天津雾和霾自动观测与人工观测的对比评估

为适应地面气象观测业务调整方向,提高新型自动气象站观测资料的质量及可用性,研究中对天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象进行对比评估。结果表明:天津地区历年2月轻雾的平均日数为10 d,雾和霾均为2 d,轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%,而雾和霾同期出现日数仅占0.7%;平行观测期的对比分析得到人工观测轻雾日数比自动观测多11 d,雾日数和霾日数均比自动观测少6 d,其中,轻雾和雾的判别差异集中出现在每日08:00(北京时,下同),霾则基本出现在每日08:00,14:00,17:00,20:00;通过对比自动观测和人工观测的能见度数据发现,二者相对偏差达25.1%,能见度小于15.0 km时,自动观测的能见度有60%~76%数值偏小,特别是08:00和20:00, 因此,在相对湿度满足条件的情况下,能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。     

自动与人工观测霾日、雾日序列连续性分析

由原始观测数据统计显示,2014年全国雾霾(包括雾、轻雾和霾)日数偏高,尤其霾日数是2000-2013年均值的4.2倍。依据2014年雾霾现象保留人工观测或采用自动观测,将全国2 400余个国家站分为人工站和自动站,分别就两类站2014年雾霾现象日数与其历史序列进行了对比分析。结果表明,人工站2014年平均雾霾日数与其2000年以来平均状况及2013年平均雾霾日数接近;而自动站2014年平均雾霾日数明显偏高,成为2000年以来之最,且明显高于2013年统计结果。通过对比分析自动与人工观测方法表明,雾霾现象自动观测采用瞬间观测记录,是造成2014年全国雾霾日数异常偏高的主要原因。基于霾现象持续性特征,针对自动观测霾数据,研究确定了1天至少6个连续时次"现在天气现象"有霾记录,"连续天气现象"方记霾现象的订正方法。统计结果表明,订正前全国2014年平均霾日数为59天,而订正后下降为31天,基本与2013年持平。进一步分析表明,2000年以来我国霾发生频率呈增加趋势,尤其2013年和2014年,霾发生频率成为2000年以来之最。     

霾观测判识标准定量化对雾霾观测记录的影响

为研究霾观测判识标准定量化对雾霾观测记录的影响,选取2006—2012年湖北省18个基准站、基本站和一般站三类国家级地面气象观测站的资料,对已记录和按照相对湿度判识标准统计的雾、轻雾和霾天数进行分析,结果表明:判识标准定量化将使霾的观测记录明显增多,轻雾和雾观测记录略有减少,霾和轻雾观测记录将更趋合理,就湖北省而言,相对湿度在80%~95%之间,应以轻雾和雾为主;通过定时观测时次的能见度、相对湿度,以及日天气现象记录,可以得到历年按照相对湿度判识标准统计的霾和轻雾天数,实现对历史资料序列的订正,形成判识标准改变前后均一化的月年资料序列。判识标准定量化后,不能机械的硬套判识指标,观测员仍需熟练掌握轻雾和霾以及其他视程障碍现象的成因和特征,避免相对湿度在霾观测判识标准上下波动、轻雾处于消散过程阶段,轻雾与霾的频繁转记。     

自动观测替代人工观测对气象要素资料均一性的影响分析及订正

利用t检验法对青海省海西所属7个站气温、气压、相对湿度、平均风速、0~320cm地温年平均值序列进行显著性检验;在人工与自动观测资料对比差值分析的基础上,建立人工与自动观测要素间的回归方程,对年序列差异显著的要素进行回归订正和效果对比分析。结果表明,自动替换人工观测对海西7个站各气象要素年平均值序列均一性产生了不同程度的影响,多个站多个要素不连续;统计人工与自动观测要素资料月平均对比差值,用一元线性回归法进行订正,订正后的序列基本消除了自动观测替换人工观测的差异,实现了观测资料的均一性和延续性。      

相对湿度自动与人工观测的差异分析

利用四川135个站自动与人工第二年平行观测相对湿度(下文简称湿度)资料,就自动与人工观测相对湿度的差异及引起差异的原因进行了分析。结果表明:相对湿度自动与人工观测相比,日平均值平均偏低2.7270%、月平均值平均偏低2.7970%、年平均值平均偏低2.7472%。56.35%的时次自动观测湿度值与人工观测湿度值的差值在5%以内,86.66%的时次自动观测湿度值与人工观测湿度值的差值在10%以内,2.61%的时次自动观测湿度值与人工观测湿度值的差值在20%以上。自动与人工观测湿度的差值无明显地域性差异。湿球纱布包扎不规范、纱布不清洁,干湿球温度表人工读数误差,干湿球温度表的通风状态,观测时间的不一致,自动观测在高湿状况下的非线性以及其他原因均会导致自动与人工观测湿度产生差异,甚至是显著差异。     

陕西自动与人工观测风对比评估

利用陕西自动与人工平行观测第2年数据—4次定时观测的2min风速、逐时观测的10min风速及风向、日最大风速,分析人工与自动观测的风速差异及风向相符率,并对风速进行显著性t检验。结果表明:自动观测的2min、10min风速大于人工观测值。日最大风速则相反。月平均对比差值及其标准差,2min风速,分别为0.2m/s及0.71m/s;10min风速,分别为0.15m/s及0.39m/s,即两者之间10min风速较为接近。自动与人工观测10min风向相符率平均为42.8%,风向相符率频率以45%为中心,基本呈正态分布特征,且无明显的地域特征,相符率夏半年明显低于冬半年。显著性检验表明,α为0.05时,6.5%的月平均值、20.2%的年平均值由于仪器换型引起了2min风速的显著性差异。     

基于自动站资料的灰霾观测判据研讨

针对当前有较大争议的灰霾观测中两个判据(能见度和相对湿度)的阈值选取问题,对嘉兴市2007—2009年人工观测灰霾记录,观测站能见度自动仪及相对湿度等资料以及2007—2009年环保部门空气污染指数、周边地市霾日进行了对比分析,对人工观测灰霾日数的合理性进行探讨;并进一步根据同年份能见度自动仪资料及相对湿度自动站资料,调试不同的阈值,将得出的灰霾天数与人工观测值再次进行对比,最终提出一个适用于本地实际的灰霾日观测判据,并指出经过订正后的自动站资料可替代人工观测值用于霾雾的辨析。     

陕西自动观测与人工观测相对湿度差异分析

利用陕西省97个地面自动气象站和人工站相对湿度观测数据,研究人工观测与自动观测相对湿度对比差值的大小,对比差值的日、月变化规律以及与所在气候区域的关系,同时研究影响对比差值大小的主要原因。结果表明：自动观测比人工观测的日平均相对湿度平均偏低2.28%,对比差值的标准差为3.07%,自动站与人工站对比差值地域差异不明显,但存在日、月际变化;观测时间不一致并不是造成自动站与人工站日、月平均值差异的主要原因,其大小主要与相对湿度大小有关。7.5%的自动站月平均相对湿度有与历史长序列月平均值相比有显著性差异。     

长沙地区30a霾观测记录的分析

利用长沙、浏阳、宁乡3站1981-2010年30 a霾观测记录,按照相对湿度判识标准订正霾日数,进行两种判识标准对比分析,给出三站记录偏差,结果表明:台站按照《规范》对霾观测记录有很大的不确定性,两种判识标准记录的霾日数相差较大,订正前后年平均偏差率宁乡38.8％、长沙52.5％、浏阳64.6％,月平均偏差率宁乡48.3％、长沙56.65％、浏阳68.0％;霾最多出现在12月,其次是1月、11月,最少出现在7月,次少在6月和8月.为使霾观测记录更趋完整、连续和合理、为霾观测及其资料应用提供重要依据,必须对历史资料序列订正.24h定时观测、使用能见度观测仪与大气气溶胶浓度观测数据相结合判识霾,是确保霾记录真实可靠最有效的办法.     

三种方法统计的广东省霾日时空变化特征比较分析

根据广东省86个气象观测站1980—2013年的能见度、相对湿度和天气现象等资料,采用人工观测法、日均值法和14时值法对广东省霾日特征进行了对比分析。结果表明,三种方法统计的全省霾日数、霾日变化速率、全省排名前10位的站点均不尽相同,甚至差异较大。全省年平均霾日是日均值法统计结果 人工观测法的14时值法的,大致比例是1∶0.59∶0.49。人工观测法统计的广东省霾日变化速率最大,达2.1天/a,是日均值法的1.85倍,14时值法的3.34倍。人工观测法统计的霾日全省排名前10位的站点与日均值法、14时值法的都有7个相同、3个不同。三种方法统计的全省霾日长期变化趋势、季节变化特点和空间分布特征基本一致,三种方法均较适用于分析区域长时间序列的霾日变化特征。综合考虑霾日长期变化趋势、季节变化特点、空间分布特征和前人研究结果,日均值法统计的霾日更能反映广东省的实际变化特征。     

自动与人工观测的气压差异分析

利用陕西省97个气象站2004—2007年间自动与人工平行观测期间的资料,分析了陕西和陕西不同地域人工与自动观测气压的差异并对气压月、年平均值进行了显著性检验。结果表明:人工观测比自动观测日平均气压平均偏高0.21 hPa,标准差为0.30 hPa;气压差值有明显的地域特征;气压对比差值的日、月变化规律明显;DYYZ和CAWS系列测压仪的性能没有明显差异;自动与人工观测时间不同步对定时值有一定影响,但对气候分析没有影响;校准值随时间漂移是气压传感器的主要误差源之一;自动站所测气压可与人工站气压连续使用。     

四川省自动与人工气压观测值差异对比

应用四川省135个台站在自动站与人工站平行观测期间的对比观测数据,对两种不同的资料进行了对比分析。结果表明:自动站与人工站的日气压差值不满足正态分布,人工观测比自动观测平均偏高0.35 hPa,标准差为0.48 hPa。自动站与人工站的相关性较好,相关系数为0.99,大约3/4的对比观测台站的人工站气压观测值大于自动站气压观测值。自动站与人工站气压观测值的月平均差异在上半年逐步增大,6月达到最大,下半年开始逐步减小。2004年的自动与人工气压观测数据年平均值差异最小,2006年数据据差异最大。     

自动气象站温湿度测量数据与人工观测数据对比分析

利用2003年1月至2004年12月济南自动气象站和人工观测的逐日定时地面气温、湿度资料,进行统计对比分析并探讨两者差异的形成原因。结果表明:对于各观测时次和日平均地面气温,自动站测值高于人工观测值,各观测时次和日平均地面湿度自动站测值低于人工观测值;月极端最高和最低气温、湿度差异与日平均值差异基本相当。     

自动气象观测与人工观测气温差异分析

利用陕西省96个气象站2004--2007年自动与人工平行观测的气温资料,分析陕西全省和不同自然区人工与自动观测气温的差异及引起差异的原因。结果表明：自动观测比人工观测的日平均气温平均偏高0．03℃,标准差为0．26℃。78．6％的样本月平均气温对比差值在0．2℃之内,在不同自然区自动与人工观测气温对比差值在0．2。c之间的百分率基本相同。气温对比差值的日、月变化规律明显,自动与人工观测时间不同步对定时值有一定影响。但对气候分析没有影响,自动观测仪器性能不稳定会造成较大的数据偏差。     

再论相对湿度对区别都市霾与雾(轻雾)的意义

在都市,霾的出现有重要的空气质量指示意义。而雾或轻雾的记录,有明确的天气指示意义,与特定的天气系统相联系。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,都市霾现象或者是灰霾天气日趋严重,霾与雾的区分成为一个非常现实,又迫切需要解决的问题。在全国气象系统的台站观测中,区分霾与雾(轻雾)的判据比较混乱,缺乏可比性,东南沿海各省不成文规定的用相对湿度区分的标准普遍偏低,将大量霾记成了轻雾或雾。实际上近地层大气中每时每刻总是有霾存在的,而雾滴的存在是少见或罕见的;霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴,必须有足够的过饱和度,能够越过过饱和驼峰才行,这在自然界并不容易。在非饱和条件下,不但非水溶性的霾不能转化成雾滴,既便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸湿转化为雾滴。实测资料表明出现雾时,极端最小相对湿度是91%,在相对湿度低于90%的情况下,没有观测到雾。降温是达到饱和形成雾滴的最主要、最重要的物理过程,在自然界中的霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎不可能。历史上我国各级气象部门从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与霾的补充规定,由于理解的问题,将大量霾记成了轻雾。区分霾和雾,应该根据影响天气系统的变化,结合宏观特征的各种判据来确定。建议将相对湿度的阈值定为90%,作为区分轻雾(雾)与霾的辅助判据是合理的。     

我国自动与人工蒸发量观测资料的对比分析

截止到2005年,全国共有130个台站进行蒸发量自动与人工业务观测。该文利用2005年平行观测月数据,对资料的差异和相关性以及比对系数和影响因子进行了讨论,结果表明:月蒸发量差值不满足正态分布,近80%的数据为自动观测值大于人工观测值;在人工观测值较小时,对应的自动与人工相对差值较大,随着人工观测值的增加,差值有减小趋势;自动与人工观测数据之间存在很好的线性相关关系,相关系数为0.98,通过了0.01的显著性检验;比对系数年平均值在1.0~1.2之间,两大高值中心分别位于广西都安和湖南南县;比对系数月平均值的变化近似于二次型拟合曲线,1月最大,6,7月最小;在定性讨论特征站比对系数影响因子的基础上,进一步查明了影响月比对系数的气象因子有月平均相对湿度和月平均风速。     

基于观测事实的四川天气现象发生空间分布特征

利用四川省145个气象台站1981～2013年连续人工观测资料,对34种天气现象发生日数和概率进行统计。结果表明:除极光外,四川省共观测到33种天气现象,露和轻雾日平均发生频率大于40%;雨和阵雨日平均发生频率大于20%;结冰、霜和雷暴日平均发生频率大于10%。露、霜、结冰、雷暴、闪电、大风、积雪、雨、阵雨、雨夹雪、雪11种天气全省各站均有发生,而雨凇、雪暴、吹雪、龙卷仅在个别站点发生。液态降水、雾、轻雾、霾、浮尘、烟幕、露均是盆地内多于高原,而混合降水、固态降水、扬沙、沙尘暴、吹雪、雪暴、雷暴、霜、大风、结冰、积雪、冰针、龙卷、尘卷风则是川西高原多于盆地。      

广东记录霾日和统计霾日的气候特征及比较

利用广东省86个气象观测站1961—2013年记录霾日资料和1981—2013年统计霾日资料,采用线性趋势分析、计算气候趋势系数等统计诊断方法,分析了广东记录霾日和统计霾日的气候特征并进行比较。结果表明:广东统计霾日与记录霾日的年平均分布非常相似,但是统计霾日数比记录霾日数明显增加10~80 d。广东霾分布可划分为三个区:(1)多霾区:包括珠江三角洲、北部的南雄、东南部的汕头,年统计霾日40.0~144.5d;(2)一般霾区:包括广东中部偏北的部分地区,年统计霾日20.0~39.9 d;(3)少霾区:广东西南部和东部大部分地区,年统计霾日1.0~19.9 d。广东年记录霾日和统计霾日均以11 d(10 a)的速率明显上升,1990年后显著增加,特别是2003年以来上升非常明显,2007年达到最大,但2008年以来逐年波动下降。广东年霾日数增加最明显的区域在珠三角、汕头、南雄等地。1980—2013年的广东平均年记录霾日序列与统计霾日序列的相关系数达0.78,显著相关。分析表明统计霾日比记录霾日总体上更客观合理,并对两者存在差异的原因进行了分析与讨论。     

人工与自动观测静风的差异分析与应用

利用2000—2010年全国2195个国家站人工观测转为自动观测时期各站2年的资料,对2 min风向、风速进行对比分析,统计了人工与自动观测静风的差异,研究了引起差异的原因,并探索了年静风频率的应用方法。结果表明:全国人工观测的平均年静风频率为26.3%,自动观测为10.0%,平均风速越大,年静风频率越低,自动与人工观测的差异越小。湖北省平行观测期第一、第二年人工观测的平均年静风频率分别为29.1%、28.8%,自动观测较人工观测分别少18.1%和1 2.4%。造成该差异的主要原因是人工观测风速时,采取四舍五入保留整数位的方式,当风速0.5 m·s~(-1)时记录为静风,而自动观测风速≤0.2 m·s~(-1)时记录为静风。评估湖北省平行观测期第二年自动与人工观测年静风频率差异,将自动观测静风按人工观测方式处理后平均年静风频率为22.8%,与平行观测期第二年人工观测的对比差为-6.0%,较订正前(-12.4%)有明显减少。     

霾与轻雾的区别及观测记录的讨论

利用望谟站2003年部分地面气象观测记录资料分析霾与轻雾的区别,并讨论了两者的观测记录,以期引起同行重视,制定一个统一的霾与轻雾的区分标准。