ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性研究

以河北省7个国家级气象站为例,利用1979—2013年ERA5云量和地面实测云量数据,依国标推荐法计算混合层高度,通过公式推导出通风量和大气自净能力指数,比较两套数据的计算结果,对ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性进行了研究;采用ERA5云量计算2013年3月至2021年2月的大气自净能力指数,对其与PM2.5浓度之间的关系进行分析。结果表明:(1)两种云量资料计算的月平均混合层高度、通风量和大气自净能力指数的相对误差近似符合正态分布,主要集中在0~5%;各月混合层高度:相对误差>通风量>大气自净能力指数,相关性则相反。秋冬季的相对误差(相关系数)大都低(高)于春夏季,邢台、石家庄和保定的误差明显小于其他站。(2)利用两种云量数据计算的大气自净能力指数的多年平均相对误差最小,通风量的次之,历年值的相关性和偏差也是中南部站点的更为理想。(3)2013年3月至2021年2月,各站月平均大气自净能力指数和PM2.5浓度呈反向相关,中南部站点的相关性更为显著。

1972—2013年河北省大气环境容量的气候变化特征分析

基于河北省79个气象站地面风速、云量和降水资料,采用A值法计算了相应行政区域的大气环境容量,分析了其气候分布特征和长期变化趋势;用MK和MT法对全省大气环境总容量做了突变检验,通过EOF分解对大气容量时空分布特征进行了分析。结果表明,大气容量的年、季气候平均值的地理分布特征基本一致,均表现为张家口和承德西北部较高,中南部平原普遍低于周围山区和东部沿海区域,一年中从春到冬大气容量呈现由高到低的变化特征;1972-2013年全省大部分地区年、季大气容量呈显著下降趋势;各季大气总容量存在明显突变点,春、夏、秋、冬季分别为1983,1998,1998和1988年;EOF分析得出,年、季前两个模态反映出1972-2013年大气容量时空分布的主要格局,其中第1模态的方差贡献率占43%以上,反映出全省各区域的同相变化,对应的时间系数则表明全省大气容量存在年代际减弱的变化趋势。

渤海湾西岸海陆风特征对城市热岛响应的观测分析

利用2008年全年渤海湾西岸(天津)14个自动气象站逐小时资料和6 h一次的地面常规资料,采用统计分析的方法,研究了天津城市热岛效应对渤海湾西岸海陆风的影响。结果表明:在冷岛和强热岛条件下,渤海湾西岸海风的发生频率较低,强热岛阻碍了海风向内陆的传播;内陆站在弱热岛条件下出现最大海风的频次较高,但其海风强度与无热岛或冷岛状况下相比要小一些;城市热岛效应的出现,推迟了城市周围郊区站海风的开始时间,缩短了海风的持续时间;城市站的海风风速与热岛强度呈负相关关系,但热岛效应对陆风风速的影响较强,陆风风速在热岛强度小于2.6℃时,随着其值的增大而减小,反之则增加;当海风向内陆延伸时,热岛强度会在午后海风盛行时段内增强,并与传播到此处的海风环流叠加,导致近地层海风风速增强,并可西伸至城市中心。

渤海湾西岸海风时空演变特征观测分析

应用2008年全年天津地区14个气象站的逐小时资料和6 h一次的地面常规资料,对渤海湾西岸(天津)海风时空演变特征进行了统计分析,结果表明:2008年全年渤海湾西岸的海风盛行于春夏季的14—17时,海风发生频率的最大值出现在夏季,近海站的海风风速主要集中在2—4 m/s,且春季的海风强度最大,秋季最弱,风向主要以东和南-东南方向为主;海岸带附近建立的海风一半以上都可向内陆传播至30 km远,最大可向内陆传播70 km以远,海风强度的空间分布则呈现出近海站高于远海站,近郊站大于城市站的特点。

滑雪场建设气候条件分析

以河北省承德市围场县规划建设的滑雪场为例,采用承德地区7个气象站积雪观测资料和围场气象站1951—2011年地面观测资料,应用数理统计方法,分析了积雪、气温、风、降水和灾害天气(包括大雾、沙尘、雷暴和冰雹)等气象要素年代际变化特征,评估了围场滑雪场选址的气候适宜性、可持续发展性和气候风险性。结果表明,围场是承德区域内滑雪场建设的首选地址,该地积雪主要出现在11月至次年3月,其中11月和12月为滑雪场的最佳运营期;6—8月风效指数达到"舒适"的日数月均在20天以上,益于滑雪淡季开展其他旅游项目。此外,围场地区发生雪崩的可能性极低,灾害性天气,尤其是雷暴和冰雹,频发于滑雪旅游淡季,因此在滑雪场投入运营之后应加强滑雪淡季灾害性天气的预警和防御工作。为保证该地区滑雪场的可持续性发展,建议滑雪场建设规模不易过大,且严格限制滑雪场数量。

基于芝加哥算法的河北省四城市短历时暴雨极值特点分析

利用河北省唐山、秦皇岛、保定和邢台4个气象站1961—2014年逐分钟降雨资料,对历时120 min的年最大降雨量进行统计分析,采用模糊识别法对降雨过程进行分型,并通过芝加哥法推求出4个测站重现期2 a历时120 min的暴雨雨型。结果表明:(1)各站120 min年最大降雨量的多年变化趋势存在较大差异,其中唐山和保定两站的波动较为平缓,邢台站呈明显上升趋势,其气候倾向率最大;各站多年最大降雨量的极大值出现在1981—2014年间的个例数明显多于1961—1980年,且雨量的极端最大值均出现在1985年以后。(2)模糊识别法得到各站120 min历时降雨过程均以单峰峰值居前型为主,单峰峰值居中型次之,双峰雨和均匀型降雨过程的发生频率较低。(3)芝加哥法推求的各站历时120 min暴雨雨型均为单峰型,降雨过程的整体呈现先增大后减小的分布特点,雨峰时刻的降雨量和雨强最大,其中保定站雨峰出现时间最早,秦皇岛站最晚,保定和唐山两站的雨峰位置均超前整个降雨过程的1/3分位,秦皇岛和邢台站的则略有滞后。

唐山市区短历时设计暴雨雨型分析

利用唐山市国家基本气象站1964~2014年的逐分钟降雨资料,通过模糊识别法对历时60min、120min和180min的降雨过程进行统计分析,并分别采用芝加哥法和P&C法推求唐山市区3个历时,重现期2年以5min为单位时段的短历时设计暴雨雨型,比较分析两种方法所得结果的差异。结果表明:芝加哥法和P&C法推求的唐山市区短历时设计暴雨雨型均呈单峰型,这与模糊识别法统计的结果基本吻合;两种方法得到的60min和120min设计暴雨雨型峰值基本处于整场降雨过程的1/3分位,而历时180min的雨型峰值则均超前于整场降雨过程的1/3分位;芝加哥法和P&C法推求短历时设计暴雨雨型基本具有"单峰型、时间短、强度大"的特点,因此当短历时暴雨发生时,各相关部门应积极配合,在第一时间做好城市排水防涝工作。

基于SMARTS模式计算河北省太阳总辐射的误差分析

分析河北省13个辐射站的实测小时辐照度特征,结果表明875 W/m^(2)以上辐照度区间的辐照量占比越大,资源丰富程度越高。利用河北省13个辐射站的实测资料,对SMARTS模式计算得到的水平面太阳总辐射量进行对比检验,结果表明SMARTS模式计算值与实际观测值之间的绝对偏差在0~341.43 MJ/m^(2)之间,相对误差在-6.66%~7.41%之间,其中夏半年模式计算值偏低,冬半年模式计算值偏高;模式计算值与实测值之间相对误差近似符合正态分布,正误差出现84次,负误差出现72次,±5%之间出现的频次最多,约占48.7%,相对误差的绝对值越大,出现的频次越低。

京津冀1961—2012年暴雨日数时空演变特征

利用1961—2012年京津冀地区76个气象站逐日降水资料,通过趋势分析、相关分析、墨西哥帽小波、Cramer法、t检验等方法,分析了京津冀地区暴雨日数的时空演变特征。结果表明:全区多年平均暴雨日数为1.3天,并且存在3个大值中心,分别位于石家庄西部、承德的滦平县和邯郸的大名、曲周一带。近52年来暴雨日数呈下降趋势,但趋势不显著。年平均降水量的大小及变化趋势不仅与降水强度有关,而且与频率关系密切,强度越大且频率越高的地区年平均降水量越大,反之越小。暴雨日数在1978年和1996年产生突变。

天津地区夏季海陆风对城市热岛日变化特征影响的观测分析

应用2008年天津市14个自动气象站逐小时观测资料、北京站探空资料和天津站6h一次的地面常规观测资料,分析了2008年天津地区夏季海陆风对城市热岛日变化特征的影响。结果表明:在大气层结稳定条件下,海陆风日与非海陆风日相比,天津市热岛强度的日变化幅度增大,海风能使城市降温,削弱城市热岛强度,推迟夜间热岛的出现时间,而陆风能使夜间热岛显著增强;天津市热岛强度与海风向内陆传播的距离有密切关系,在海陆风日,当天气尺度地转风与离岸风的方向一致时,海风的传播距离较近,而当天气尺度地转风与向岸风方向一致时,海风的传播距离较远,当海风只能到达津南、东丽或宁河站时,天津市热岛强度增幅最大,随着海风传播距离的增加,热岛强度的总体增幅减小。

海陆风识别方法研究进展

对近20年国内外海陆风环流研究中主要采用的海陆风日识别方法进行了回顾总结。根据研究中所采用资料类型的不同将识别方法分为:①应用常规资料识别,②应用大气遥感资料识别,③应用数值模拟结果间接识别。在第1种识别类型中,从影响海陆风形成的主要因子入手,将海陆风日识别标准归结为6项,并分别对各项进行了具体分析;在后两类的讨论中主要评述了几种典型的海风日识别方法的优势和不足。

河北青龙板栗生长气象条件分析与气候品质认证

为了定量化评估青龙板栗生长的气象条件,获得科学、可靠的果品认证结果,本研究利用1971—2018年青龙气象站实测数据,对影响板栗生长的温、光、水等气象要素的时间变化进行分析,同时采用DTOPSIS方法,建立气象条件综合评价指标C(0<C≤1),并以2008—2018年为例,对板栗气候品质进行认证,将C值与同期的板栗品质进行对比。结果显示:1971—2018年,青龙县年平均气温显著升高、日照减小明显、降水微弱下降;年内1月最冷、降水最少,7月最热、降水最多;45.8%的年份C值≥0.5,C值越大,基本气象条件越适宜板栗生成。板栗品质等级与C值大致存在正相关关系,即果品优质的年份,C值相对较高,这对今后板栗果品的评价和预估具有很好的指示作用。

河北省太阳总辐射经验系数两种气候学计算方法的比较分析

利用河北省周边8个日射站逐月日照百分率资料和太阳总辐射资料,采用最小二乘法拟合经验系数a、b,再分别通过纬度分区和反距离权重插值两种方法得到河北省142个测站的经验系数a、b,并据此求出河北省四个具有辐射观测数据台站的总辐射值,对比分析实测值与不同经验系数下总辐射估算值之间的差异。结果表明:纬度分区和反距离权重插值两种方法所建立的太阳总辐射量估算公式的模拟精度总体差别不大,但采用纬度分区法所得的经验系数,在计算太阳辐射年总量时与实际观测值更为接近,因此建议采用纬度分区法计算河北省各地太阳总辐射量。

基于Bayes判别分析的大气污染潜势定量预报

依据大气污染物质量守恒方程,构建大气污染气象因子,并以空气质量指数日增量为对象,对大气污染潜势进行了定量化分级划分。采用Q型聚类分析方法,把秋、冬季大气环流背景分为冷空气型、混合型、暖空气型三种环流类型,并研究了区分三种大气环流类型的指标因子及其阈值。采用Bayes判别分析方法,分别建立了冷空气型、混合型和暖空气型大气环流背景的污染潜势五分级预测模型。对邢台2017-2019年秋、冬季资料建立的预测模型,各年判别正确率分别为80.0%、71.0%、74.7%,综合正确率为75.2%。采用2015-2017年秋、冬季资料对该模型进行检验,综合正确率为63.6%。对2019-2021年秋、冬季大气自净能力指数和污染潜势五分级预测结果与空气质量指数(AQI)日增量实况进行对比分析,污染潜势五分级预测结果与AQI日增量的变化趋势有较高的一致性,相关系数在0.67以上,明显好于大气自净能力指数计算结果;污染潜势五分级预测对极利于扩散等级和极不利于扩散等级判别正确次数明显高于大气自净能力指数。

雄安新区长历时暴雨强度公式及其设计雨型推求

设计暴雨研究是城市排水防涝工程建设的重要基础。基于1981-2020年雄安新区3个地面气象观测站的降雨资料,对其降雨量和暴雨日数的时间变化特征进行了分析;采用雄县分钟级降雨数据,通过年最大值法选样,为兼顾长、短历时降雨样本的拟合优度,选用P-Ⅲ型曲线对降雨数据进行理论频率分析,通过MATLAB的高斯-牛顿法求解暴雨强度公式中的参数,最终得到长历时综合暴雨强度公式,根据同频率分析法对雄县1440min的设计暴雨雨型进行推求。结果表明:雄安新区多年平均降雨量为490.4mm,暴雨日数为4.4d;2000-2020年暴雨日数呈增多趋势,尤以大暴雨增多明显,近10a大暴雨发生日数占暴雨日数的比率最大,为20.8%,较21世纪初10a大将近7倍。编制的长历时综合暴雨强度公式,可计算5-1440min任意历时、2-100a任意重现期的设计暴雨。雄县以5min为步长的1440min设计暴雨雨型为单峰型,雨峰系数为0.806,结合所编制的长历时综合暴雨强度公式,可推求任意指定重现期下1440min的设计雨型。

河北省气候监测与影响定量评估系统建设

"气候监测与影响定量评估系统"根据河北省气候业务的现状和需求,采用了C/S结构,建立了集数据管理、气候监测、数据统计、图表制作、常规业务产品一键制作于一体的系统平台,实现了业务流程的自动化、标准化,充分满足了省级气候业务的需求。

1961—2017年华北区域大气自净能力变化特征及其影响因素分析

基于华北区域80个国家地面气象观测站资料,采用大气自净能力指数(ASI)分析了1961—2017年华北区域大气自净能力的气候分布特征及长期变率;用MK和MT法及Morlet小波对ASI进行了突变检验和能量谱分析;结合ASI的REOF空间载荷场分布特征,将华北区域进行分区,并研究了气象要素与华北区域及各分区的可能联系;对于大气自净能力较低的IV区,选择近年污染相对严重的部分城市(石家庄、保定和唐山),对比了ASI与污染气象条件及不同级别AQI天数占比情况。结果表明:年、季尺度的大气自净能力在京津冀和山西大部、内蒙古东北部等区域呈现出较低的气候值,在内蒙古中部等其他地区呈现出相对较高的气候值,大气自净能力在季节尺度上呈现出从春季到冬季逐渐下降的变化趋势;区域变暖背景下,冬季风环流减弱,天气过程频率和强度减弱,地面风速随之降低,导致ASI降低;研究区域的ASI与混合层高度、地表通风系数、良和轻度级别天数占比均呈现出同相月变化,而与静稳天气指数、重度和严重级别天数占比呈现出反相月变化规律。根据风速和气温对大气自净能力的影响规律,推测未来大气自净能力很可能进一步降低,因此建议地方政府进行适当的大气污染减排和区域产业升级,有利于控制未来的空气污染形势。

京津冀区域龙卷风灾害特征分析

基于气象报表、中国气象灾害大典、气象灾情数据库以及档案馆地方志等历史资料,查阅1956—2016年京津冀区域的龙卷风个例,按照"增强藤田级别"龙卷风强度等级分类标准,采用专家评定法对龙卷风个例进行定级,并运用时间序列、趋势分析和空间分析方法,对龙卷风的时空分布、灾害特征进行了统计分析。主要结论如下:①1956—2016年,京津冀区域共确认龙卷风个例188个,空间分布上,龙卷风发生最多的区域有2个,一是张家口坝上4县:张北、尚义、沽源、康保,二是京津冀东部地区,特别是沧州、天津、唐山、秦皇岛沿海地区是龙卷风高发区;②时间分布上,1985—1993年龙卷风发生次数最多,90年代以后呈下降趋势;③龙卷风在夏季发生次数占总数的81.9%,龙卷风主要发生时段为11:00—20:00;④对有灾情记录的122个龙卷风个例,经专家评定,EF4和EF3级各1例,EF2级14例,EF1级52例,EF0级54例。

基于核安全导则推荐方法的京津冀龙卷风灾害评估

本文根据美国《建筑和其它结构最小设计荷载》中t秒平均最大风速与1h平均最大风速的比值公式,推导出EF级别和F级别风速测量标准间的转换方法,将京津冀1956-2016年122个龙卷风个例由EF等级转化为F等级,再按照《核电厂厂址选择的极端气象事件》HAD101/10中推荐的龙卷风风险评估方法,对京津冀龙卷风风险度进行了定量评价,结果表明:京津冀122个龙卷风个例的风程1/4mile平均最大风速均比3s平均最大风速低,平均偏低2.1m·s^-1,风速越大,两者差距越小;122个龙卷风个例分布在F0到F3共4个等级中,F0等级31个,F1等级78个,F2等级12个,F3等级1个;京津冀龙卷风发生次数最多依次为天津、唐山和张家口市,分别为21、21和14次,强龙卷发生最多的是廊坊市(3个),衡水、承德、保定、北京4个市没有发生过强龙卷;京津冀发生超越EF1、EF2、EF3、EF4等级龙卷风重现期分别为5.8、10.1、20.2、49.5a,发生超越F1、F2、F3、F4等级龙卷风重现期分别为4.9、13.8、38.5、130.7a;京津冀一年中单位面上(1km^2)10-7概率水平对应的龙卷风设计基准风速为73.4m·s^-1。

河北省采暖期低空大气逆温特征时空变化

基于河北省站点实测资料和ERA-Interim再分析资料,从逆温日数、逆温厚度和逆温强度3个方面统计分析了1981—2016年河北省采暖期(当年11月至次年3月)低空大气逆温特征。结果表明:(1)逆温多以贴地逆温为主,且贴地逆温特征均存在02:00(北京时,下同)较大,14:00最小的日变化,这可能与其多为辐射逆温有关,而脱地逆温20:00较小,14:00较大,可能与其多受天气系统活动影响相联系。(2)逆温特征空间分布受地理位置和天气气候共同影响,整体多呈现出东西向差异,如东南部太行山山前平原和东部沿海地区的逆温日数均相对较多,贴地逆温厚度较大,强度较小,但脱地逆温厚度较小,强度较大。(3)东南部山前平原地区脱地逆温特征均呈增加趋势,且贴地逆温特征在日扩散条件最好的14:00均呈增加趋势,对于全省平均逆温特征的年际变化而言,贴地逆温14:00、脱地逆温20:00增幅相对较大。(4)逆温在东南部山前平原地区的分布状况及变幅,不利于污染物的垂直扩散。