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        天津霧和霾自動觀測與人工觀測的對比評估

        2015-07-05 15:14:35高潤祥
        應用氣象學報 2015年2期
        關鍵詞:能見度日數(shù)人工

        司 鵬 高潤祥

        (天津市氣象局,天津 300074)

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        天津霧和霾自動觀測與人工觀測的對比評估

        司 鵬*高潤祥

        (天津市氣象局,天津 300074)

        為適應地面氣象觀測業(yè)務調整方向,提高新型自動氣象站觀測資料的質量及可用性,研究中對天津地區(qū)10個地面氣象站1951—2014年歷年2月人工觀測及2014年2月自動觀測和人工觀測的輕霧、霧、霾現(xiàn)象進行對比評估。結果表明:天津地區(qū)歷年2月輕霧的平均日數(shù)為10 d,霧和霾均為2 d,輕霧和霾同期出現(xiàn)的日數(shù)占有天氣現(xiàn)象的7.4%,而霧和霾同期出現(xiàn)日數(shù)僅占0.7%;平行觀測期的對比分析得到人工觀測輕霧日數(shù)比自動觀測多11 d,霧日數(shù)和霾日數(shù)均比自動觀測少6 d,其中,輕霧和霧的判別差異集中出現(xiàn)在每日08:00(北京時,下同),霾則基本出現(xiàn)在每日08:00,14:00,17:00,20:00;通過對比自動觀測和人工觀測的能見度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二者相對偏差達25.1%,能見度小于15.0 km時,自動觀測的能見度有60%~76%數(shù)值偏小,特別是08:00和20:00,因此,在相對濕度滿足條件的情況下,能見度的判別誤差是導致自動觀測與人工觀測輕霧、霧、霾現(xiàn)象判別差異的重要原因。

        霧和霾; 自動觀測; 人工觀測; 對比評估

        引 言

        霧和霾作為災害性天氣現(xiàn)象,對人們的生產(chǎn)生活、身體健康及交通運輸?shù)扔袊乐赜绊慬1-6]。2013年以來,我國京津冀、山西、河南及山東等中東部地區(qū)相繼出現(xiàn)了大范圍的持續(xù)性霧、霾天氣,特別是2014年2月20—26日京津冀出現(xiàn)了連續(xù)1周的霧、霾天氣,對大氣環(huán)境造成了極大污染,嚴重影響了人們的健康和安全出行。我國政府和環(huán)境部門對此高度重視,中國氣象局為此組織開展了環(huán)境氣象業(yè)務改革工作,加快推進我國綜合觀測業(yè)務調整和觀測自動化進程,提高環(huán)境氣象的觀測和預報服務能力。2014年1月起,經(jīng)過前期的業(yè)務改革試點工作,中國氣象局在全國各省(市、自治區(qū))實現(xiàn)了輕霧、霧、霾等視程障礙現(xiàn)象的自動化觀測,同時取消人工觀測。

        近幾年,國內學者已經(jīng)對2000年前后逐步建設的地面自動氣象觀測系統(tǒng)資料開展了大量的研究工作[7-15],分析指出儀器的測量原理與觀測方法、觀測時間和空間、采樣方式與算法及觀測時次等不同造成了自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的差異[16-17]。天津市作為實施新型自動氣象站的試點之一,從2014年1月1日起,天津市10個站點均已安裝新型自動氣象站并正式投入業(yè)務運行。對于輕霧和霾兩種難以區(qū)分的視程障礙現(xiàn)象,在傳統(tǒng)的人工觀測中主要借助氣象條件和觀測員的觀測經(jīng)驗定性區(qū)分,而新型自動氣象站通過具體的氣象條件閾值進行定量區(qū)分。另外,由于自動觀測輕霧、霧、霾視程障礙現(xiàn)象的時間精度為分鐘,與以往的人工定時觀測時制有所不同,因此,如何科學界定不同視程障礙現(xiàn)象的判別標準和觀測時長,已成為當前自動觀測霧、霾現(xiàn)象的主要難點。為此,2014年1月29日—2月28日天津市氣象局開展了為期31 d的霧、霾現(xiàn)象自動觀測和人工觀測的對比試驗,旨通過對二者差異狀況的分析,明確新型自動觀測視程障礙現(xiàn)象的判別標準和觀測時長是否可行,并根據(jù)得出的結論提出合理化建議。

        1 資料和方法

        1.1 資 料

        研究所用資料為天津市氣象信息中心提供的天津市寶坻(54525)、東麗(54526)、天津(54527)、北辰(54528)、寧河(54529)、漢沽(54530)、靜海(54619)、津南(54622)、塘沽(54623)及大港(54645)10個地面氣象站1951—2014年歷年2月人工觀測視程障礙數(shù)據(jù)(部分臺站的觀測起始年份晚于1951年)。平行觀測期資料同樣來源于上述10個地面氣象站自動觀測和人工觀測的2014年1月29日—2月28日視程障礙數(shù)據(jù)(以下簡稱2014年2月)。統(tǒng)計的氣象要素包括:歷史同期人工觀測的輕霧、霧、霾現(xiàn)象的日數(shù)據(jù),平行觀測期自動觀測和人工觀測的輕霧、霧、霾現(xiàn)象的定時數(shù)據(jù)、能見度的定時數(shù)據(jù)。

        1.2 觀測時次及視程障礙現(xiàn)象的判別方法

        3個國家基本氣象站每日人工定時觀測5次(08:00,11:00,14:00,17:00,20:00),自動觀測采用中國華云技術開發(fā)公司HY-V35型能見度儀;7個國家一般氣象站,每日人工定時觀測3次(08:00,14:00,20:00),采用凱邁(洛陽)測控有限公司的CJY-1G(J)型自動能見度儀。其中,人工定時觀測14:00和20:00的天氣現(xiàn)象為其對應觀測時和過去6 h內發(fā)生的視程障礙現(xiàn)象,國家基本站的輔助觀測時次11:00和17:00的天氣現(xiàn)象為其對應觀測時與過去3 h內發(fā)生的視程障礙現(xiàn)象,而對于08:00,由于夜間不要求守班,人工觀測只記錄對應觀測時和過去1 h內發(fā)生的視程障礙現(xiàn)象;自動觀測是每分鐘采集一次當前10 min滑動平均能見度和相對濕度,各定時觀測值均為前一日20:00到當前定時觀測時次的全天天氣現(xiàn)象。

        平行觀測期間,自動觀測和人工觀測互不影響,自動觀測按照中國氣象局預報與網(wǎng)絡司的最新要求,將能見度閾值在人工觀測基礎上統(tǒng)一下調25%,空氣相對濕度的判別閾值恢復到臺站歷史觀測閾值進行輕霧、霧、霾現(xiàn)象判別;人工觀測按照《地面氣象觀測規(guī)范》[18],結合中國氣象局地面觀測業(yè)務的相關規(guī)定進行輕霧、霧、霾現(xiàn)象判別。二者判別標準詳見表1。

        表1 天津地區(qū)視程障礙現(xiàn)象的判別標準Table 1 Discriminant conditions of visibility restricting phenomenon in Tianjin

        注:自動觀測霧,相對濕度閾值由于受儀器參數(shù)設置限制(只能設置1個值),業(yè)務工作中將輕霧、霧、霾現(xiàn)象采用統(tǒng)一的閾值標 準60%;人工觀測和自動觀測霧的相對濕度標準不同:人工觀測霧,相對濕度閾值根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定,結合天津 地區(qū)觀測員歷史觀測經(jīng)驗采用90%。

        2 歷史同期的輕霧、霧、霾日數(shù)平均狀況

        圖1給出天津地區(qū)1951—2014年歷年2月人工觀測的輕霧、霧、霾日數(shù)變化曲線圖??偟膩砜?,歷年2月天津地區(qū)輕霧出現(xiàn)日數(shù)最多,霧日數(shù)次之,霾相對較少。趨勢變化顯示,近60年來,與輕霧、霧、霾總日數(shù)變化一致,輕霧日數(shù)有增加趨勢,但霧日數(shù)隨著時間上下波動,而進入20世紀90年代以后,霾日數(shù)開始增多,特別是2007年以后霾日數(shù)比霧日數(shù)明顯增多。統(tǒng)計1951—2014年2月平均值得到,天津地區(qū)2月輕霧日數(shù)平均為10 d,霧日數(shù)和霾日數(shù)均為2 d。另外,通過統(tǒng)計天津市10個地面站1951—2014年歷年2月所有輕霧、霧、霾日數(shù)發(fā)現(xiàn),輕霧和霾同期出現(xiàn)的日數(shù)為497 d,占有天氣現(xiàn)象的7.4%,而霧和霾同期出現(xiàn)日數(shù)為50 d,僅占有天氣現(xiàn)象的0.7%,說明輕霧和霾相繼出現(xiàn)的復雜天氣是人工觀測視程障礙現(xiàn)象較為常見的。

        另外,本文還對10個地面站歷年2月輕霧、霧、霾日數(shù)變化進行了具體分析(圖略)。通過分析發(fā)現(xiàn),由于受到觀測員觀測手段和觀測經(jīng)驗的差異影響,造成不同地區(qū)視程障礙現(xiàn)象記錄的不同,特別是天津東部地區(qū),查閱歷史視程障礙現(xiàn)象的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),人工記錄煙幕出現(xiàn)的次數(shù)遠多于霾,造成了霾日記錄的減少。因此,一定程度上導致了天津地區(qū)歷史上人工記錄霾現(xiàn)象的減少。

        圖1 天津地區(qū)1951—2014年歷年2月輕霧、霧、霾日數(shù)Fig.1 Numbers of mist, fog and haze days in Feb during 1951-2014 in Tianjin

        3 平行觀測期自動觀測和人工觀測差異

        3.1 自動觀測和人工觀測輕霧、霧、霾現(xiàn)象對比

        表2給出天津地區(qū)2014年2月平行觀測期10個地面站所有自動觀測和人工觀測的輕霧、霧、霾日數(shù)統(tǒng)計。從統(tǒng)計結果看,人工觀測輕霧日數(shù)比自動觀測多,二者相差11 d,而人工觀測霧日數(shù)和霾日數(shù)比自動觀測少,二者均相差6 d。但從視程障礙現(xiàn)象判別特點看,自動觀測和人工觀測一致,即輕霧日數(shù)最多,霾日數(shù)次之,霧日數(shù)最少。同時,與歷史同期人工觀測結果一致,平行觀測期間輕霧和霾同期出現(xiàn)日數(shù)均比霧和霾同期出現(xiàn)日數(shù)多,人工觀測輕霧和霾同期出現(xiàn)103 d,占有天氣現(xiàn)象的45.4%,自動觀測出現(xiàn)97 d,占42.4%;而人工觀測霧和霾同期出現(xiàn)僅12 d,占有天氣現(xiàn)象的5.3%,自動觀測僅出現(xiàn)17 d,占7.4%。

        表2 2014年2月自動觀測和人工觀測的輕霧、霧、霾日數(shù)統(tǒng)計(單位:d)Table 2 Numbers of mist, fog and haze days by automatic and manual observations in Feb 2014(unit:d)

        通過統(tǒng)計自動觀測和人工觀測出現(xiàn)視程障礙現(xiàn)象差異的觀測時次及臺站信息可知,引起差異的臺站主要表現(xiàn)在寶坻(54525)、天津(54527)和北辰(54528)。輕霧和霧現(xiàn)象判別差異的統(tǒng)計結果顯示,差異時次集中出現(xiàn)在08:00,主要表現(xiàn)為人工觀測多為輕霧,而自動觀測多為霧。究其原因,對于08:00,人工觀測只記錄對應觀測時和過去1 h內發(fā)生的視程障礙現(xiàn)象,而自動觀測是通過采集前一日20:00到當日08:00的10 min滑動平均能見度和相對濕度數(shù)據(jù)判斷當前時次的視程障礙現(xiàn)象,因此,在08:00人工觀測天氣現(xiàn)象時,隨著氣象條件的變化,大霧很可能已經(jīng)轉為輕霧或消散,同時,根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》中記錄日天氣現(xiàn)象摘要的有關規(guī)定[18],一日中當大霧和輕霧同時出現(xiàn)時,僅記錄大霧,所以即便自動觀測時段內出現(xiàn)輕霧,但根據(jù)規(guī)定應記為大霧。因此,造成08:00自動觀測和人工觀測輕霧和大霧現(xiàn)象的差異。造成這一差異的另一原因,可能與自動觀測和人工觀測的能見度閾值不同有關(如表1所示),根據(jù)現(xiàn)有地面觀測業(yè)務規(guī)定,對自動觀測能見度進行統(tǒng)一的25%下調處理,這種做法亦可能導致自動觀測和人工觀測的差異。

        對于霾現(xiàn)象來說,差異時次基本出現(xiàn)在全天各個定時觀測時次,即08:00,14:00,17:00,20:00,主要表現(xiàn)為人工觀測為霾現(xiàn)象,而自動觀測未出現(xiàn)任何視程障礙現(xiàn)象,相反,自動觀測為霾或輕霧、霾同時出現(xiàn)的現(xiàn)象,而人工觀測為無或僅觀測為輕霧現(xiàn)象。

        因此,通過以上對天津地區(qū)平行觀測期自動觀測與人工觀測視程障礙現(xiàn)象差異分析可知,從天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的連續(xù)性和趨勢演變角度考慮,自動觀測的霧現(xiàn)象相對人工觀測準確,由于夜間不守班,人工觀測往往會忽略夜間霧或其他視程障礙現(xiàn)象的出現(xiàn)。但對于霾現(xiàn)象的判斷,定時自動觀測和人工觀測差異較大。

        3.2 自動觀測和人工觀測能見度對比

        正如3.1節(jié)中的差異分析所述,在新型自動氣象站視程障礙現(xiàn)象的觀測中,自動觀測能見度的正確與否至關重要。因此,文中將重點研究不同能見度范圍中自動觀測與人工觀測的相對偏差,以此分析能見度儀自動觀測與人工觀測的差異。這里將相對偏差定義為自動觀測與人工觀測的能見度差值的絕對值與人工觀測值之比。

        表3、表4分別給出自動觀測與人工觀測能見度相對偏差和負偏差比例。由表3可以看出,天津地區(qū)自動觀測與人工觀測能見度存在明顯差異,總的相對偏差達25.1%。負偏差統(tǒng)計結果顯示(表4),自動觀測能見度小于人工觀測占54.5%,偏低1.0 km以上的占28.5%,而自動觀測和人工觀測能見度相等僅占6.5%。從不同能見度范圍的差異統(tǒng)計看(表4),能見度小于15.0 km時,60%~76%自動觀測能見度均為偏小,而能見度大于15.0 km 時,75%左右自動觀測能見度偏大;對于各個觀測時次來說,負偏差統(tǒng)計結果基本表現(xiàn)出了自動觀測能見度小于人工觀測的特點,尤其是08:00和20:00。

        表3 不同范圍自動觀測與人工觀測能見度的相對偏差統(tǒng)計(單位:%)Table 3 Relative errors for different ranges of visibility between automatic and manual observations(unit:%)

        表4 自動觀測與人工觀測的能見度偏差統(tǒng)計(單位:%)Table 4 Deviations of visibility by automatic and manual observations(unit:%)

        圖2給出[0,1.0 km),[1.0 km,5.0 km),[5.0 km,10.0 km),[10.0 km,15.0 km),[15.0 km,+∞)能見度范圍中,自動觀測與人工觀測的相對偏差分布。如圖2所示,自動觀測能見度與人工觀測相對偏差隨數(shù)值的增大而減小,說明能見度視程范圍越大,自動觀測越接近人工觀測的數(shù)值。其中,能見度范圍為[1.0 km,5.0 km),[5.0 km,10.0 km)的相對偏差中值均為22%左右,而能見度范圍為[10.0 km,15.0 km),[15.0 km,+∞)的相對偏差中值僅為15%左右。根據(jù)表1給出的視程障礙現(xiàn)象的判別標準得知,1.0~10.0 km是判別輕霧和霾的能見度閾值范圍。結合3.1節(jié)的分析結果可以得到,在相對濕度滿足條件的情況下,能見度的判別誤差是導致自動觀測與人工觀測輕霧、霧、霾現(xiàn)象判別差異的重要原因。

        以上分析表明,自動觀測與人工觀測的能見度差異主要表現(xiàn)為在光學視程范圍較小的情況下,自動觀測能見度基本小于人工觀測,且二者的相對偏差較大。究其原因主要有以下幾點:首先,對比感閾不同。根據(jù)人工能見距離和氣象光學視程計算原理[19-20],人工觀測和自動觀測的對比感閾分別取0.02和0.05,當大氣消光系數(shù)相同時,人工能見距離約為自動光學視程的1.3倍,從理論上講,自動觀測能見度距離相當于人工觀測的70%左右。其次,采樣空間不同。人工觀測能見度采樣空間是四周視野中二分之一以上的范圍能看到目標物的最大水平距離[18],而目前臺站業(yè)務使用的前向散射型能見度儀,測量的是其發(fā)射器和接收器之間不足300 mm3的氣溶膠散射能力反演的能見度距離[21],所以前者的采樣空間為開闊區(qū)域,而后者僅為一個氣塊。第三,數(shù)據(jù)客觀性不同。人工觀測主觀性強,同一天氣條件下不同觀測員由于視力、觀測角度、觀測經(jīng)驗等不同可能會對天氣條件的判斷產(chǎn)生差異,而自動觀測基于儀器原理和理論計算,觀測結果的客觀性相對更強。

        圖2 不同量級能見度范圍自動觀測與人工觀測的相對偏差分布Fig.2 Relative errors for different ranges of visibility between automatic and manual observations

        4 結論與討論

        利用天津地區(qū)10個地面氣象站1951—2014年歷年2月人工觀測及2014年2月自動和人工平行觀測的輕霧、霧、霾資料,對新型自動站觀測視程障礙現(xiàn)象的準確性進行評估,得到如下結論:

        1) 天津地區(qū)歷年2月輕霧出現(xiàn)的平均日數(shù)最多,為10 d,霧日數(shù)和霾日數(shù)則相對較少,均為2 d,輕霧和霾同期出現(xiàn)的日數(shù)占有天氣現(xiàn)象的7.4%,而霧和霾同期日數(shù)僅占0.7%。趨勢變化顯示,近60年來,輕霧有增加趨勢,但霧日數(shù)的變化不明顯,進入20世紀90年代以后,特別是2007年以后霾日數(shù)開始明顯增多。

        2) 對比分析平行觀測期的視程障礙現(xiàn)象表明:人工觀測輕霧日數(shù)比自動觀測多11 d,霧日數(shù)和霾日數(shù)均比自動觀測少6 d。其中,輕霧和霧的判別差異主要集中在每日的08:00,依據(jù)天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的連續(xù)性和趨勢演變特點,自動觀測的霧現(xiàn)象相對人工觀測準確。而霾則基本出現(xiàn)在全天各個定時觀測時次,即08:00,14:00,17:00,20:00,可能主要與能見度的判別誤差有關。但是從視程障礙現(xiàn)象判別特點來看,自動觀測和人工觀測是一致的,即輕霧的日數(shù)最多,霾日數(shù)次之,而霧日數(shù)最少,且輕霧和霾同期出現(xiàn)日數(shù)均要比霧和霾同期日數(shù)多。

        3) 統(tǒng)計自動觀測和人工觀測能見度的偏差比例顯示,二者總的相對偏差為25.1%,在所有樣本中,54.5%的自動觀測能見度低于人工觀測,偏低1.0 km以上的占28.5%,而自動觀測和人工觀測能見度相等的僅占6.5%。從不同能見度范圍的差異統(tǒng)計來看,能見度小于15.0 km時,自動觀測的能見度值60%~76%均為偏小,特別是08:00和20:00,其中,判別輕霧和霾的能見度閾值范圍[1.0 km,5.0 km),[5.0 km,10.0 km)的相對偏差中值均為22%左右,而視程范圍較大的[10.0 km,15.0 km),[15.0 km,+∞)的相對偏差中值僅為15%左右。

        以上分析表明,在相對濕度滿足條件的情況下,能見度的判別誤差是導致自動觀測與人工觀測輕霧、霧、霾現(xiàn)象判別差異的重要原因。然而,對于目前現(xiàn)行業(yè)務規(guī)定中將新型自動站判別霧和霾的能見度閾值在人工觀測標準基礎上統(tǒng)一下調25%,根據(jù)本文的研究結果來看,39.0%的自動觀測數(shù)據(jù)相對人工觀測偏大。因此,直接將所有自動能見度觀測數(shù)據(jù)視為偏小,這種做法科學性需進一步研究探討。

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        [18] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范.北京:氣象出版社2003:21-27.

        [19] 王光里.公路能見度概念及測量儀器的計量校準原理與方法探討.吉林交通科技,2010(3):9-12.

        [20] 李惠彬.對能見度、光學視程和跑道視程的理解.空中交通管理,2001(1):34-36.

        [21] 中國氣象局綜合觀測司.前向散射能見度儀觀測規(guī)范(試行).2011:3.

        A Comparative Evaluation on Automatic and Manual Observations of Fog and Haze in Tianjin

        Si Peng Gao Runxiang

        (TianjinMeteorologicalBureau,Tianjin300074)

        Based on the past records by manual observation at ten meteorological stations during 1951-2014 and parallel observations by automatic and manual observations in February 2014, discrepancies of mist, fog and haze phenomena are evaluated in Tianjin, in order to meet the reform direction of surface meteorological observation business, and to improve the quality and availability of data observed by new automatic system. Results indicate that in February, the mean number of mist days in Tianjin is 10, while numbers for fog or haze days are both 2. The proportion for mist accompanying haze days occupies 7.4% in all the weather phenomena, but for fog and haze days, it is only 0.7%. There is an increasing trend in mist days, but not for fog, and since 1990s, haze days have begun to increase obviously, especially for the year of 2007 during the last 60 years. Comparative analysis in parallel period by manual indicates there are 11 more mist days but 6 less fog and haze days than those by automation. Discrepancies of mist and fog phenomena arise at 0800 BT, manual observation captures more mist but automatic observation records more fog. Discrepancies of haze phenomenon arise at 0800, 1400, 1700 BT and 2000 BT, which are observed by manual way, but none according to automatic observations, while the phenomena of haze or mist and haze are totally the opposite. However, characteristics of phenomena judged by automatic and manual observations are of the same, i.e., mist days are the most, haze days are the second, fog days are the least, and the number of mist accompanying haze days is more than that for fog accompanying haze. Comparing visibility values by manual observation with automation indicates that the average relative error between them is 25.1% in all the samples, 54.5% of automatic observation is less than manual observation, 28.5% out of these the difference exceeding 1 km, manual observation meets with automatic observation only for 6.5% of all cases. For differences of visibility in different order of magnitude, 60%-76% of automatic observation is smaller, when the visibility is less than 15.0 km, especially for 0800 BT and 2000 BT. The median of relative error within the threshold ranges of [1.0 km,5.0 km) and [5.0 km,10.0 km), judging the phenomenon of mist and haze, are both about 22%, and larger range of [10.0 km,15.0 km) and [15.0 km,+∞) are only about 15%. Accordingly, observation error of visibility is an important cause leading to discrepancies of mist, fog and haze phenomena by automatic and manual observations, in the case of relative humidity to meet suitable conditions.

        fog and haze; automatic observation; manual observation; comparative evaluation

        10.11898/1001-7313.20150212

        國家科技支撐項目(2014BAC16B04),天津市科技支撐項目(13ZCZDSF02100)

        司鵬,高潤祥. 天津霧和霾自動觀測與人工觀測的對比評估. 應用氣象學報,2015,26(2):240-246.

        2014-04-29收到, 2015-01-08收到再改稿。

        * email: sipengsbox@163.com

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