上海夏季近地面臭氧浓度及其相关气象因子的分析和预报

为了揭示城市近地面臭氧浓度的变化特征及其相关气象因素,尝试进行近地面臭氧浓度预报。通过对2005年夏季（6～9月上旬）上海徐家汇地区近地面臭氧的观测与分析,建立了用于夏季臭氧浓度预报和高浓度臭氧污染事件预警的一种简便、实用的统计回归方法。结果表明：天气条件对臭氧形成具有明显的作用,臭氧浓度晴天最大、多云天次之、阴雨天最小;臭氧具有明显的日变化特征,12：00～14：00之间为最大值,凌晨3：00～5：00之间有一很小的次峰,5：00～6：00之间为最小值。产生高浓度臭氧污染是多项因子的综合结果,一般在高压系统的影响下,晴天少云,紫外辐射较强,相对湿度较低,气温较高,地面和高空吹偏北风,且风速较小的情形时容易产生高浓度臭氧污染。引进高浓度臭氧潜势指数和风向影响指数两个指标,并综合考虑多种气象要素,通过逐步回归建立的臭氧浓度预报方程,对逐日最大臭氧浓度具有较好的拟合效果和可预报性。     

用逐步回归法预报地面臭氧浓度

利用东莞市板岭国家基本站EC9810B O3分析仪和常规气象观测数据,用逐步回归法建立回归方程预报臭氧浓度,预报检验结果表明：预报值能较好反映臭氧浓度的逐日和逐时变化趋势,其平均绝对误差、平均相对误差、标准差都较小,说明预报方法具有较好的稳定性;对于极高和极低浓度值,或浓度值出现大幅度变化,预报值与实况值有一定的偏差。     

天气预报评分方法评述

本文按定性预报、百分率预报和形态预报3类预报形式，分别概述了常用的验证评分方法。提出了预报评分方法应遵循的7条准则，并以此为依据，针对强对流天气等小概率事件的预报，讨论了各种评分方法的适用性。最后，对各类预报形式的验证评分，提出了最佳的方案。     

用车贝雪夫多项式做时间序列预报的一种改进方案

为提高预报准确率，本文对作者以前提出的时间序列预报方法，提出了一种改进方案。这一方案的要点是:1）在计算理想初值的预报时，针对不同情况选择不同的迭代次数；2）在通过迭代终值计算预报时，对不同情况使用不同的拟合误差平均值；3）当拟合误差的符号难以确定时，直接取迭代终值作为预报值。实例计算表明， 新的方案有利于提高预报准确率。     

基于机器学习分类算法的臭氧浓度等级预报在长沙的应用

为准确预报臭氧浓度等级,基于EC_THIN全球天气模式产品和我国自主研发的CMA_GFS全球天气数值预报产品以及华南GRACEs大气成分模式输出产品,融合气象和环境观测数据,使用6种机器学习智能算法,构建耦合数值预报模式和机器学习的混合模型,旨在充分发挥数值预报与机器学习智能算法的优势和互补协同作用,实现臭氧浓度等级预报准确度的跨越式提升。共设置4个控制试验,选取不同的特征产品,依次使用机器学习经典分类算法对长沙市未来4天的臭氧浓度等级进行分类预报,取测试准确度最高的模型输出结果作为结果统计。发现：最优模型1～4天的测试准确度分别为81.7%、81.7%、78.3%、60.9%,大大高于大气成分模式预报和预报员经验,达到预期设计目标;高质量的天气模式产品对模型贡献大,而大气成分模式产品对模型贡献有限;模型3天以内预测性能较好,低等级预测性能较好,高等级预测性能一般。提出解决方案供讨论：增加高等级样本数量,增强模型对此类事件的识别能力;加强高等级臭氧污染的机理分析,组合出更精炼的因子供模型使用。     

宁波市近地层臭氧浓度变化及预测

利用2010—2013年宁波市近地层臭氧浓度等环境监测资料、地面气象观测资料和NCEP再分析资料,分析了宁波市臭氧浓度的分布规律及其与环境条件的相关性,并建立了臭氧浓度预测方程。结果表明:2010—2013年宁波市近地层臭氧浓度日变化呈"单峰型",峰值一般出现在午后;臭氧月浓度变化呈"双峰型",两个峰值分别出现在5月和10月。选取与宁波近地层臭氧浓度相关性较好的日平均气压、水汽压、气温、NO2浓度和SO2浓度等作为预报因子建立回归模型预测臭氧浓度,模型通过了显著性检验,预报效果较好。统计分析了宁波市臭氧浓度超标日的常见天气型,表明变性冷高压、均压场、高空脊、副热带高压及热带气旋外围影响型为易导致宁波市臭氧污染的天气型,5种天气型所占比例分别为22.1%、9.5%、24.4%、31.4%和8.7%,其他天气型占3.9%;并通过合成分析法,说明了5种天气型相关的天气形势。     

多因子的EOF迭代预报方案

本文提出一种基于ＥＯＦ分析的ＥＯＦ迭代预报方案，详细介绍了各有关参数的选取方法，并提出利用主成分分析方法确定拟合时特征场截止阶数，这是预报成功与否的关键。该方案尤其适用于备选因子较多，但因子两两之间又有显著相关时的情形。文中最后利用一实例验证该方案的预报能力。     

热带气旋路径趋势数值预报的试验研究

给出了一个嵌套于欧洲中期天气预报中心全球谱模式中的套网格模式，用于预报热带气旋路径趋势，提出了一种以欧洲中期天气预报中心提供的时距为24小时的预报场为基础的“接力预报”方法；设计了五种不同的“接力预报”方案；并对8507号和8509号两个热带气旋就各种不同预报方案进行了数值预报试验。结果表明，本模式对热带气旋路径趋势具有较强的预报能力，对疑难路径也具有一定的预报能力，为开展热带气旋的路径趋势预报提供了一个新的途径。文中还对影响热带气旋路径趋势的一些主要因子结合各预报结果进行了分析，为模式尽早投入业务提供了一定的依据。     

上海浦西地区雾持续时间的统计释用预报

丰海浦西地区雾持续时间释用预报（PPM）的结果分析和中尺度数值预报资料基础上，应用模式输出统计（MOS）方法，构造了与上海地区成雾条件和雾的维持有一定关系的数值预报要素组成的预报因子，并进行逐步回归分析，建立了雾持续时间的统计释用预报方程，同时，提出了在小样本情况下应用交互验证分析法时克服因子不稳定的一种方法，研制了雾时业务预报的统计释用集成方案，并进行了对比分析，结果表明，统计释用预报集成方案较完全预报（PPM）的结果有明显改进。可供业务试用。     

多积云参数化方案热带气旋路径集合预报试验

利用MM5模式采用5种积云参数化方案选项研究了2004～2006年共8个热带气旋路径的集合预报。结果表明，热带气旋路径预报对积云参数化方案的选取是敏感的，积云参数化方案之间优劣互补，而选择无积云参数化方案选项对热带气旋路径的预报有积极的贡献。采用3种路径集合预报方案研究的结果表明，集合方法对热带气旋路径预报有明显的改善，其中无积云参数化Grell、Betts—Miller和Kain—Fritsch4种积云参数化方案选项组合的集合预报效果最好，平均路径误差最小。     

Impact of 4DVAR Assimilation of AIRS Total Column Ozone Observations on the Simulation of Hurricane Earl

The Atmospheric Infrared Sounder(AIRS) provides twice-daily global observations of brightness temperature, which can be used to retrieve the total column ozone with high spatial and temporal resolution.In order to apply the AIRS ozone data to numerical prediction of tropical cyclones, a four-dimensional variational(4DVAR) assimilation scheme on selected model levels is adopted and implemented in the mesoscale non-hydrostatic model MM5. Based on the correlation between total column ozone and potential vorticity(PV), the observation operator of each level is established and five levels with highest correlation coefficients are selected for the 4DVAR assimilation of the AIRS total column ozone observations. The results from the numerical experiments using the proposed assimilation scheme for Hurricane Earl show that the ozone data assimilation affects the PV distributions with more mesoscale information at high levels first and then influences those at middle and low levels through the so-called asymmetric penetration of PV anomalies.With the AIRS ozone data being assimilated, the warm core of Hurricane Earl is intensified, resulting in the improvement of other fields near the hurricane center. The track prediction is improved mainly due to adjustment of the steering flows in the assimilation experiment.     

多层模式中臭氧加热率的计算及其对大气温度场的影响

本文介绍一个简单、经济的适用于各种多层大气环流模式中计算臭氧加热率的参数化方案,利用这一方案,可根据臭氧总量气候观测值及其垂直分布资料计算臭氧加热率,也可以在模式中加入臭氧方程,用预报的臭氧含量计算臭氧加热率.用此方案对单站气候资料试算,结果指出,随着高度的增加,臭氧吸收太阳辐射对大气太阳加热率的贡献逐渐接近、达到并在平流层50hPa附近明显超过其它物质如水汽的贡献.此方案用于九层大气环流模式时,对其辐射加热率的计算有较理想的改进,并使模拟的大气温度垂直分布更符合观测事实.     

FY-3A气象卫星臭氧总量数据的质量控制方案及其在台风Tembin(2012)和Isaac(2012)中的应用

我国第二代极轨气象卫星“风云三号”A星(FY-3A)上搭载的紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)每天可以提供一次覆盖全球的臭氧总量观测。为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin(2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。     

Simulation of stratospheric ozone in global forecast model using linear photochemistry parameterization

The two types of ozone, the simulation with interactive (prognostic) ozone using linear photochemistry parameterization (LPP) (INTR) and the simulation with non-interactive ozone using ozone climatology (CLIM), were used in the global forecast model. These two types of ozone were compared with ozone observations from the Aura Microwave Lim Sounder (MLS) and ozonesondes from 16-30 September 2008. The INTR is sensitive to LPP schemes while less sensitive to the time average of initial ozone data. Among three LPP schemes, CARIOLLE, COPCAT, and LINOZ, the COPCAT produces ozone profiles with least differences from MLS and ozonesondes. CLIM overestimates MLS at 200-20 hPa while INTR with COPCAT scheme underestimates MLS ozone above 5 hPa. Over the Antarctic in the lower stratosphere CLIM overestimates MLS and ozonesondes whereas INTR underestimates MLS but overestimates the ozonesonde data. Thus, COPCAT agrees better with ozonesonde data than any other LPP schemes and CLIM. Changing the ozone distribution from CLIM to INTR affects temperature profiles mainly through the modification of differential radiative fluxes. The correlations between ozone, differential radiative fluxes, and temperature are distinguished by altitude (or pressure levels). The correlations are strong or moderate between 3-1000 hPa (lower atmosphere) and weak above 3 hPa (upper atmosphere). This study demonstrates that the simulation of ozone using an appropriate LPP scheme is excellent in overcoming the drawbacks of using climatological ozone profiles that poorly agree with observations in extreme ozone hole events.     

CAPPS多箱模式中光化学模式的嵌套与城市大气臭氧数值预报

为解决城市边界层中大气O₃浓度的预报问题，选用一种简明有效的光化学反应方案建立光化学模式, 并与大气平流扩散的箱格预报模型进行了嵌套，从而将大气化学过程引入到城市空气污染数值预报系统 (CAPPS) 中。同时，根据实际需要研究了VOC (Volatile Organic Compounds) 浓度及NO_x源排放量等参数缺测时，根据前期监测浓度采用遗传算法反演未知参数的具体方法。利用2001年9月8~17日在北京舞蹈学院监测的O₃、NO_x资料及相应的气象数据，用改进后的CAPPS模式进行了单箱预报试验。预报试验结果表明，嵌套后的模式对O₃浓度的变化具备一定的预报能力。     

南极春季臭氧的TOVS反演及其与BREWER观测的比较

通过改进臭氧的统计反演算法，从NOAA卫星的TOVS资料中提取了1993年南极臭氧洞期间中山站上空大气臭氧含量的资料。本文的结果与NOAA的TOVS臭氧产品以及中山站的Brewer观测进行了比较。尽管3种资料对在臭氧洞期间臭氧含量的显著减少这一特征上相当一致，但此项结果相对于Brewer观测，其均方根误差29 DU，优于NOAA的业务反演产品。此外，还初步讨论了这两种反演的误差特征。     

对流层顶折叠检测新方法及其在中纬度 灾害性天气预报中的应用

对流层顶折叠是中纬度地区对流层上层—平流层下层区域(简称UT/LS)内的一个重要的大气现象,它与气旋生、暴雨强对流触发以及降水增幅密切相关。由于这些天气条件下的大气状况异常复杂,因此目前国际上普遍采用的基于干大气条件的对流层顶折叠检测方法存在很大局限性。本文在借鉴已有的卫星资料和数值预报相结合的模式识别法的基础上,通过统计分析的方法建立了高层大气水汽与广义湿位涡、臭氧浓度的关系以及对流层顶折叠与高空急流的位置关系,同时考虑了动力对流层顶高度在判识过程中的辅助作用,建立了一套基于FY-2E静止气象卫星遥感数据的,适用于与暴雨强对流有关的对流层顶折叠动态监测新方法。在利用FY-3A和FY-3B反演的臭氧总量、臭氧垂直廓线以及ECMWF Interim资料计算的位涡等资料对算法进行精度验证的基础上,将该方法在2012年7月21日北京特大暴雨天气过程以及2013年5月14~17日华南大暴雨天气过程的监测和分析上进行了应用,并取得了较好的效果。从应用效果看,本文提出的这种对流层顶折叠识别方法是合理可行的,并具有一定的应用价值,可为中纬度地区暴雨强对流天气的监测和预警提供参考指标。     

The Role of Planetary Boundary-Layer Parameterizations in the Air Quality of an Urban Area with Complex Topography

The effect of different planetary boundary-layer (PBL) parameterization schemes on the spatial distribution of atmospheric pollution over the complex topography of the greater Athens area is investigated. Four PBL schemes originally implemented in a numerical meteorological model and a fifth one simulating the urban effect are examined. Two different atmospheric conditions are analyzed; a typical summer and a typical winter pollution episode. The relative importance of chemical and physical processes of the pollution predictions is discussed using process analysis. It is revealed that, for primary pollutants, a local scheme seems more adequate to represent the maximum observed concentrations while, completely different in structure, a non-local scheme reproduces the mean observed values in the basin. Concerning secondary pollutants, peak concentration differences, due to the different PBL schemes, are smoothed out. Nevertheless, the PBL scheme selection shapes the horizontal and the vertical extension of maximum values. The non-local and semi non-local schemes are superior to the others, favouring strong vertical mixing and transport towards the surface. The stronger turbulence accommodated effectively by the semi non-local urban scheme enhances ozone production along the sea-breeze axis and preserves the high ozone concentrations during the nighttime hours in the urban core.     

Retrieval of Tropospheric CO Profiles Using Correlation Radiometer.Ⅱ: Effects of Other Gases and the Retrieval in Cloudy Atmosphere

l.Intr0ducti0nAschemeforretrievingCOprofilesinthetroPOspherehasbeendiscussedinthepreviousPartI(WuandGille,partI)foragascorrelationradiometerMeasurementsofPollutionintheTroPOsphere(M0PITT)workingatthe4.6pmwaveband.Thebasicequationshavebeendiscussed.TheuseofthewidebandsignalforprovidingthesurfacetemPeratureandanaddi-tionalchannelforthecolumnarC0amounttoimprovetheretrievalinthenearsurfacelayerhasbeentested.Itisfoundthaterrorsinthetemperatureprofilemayincreaseerrorsinthere-trievedprofiles…     

Retrieval of tropospheric co profiles using correlation radiometer. ii: effects of other gases and the retrieval in cloudy atmosphere

The effects of methane, ozone, water vapor and nitrous oxide on the retrieval of tropospheric CO profiles using correlation radiometer have been assessed. The scheme of the retrieval in the presence of solid clouds have been proposed. The effect of methane and nitrous oxide can be well accounted by their mean profile, and that of ozone can be represented by a typical middle latitude ozone profile, while for water vapor, less than 50% uncertainty is required. With the assumption of blackbody for cloud surface, the CO profile may be retrieved for low and middle solid clouds. However, the retrieval of CO profile will lose quality for high clouds.