武漢城區(qū)溫濕度觀測和相關(guān)性分析

劉小凡

摘 要：該文采用高精度的溫度和濕度觀測裝置，對武漢城區(qū)不同季節(jié)的戶外溫濕度進(jìn)行了連續(xù)觀測，同時采集戶外環(huán)境溫度、濕度和降雨量，通過對無雨和有雨天氣條件下數(shù)據(jù)分析，比較了溫度和濕度隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，無雨天氣條件下，24 h內(nèi)環(huán)境溫度的晝夜變化規(guī)律明顯，最高值出現(xiàn)在12：00～15：00之間，最低值出現(xiàn)在6：00左右，濕度則恰好相反，最大值出在6：00前后，最小值出現(xiàn)15：00左右。溫度和濕度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，而下雨的天氣，溫度和濕度呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化，無負(fù)相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：溫度 濕度 觀測 相關(guān)性 分析

中圖分類號：TP212；P423.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0252-03

Wuhan City Temperature and Humidity Observation and Correlation Analysis

Liu Xiaofan

（NO.1 Middle School Affiliated to Normal University Central China，Whuan Hubei，430223，China）

Abstract：Adopting high precision temperature and humidity observation device，the outdoor temperature and humidity in Wuhan city in different seasons were observed continuously and the outdoor environment temperature，humidity and rainfall were collected in this paper.By data analysis under the condition of no rain and rain weather，the change laws of temperature and humidity over time were compared.Results show that under the condition of no rain weather，the environment temperature within 24 hours of day and night have a regular change law， and peak appear between 12：00 to 15：00，lowest appear at around 6 AM，humidity，on the contrary，the maximum appear around 6 AM，the minimum appears around 15：00.Negative correlation presents between temperature and humidity in no rain condition，while in rainy weather，temperature and humidity presents irregular change，no negative correlations.

Key Words：Temperature；Humidity；Observation；Correlation；Analysis

眾所周知，溫度和濕度是與人們的生活、工作息息相關(guān)的重要的物理參數(shù)。溫濕度測量廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測、食品倉儲、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、科學(xué)研究以及日常生活當(dāng)中。因而，開發(fā)一個安全可靠的高精密溫度濕度測量系統(tǒng)，適時地對溫濕度進(jìn)行測量，是十分必要的，對人們的生活和生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

在溫度檢測系統(tǒng)中，溫度的檢測方法有多種，常用的有電阻式、熱電偶式、PN結(jié)型及石英諧振型等，它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)（如電阻值，熱電勢等）的變化的原理。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代溫度檢測元件正在不斷的出現(xiàn)和完善，目前，廣泛使用的溫度傳感器有四類：熱電阻、熱電偶、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器[1-2]。

濕度測量常見的方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點(diǎn)法，干濕球法和電子式傳感器法。目前廣泛應(yīng)用的相對濕度測量方法主要有兩類：一是采用濕度傳感器測濕；二是采用干濕球法測濕。采用濕度傳感器測濕方法的效果很大程度上取決于傳感器，而應(yīng)用最廣泛的測量濕度方法是干濕球測量濕度[3-6]。

傳統(tǒng)的溫濕度測量方法都是采用布線式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，這種測量方法不僅給大范圍與異地多點(diǎn)測量帶來不便，同時具有布線成本高、線路榮譽(yù)復(fù)雜以及老化等問題，十分不利于各方面的生產(chǎn)生活。隨著當(dāng)今無線通信技術(shù)的發(fā)展以及各個無線通信模塊的普及，無線溫濕度測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[7-12]。首先利用傳感器等無線模塊對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、發(fā)送，然后將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量控制溫濕度數(shù)據(jù)的目的，為生產(chǎn)和生活提供科學(xué)依據(jù)[13-14]。

按傳統(tǒng)的研究習(xí)慣，人們往往把溫度和濕度作為兩個相對獨(dú)立的氣象因子進(jìn)行觀測和控制，很少有人注意到他們相互之間的關(guān)系，對于晴天、雨天天氣情況下溫濕度有什么樣的變化規(guī)律也少有關(guān)注。

該文基于一個自行設(shè)計(jì)的高精度的溫度、濕度觀測系統(tǒng)，對武漢城區(qū)不同季節(jié)的戶外溫濕度進(jìn)行了連續(xù)觀測。在無雨和有雨條件下同步采集戶外環(huán)境溫度、濕度、雨量，觀測得到了溫度和濕度的相互關(guān)系。

1 觀測系統(tǒng)的構(gòu)成

觀測系統(tǒng)組成見圖1所示。觀測系統(tǒng)具有實(shí)時采集、大容量記錄存儲、數(shù)據(jù)傳輸、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)能夠定時采集大氣條件并進(jìn)行存儲，并及時將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)將觀測數(shù)據(jù)存儲。觀測系統(tǒng)可以對溫度、濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等進(jìn)行集中式的實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)可按照設(shè)定的時間間隔進(jìn)行采集，采集時間間隔一般為10 min，每個參量的采集時間間隔可分別設(shè)定。系統(tǒng)采用太陽能與蓄電池結(jié)合的供電系統(tǒng)，保證在無光照情況下，蓄電池可維持設(shè)備運(yùn)行不少于200 h。

系統(tǒng)采用Texas Electronics雨量傳感器，分辨率為0.1 mm，精度達(dá)1.0%。采用氣象級溫濕度傳感器，濕度量程為0 ℃～100%rh，精度為±0.8%rh，溫度量程為-40 ℃～100 ℃，精度為±0.1 ℃，數(shù)字量輸出。另外，設(shè)有風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器和氣壓傳感器。同步觀測相應(yīng)氣象參數(shù)。 GPS授時模塊授時精度達(dá)1 μs。150 W單晶硅太陽能電池板，在電池耗盡情況下，12 h光照可給蓄電池充80%以上電量； 24 V/24 AH大容量蓄電池，保證設(shè)備在無光照的情況下的持續(xù)供電不少于200 h；電源管理模塊具備深度放電保護(hù)、過流保護(hù)、充放電管理等功能。

2 溫濕度變化和相關(guān)性分析

2013年11月—2014年9月，對武漢城區(qū)戶外溫濕度進(jìn)行近一年連續(xù)觀測，取春、夏、秋、冬四季中連續(xù)幾天的溫濕度變化數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線，如圖2（a）（b）（c）（d）所示。有雨和無雨溫濕度變化如圖3所示。

溫度和濕度存在一定的相關(guān)性，對氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，如一個參數(shù)可很好地表征另一個，就可減少所考慮影響因素的個數(shù)。

相關(guān)分析是衡量變量之間相關(guān)程度強(qiáng)弱并用合適的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)表示出來。相關(guān)分析中比較常見的是Pearson相關(guān)系數(shù)r，其計(jì)算公式為

（1）

式中n為樣品數(shù)；xik為第i種因素在第k個樣品中的取值。一般當(dāng)|r|≥0.8時，視為高度相關(guān)；當(dāng)0.5≤|r|<0.8時，視為中度相關(guān)；當(dāng)0.3≤|r|<0.5時，視為低度相關(guān)；當(dāng)|r|<0.3時，可視為不相關(guān)。

圖2中，溫度濕度相關(guān)系數(shù)分別列于表1～表4。將圖3中無雨與下雨觀測結(jié)果分段，其溫度濕度相關(guān)系數(shù)分別列于表5～表6。

根據(jù)持續(xù)近1年多的連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)在無雨天氣條件下，溫度各個季節(jié)變化規(guī)律基本一致，都為白天高，夜間低，而相對濕度的晝夜變化規(guī)律與溫度相反，為白天低，夜間高。溫度和相對濕度的負(fù)相關(guān)性不隨季節(jié)性的變化而變化。

圖2選取連續(xù)無雨若干的溫度和濕度變化數(shù)據(jù)，24 h內(nèi)環(huán)境溫度的晝夜變化規(guī)律明顯，溫度的最高值出現(xiàn)在12：00～15：00之間，最低值出現(xiàn)在6：00左右，濕度則恰好相反，最大值出在6：00前后，最小值出現(xiàn)15：00左右。日出后，溫度迅速升高，空氣相對濕度呈明顯下降趨勢，下午氣溫開始下降后，空氣相對濕度逐漸上升。顯著特征是一天之中當(dāng)RH出現(xiàn)極大值或極小值時，同一時間對應(yīng)的溫度會出現(xiàn)極小值或極大值。溫度和相對濕度隨著時間改變的變化規(guī)律相反，每天變化規(guī)律相似。可見，無雨的天氣溫度和濕度的負(fù)相關(guān)性很高，相關(guān)系數(shù)至少有-0.708，可見溫度和濕度的負(fù)相關(guān)性很高。

圖3顯示出有雨的2013年11月10日0：33～4：43，11月11日13：23～11月12日8：15：34、11月13日23：35～23：55、以及11月14日3：05～4：05時段，溫度和濕度關(guān)系沒有顯現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)只有-0.248，可以認(rèn)為不相關(guān)。

3 結(jié)論

該文采用溫、濕度觀測系統(tǒng)，對武漢城區(qū)戶外環(huán)境的溫、濕度和雨量等進(jìn)行了連續(xù)觀測了，發(fā)現(xiàn)了環(huán)境溫度與濕度變換的一些規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）基于無線傳輸觀測系統(tǒng)能高效、穩(wěn)定地對戶外環(huán)境因子進(jìn)行連續(xù)觀測。

（2）無雨天氣條件下，溫度、濕度在各個季節(jié)變化規(guī)律基本一致，溫度為白天高，夜間低，一天內(nèi)環(huán)境溫度的最高值出現(xiàn)在12：00～15：00之間，最低值出現(xiàn)在6：00左右。濕度則恰好相反，為白天低、夜間高。

（3）無雨天氣條件下，溫度和相對濕度的關(guān)系呈明顯的負(fù)相關(guān)性，且不隨季節(jié)性的變化而變化。有雨時，溫度和濕度呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化，無負(fù)相關(guān)性。

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