卫星遥感在河北省生态环境监测中的应用

一、前言地球上凡是高于绝对零度的物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量,其中电磁波是一种被人类广泛认识到的形式,随温度升高,放出的电磁波波长越短,因此不同物体的电磁波特性是不同的~([1])。遥感技术是20世纪60年代根据电磁波理论兴起的一种探测技术,应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理、成像,从而揭示目标物特征、性质及其变化规律~([1])。近年来随着火箭、通信、光学成像等学科技术的发展,卫星遥感技术应用得到了蓬勃发展。

河北省南部臭氧重污染事件中臭氧垂直分布与气象因素分析

近年来臭氧污染已成为影响河北南部春夏季空气质量的突出问题,探究臭氧重污染事件及气象因素特征对该地区大气环境精细化治理和防控有重要意义。选取2017、2019、2022年春末夏初发生在河北南部的3次臭氧重度污染事件(简称“个例1”、“个例2”、“个例3”),利用环境监测数据和再分析资料对重污染事件特征及气象因素进行对比分析。结果表明:3次臭氧重污染事件期间臭氧质量浓度在垂直方向上均呈S状分布;随高度增加特征层臭氧质量浓度日变化的特征逐渐减弱。3次污染事件均有平流层臭氧侵入,个例1和个例3侵入高度较高,对重污染日贡献较小,个例2平流层臭氧侵入高度更低。温度与臭氧质量浓度的日变化为正相关,个例3各高度层温度最高;相对湿度与臭氧质量浓度的日变化呈负相关,湿度越小臭氧质量浓度越高。中低层上升运动越强,高质量浓度臭氧伸展高度越高。近地面夜间以辐合上升运动为主,有利于将地面高质量浓度臭氧抬升到对流层低层;白天以辐散下沉为主,残留层较高质量浓度臭氧通过垂直扩散作用增加了地面臭氧质量浓度。

河北省雾凇和雨凇气候特征及气象条件分析

利用1980—2009年河北省142个气象站的雾凇、雨凇资料、河北省南部94个气象站的地面观测资料和邢台探空资料,分析了河北省雾凇、雨凇的时空分布特征;利用箱线图分析了河北省南部适宜雾凇、雨凇出现的温度、湿度和风速等气象条件。结果表明:(1)在空间分布上,雾凇、雨凇主要出现在河北省南部,东部平原多,西部山区少;在时间分布上,雾凇、雨凇均出现在11月至次年3月。(2)适宜雾凇出现的气象条件是雾日并且气温在-7.2～-3.1℃之间、相对湿度≥92%、风速≤1.2 m·s^(-1);雾凇出现时,95%的情况出现了逆温层。(3)适宜雨凇出现的气象条件是雨日并且气温在-4.1～0℃之间、相对湿度≥87%;雨凇出现时均有逆温层出现。(4)雾凇、雨凇高值区的相对湿度明显高于低值区,因此相对湿度大是雾凇、雨凇高值区形成的主要原因。

河北省输电线路舞动特点及气象因素分析

利用2007—2010年河北省发生的9次输电线路舞动故障资料和代表气象站的观测资料,分析了输电线路舞动的时空分布特点;从降水、气温、平均相对湿度、风速等方面研究了影响输电线路舞动的气象条件;对导致输电线路舞动的天气过程、环流背景和冷空气路径进行了详细的分析。结果表明:河北省有2个输电线路舞动高发区,分别在蔚县和沽源;输电线路舞动出现在雨、雨夹雪或雨转雪的天气条件下,气温经历(或接近)0℃(最高气温≥0℃、最低气温≤0℃),平均相对湿度≥70%;在平原地区,平均风速≥4 m/s,最大风速≥7 m/s,在山区风速条件较平原低;输电线路舞动前后风速存在短周期的高频变化;输电线路舞动产生在地面等压线密集的区域,舞动区域与冷空气路径有关。

河北省棉花连阴雨灾害的时空分布特征及其未来变化趋势的研究

利用1971-2020年河北省棉花种植区气象资料和棉花生长观测资料,采用线性分析、Mann-Kendall分析、重标极差分析(R/S)、非周期循环分析等方法,分析了棉花连阴雨灾害的时空分布特征和未来的变化趋势。结果表明:连阴雨危害河北省棉花生长的主要时段为6月下旬-9月上旬,其中,以7月上旬-8月中旬的危害最突出;棉区以花铃期连阴雨的站次和强度最大,现蕾期和吐絮期次之,播种期最小,其中,保定南部、衡水西部、石家庄、邢台、邯郸棉区以花铃期和吐絮期的连阴雨为主,其他棉区以花铃期和现蕾期的连阴雨为主;以邯郸、邢台、衡水南部、石家庄西部、保定中西部、唐山和秦皇岛两市北部棉区连阴雨的站次较多,其他棉区连阴雨的站次相对较少;连阴雨日数和阴雨日的日照时数在1989年出现明显的突变,之后,阴雨日数进入高值期、阴雨日的日照时数进入低值期,这导致了连阴雨的站次在1990年之后明显增多;近50年来的阴雨日数显著上升、阴雨日的日照时数显著下降,未来10年的变化趋势与过去50年的基本一致,并存在一个9~11 a的循环周期,这导致了棉花连阴雨的站次在近50年来显著上升和未来10年左右仍呈上升趋势。因此,随着未来连阴雨灾害风险的增加,应加强防御措施的准备工作。

河北省致电网事故的气象灾害特征及风险评价

利用1983~2008年河北省灾情直报数据,对造成河北电网安全事故的气象灾害进行统计。大风、暴雨、雷电是造成河北省电网安全事故的主要气象灾害,占事故总数的98.5%。致电网安全事故的气象灾害主要出现在夏半年5~9月,且年变化显著。应用气象灾害风险指数方法,对与电网事故有关的气象灾害进行风险评价,分为高、中、低3个风险等级。结果表明：致电网事故的气象灾害高风险区集中在燕山南麓的唐山和太行山东麓北段的保定;中度风险区出现在太行山东麓中南段的邢台、邯郸,还有沿海的沧州地区。中高风险区主要集中在受地形影响局地强对流天气较多的区域,还有沿海多大风的地区。

1981─2020年河北省基于SPEI的干旱变化特征分析

基于1981─2020年河北省138个气象站点的逐月降水和气温数据,计算了不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),并利用Sen趋势分析、Mann-Kendall检验及反距离权重插值等方法,分析了河北省近40年干旱的时空变化特征。结果表明:1981─2020年河北省月、季、年尺度的SPEI值均呈下降趋势,且随着时间尺度的加大,发生干旱的频率下降,持续时间延长。春季、夏季和年际的SPEI值均呈下降趋势,秋季和冬季的SPEI值均呈上升趋势。2016─2020、2011─2020年春季和冬季均处于变湿状态,夏季和秋季均处于变干状态。2011─2020年河北省大部分地区呈干旱状态。不同年代季尺度和年尺度的干旱频率整体上呈增加趋势。河北省发生的轻、中度干旱事件多于重度以上干旱事件。20世纪90年代、21世纪10年代SPEI值减少区域的占比大。20世纪80年代、21世纪00年代SPEI值增加区域的占比大。

CMPAS融合降水产品对河北省“23·7”极端暴雨的表征能力分析

选取河北省2023年7月28~31日极端暴雨事件(简称“23·7”极端暴雨),采用相关系数、多种误差指标以及客观评分指标,综合解析中国区域高时空分辨率多源融合降水近实时实况分析产品(Chinese Meteorological Administration Multi-source Merged Precipitation Analysis System,CMPAS)对河北省“23·7”极端暴雨的表征能力,研究发现:CMPAS融合降水数据对地面观测降水的表征能力较好,能较为准确地刻画地面降水强度、范围以及暴雨中心落区,且降水量级越大、落区越集中,刻画效果越好,但仍存在高估降水低值和低估降水高值的情况;CMPAS融合降水产品在低海拔、地势平坦地区的表征能力更好,随海拔高度的增加,误差也随之增大。总体来说,CMPAS融合降水产品对于大雨及以下量级降水强度、落区以及暴雨中心落区的刻画较为精准。另外,在灾害性天气发生时,对于无法获取观测站点降水资料的地区,CMPAS融合降水产品可作为站点实况的有效补充。

河北省高速公路交通事故与气象条件定量关系研究

利用2015年12月至2018年11月河北省高速公路交通事故资料及气象观测数据开展了两者间的定量关系研究。河北省高速公路交通事故呈夏秋季明显多于冬春季、白天明显多于晚上的时间变化特征,其中8月、10月,09:00—11:00、14:00—17:00分别是月际变化和日变化的高峰时段;石家庄藁城区和唐山丰南区为高速公路交通事故发生最多区(县)。以石家庄地区为代表,利用Spearman秩相关和曲线拟合分析了高速公路交通事故发生起数与不同气象要素的响应关系,发现高速公路交通事故发生起数对气温的响应存在明显阈值效应,日平均气温、日最高气温、日最低气温的阈值分别为20℃、25℃和15℃。日最小相对湿度超过80%时,每上升1%,事故发生的相对危险度增加3. 77%;日最大小时降水量每增加10 mm,事故发生相对危险度增加18. 8%;当能见度低于1000m时,能见度每增加100 m,高速事故发生相对危险度减小4. 14%。

考虑蓄滞洪区的极端降水过程影响评估方法研究——以河北省“23·7”暴雨过程为例

利用河北省1978~2020年暴雨过程,结合直接经济损失与受灾人口的损失数据,筛选出了持续日数、过程降水量、平均降水量和最大日降水量4个与损失呈极显著相关的致灾因子指标,方法更具客观性和实用性。通过对比4种赋权法构建了致灾强度指数,改良相关系数法赋予权重分别为0.188、0.312、0.208和0.292,结果更符合主观认知。采用地形和水系因子构建孕灾环境敏感度指数,评估出2023年7月29日至8月2日河北省暴雨过程(简称“23·7”极端降水过程)的危险度呈中部高、北部和东部低的特征,保定和雄安新区最高。考虑蓄滞洪区是否启用,基于距蓄滞洪区远近计算了蓄滞洪区的影响指数,评估因素较以往研究更为全面。结合承灾体暴露度及脆弱性,对“23·7”极端降水过程开展了影响评估。结果表明:“23·7”极端降水过程对邢台中部、保定中东部、石家庄中西部、廊坊中部及北部、衡水与沧州交界处的影响最重。将是否考虑蓄滞洪区影响的两种结果与实际灾情对比验证,结果显示考虑蓄滞洪区影响的评估命中率为76.93%,较不考虑蓄滞洪区影响命中率高9.41%,该方法评估过程可操作性强,结果更符合实际,适用于河北省极端降水过程影响评估,可应用于过程前的灾害影响预估,过程中的跟踪分析以及结束后的快速评估业务,提高气象服务针对性。

基于关键气象因子的河北省马铃薯产量预报

基于1983—2019年河北省马铃薯产量数据及同期河北省21个气象站逐旬平均气温、降水量、日照时数,采用因子膨化及相关分析方法,确定影响河北省马铃薯产量的关键气象因子,建立马铃薯产量预报模型,并利用预报模型对1983—2015年马铃薯产量进行回代检验,对2016—2019年马铃薯单产进行预报。结果表明:马铃薯产量对7—9月的气温、日照时数比较敏感,且气温对马铃薯产量的影响大于日照时数。各起报时间预报产量趋势回代检验正确率为75.7%~91.7%,预报产量回代检验准确率为83.6%~91.4%;2016—2019年历年产量预报准确率为83.5%~95.3%,且随着起报时间的后移,预报准确率逐渐提高。

基于产量历史丰歉气象影响指数的河北省马铃薯产量预报

马铃薯是河北省主要种植作物之一,其生长发育和产量形成与气象条件密切相关,开展马铃薯产量预报对河北省粮食安全具有重要意义。利用河北省1982—2018年马铃薯产量数据、主产区24个气象站逐日气象资料,分别用大概率法和加权平均法预报河北省马铃薯单产。产量预报模型对2001—2015年马铃薯产量预报试验。结果表明,利用大概率法和加权平均法预报单产丰歉气象影响指数增减趋势平均准确率分别为62.2%和88.9%,定量预报平均准确率分别为84.2%和90.2%。对2016—2018年河北省马铃薯单产预报检验结果表明,大概率法在3 a的9次预报中单产丰歉气象影响指数增减趋势有4次预报错误,加权平均法仅有1次错误;大概率法和加权平均法的平均定量预报准确率分别为86.9%和97.4%。加权平均法预报准确率高于大概率法,说明加权平均法更适用于河北省马铃薯产量预报。

基于房屋承灾体的河北省暴雨孕灾环境地理分区

利用河北省1984-2014年各县市暴雨洪涝灾情案例,统计分析了暴雨导致房屋损坏的时空分布特征。以房屋为承灾体,选取土地利用类型、地形和居民地等地理要素作为指标,基于K-mean聚类分析法对河北省暴雨孕灾环境条件进行分区。结果表明:(1)1984—2014年,暴雨导致房屋损失间数与灾情案例5日累积降水总和的逐年变化趋势基本一致。房屋受损灾情次数总体呈现北多南少的特征。(2)草地主要分布在太行山-燕山山脉,林地主要在承德、张家口东南部、保定西部和石家庄西部,东南部平原的农用地占比在0.8以上,水域在冀东沿海、张北和沽源以及西部大清河水系的占比较大。冀北高原和太行山-燕山山脉地形起伏较大,区域标准差在100 m以上。居民地密度自西北向东南逐渐增大,平原的市辖区附近居民地密集。(3)Ⅰ区为临海平原区,易受强降水影响;Ⅱ区为山前平原区,草地、林地有所增加;Ⅳ区(西部低山区)农用地比重比Ⅲ区(北部高山区)大;Ⅴ区为内陆平原区,降水较少。

河北沧州鸭梨生长期主要气象灾害变化特征及其对产量影响的量化分析

利用沧州市鸭梨主产区气象观测资料、鸭梨生长期资料和产量数据,采用气候倾斜率、Mann-Kendall突变检验、多元线性回归等方法,分析了沧州市鸭梨生长期主要气象灾害变化特征及其对产量形成的贡献率。结果表明:近50年来,花期冻害趋势减轻,频次和强度分别在1995年和2002年前后发生突变,呈显著减少和减弱趋势;花期连阴雨趋势减轻,尤其21世纪以后呈显著减轻趋势;21世纪以后,果实膨大期高温日数增多,极端最高气温多发,高温热害趋势加重;21世纪以后,果实成熟期日照时数显著减少,使连阴雨寡照频次明显增多,极端性增强,连阴雨灾害趋势加重;发育期冰雹灾害趋势减轻,1998年前后发生突变,呈显著减少趋势;5种主要气象灾害对鸭梨产量形成的影响权重排序依次为:发育期冰雹>果实膨大期高温热害>果实成熟期连阴雨>花期冻害>花期连阴雨。

河北省马铃薯不同产量预报方法对比分析

选用1982—2022年河北省17个基本气象观测站逐日资料、马铃薯产量数据以及生育期资料,应用3 a滑动平均法、5 a滑动平均法、五点二次平滑法、Hodrick-Prescott滤波法和二次指数平滑法对马铃薯产量进行分离计算,应用关键气象因子法和气候适宜度法对马铃薯产量进行模拟和检验,分析拟合产量与实际产量的相关系数、均方根误差以及预报准确率等。结果表明:5种产量分离方法的趋势产量总体变化较为一致;气象产量年际波动较大,各气象产量间差异也较大。在基于关键气象因子法和气候适宜度法的产量预报中,均为二次指数平滑产量分离法最好,HP滤波法次之,3 a滑动平均法较差。

河北省冷棚大球盖菇起始种植时间区划研究

为探索河北省冷棚大球盖菇最佳起始种植时间,分析连续3年的冷棚内外气温数据得出大球盖菇起始种植气温指标,利用河北省近30年气温资料绘制适宜种植起始日期区划图,利用气温倾向率和Morlet小波分析进行波动性和周期分析。结果表明,河北省冷棚大球盖菇起始种植气温指标为棚外最高气温降至27℃以下;1991—2020年河北省冷棚大球盖菇起始种植时间日序257~274,平均265,逐年呈显著的推迟趋势(P<0.01),倾向率1.01d/10年;河北省冷棚大球盖菇起始种植时间整体从北到南、自西向东逐渐推迟。张家口市张北县开始最早,日序222,可于8月10日开始种植,邯郸市南部开始最晚,日序277,10月3日才可开始种植;冷棚大球盖菇起始种植时间存在明显的周期变化,表现为平缓-剧烈-平缓,10年左右的周期振荡最强,为第1主周期,第2主周期为4年。开展冷棚大球盖菇种植时间研究,可为精准种植提供科学依据。

河北环境气象智能评估系统研发与应用

基于B/S架构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)和WebGIS(网络地理信息系统),建立环境气象智能评估系统,实现减排调控效果模拟评估、源排放清单动态反演、颗粒物来源解析、气象贡献评估、运行监控管理五大功能。基于“Web”前台操控Linux系统自动运行脚本和数值模式作业,利用“云后台”集合了多源气象和环境大数据。以多种空气质量数值模式为支撑,把复杂计算封装在后台,解决了非专业人员开展数值模拟评估的技术难题。实现科研级模拟评估技术的低门槛、广应用,为减排效果模拟评估、污染物来源解析和气象条件贡献定量评估等研究性工作转向业务应用提供支撑,为省市县气象部门在削峰降污、精准治霾中发挥重要作用提供技术保障。

河北省气象灾害风险普查系统的设计与实现

为开展以县为单位的气象灾害风险与减灾能力调查而建设的气象灾害风险普查系统,承担河北省气象灾害风险普查数据标准规范制定、数据收集、处理、存储、共享任务。该系统依靠专业的GIS平台开发,前后端分离设计架构,具有分布式和事务安全特性,支持跨平台虚拟服务器部署,能够运行在主流操作系统上。系统由气象灾害风险普查Web端、气象灾害风险普查APP端、气象灾害风险普查服务系统3个业务系统和气象灾害风险普查数据库组成。通过局域网、互联网、移动互联网为省、市、县三级气象灾害防御用户单位服务,为河北省气象灾害风险信息规范采集、数据质量控制、普查成果生成提供了技术支撑。

河北省中南部典型城市臭氧污染特征及气象因素影响研究

利用2016年-2019年邢台市大气环境监测数据和气象资料,分析了邢台市近地面臭氧浓度变化及影响因素,结果表明2017年-2019年邢台市臭氧质量浓度和超标日比2016年明显增加,臭氧质量浓度表现为夏季最高,冬季最低,日变化呈单峰型分布,最低值出现在0600~0700,最高值出现在1500~1600。邢台市臭氧质量浓度与平均气温、最高气温、总辐射辐照度,平均风速呈正相关,与平均相对湿度呈负相关。当太阳辐射较强,日最高气温大于29℃,相对湿度在40%~80%之间,地面2~3级东南风时,易出现臭氧高浓度。

弱天气尺度下短时强降水环境特征和触发机制研究--以河北省廊坊市为例

利用河北省廊坊市2010—2018年5—8月地面自动站逐时降雨量、加密观测资料和北京探空资料,分析弱天气尺度下廊坊春夏季局地短时强降水时空分布特点、中小尺度触发机制和环境特征参数并归纳预警阈值.结果表明:2010—2018年弱天气尺度下局地短时强降水过程发生13次,且多发生在下午到傍晚和后半夜,大厂回族自治县发生局地短时强降水的次数最多;归纳环境参数的预警阈值,其中850 hPa比湿、700 hPa比湿、850 hPa与500 hPa温差、对流有效位能、K指数、0~6 km垂直风切变和暖云层厚度选取25%分位值作为最低阈值,取值分别是9 g/kg、5 g/kg、23℃、586 J/kg、33℃、4.3 m/s和3.2 km;500 hPa比湿、对流抑制能量和SI指数选取75%分位值作为最高阈值,取值分别是3 g/kg、141 J/kg和-0.4℃;在平直西风环流型和高压脊型两种弱天气尺度环流背景下,廊坊市短时强降水的触发机制主要有地面辐合线、负变压和热力因子.