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霾观测判识标准定量化对云南雾霾观测记录的影响分析

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 119次


 


 

[摘要] 为研究霾观测判识标准定量化对云南雾霾观测记录的影响,选取2007-2012年云南省20个基准站、基本站和一般站三类国家级地面气象观测站的资料,对已记录和按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾天数进行分析,结果表明:判识标准定量化将使霾的观测记录明显增多,轻雾和雾的观测记录明显减少,雾、轻雾和霾观测记录将更趋合理,就云南而言,相对湿度在80%-94%之间,应以轻雾和雾为主,通过定时观测时次的能见度、相对湿度,以及日天气现象记录,可以得到历年按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾天数,实现对历史资料序列的订正,形成判识标准改变前后均一化的月年资料序列。判识标准定量化后,不能机械的硬套判识指标,观测员仍需熟练掌握轻雾和霾以及其他视程障碍现象的成因和特征,避免相对湿度在霾观测判识标准上下波动、轻雾处于消散过程阶段,轻雾与霾的频繁转记。

关键词  霾;判识标准;定量化;观测记录;影响分析;云南

引言

雾霾天气是雾、轻雾和霾三种天气的统称,与人们的生产生活息息相关。霾主要反映是对空气质量的影响,雾或轻雾往往与特定的天气条件相联系。随着经济的快速发展,大气污染成为雾霾形成的重要原因,正确识别雾和霾有着十分重要的意义。

但由于判识标准复杂且不统一,在过去的地面气象观测中,对雾霾的观测主要是从天气现象的特征和成因进行定性分析,尽管参考了相对湿度,但按固定阈值进行判识的少,各地对轻雾和霾的记录差异较大。近几年来,对雾霾的研究逐渐增多,但对雾霾观测分析的较少。

为此,中国气象局201061日发布实施气象行业标准《霾的观测和预报等级》(QX/T113-2010),从能见度、相对湿度的配合,以及大气成分指标两方面规定了霾观测的判识条件[1],其目的之一就是规范雾霾现象的观测,20132月,中国气象局规定在地面气象观测中正式执行。霾观测判识标准定量化直接关系到雾、轻雾和霾三种视程障碍现象的观测,有助于该观测的客观化和自动化,使雾、轻雾和霾观测记录更趋合理。然而,判识标准的改变必将产生雾霾天气现象记载的不连续,特别是轻雾与霾记载的不连续,进行观测记录的影响分析极为重要[2]

选取云南省20个基准站、基本站和一般站三类国家级地面气象观测站2007-2012年的资料,对已记录和按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾日数进行分析,给出不同站类因判识标准改变而产生的记录偏差,提出相关建议与对策,为雾霾观测及其资料应用提供参考。由于云南能见度自动观测和大气成分观测站资料序列时间短,所以本课题未对能见度自动观测、大气成分指标与霾判识关系进行讨论。

1    两种判识条件

11 《地面气象观测规范》的判识依据

    雾、轻雾和霾的特征和区别[3]见表1,各地面气象观测站自建站至20131月,均以此作为判识的依据。

雾、轻雾和霾的特征和区别

天气

现象

特征或成因

影响能见度的程度/km

颜色

天气条件

大致出现

时间

大量微小水滴浮游空中

<1.0

常为乳白色(工厂区为土黄色)

相对湿度接近100%

日出前,锋面过境前后

轻雾

微小水滴或已湿的吸温性质粒组成的稀薄雾幕

1.0<10.0

灰白色

空气较潮湿、稳定

早晚较多

大量极细微尘粒,均匀浮游空中,使空气普遍混浊

<10.0

远处光亮物体微带黄色、红色,黑暗物体微带蓝色

气团稳定、较干燥

一天中任何时候均可出现

尽管霾的能见度范围包括了雾和轻雾,但由于雾的能见度范围出现在1.0km以下,空气湿度接近饱和,而霾出现在能见度小于1.0km的情况极少,所以对雾的判识还是较容易的,真正难以区分的是轻雾和霾。

1.2 相对湿度定量化判识标准

    中国气象局规定,从20132月开始统一规范霾观测判识标准,具体如下:

    (1)能见度<10.0km,排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍,相对湿度小于80%,判识为霾。

2)能见度<10.0km,排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍,相对湿度在8094%,按照《地面气象观测规范》规定的描述或大气成分指标进一步判识。已建立大气成分监测设备的台站,可以优先采用大气成分指标作为判识霾的参考依据。

根据上述规定,结合《地面气象观测规范》对雾、轻雾的定义,给出雾、轻雾和霾的能见度、相对湿度的判识图,见图1

1.1的判识依据所不同的是定量化了相对湿度指标,相对湿度小于80%判识为霾,相对湿度大于等于95%判识为雾或轻雾;相对湿度在8094%,能见度在1.010.0km时,为轻雾与霾的不确定区,能见度小于1.0km时,为雾与霾的不确定区,此时,与1.1的判识依据相同。

资料分析

2.1 站点选取及统计方法

2007年以来云南省所有国家基准站、基本站及三分之二的一般站已使用自动气象站,考虑到观测资料的一致性和地域的代表性,选取2007-2012年云南省20个基准站、基本站和一些般站三类站逐月地面气象观测数据文件(AIIii-YYYYMM.txt,简称A文件),其中基准站4个,基本站和一般站各8个,能见度均为人工目测,基准站为每小时24次定时观测,基本站为020814204次定时观测,一般站为0814203次定时观测,站点分布见图2

2 选取观测站点分布图

统计方法是:以能见度定时观测记录为依据,读取A文件中能见度时次对应的相对湿度值和该日天气现象,按照1.2的判识标准,逐站逐日判断是否应该记录雾、轻雾和霾,由此统计各站各月、各年的雾、轻雾和霾的天数,以及与实际记录的差值,再分别统计三类站及全部选取站历年雾、轻雾和霾平均天数,以及与历年平均实际记录的差值。

2.2 年统计分析

按照2.1给出的统计方法,在满足能见度条件下,对于相对湿度在8094%时,以雾和霾、轻雾和霾的不确定记录处理,各选取站及各类站年平均天数和部分极值统计结果见表2

2 按雾和霾、轻雾和霾的不确定记录处理的统计结果

站类

A文件实际记录/天数

相对湿度标准判识统计/天数

两者差值/天数

轻雾

轻雾

雾或霾

轻雾或霾

轻雾

腾冲

13.7

10.3

0.0

3.0

3.8

0.0

3.7

4.3

10.7

6.5

0.0

大理

0.0

0.0

1.0

0.0

0.0

0.8

0.0

0.0

0.0

0.0

0.2

昆明

115.2

3.2

0.0

21.7

1.7

40.3

0.8

59.0

93.5

1.5

-40.3

蒙自

40.5

0.5

8.5

2.5

0.2

28.7

0.3

16.8

38.5

0.3

-20.2

德钦

0.2

28.3

0.0

0.0

8.7

0.0

3.3

0.0

0.2

19.6

0.0

维西

53.3

3.2

0.0

22.7

0.3

0.0

1.2

15.8

30.6

2.9

0.0

元谋

2.8

1.2

0.0

0.3

0.5

0.0

0.0

0.2

2.5

0.7

0.0

景东

27.7

25.0

0.5

0.3

6.2

0.2

13.3

1.3

27.4

18.8

0.3

耿马

86.5

64.7

36.2

13.3

39.0

11.5

0.0

0.3

73.2

25.7

24.7

砚山

78.3

29.8

0.0

24.3

20.8

0.3

1.3

19.7

54.0

9.0

-0.3

泸西

184.7

33.8

0.0

70.3

18.8

10.0

5.2

67.5

114.4

15.0

-10.0

沾益

160.3

7.8

0.7

16.5

2.8

24.5

2.0

94.2

143.8

5.0

-23.8

宁浪

8.2

15.0

0.0

4.5

11.3

0.0

0.7

1.5

3.7

3.7

0.0

大关

233.7

18.0

0.0

47.2

2.5

25.7

1.8

83.3

186.5

15.5

-25.7

施甸

0.3

2.3

0.0

0.0

0.2

0.0

1.0

0.3

0.3

2.1

0.0

陇川

11.5

91.2

14.8

8.2

55.7

8.8

15.2

13.3

3.3

35.5

6.0

猛海

27.0

80.5

16.5

12.3

60.3

9.2

10.0

30.3

14.7

20.2

7.3

普洱

38.5

77.5

1.2

9.2

46.8

0.3

27.0

31.7

29.3

30.7

0.9

墨江

0.7

31.8

0

0.5

13.3

3.8

12.2

0.2

0.2

18.5

-3.8

石屏

18.3

7.0

0

4.0

2.7

0.7

2.3

13.2

14.3

4.3

-0.7

基准站

42.4

3.5

2.4

6.8

1.4

17.5

1.2

20.0

35.6

2.1

-15.1

基本站

74.2

24.2

4.7

18.5

12.1

5.8

3.3

24.9

55.7

12.1

-1.1

一般站

42.3

40.4

4.1

10.7

24.1

6.1

8.8

21.7

31.6

16.3

-2.0

所有站

55.1

26.6

4.0

13.0

14.8

8.2

5.1

22.6

42.1

11.8

-4.2

最多

233.7

91.2

36.2

70.3

60.3

40.3

27.0

94.2

186.5

35.5

24.7

最少

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-40.3

以相对湿度小于80%作为霾的判识标准,从表2分析,可以得到如下结论:

1)所选观测站霾的全年平均统计天数与实际记录差值为4.2天,其中基准站最大,一般站次之,基本站最小,分别为15.1天、2.0天和1.1天,实际记录相对判识标准统计天数的偏差率为51%,其中最大的为基准站,一般站次之,基本站最小,分别为86%33%19%。若考虑相对湿度在8094%之间和非定时仍会有霾存在的情况,这种偏差还会加大,说明在实际观测中,普遍存在着少记霾的现象。其中基准站可以通过24时定时观测记录判识统计霾日,使得以判识标准统计的天数与实际记录的偏差尤为突出。

2)不同站对霾的记录差异较大,实际记录年平均最多为36.2天(耿马站),腾冲、昆明、德钦、维西、元谋、砚山、泸西、宁浪、大关、施甸、墨江、石屏12个站未记录有霾,按判识标准统计结果腾冲、德钦、维西、元谋、宁浪、施甸6个站与实际记录一致,霾统计天数为0,与判识标准统计的偏差耿马实际记录比判识标准统计值多24.7天,昆明站判识标准统计值为40.3天而实际记录为0,判识标准统计天数相对实际记录的偏差率耿马站为68%,而昆明站则相反实际记录相对判识标准统计天数的偏差率高达100%,腾冲、德钦、维西、元谋、宁浪、施甸6个站的偏差率为0%。图3为各观测站霾的历年平均记录数、统计数和两者差值及偏差率的分布情况,可以看出,无论观测站类型是否相同,还是实际记录或多或少,实际记录与判识标准统计天数的偏差和偏差率均无相关性,说明实际对霾的观测,存在着很大的不确定性,这与观测站能见度观测的可靠性关系较大。

3 各观测站霾的历年平均记录数、统计数和两者差值及偏差率

(3)轻雾的全年平均统计天数与实际记录差值为42.1天,偏差率达76%,其中差值最大的为基本站,基准站次之,一般站最小,偏差率分别为75%84%75%。若将能见度在1.010.0km、相对湿度在8094%之间时全按轻雾进行统计,三类站和所有站统计得到的平均轻雾及与实际记录的差值见图4,基准站、基本站、一般站和所有站的偏差率降至37%42%23%35%,这说明在云南省实际观测中,能见度在1.010.0km、相对湿度在8094%之间时,应以轻雾为主。按判识标准得到的统计天数可以作为最大统计值,但仍偏少,这与部分轻雾出现时间可能在非定时观测时间内,不能通过定时观测时次的能见度和相对湿度反映到记录中有关;另外,当能见度在1.010.0km、相对湿度小于80%时,在实际观测中,有部分记录成了轻雾,则使实际观测记录偏多。

4 各类站轻雾的历年平均记录数、统计数和两者差值

(4)雾的全年平均统计天数与实际记录差值为11.8天,偏差率为44%,说明部分雾出现时间在非定时观测时间内,不能通过定时观测时次的能见度和相对湿度反映到记录中,同时说明相对湿度判识标准对雾的记录也存在一定影响。若将能见度小于1.0km,相对湿度在8094%之间时全按雾进行统计,三类站和所有站统计得到的平均雾及与实际记录的差值见图5,基准站、基本站、一般站和所有站的偏差率降至26%36%19%25%,这说明在云南省实际观测中,能见度小于1.0km,相对湿度在8094%之间时,应以雾为主。

5 各类站雾的历年平均记录数、统计数和两者差值

2.3 月统计分析

2.2的统计分析可知,霾定量化判识标准对霾的记录将产生显著的正贡献,对轻雾记录明显减少,对雾的记录也有影响.下面以相对湿度小于80%作为霾的判识标准,分析各类站按判识标准统计的月平均天数与实际记录的差值,实际记录与按判识标准统计的天数的各月平均偏差率,对霾的记录作进一步分析,有关统计结果见图6和图7

6 各类站按判识标准统计的霾天数与实际记录的月平均差值

7 各类站实际记录与按判识标准统计的霾天数的月平均偏差率

从图6和图7分析,可以得到如下结论:

(1)一年中,各月按判识标准统计的霾天数与实际记录具有较好的一致性,霾出现最多在3月,次多在4月和2月;5月至次年1月霾的实际记录为0

    (2)各月中,按判识标准统计的霾天数与实际记录的差值与站类的不同有很大差别:基准站实际记录与统计值差值最大,其中8月最大,3月、11月次之;一般站差值最小且变化平稳;基本站4-12月差值较小,1月差值较大,2-3月出现实际记录大于统计值的情况,主要是耿马站2-3月统计值与实际记录的偏差率达68%

3)一年中,各类站各月霾的实际记录相对判识标准统计的天数的偏差率,5月至次年1月除少数月份外霾的偏差率达100%2-4月不同站类各不相同,基准站出现50%以上的正偏差率;基本站出现负的偏差率,最大2月达负的175%;一般站2月偏差率达100%3-4月为10-26%的负偏差率,各类站偏差率存在明显差异,说明存在明显人为观测误差,通过判识标准定量化可以减小霾观测的人为误差。

    3、结论

    霾观测判识标准定量化是对雾、轻雾和霾三种视程障碍现象客观化、自动化观测的需要,判识标准的改变会对雾、轻雾和霾观测直接产生影响,使霾、轻雾和雾观测记录更趋合理,结论归纳如下:

    (1)按照相对湿度判识标准观测,除耿马、陇川、猛海3站外,其余站霾的天数将会明显增多。判识标准改变前,大多数观测站普遍存在着少记霾的现象,判识标准具有很大的不确定性,使得不同站对霾观测记录差异较大。

    (2)按照相对湿度判识标准观测,雾、轻雾均将明显减少。在云南省实际观测记录中,相对湿度在8094%之间,应以轻雾、雾为主

    (3)一年中,各月按相对湿度判识标准统计的霾天数与实际记录具有很好的一致性,就云南省而言,霾出现最多在3月,次多在4月和2月,各类站的偏差率变化较大;5月至次年1月霾的实际记录为0,偏差率为100%

    (4)通过定时观测时次的能见度、相对湿度,以及日天气现象记录,可以得到历年按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾天数,实现对历史资料序列的订正。

需要强调的是采取定量化指标作为雾霾判识标准,将大大减少各观测站的习惯偏差和观测员的人为误差。但是不能机械的硬套判识指标,判识标准的改变实质是观测方法的改变,应该开展方法改变前后观测记录的对比分析和评估。根据云南特殊的地理环境,省内地形起伏,高差悬殊,多森林和山地,早晚温差大,湿度大,是云南早晚多轻雾和雾形成的原因,风大也是云南不易形成霾的特点,但随着城市建设的发展及生态环境的破坏,霾出现的机率也在增加。

    云南所有台站2016年全部实现能见度自动观测,视程障碍现象由软件自动判识,《地面气象观测业务技术规定(2016版)》对霾的记录进一步作了规定,正点时次的现在天气现象(wwW1W2中的ww)为霾且持续6个(含)以上时次[4],按规定由软件自动订正记录霾天气现象段。这就避免了相对湿度在霾判识标准上下波动时轻雾与霾频繁转记的情况出现,使霾的记录更趋合理。

 

 

参考文献

1 中国气象局.霾的观测和预报等级.北京:气象出版社,2010.1

2 杨志彪.霾观测判识标准定量化对雾霾观测记录的影响分析.北京:第三届全国气象观测技术交流会文集,2013.4

3 中国气象局.地面气象观测规范.北京:气象出版社,2003.23-24

     4 中国气象局综合观测司.《地面气象观测业务技术规定(2016版)》,2016.2

 

    

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