五环路对北京观象台气温的影响分析

利用1998—2009年北京观象台、大兴和丰台站气温小时观测资料,分析了五环路建设前后气温的变化以及气温变化的季节差异;利用2008—2009年北京观象台及其周边20km范围内站点的气温分钟资料,分析了观象台与其他台站气温资料的相关关系。结果表明,五环路建成后的5年比建设前5年年平均气温有0.98℃的升幅。五环路对观象台气温资料的影响存在季节性变化,气温升幅春季最小,秋季最大。北京观象台气温资料与周边台站气温资料存在较明显差异,气温绝对差平均值为0.57~1.92℃。

北京南郊观象台2008-2018年PM_(10)质量浓度特征及其与主要气象因子的关系

利用北京市观象台2008年3月2019年2月PM_(10)质量浓度数据,通过均值、偏差、Daniel趋势检验相关分析及显著性检验等统计方法,结合主要气象因子,分析PM_(10)质量浓度变化特征。结果显示:2008-2018年PM_(10)质量浓度年均值总体呈显著下降趋势,但均未达到国家二级限值标准;春季的质量浓度最大,其次为秋、冬季的,夏季的最小;月均值呈“M”形变化特征。PM_(10)质量浓度总体呈周末的高于工作日的周末效应。PM_(10)质量浓度日变化呈早上及夜间的双峰形特征,各季节峰值出现时间略有差异。PM_(10)质量浓度随着风速的增大呈现先上升后下降的变化,在3.4 m·s^(-1)时最高,为269.1μg·m^(-3)。风向为偏东、北或偏南时,PM_(10)质量浓度超过二级限值标准的频次较高。PM_(10)质量浓度与降雪的相关性高于与同等级降水的相关性。

北京地区三级以上污染日的气象影响因子初步分析

依据2001—2007年北京市环境保护局公布的SO2、NO2和PM10日平均空气质量等级大于或等于三级以上的污染日作为样本,统计分析了污染日3种污染物指数与同期南郊观象台(近郊区)的地面和探空气象要素的相关关系。同时采用Hysplit-4后向轨迹分析方法,对出现四级以上污染的重污染日污染源进行了初步探讨。结果表明:风向是造成上述3种污染物出现重污染的主要原因之一;污染日存在两重或多重逆温层,而且逆温层较低较厚,垂直对流和水平扩散作用较弱,湿沉降作用较小,因此污染物不易扩散和输送,堆积在近地面,造成重污染。北京西南、东南部地区以及沙尘暴过程内蒙古、河北北部是造成重污染天气的主要输送源地。研究结果可为北京重污染过程的预警预测及其综合防治提供科学依据。

北京奥运气象服务产品制作系统设计与实现

介绍了专用于2008年北京奥运会、残奥会气象保障任务的奥运气象信息服务系统(OMIS)的核心分系统之一——"北京奥运气象服务产品制作系统"的设计思路与实现技术。该系统根据北京奥运气象服务的开放性、稳定性、灵活性等高标准要求,首次在奥运气象服务中引入TeX技术,并结合产品模版以及关系数据库等技术策略,构建一套稳定、灵活、针对性强的奥运气象服务产品生成的解决方案。该系统使用C++STL开发,适用于Linux,Windows平台,能快速实现数十种气象服务预报产品的制作,并可根据奥运会、残奥会需求的变化灵活修改以生成新的服务产品。该系统作为中国气象局北京奥运服务中心的"奥运气象信息服务系统"的关键部分,在北京奥运会、残奥会期间运行稳定,前后共产生数万个气象服务产品,圆满完成北京奥运气象服务保障任务。

北京城市热岛的定量监测及规划模拟研究

为定量地评估北京城市热岛现状并预测未来北京城市热岛发展趋势,分别采用气温资料、遥感资料和城市规划资料进行了研究分析。对北京20个气象台站按照台站距离城市中心的距离划分为远郊、近郊和城市三类,分别计算三种类型站点经过海拔订正后的年平均气温,利用1971—2012年城市站和远郊站的年平均气温差值估算北京气温热岛的时间变化;利用1987—2012年的NOAA/AVHRR和Landsat-TM两种不同分辨率的卫星资料,采用定量化的指标——地表热岛强度和热岛比例指数分别估算了不同时期北京地区和城六区热岛强度和范围,并对北京平原地区的城市热岛状况进行了评估;利用2020年的北京城市规划土地利用资料,结合2008年的城市热岛现状监测结果对2020年的北京热岛状况进行了模拟分析。研究结果表明,北京城市的气温热岛与遥感监测地表热岛在时间变化趋势上具有一致性,不同分辨率卫星资料监测地表热岛在时空分布上也具有一致性。其中1971—2012年,以年平均气温计算的北京城市热岛强度增温率为0.33℃·(10 a)-1,近5年(2008—2012)平均热岛为1.12℃。遥感监测结果显示1987—2001年北京地区的热岛持续增强,2001年之后由于北京申奥的成功进行了大面积的旧城改造和绿化,使得城市热岛强度和范围在2004年和2008年有所降低,2008年之后城市热岛继续向东、南和北方向扩展,并出现了中心城区热岛与通州、顺义、大兴、昌平热岛连成片的趋势,到2012年城六区热岛面积百分比已从1990年的31%增加到77%。由热岛比例指数确定的北京各区县热岛强度排名前三分别是城区、海淀和丰台,延庆县最低。对2020年城市规划图热岛模拟结果显示北京热岛已由"摊大饼"演变为"中心+周边分散"模式,中心城区热岛强度和范围明显减弱,周边广大远郊区将出现分散型小热岛,城六区热岛面积将从2012年的77%降至为60%,显示北京未来通过城市规划改善城市热岛任务的艰巨性。

北京地区一次辐射雾的数值模拟

利用非静力中尺度模式MM5V3对2006年11月20日北京地区的一次大雾天气过程进行了数值研究。模拟结果与极轨卫星监测图像以及十二通道微波辐射计观测资料的对比表明,模式对此次雾的模拟是比较成功的,尤其是在雾区的分布位置、雾的高度以及雾的维持时间等方面。针对不同的云物理方案、长波辐射项、短波辐射项以及模式的垂直分辨率进行了4组敏感性实验。结果表明,地面的长波辐射冷却促使辐射雾的形成,而短波辐射的加热是辐射雾消散的主要原因。另外,增加模式的垂直分辨率以及选取更加详细的云微物理方案可以使模式模拟的辐射雾的结果有明显的改善。

北京城市和郊区夏季降雨日变化特征及对排水设计的影响分析

分别选取观象台和密云站作为北京市城区及郊区代表站,应用两站1961—2013年逐分钟雨量观测资料,比较北京城区和郊区夏季降雨量、降雨频次及降雨强度的日变化特征,利用耿贝尔分布拟合的年最大值法推求城区和郊区暴雨强度公式,比较其空间适用性。结果表明,北京地区降雨具有明显的日变化特征:城市和郊区的夜雨比重均大于日雨,降雨量、频次、降雨强度午后至次日清晨为高值区;郊区夏季降雨总量、短历时降雨和降雨雨强均比城区偏大。暴雨强度公式计算结果表明应用城区一站的降雨资料计算得出的公式在全市并不适用,在市政排水设计时应考虑城郊差异,采用不同的标准。

利用SPAMS对北京南郊地区细颗粒物的化学组分研究及来源解析

为了对北京南郊地区的细颗粒物进行动态解析,文章介绍了观测设备、采样站点以及数据处理和分析的方法,并对2019年3-4月单颗粒质谱仪(SPAMS)的监测结果进行了总体特征分析,同时对一次污染过程做了特征分析,并得出结论,为进一步对细颗粒物化学组分的研究及来源解析提供参考。

北京地区PM_(10)与秸秆燃烧排放单颗粒对比分析

采用场发射带能谱扫描电镜(FESEM/EDS)法分析北京怀柔地区PM_(10)与秸秆燃烧排放颗粒的形貌特征和成分差异。结果显示:秸秆燃烧后排放颗粒物多为大粒径颗粒,成分上都含S、Cl和K元素。含有生物质燃烧标志元素K的PM_(10)颗粒物多为含Si、Al和Na元素的燃煤飞灰和矿物颗粒,与秸秆燃烧排放颗粒组成化学元素差异明显。据此推断,北京区域PM_(10)受秸秆燃烧排放影响相对较弱,化石燃料燃烧来源影响仍然显著。

MM5/WRF气象场模拟差异对CMAQ空气质量预报效果的影响

评估了为公共多尺度空气质量模式(CMAQ)提供气象输入场的第五代NCAR/Penn State中尺度(MM5)模式与天气研究和预报(WRF)模式模拟的多种气象要素的准确性;比较了2个模式提供的气象场对华北地区SO2和NO2源同化反演效果及其质量浓度预报的差异;分析了相对湿度和边界层高的变化对ρ(SO2),ρ(NO2)预报的影响及其物理机制.结果表明:WRF模式模拟的各气象要素准确性优于MM5模式,其中MM5模式对相对湿度和边界层高度的模拟值与实测值的偏差较明显,而WRF模式的模拟值与实测值较接近;相对湿度和边界层高度参数是影响CMAQ空气质量预报的关键气象要素,这2个参数的变化对ρ(SO2)和ρ(NO2)的预报有显著影响,因此,对2个参数的改进可显著减小预报误差;ρ(SO2)模拟误差减小的主要原因是垂直输送和质量调整过程对ρ(SO2)的贡献减小;而ρ(NO2)模拟误差减小的主要原因是化学反应过程对ρ(NO2)的贡献明显减小.

对雾-霾过程的综合探测

通过大气细粒子激光雷达和台站探测仪器,探测北京一次雾-霾天气过程,结合地面观测和高空探测气象要素的变化,分析了该雾-霾天气过程能够持续的气象条件:(1)温度持续上升,相对湿度维持在50%以上,风速基本在2 m·s^(-1)以下,高温、高湿、小风速等气象条件不利于颗粒物的迅速扩散;(2)逆温层的持续存在,大气对流减弱,阻止了颗粒物向高空扩散,颗粒物大量积累。以上两个主要原因造成了该雾-霾天气过程的持续。降水对颗粒物的冲刷、湿沉降作用以及冷空气的到来造成地面风力增大,促使了雾-霾天气过程的最终消散。从细粒子激光雷达探测结果发现,在每天中午雾-霾垂直高度都会降低,整个过程中细粒子激光雷达和地面仪器探测的结果基本一致,但通过激光雷达和L波段探空资料对比发现,在存在饱和水汽天气状况时,细粒子激光雷达探测雾-霾高度偏低。

浙江省台风灾害影响评估模型

选取2000—2006年影响浙江省的20个台风所造成的灾害进行分析,采用模糊数学原理和方法建立评估模型,在考虑台风本身自然灾变因素的基础上加入了致灾的社会、经济因素,组合成10个灾害影响因子输入模型,计算出台风综合评价指数,并利用数理统计分析方法将台风灾后的死亡人数、受伤人数和直接经济损失折算成规范化指数——灾级指数,用来表示实际灾情,并客观地将两指数划分为特别重大、重大、较重、一般4个等级,分别得到两指数各自的轻重灾害判据。对比分析表明:该灾害评估模型具有较高的拟合率,全部个例的两指数同级率达到了90%,错报等级也仅差一级,能够较好地评价和预测台风可能造成的损失程度,将其应用到应急管理中,可为台风防灾减灾工作提供决策支持。

探空气球漂移位置订正在MM5模式中的应用研究

通过对模式MM5V37中客观分析系统加以改进,并采用包含有实际探空气球在各个气压层上精确的经纬度信息的新型探空资料,加以研究探空资料随高度的漂移对高分辨率中尺度数值模式MM5V37的影响。通过对一次层状云降水个例的模拟可看出:位置订正所带来的初始场差异在低层较小,高层较大,且在500 hPa以上较明显;位置订正对模拟的气象要素场的修正有明显的正面效果,对强降水天气系统的反映比较敏感;模拟结果对于雨区分布和强降水中心的位置有较大改进;位置订正后的评分总体优于不加探空和不加漂移的评分,随着模式分辨率的提高,位置订正后对小量级降水的模拟效果欠佳,但对大量级降水的模拟效果较好。

以黑体为目标的能见度参考标准试验研究

黑体为目标的能见度测量是从科西米德定律出发,通过工业相机对黑体目标物进行拍摄,建立黑体和背景天空的数学模型,求得能见度。分析表明:当能见度小于30 km,黑体黑度和CCD(change-coupled device)工业相机的面非均匀性对该方法测得的能见度造成的误差约为3.7%。该方法与前向散射能见度仪测量进行对比,能见度变化趋势上具有一致性;但在高能见度时,黑体能见度测量值大于前向散射能见度测量值,低能见度时,黑体测量值小于前向散射能见度测量值。

高空探测资料气球漂移的计算方法

随着数值模式的不断发展,探空气球的漂移偏差越来越不可忽视。为了提高高空观测数据的质量,减小在探测过程中由于气球漂移造成探测资料在空间上的误差,中国气象局提出一套探空、测风报的空间、时间扩充编码方案。该文从探空雷达探测系统、探测原理分析出发,介绍了该方案计算方法,并用个例说明方案的使用方法及业务应用前景。

不同大气污染物监测密度对CMAQ源同化修正效果影响的模拟

采用(美国环保部的MODEL-3系统的)CMAQ源同化模型及4种不同空间分辨率的SO2、NO2实测资料,反演得到中国不同尺度的同化修正排放源,利用新一代中尺度气象模式WRF与多尺度空气质量模式CMAQ,模拟分析了中国不同观测信息密度对SO2、NO2源同化反演及其浓度预报的影响,重点分析了华北地区SO2、NO2浓度加密观测对改善SO2、NO2排放源和空气质量预报的重要影响。结果表明,采用不同分辨率的实测资料时,SO2、NO2的趋势预报效果改善程度有一定差异;采用较高分辨率的实测资料进行SO2、NO2源同化修正时,可明显减小SO2、NO2浓度的预报误差。华北地区较高分辨率的观测信息对于改进源同化修正效果及SO2、NO2浓度的趋势预报十分重要,尤其是对SO2浓度的预报尤为重要;采用经高分辨率的实测资料同化修正的排放源时,WRF-CMAQ模式对北京城市尺度SO2、NO2浓度的变化趋势、浓度水平和空间分布特征具有较好的预报效果。高分辨率的观测资料和区域源同化反演方法对于区域污染物浓度预报及排放源清单具有显著的改进作用。

PSP总日射表热偏移特征及其测量总辐射误差分析

根据2004年7月～2006年5月期间北京上甸子大气区域本底站Eppley PSP总日射表观测太阳辐射数据,分析了PSP表的热偏移特征及其影响因子,并以Eppley8-48型日射表和NIP直射表分别观测的散射和直射辐射之和作为总辐射的标准值,分析了PSP总辐射的误差特点及其影响因素。研究表明:PSP总日射表的热偏移呈现正态分布特征,平均值为-8.8±2.7W·m^(-2);PSP表热偏移显著受到净长波辐射、风速、相对湿度和温度的影响,其中与风速和相对湿度的相关性最为明显。与标准的太阳总辐射观测值(水平面上的散射与直射辐射之和)相比,未做热偏移订正的PSP总辐射的平均误差约为-20.0W·m^(-2),经过当日平均热偏移订正后,平均误差接近-11.0W·m^(-2)。PSP表测量的总辐射绝对误差也呈准正态分布特征,但晴天与云天略有区别。PSP总辐射的相对误差与太阳天顶角的变化以及云量均有相关关系,反映了半球型辐射表的余弦效应对PSP总日射表测量精度的影响。太阳辐射的强弱变化或总辐射中散射与直射所占比率的相对变化也对PSP总日射表的测量精度有一定影响。研究表明:总日射表测量的总辐射应考虑热偏移订正,总日射表标定还应考虑云的影响。

能见度人工观测与新型站仪器测量的对比分析

北京市观象台是首批安装新型自动化观测仪器的试点站,文章通过2013年8月份北京市观象台24h人工能见度观测数据与新型站仪器测量（测量范围0-35km）能见度数据的比对,比较了在0-2、2-5、5-10、10-20、20-35km不同范围以及夜间和白天不同时段内仪器测量能见度与人工观测能见度的相关性以及偏差的大小。对比结果表明：低能见度的相关性和偏差要好于高能见度,白天要好于晚上,文章对此做了简要分析。

防辐射罩与百叶箱的防辐射性能比对分析

在同一观测场内,用同一厂家生产的4支铂电阻温度传感器,同时测量1个百叶箱和3个防辐射罩内的温度,以百叶箱内的温度作为参考标准,进行比对试验。结果表明:其中两种防辐射罩在白天的辐射误差较大,不能满足业务使用要求;有一种防辐射罩的辐射误差较小,基本符合业务使用要求。

CCD曝光变化在能见度反演过程中的作用研究

气象能见度一直与我们的生活密切相关。目前在气象领域,能见度主要还是以人工观测为主,由于影响能见度的因子较多,人工观测不可避免存在主观性误差,所以随着天气现象自动观测技术的发展,能见度自动观测技术(能见度器测技术)的重要性越来越大。本文的研究平台是一种新型透射式能见度仪,又称为双反射透射式能见度仪,该能见度仪使用CCD(charge coupled device)作为图像采集部件,采集光源在空气中传播后的光斑图像,从而算出空气消光系数,最终反演出气象能见度。本文研究CCD曝光变化在能见度反演过程中的作用,主要研究工业相机快门与图像灰度间的关系。通过实验验证快门与灰度之间的线性关系,从而确定在双反射透射式能见度仪在使用过程中的快门调节并不影响能见度的反演结果。通过室内CCD曝光实验以及室外的新型能见度仪与前散能见度仪的对比实验,验证了该新型能见度仪能见度反演算法的有效性。