高速公路雾图像能见度的监测与识别方法研究

基于高速公路雾图像能见度识别的方法,对采集到的高速公路雾天气图像进行预处理,选出与能见度相关性较高的图像特征、监测因子、兴趣窗格,采用机器学习方法,探索图像特征与雾天气能见度之间的关系,构建雾天气能见度二元线性回归模型,并对监测模型输出结果进行验证。结果表明:(1)饱和度的均值、色度的方差与能见度相关性较高。饱和度和色度是能见度监测的关键性因素,而不是颜色。(2)通过划分不同的能见度等级,基于随机森林算法对图像能见度进行判定,该模型分类准确率达到90%,对图像的能见度区间判定具有较强的分类能力;(3)构建不同能见度等级的二元线性回归模型,对能见度预测准确率较高,预测值均在正确范围内,其中70%的预测值很接近真实值。

基于视频分析的公路能见度监测方法

在现场安装自带光源的特制靶标,通过摄像机采集含有靶标区域的视频图像,输入到工业计算机经靶标位置识别、角度校正等预处理后,提取靶标区域图像的视觉特征信息,并利用事先构建的特征信息到能见度距离的映射模型,实时计算公路能见度取值,达到全天候动态监测公路能见度的目的。

郑州市冬春季相对湿度和PM_(2.5)的关系

【目的】探究郑州市2019—2023年冬春季(11月至次年4月)PM_(2.5)浓度与相对湿度的关系,为开展城市PM_(2.5)监测和道路洒水作业提出建议。【方法】基于PM_(2.5)浓度及湿度、风速、降水、气温等气象观测数据,在STATA软件中建立多元逻辑回归模型,设定参照组,分析PM_(2.5)随相对湿度的变化趋势。【结果】2019—2023年冬春季郑州市PM_(2.5)均值由72.41μg/m^(3)降为61.42μg/m^(3),降幅为15.2%。在相对湿度低于80%时,随着相对湿度增大,PM_(2.5)出现在较高浓度区间的概率也增大,且该结果具有统计显著性。【结论】空气中的水分会促进PM_(2.5)前体物生成二次颗粒物,并导致细颗粒物吸水进而增加重量,但相对湿度过高时可能由于降雨冲刷而导致PM_(2.5)浓度下降。建议在进行PM_(2.5)监测时充分剔除湿度对测量值的影响,在道路洒水作业前也要全面考虑气象条件及大气污染状况。

1971-2022年河南省水汽压与能见度的时空分布及其关联

为探究河南省水汽压和能见度的时空分布特征和相关性,利用1971-2022年河南省118个国家级气象站的日最高水汽压和日最小能见度数据,分析了河南省年平均最高水汽压和最小能见度的时空变化特征及二者的相关性。结果表明:(1)年平均最高水汽压呈显著上升趋势,其气候倾向率达0.25 hPa/10a;最高水汽压在1998年发生由低到高的突变;豫中南、豫东及豫北水汽压上升最为显著;最高水汽压变化幅度大值区主要位于豫中南大部、豫西南部分县市。(2)年平均最小能见度呈显著下降趋势,其气候倾向率为-0.56 km/10a;最小能见度在2014年出现下降突变;豫西、豫西南、豫北部分县市及商丘、信阳局部能见度下降显著,变化幅度较大。(3)河南省大部分地区年平均最高水汽压与最小能见度存在显著的负相关(区域平均相关系数约为-0.41),水汽压升高(降低)易引起能见度降低(升高)。

新一代静止气象卫星对浙江省金丽温高速公路低能见度识别的研究

利用浙江省地面观测数据和新一代静止气象卫星数据,通过逻辑回归(LR)、线性判别(LDA)、K近邻算法(KNN)、决策树(CART)、高斯贝叶斯(NB)和支持向量机(SVM)6种机器学习算法针对浙江省金丽温高速公路进行低能见度识别建模,并运用多种评估方法评估模型结果,显示SVM算法模型效果较好,且针对小于1000 m的能见度天气有较好的识别。进一步结合地面观测数据和卫星数据建立识别模型,发现效果优于单一来源的数据建模,一般以KNN算法建模效果较好,且在对浓雾、强浓雾的识别中,结合地面和卫星数据的模型识别效果更好。针对单一数据利用SVM算法,结合地面和卫星数据选择KNN算法再对金丽温高速公路的大雾过程进行识别,显示新一代静止气象卫星数据的模拟效果不差于地面观测数据模拟效果,且能够识别夜间和凌晨的雾,对地面观测识别可作为有效补充,将对省内没有地面气象观测的低能见度识别和短临预测有一定辅助参考作用。

大气能见度影响因子对石河子市冬季最高、最低气温的影响研究

统计石河子市2011年11月至2022年2月的日最高、日最低气温、相对湿度和空气质量指数等能见度影响因子资料,使用统计方法进行分析。结果表明:单相关分析冬季气温与空气质量指数和相对湿度呈负相关,与最小能见度和前日最高、前日最低气温以及克拉玛依850hPa08时温度呈正相关。对日最高气温的影响排序为:前日最高>前日最低>相对湿度>克拉玛依850hPa08时温度>最小能见度>空气质量指数;对日最低气温的影响排序为:前日最低>前日最高>空气质量指数>最小能见度>克拉玛依850hPa08时温度>相对湿度。多元线性回归分析结果表明,冬季最高气温与空气质量指数和相对湿度呈负相关,与其他四个因子呈正相关。各因子对日最高气温的影响排序为:850hPa08时温度>相对湿度>空气质量指数>前一日最低气温>前一日最高气温>最小能见度。冬季最低气温与空气质量指数和前一日最高气温呈负相关,与其他四个因子呈正相关。各因子对最低气温的影响排序为:850hPa08时温度>前一日最低气温>相对湿度>前一日最高气温>空气质量指数AQI>最小能见度。

2016—2021年内蒙古低能见度日数时空变化特征及影响因素分析

文章根据内蒙古地区119个自动气象站能见度、各类天气现象、气象要素等观测资料,对内蒙古地区低能见度日数时空变化特征以及影响因素进行统计分析,得出以下结论:全区低能见度频发的地区主要在呼伦贝尔市东北部、通辽市南部、赤峰市西南部、锡林郭勒盟西南部、巴彦淖尔市东部等;冬季发生低能见度的日数更多,发生频次最高的地区位于巴彦淖尔市乌拉特前旗;内蒙古中东部地区的雨、雪、雾(包括雾和轻雾)天气、内蒙古西部地区的沙尘(包括沙尘暴、扬沙和浮尘)天气很大概率会导致能见度降低;另外发现能见度与相对湿度呈现负相关关系,即相对湿度越大,能见度越低,且当风速满足0~3 m/s的微风状态时极易发生低能见度情况。

青岛地区一次雾—霾过程能见度特征及影响因素分析

利用2021年11月16—20日青岛、平度、黄岛、胶州站的能见度等气象数据和邻近环境监测站PM 2.5浓度及水溶性离子浓度等观测数据,分析了雾—霾过程中能见度的动态变化特征及其影响因素。结果表明:2021年11月16—20日青岛整个雾霾过程大致经历了轻雾→干霾→湿霾→干霾→湿霾→干霾→湿霾→轻雾的转换,地理位置差异导致内陆站点未经历轻雾阶段且霾阶段开始时间较沿海站提前8 h。雾、霾过程大气层结稳定且有一定的湿度条件,地面风速≤2 m·s^(-1),垂直运动速度0.0~0.5 Pa·s^(-1)。偏东风携带的大量水汽、>80%的湿度层变化是干霾、湿霾转化的重要因素。能见度随PM 2.5浓度、相对湿度的增加而逐渐下降,相对湿度增大时能见度与PM 2.5浓度的相关性减小,湿霾较干霾阶段PM 2.5浓度升高14.1%,能见度下降47.4%,霾转化为雾后能见度降低7.6%。在干霾阶段能见度的变化主要受PM 2.5浓度的影响;在湿霾阶段能见度受PM 2.5浓度和相对湿度的共同影响;在雾阶段能见度主要受相对湿度的影响。霾阶段SNA(SO_(4) ^(2- )、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+))浓度、SOR(硫氧化率)、颗粒物中液态水含量随污染等级升高逐渐增加而能见度逐渐降低。从后向轨迹分析可以看出,霾期间气团从内陆起源经江苏、河南等地到达青岛污染程度深,雾期间气团经沿海地区到达青岛湿度大、污染程度小。

天津地区低能见度时空特征及其在高速公路气象服务中的应用

利用2017—2020年天津地区交通自动气象站、国家级地面气象观测站、部分区域自动气象站的能见度和降水量观测资料,分析了对高速公路交通安全产生较大影响的低能见度时空特征及其与降水的关系,进而给出各高速公路低能见度风险等级及对应的关键服务期。结果表明:天津地区低能见度年均日数为22.1 d,空间分布差异明显,北部出现频率最多,西部、南部次之,东部最少。低能见度大多集中在9月至翌年2月,且出现频率夜间高于白天,通常在06时前后达到最大。夏季降水对低能见度产生有明显影响,7—8月受降水影响的低能见度约占全部的47.1%,集中发生在13—15时和19时至翌日08时两个时段。低能见度风险等级较高的高速公路约占全部的57.1%,不同高速公路的重点关注路段和关键服务期也有明显差异。

郑州市道路绿地乔-灌型植物配置对大气颗粒物的影响

为研究城市道路不同植物配置模式对大气中PM2.5和PM10浓度的削减作用,以郑州市建设路为研究对象,选取4种乔-灌型植物配置,采用便携式颗粒物检测仪器(CW-HAT200S)及气象仪(Kestrel 5000)测定其PM2.5、PM10浓度和气象因子,分析乔-灌型植物群落对PM2.5和PM10浓度在垂直空间和水平空间的削减作用。结果表明,道路环境下PM2.5和PM10浓度在垂直方向和水平方向的日动态变化规律表现较为一致,均呈“U”型,早晚高,中午低;颗粒物浓度与温度、风速呈显著负相关,与湿度呈显著正相关;削减率与温度、风速和湿度的相关关系不明显。乔木枝下高较低、有多层高度的配置形式对颗粒物的削减更有效果,群落配置“美人梅+红叶石楠+黄杨”在垂直方向上削减效果最好,群落配置“悬铃木+海桐+构骨”在水平方向上削减效果最好。

基于MODIS数据的新疆大气气溶胶光学厚度时空变化分析

利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)大气气溶胶光学厚度产品数据,采用三角剖分算法、最近邻点搜索、插值法和趋势分析法,分析新疆气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)时空变化。结果表明:(1)新疆AOD总体呈下降趋势且地域差异明显,南疆AOD明显高于北疆,高值区主要集中在塔里木盆地边缘和天山北坡经济带。(2)北疆AOD年际变化不明显。2014年最高,2005年最低,年均值在0.15~0.18。南疆则呈明显的年际变化。最高值出现在2006年,为0.42;最低值出现在2017年,为0.22。(3)新疆AOD呈明显季节变化特征。春季最大,秋季最小。(4)2003—2019年南疆环塔里木盆地北部、东南边缘和北疆沿天山北坡经济带AOD增量明显。

华东地区能见度时空变化特征及影响因子分析

为探究华东地区能见度变化情况,利用1973—2020年的能见度数据、2014—2019年的气象要素和污染物浓度数据,采用趋势分析、经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解、相关分析的方法,分析了能见度时空变化特征及影响因子。结果表明:(1)1973—2020年能见度呈显著(p<0.01)下降趋势,变化倾向率为-1.315 km/10a,季节之间存在差异,夏、秋季能见度下降速率较大分别为1.681 km/10a、1.443 km/10a;冬、春季下降幅度相对较小分别为1.092 km/10a、1.091 km/10a。其中,1973—2012年能见度呈显著(p<0.01)下降趋势,变化倾向率为-1.204 km/10a,2013—2020年能见度呈不显著(p>0.05)增加趋势,变化倾向率为2.229 km/10a,近8年(2013—2020年)来能见度存在明显改善。(2)华东地区南部、北部能见度较好,中部能见度较差。EOF分解第1模态表明华东地区能见度整体变化趋势一致,第2模态具有明显的区域差异。(3)能见度与相对湿度、PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、NO_(2)均呈负相关,与O_(3)质量浓度呈正相关,相对湿度是对能见度下降影响最大的因子,其次是PM_(2.5)质量浓度。气温和气压与能见度的关系存在较强的不确定性。

池州市大气能见度与气象条件的关系

利用池州市2016—2021年大气能见度和地面常规气象观测资料,统计分析了池州市大气能见度与气象要素之间的关系。结果表明:池州市能见度以夏季最好,冬季最差,一天4个时次里以02:00最低,08:00次之,14:00能见度最好;四季4个时次大气能见度与相对湿度相关性最好,其次是与24 h变湿的相关性,且均为负相关。相对湿度≥95%、地面风速≤2 m/s,以及东北风和西南风条件下有利于池州出现低能见度。

地面气象自动观测背景下北京地区能见度时空变化特征研究

文章利用北京市20个国家级地面气象观测站2016—2020年自动观测的逐小时能见度资料对全市各地区能见度的时空变化特征进行了详细研究;阐述了北京地区能见度与其他气象要素的关系,最后得出结论,为进一步掌握能见度的时空变化特征,了解能见度与其他要素的联系提供依据。

能见度观测方式改变对京津冀地区雾霾判识及统计的影响分析

将京津冀地区177个自动站2000-2020年地面资料分为2000-2013年(目测)、2014年(目测与器测)和2015-2020年(器测)3个阶段对能见度进行对比分析。定义冷季为11月至翌年4月,暖季为5-10月。结果表明:能见度年平均值在08时和14时绝大多数站点器测值小于目测值。冷季月平均能见度08时器测低于目测,14时差别较08时明显缩小;暖季08时器测总体低于目测,但两者差异小于冷季,5月差异最小。2014年,在雾霾多发的1-4月,08时和14时器测能见度明显小于目测,在雾霾较少的5-12月,半数以上器测能见度大于目测。能见度小于12 km时,器测小于目测,12 km以上时器测大于目测,能见度小于1 km时器测接近目测。能见度和相对湿度呈反相关。当能见度小于0.5 km,目测和器测的相对湿度为93%~96%,但随着能见度的增大,器测更为分散。能见度转为器测后,雾和霾次数明显增加,霾更明显。京津冀地区雾器测和目测高发区均位于京广铁路沿线,但霾高发区是从中南部太行山到平原过渡的浅山区东移到京广铁路沿线。

武汉大气能见度与PM_(2.5)浓度及相对湿度关系的非线性分析及能见度预报

武汉作为中部地区高湿度代表城市,大气污染严重,霾天气多发,但有关该地区大气能见度与PM_(2.5)浓度及相对湿度(RH)的定量关系尚不明确。利用2014年9月—2015年3月武汉地区逐时能见度、相对湿度及颗粒物质量浓度观测数据,研究分析了武汉大气能见度与PM_(2.5)浓度及相对湿度的关系,并进行能见度非线性预报初探,得到以下结论:武汉霾时数发生比例高,霾的发生和加重是能见度降低的主要原因;能见度降低伴随大量细粒子产生和累积,这是武汉大气能见度恶化的重要诱因。细颗粒物浓度与相对湿度共同影响和制约大气能见度变化,高湿高浓度时能见度显著下降,湿情景下(RH≥40%),能见度恶化主要是由湿度增高诱使细颗粒物粒径吸湿增长导致其散射效率增大造成的。当RH>90%时,能见度随湿度升高成线性递减,相对湿度每升高1%,武汉平均能见度降低0.568km。而干情景下(RH<40%),能见度迅速降低的关键因素是PM_(2.5)质量浓度升高。在城市大气细粒子污染背景下,能见度与相对湿度成非线性关系,这主要与PM_(2.5)对能见度的影响及吸湿性颗粒物的散射效率变化有关。PM_(2.5)浓度与能见度成幂函数非线性关系,80%≤RH<90%湿度区段下相关性最强。PM_(2.5)浓度对能见度的影响敏感阈值是随着湿度升高而减小的,干情景下能见度10km对应的PM_(2.5)浓度阈值为70μg/m^3,湿情景下该阈值为18—55μg/m^3。当PM_(2.5)质量浓度低于约40μg/m^3时,继续降低PM_(2.5)可显著提高武汉大气能见度。预报试验表明,基于神经网络方法建立大气能见度非线性预报模型是可行的,预报能见度相关系数为0.86,均方根误差为1.9km,能见度≤10km的TS评分为0.92。网络模型具有较高预报性能,对霾的判别有较高准确性,为衔接区域环境气象数值预报模式,建立大气能见度精细化动力统计模型提供参考依据。

降水现象对大气消光系数和能见度的影响

大气中各种粒子对大气消光系数和能见度有不同程度影响,除气溶胶粒子外,降水粒子对能见度影响也不可忽视。为了解降水粒子对能见度的影响,确定能见度变化与降水现象之间的关系,该文在分析降水粒子的大小、速度、形状、谱分布、光学特性等特征的基础上,忽略气溶胶粒子的影响,建立基于实测谱分布的降水与能见度的理论模型,讨论不同类型降雨、降雪对大气消光系数和能见度的影响。同时选取Parsivel降水粒子谱仪在南京地区的降雨和降雪观测记录,利用实测数据来对比验证本文所建立的降水-能见度理论模型。结果表明:能见度随着降水强度的增大呈指数降低;受降水粒子特性和天气条件等多种因素影响,能见度与降水强度之间的关系并不是唯一对应的;降雨和降雪对能见度的影响各不相同,相比而言,降雨对能见度的影响比较容易确定,而降雪对能见度的影响比较复杂,主要因为雪花或冰晶的类型复杂多变,对大气消光系数有不同程度的影响。结合理论分析和实测数据对比验证,降水现象对能见度的影响得到了证实。

南岭山地高速公路雾区能见度预报系统

在研究南岭山地浓雾的气候规律,开展了2次多学科综合野外观测,对典型个例进行了天气学分析、雾的宏观结构特征分析、雾的微物理特征分析,在利用数值试验分析了雾生成的物理机制等研究的基础上,研制开发了4种南岭山地京珠高速公路云岩雾区的能见度预报方法,包括：中尺度数值模式产品释用方法、结构预测方法、天气学指标预报方法和动态统计预报方法；并研制了相应的自动化程度高的预测预报系统,与京珠高速公路粤境北段通车同步投入准业务运行,使用雾区路段的5套自动气象站和能见度仪资料,制作的集成预报结果为高速公路行车安全提供服务,经过各种方法的独立预报检验和准业务运行服务的预报结果检验,预报准确率比较高,提供服务的集成预报准确率可达83．3%。

大气能见度研究

回顾总结了国内外有关大气能见度的理论研究、仪器观测和数值模拟方面取得的成果;介绍大气能见度研究的基本理论、消光系数的概念及计算方法;总结了几种白天大气能见度探测仪的使用原理及优缺点;介绍测量夜间大气能见度和数字摄像法探测大气能见度的方法;并着重介绍4种计算与雾有关的大气能见度的经验公式,基于2004年4月11日黄海海雾个例的RAMS模式数值模拟结果,采用4种方法分别计算了大气能见度的分布并进行了比较。总结出大气能见度研究中存在的问题和今后研究的主要方向,并针对其中仍然存在的问题提出一些建议。

杭州市区相对湿度及PM_(2.5)对能见度的影响分析

利用杭州国家基准气候站2011—2013年的环境气象资料,对相对湿度(relative humidity,RH)、颗粒物质量浓度与能见度(V)之间的对应关系进行统计分析,结果表明:杭州市区颗粒物的吸湿性增加比较明显,当RH≥80%时,相对湿度对能见度的影响十分明显,而在干霾过程中,PM2.5质量浓度对能见度的影响程度大于相对湿度对能见度的影响程度.其次是能见度与PM2.5质量浓度呈指数对应关系,RH<80%时的相关性好于RH≥80%时的相关性;三是PM2.5浓度的减少对能见度的改善效果有不同的阶段性,PM2.5浓度从150μg·m-3降到75μg·m-3时,其质量浓度的减少对能见度的改善效果不很明显,当PM2.5质量浓度小于50μg·m-3时,能见度随PM2.5质量浓度的降低而快速上升.此外,从高时间分辨率气象资料可以反映出由于辐射冷却引起的多次雾霾转换过程中能见度变化特征具有很高的相似性.