推导出两者对温、湿反应速度存在差异，并简单讨论不同云量、不同风速条件下的温、湿变化。熊安元等(2006)对DPX1型玻璃钢百叶箱、BB1型玻璃钢百叶箱和木质百叶箱进行气温简单对比观测，发现这三种百叶箱气温观测值差异不大，又对同种防辐射百叶箱、不同感应仪器的人工和自动两种地面气温观测系统进行气温对比观测，分析仪器精度、仪器灵敏度、太阳辐射和红外辐射等因子对气温观测值的影响，发现太阳辐射对不同仪器的影响不同是主因。对PVC材质轻型百叶箱和玻璃钢百叶箱进行对比试验，利用逐10 min气温数据分析两种百叶箱气温测量值日变化和年变化差异，并简单讨论两者气温测量值在不同天气、不同云量和不同风速下的差异。

本文的研究利用详实的分钟级数据，不仅找出两种百叶箱气温随时间变化的差异情况，而且深入探讨多种气象因子对两种百叶箱之间气温差的影响程度，并运用多元回归法计算不同季节的轻型百叶箱气温订正方程。该研究能够为区域自动气象站气温数据与国家级观测站气温数据的统一化提供科学的参考依据，对提高数值预报模式初值场的准确性和精细化预报的有效开展等具有实际意义。

1 资料 1.1 试验场与设备

枫泾区域自动气象站(30°52′41″N、121°1′56″E)位于上海西南边缘，临近杭州湾，该站夏季高温普遍高于金山区其他站，温度差异明显，故将气温对比观测安排在该站点。试验场地的平均海平面高度为8.6 m，土壤呈粘性，浅草平铺，环境较好。两个相同HMP45D型铂电阻温度传感器(中国气象局，2003)(精确度范围为±0.13℃，仪器性能、误差等各项指标经上海市气象鉴定计量所鉴定，符合气象专业计量标准要求)分别放在同一环境中不同百叶箱内(即轻型百叶箱和玻璃钢百叶箱)，温度传感器离地高度均为1.5 m，水平方向相距1 m(为两种百叶箱在互不影响的条件下所测的外界环境尽量一致)。两种百叶箱具体情况表 1。

1.2 数据选取及处理

本文采用枫泾区域自动气象站2012年4月至2013年9月分钟级气温数据、2013年4—9月分钟级风速和雨量数据(其中2013年4—9月分钟级气温、风速和雨量数据专门在2.5和2.6节讨论，其余小节均采用2012年4月至2013年3月分钟气温数据)。当对比数据的差值大于3倍差值标准差时，进行原始数据合理性检验，不合理数据不作统计(任芝花等，2006)。除此之外，对重大天气过程，如强冷空气、热带气旋等天气条件下数据的合理性进行判断。

2 两种对比结果分析 2.1 气温对比

将轻型百叶箱气温减去玻璃钢百叶箱气温的差值称为气温偏差，记为T_dev。

对全年数据统计得，两种百叶箱气温差变化范围为-1.0~2.1℃，平均差值在±0.1℃以内，差值平均标准差为0.2℃。

图 1为两种百叶箱气温差平均值和标准差月变化分布。两种百叶箱T_dev的平均值具有明显的季节性变化，变化趋势接近正弦波形。T_dev的平均值春中到秋中(4—10月)大于0℃，秋末到春初(11—3月)小于0℃，夏季普遍偏高，冬季普遍偏低。这与太阳辐射量、冷暖平流活动、降水与大风等因素的季节差异密不可分。

T_dev的离散程度随季节存在差异。T_dev的标准差冬季最小，在0.1~0.15℃；其他季节T_dev的标准差普遍超过0.2℃，尤其是5和10月超过0.25℃，T_dev离散程度明显。从各月气温平均日变化走势图上(图略)，发现昼夜气温变化幅度大小与T_dev的离散程度大小有很好的正对应关系，其中10月昼夜气温变化幅度最大，5月次之，冬季最小。昼夜气温变化幅度越大，则白天升温速率和夜间降温速率都越大，而由下文可知升(降)温速率与T_dev成正相关，故导致T_dev的离散度增大。

2.2 气温日极值对比

图 2为两种百叶箱日最高气温差和日最低气温差随月的分布情况。

从图 2可以看到，日最高气温差的平均值具有明显季节性差异，呈现与T_dev月平均值较一致的正弦波形，表现为夏季较大、冬季较小的特征；而日最低气温差的平均值季节性差异较小。日最高气温一般出现在白天，白天受太阳辐射作用影响较大。而上海太阳总辐射量夏季最多，春秋次之，冬季最少(贺芳芳等，2010)，与日最高气温差平均值的季节性特征吻合，说明太阳辐射的季节性变化与日最高气温差平均值具有季节性差异存在密切联系。日最低气温一般出现在夜间，受下垫面的长波辐射作用影响，但由于长波辐射强度远弱于太阳辐射，并且江淮流域的广大地区的长波有效辐射全年变化很小(王静等，2006)，也就是上海地面夜间由红外冷却辐射造成的降温全年变化很小，所以平流降温才是造成日最低气温差季节性差异的主因。

日最高气温差的平均值皆＞0℃，日最低气温差平均值皆＜0℃，代表与玻璃钢百叶箱相比，轻型百叶箱的日最高气温普遍较高，日最低气温普遍较低。从箱体的长短可以看到，日最高气温差的变化幅度比日最低气温差的变化幅度大得多。这是由于白天以升温为主，且气温变化相对夜间要剧烈，夜间气温下降但变化不显著，而轻型百叶箱气温测量值对外界气温变化的反应比玻璃钢百叶箱更敏感(见2.3节)，故会出现这样的结果。

从极值看，日最高气温差在春、夏和秋季易出现异常极大值(极值范围为-0.3~1.1℃)，冬季不易出现异常极大值(极值范围为-0.2~0.5℃)；日最低气温差全年相对稳定(极值范围为-0.5~0.2℃)。所以轻型百叶箱春、夏和秋季的日最高气温参考价值降低，尤其是夏季容易造成测得的高温日偏多。

对全年高温日(定义日最高气温≥35℃时，为高温日)和低温日(日最低气温≤-5℃时，为低温日)做统计，轻型百叶箱出现高温日数20 d、低温日数4 d；玻璃钢百叶箱出现高温日数14 d，低温日数3 d。轻型百叶箱的高温日数明显偏多，而两者对低温日的反映情况差别不大，故以轻型百叶箱气温作为依据，夏季将表现为更加炎热。

2.3 辐射的影响

百叶箱并不是理想的防辐射体，即使能防止太阳的直接辐射，也不能完全防止反射辐射和散射辐射，同时箱体还与周围物体产生热辐射交换，因此百叶箱测温，必然存在辐射误差(章澄昌等，1980)。云量的多少直接反映太阳辐射的强弱，云量越少，白天太阳辐射量越大。考虑到中低云对太阳辐射的消弱作用较大(王秀俊，2012)，将观测资料的辐射条件分为晴天(日平均中低云量不到3成)和阴天(日平均中低云量为8成以上且无降水)两种情况进行分析。

图 3为晴天和阴天两种百叶箱逐分钟气温差的平均日变化情况。白天不同辐射条件下的T_dev差异较明显，变化范围在0~0.233℃，说明两种百叶箱防太阳辐射差异较明显。箱体内辐射量上下午的不对称性具有普遍性(章澄昌等，1980)，上午的太阳辐射量大于下午，故T_dev也应存在上下午的不对称性，这与图 3的结果一致，并且可见太阳辐射量越大，T_dev也越大。

图 3中，白天升温时，太阳辐射影响使轻型百叶箱内升温速度比玻璃钢百叶箱快，才能导致T_dev＞0；夜间降温时，红外冷却辐射使轻型百叶箱内降温速度比玻璃钢百叶箱快，才能导致T_dev小于0。所以轻型百叶箱防太阳辐射和红外辐射性能均比玻璃钢百叶箱要低，同时也说明轻型百叶箱反映气温的敏感度要高于玻璃钢百叶箱。

2.4 升(降)温速率的影响

进一步讨论红外辐射对气温测量值的影响程度，对比两种百叶箱在升温过程和降温过程中气温差变化的情况。为排除太阳辐射的主要影响，根据阴天气温平均日变化曲线(图略)，选取阴天09—13时作为升温阶段，16—20时作为降温阶段。将升(降)温速率定义为两种百叶箱平均气温变化量除以气温变化时间的值。升(降)温速率代表外界红外(红外冷却)辐射的强度，升(降)温速率越大，红外(红外冷却)辐射越强。

图 4a和4b为气温变化时间为60 min的升(降)温速率与气温差的变化图。从图上看到，升(降)温速率与T_dev皆呈正相关性。通过图 4a和4b的一元回归方程分别计算得，升温速率为2℃·h^-1 (0.033℃·m^-1)时，T_dev为0.318℃；降温速率为-2 ℃·h^-1 (-0.033℃·m^-1)时，T_dev为-0.132℃。而实际短时间内升(降)温速率可以更大，如±0.1℃·m^-1很常见，故由升(降)温引起的T_dev可以更大，且升、降温普遍存在，所以红外辐射是造成两种百叶箱气温误差的关键因子之一。再取不同气温变化时间求升(降)温速率与气温差的相关系数(图略)，结果表明升(降)温速率与T_dev皆呈正相关性，说明普遍存在气温变化速率越大或者说红外(红外冷却)辐射强度越大，两种百叶箱气温误差也越大。

2.5 风速的影响

图 5为无变温(两种百叶箱前后分钟气温不变)、无降水条件下对比不同风速段内两种百叶箱气温差的情况。

根据文献(章澄昌，1982)的结论，随着输入风速的增大，百叶箱的滞后系数会变小，也就意味着两种百叶箱的气温越接近。这是由于随着风速的增大，百叶箱对风速的削弱作用并没有随之增大，或者没有输入风速增大的程度大，从而表现为百叶箱对风速的削弱效果相对减小，导致气温滞后性的降低。由此可见，随着风速的增大，百叶箱材质和结构的影响在不断降低。从图 5中可以，在风速等级9以下两种百叶箱T_dev的平均值随风速增大而趋近于0，这与文献(章澄昌，1982)的结论一致。两种百叶箱T_dev的平均值变化范围为-0.075~-0.009℃(T_dev多数为负值是由于多数样本取自夜间造成)，其中2~9等级T_dev均在-0.05~0℃以内，说明单一风速条件对两种百叶箱气温差的影响很小，其中静风或弱风(等级1) 时两种百叶箱气温误差最大。等级9样本数偏小的缘故可能造成无法真实反映风大对两种百叶箱气温差的影响。

2.6 降水的影响

图 6为无变温、低风速(＜3 m·s^-1)条件下不同降水强度时两种百叶箱气温差的变化情况。

降水沾湿叶片，水滴蒸发使得箱体温度降低，也会通过红外辐射和平流影响箱内的温度(章澄昌等，1980)。若百叶箱不能防止降水侵袭，雨水直接沾湿感应探头，就会造成更大的温度误差。从图 6可以看到，两种百叶箱T_dev的平均值变化范围为-0.15~-0.1℃(T_dev多数为负值是由于水滴蒸发使箱体降温以及降水天气多数伴随降温过程再通过红外冷却辐射和平流影响引起)，气温差不是特别明显，说明两种百叶箱具有防止降水侵袭的作用。T_dev的平均值随降水强度的不同没有明显变化，说明单一降水条件对两种百叶箱气温差影响不大。

从表 2可以看到，在降水时无变温条件下，风速越大，两种百叶箱气温误差越大。大风利于百叶箱上水滴的迅速蒸发使得箱体快速降温，通过红外冷却辐射和加快平流降低箱内的气温，而轻型百叶箱箱体较小，缩短箱体红外辐射和平流到达温度传感器的时间，从而加大两种百叶箱的气温差。另一方面玻璃钢百叶箱的双层叶片具有向下坡度，可以更有效减少雨滴淋湿叶片的机会，利于溅入的雨水跌落，而轻型百叶箱叶片坡度较小且是单片，风大时易将叶片全部淋湿，并且更有可能将水滴带入箱体内部，从而导致更大的误差。故大风是造成降水天气两种百叶箱气温差增大的原因之一。

从表 2还可以看到，降水天气低风速、有变温时，T_dev的平均值最大，为-0.321℃(是低风速、无变温时的2.5倍)，说明降水天气低风速时红外冷却辐射影响是两种百叶箱气温误差变大的主因。而高风速、外界存在红外冷却辐射时气温误差反而减小，这可能是由于样本过小造成，有待进一步研究。

3 轻型百叶箱气温订正方程

两种百叶箱T_dev主要受辐射、风速、降水强度、气温和变温速率的影响。因此选取这几种因子，利用1年资料建立多元回归方程(表 3)，作为轻型百叶箱气温的订正方程。

回归方程中y为不同环境的T_dev，x₁为中低云量(单位：成)，x₂为风速(单位：m·s^-1)，x₃为降水强度(单位：mm·h^-1)，x₄为小百叶箱气温(单位：℃)，x₅为小百叶箱升(降)温速率(单位：℃·h^-1)。轻型百叶箱气温的订正值=轻型百叶箱气温+y。由于数据有限，订正方程有待作进一步的检验和完善。

4 讨论

导致两种百叶箱气温测量值出现差异的主要原因在于两者热导率、体积大小、叶片结构不一致造成。即便两者同样大小，ABS工程塑料的热导率大于双片结构玻璃钢的热导率，白天太阳辐射强时热导率大的ABS工程塑料升温快，通过红外辐射加热温度传感器，使得气温测量值偏高；夜间相反，ABS工程塑料辐射降温或传导降温快一些，其温度比双片结构玻璃钢同时温度低，通过红外辐射影响温度传感器，使得气温测量值偏低。但夜间辐射降温的速率或冷空气活动降温的速率不如白天尤其是夏季晴空情况下升温速率快，所以两百叶箱日最低气温差值不如日最高气温差值大。轻型百叶箱箱体小得多，利于缩短箱体到达温度传感器的红外辐射交换时间，从而加剧了上述效应。另外，单片结构比起双层叶片结构更易使更多反射辐射和散射辐射进入箱体，利于白天轻型百叶箱气温测量值偏高。所以材质和结构决定了轻型百叶箱防辐射性能较低，是导致两种百叶箱测温差异的主要原因。

但是，轻型百叶箱的滞后系数较小，有利于反映天气系统影响本站时所引起的气温非周期性变化特征。在一些非周期性的平均气温变化中(如雷暴、锋面过境等)，滞后系数越小的百叶箱，其气温的瞬时误差也越小(章澄昌等，1980)。

5 结论

(1) 两种百叶箱内测得全年气温差变化范围为-1.0~2.1℃，平均差值在±0.1℃以内，差值平均标准差为0.2℃。气温差和气温差的离散程度均存在季节性差异，气温差夏季为正、冬季为负；冬夏气温差离散度较小，春秋相当。

(2) 两种百叶箱日最高气温差具有夏季较大、冬季较小的特征，与太阳辐射季节性变化有关；日最低气温差季节性差异较小，与平流降温季节性变化有关。轻型百叶箱的日最高气温普遍高于玻璃钢百叶箱的日最高气温，且春、夏和秋季易出现日最高相差较大；而轻型百叶箱的日最低气温普遍低于玻璃钢百叶箱的日最低气温，全年日最低气温差变化较小。轻型百叶箱春、夏和秋季的日最高气温参考价值较低，夏季高温日参考价值较低。

(3) 不同云量下，两种百叶箱气温差差异变化范围为0~0.233℃，白天防太阳辐射差异较明显。轻型百叶箱防太阳辐射和红外(红外冷却)辐射性能均较低，导致白天气温测量值偏高、夜间气温测量值偏低。

(4) 不同升(降)温速率下，两种百叶箱升(降)温速率与气温差皆呈正相关，即升(降)温速率越大或者红外(红外冷却)辐射强度越大，两种百叶箱的气温差异也越大。红外辐射对百叶箱气温的影响较大。

(5) 不同风速下，两种百叶箱气温差具有随风速增大而减小的特点。单一风速条件对两种百叶箱气温差的影响很小，1 m·s^-1以下风速对气温差的影响相对最大。

(6) 不同降水强度下，两种百叶箱气温差无明显变化。单一降水条件对两种百叶箱气温差影响不大。大风是造成降水天气两种百叶箱气温差增大的原因之一，红外冷却辐射是造成低风速降水天气两种百叶箱气温差变大的主要原因。

(7) 轻型百叶箱的气温测量值对外界气温变化的反应比玻璃钢百叶箱更敏感，即轻型百叶箱的滞后系数较小，更能反映非周期性气温变化特点。