宜昌市灰霾天氣分型及預報方法初探

李 芳,付曉輝,祁東平,李子進

(湖北省宜昌市氣象局,湖北 宜昌 443000)

宜昌市灰霾天氣分型及預報方法初探

李 芳,付曉輝,祁東平,李子進

(湖北省宜昌市氣象局,湖北 宜昌 443000)

利用 1996-1999年宜昌市地面觀測資料進行數據處理和統計,并對 1996-1999年逐日 08時東亞天氣圖進行普查,根據發生灰霾天氣時宜昌所處地面形勢進行分類,普查結果表明:宜昌灰霾天氣可分為高壓控制、高壓前部 (或底部)、高壓后部、變性高壓、低壓、鞍型場共 6類。宜昌處于變性高壓控制時出現灰霾天氣的概率最大,處于高壓或低壓控制時,出現灰霾的可能性較小。此外,還根據宜昌市灰霾天氣氣象因子診斷分析結果,建立了宜昌市灰霾天氣預報決策樹,并用 2009年的數據進行檢驗驗證,結果表明冬季及秋季預報效果優于春季和夏季。

灰霾;地面形勢;決策樹;預報

1 引言

灰霾天氣加重空氣污染程度,使空氣混濁,能見度降低,危害人體健康。所以,灰霾的出現具有重要的空氣質量指示意義。近年來國內外對灰霾污染形成機理及成因進行了研究,分析灰霾天氣成因的氣象條件主要有合適的大尺度天氣形勢,氣流停滯區、近地面靜小風,大氣邊界層存在強逆溫層,強日照和低相對濕度以及以上條件持續多日維持等[1]。為了提高霾天氣的預測預報水平,國內外各界展開了各類研究。中國氣象科學研究院對霧霾等低能見度天氣進行了詳細分析和預測方法的研究,大氣成分中心發展了包含大氣化學過程的中尺度模式,采用數值模式預報模式方法和模擬研究霧霾天氣,預測和分析這類天氣取得了很好的效果[2],目前,中國氣象局已開展霧霾天氣的預報。宜昌作為旅游城市,空氣質量及環境的好壞對城市的影響較大,據統計,宜昌霾天氣呈現逐漸增加的趨勢[3],因此,為提高宜昌霾天氣的預測預報水平,分析統計宜昌市霾天氣氣候特征及霾天氣出現的天氣類型有其必要性。

決策樹方法是應用很廣泛的歸納方法之一,速度快,直觀,在專家系統、工業控制過程、金融保險預測以及醫療診斷等領域有廣泛的應用,能夠在一個平臺上較好地整合各種資料和各種預報方法。決策樹方法在氣象上也應用廣發,澳大利亞已在業務工作中應用決策樹系統診斷雷暴產生的可能性[4],四川省氣象臺也應用雷電潛勢預報決策樹作雷電潛勢預報,業務試用效果較好[5]。本文主要采用決策樹方法對灰霾進行預報,并進行試用檢驗。

2 資料處理與方法

由于在實際地面觀測中,對輕霧和霾各地的觀測規定不同,就宜昌而言,輕霧和霾的界定為:當能見度 <10Km時,相對濕度 >65%記為輕霧,<55%記為霾,介于兩者之間可記為輕霧也可以記為霾。根據近年來國內研究成果[6]及中國氣象局預測減災司下發的氣預函 [2007]11號文件規定,對宜昌1996-1999年天氣現象觀測進行訂正處理,并對1996-1999年逐日 08時東亞天氣圖進行普查。

本文采用決策樹統計方法對霾進行預報,決策樹實驗樣本包括 2009年1-12月的日本數值預報24h降水、T213模式 1000hPa宜昌格點相對濕度、T213模式海平面 24h變壓、T213模式 500hPa以下各相鄰層是否有逆溫或等溫層、連續無降水日數、地面風速等預報資料。

3 宜昌市霾的典型天氣類型

通過對宜昌 1996-1999年宜昌市灰霾天氣進行統計和灰霾天氣所對應的地面形勢進行普查,結果發現 1996-199年中灰霾天氣共有 586d,根據發生灰霾天氣時宜昌所處地面形勢進行分類,共分為高壓控制、高壓前部 (或底部)、高壓后部、變性高壓、低壓、鞍型場共 6類;普查結果表明:宜昌處于變性高壓控制時出現霾天氣的概率最大,其次是處于高壓前 (底)部時;當宜昌處于高壓或低壓控制時,出現霾的可能性較小(見表 1)。

表 1 1996—1999年宜昌市霾與地面形勢的統計

①高壓:此種天氣形勢分兩種,一種是冷高壓控制,另一種是暖高壓控制。當地面圖上宜昌市受冷空氣影響,處于冷高壓脊控制之下時,若冷高壓強度較強,高壓脊前部偏北或東北氣流不斷引導北方冷空氣入侵,氣壓梯度較大,地面風速也較大,對霾形成不利;若冷高壓強度較弱,風速增大不顯著,天氣晴好,可能會出現霾。此外,夏季地面受暖性高壓控制時,天氣晴熱,濕度小,大氣熱力和動力條件不是很好時污染物易聚集在低層空氣中形成灰霾。在 1996-1999年中,受高壓控制時,宜昌出現霾的天數僅有 32d,占霾出現總天數的 5.5%。

②高壓前(底)部:在秋冬季節冷空氣活動頻繁時,高壓主體位于河套或蒙古地區,冷鋒鋒線位于河北—秦嶺一線時,宜昌處于高壓前部,地面風力較小,氣溫明顯升高,易出現霾天;當高壓主體位于蒙古及東北,宜昌處于高壓底部,受高壓底部偏東氣流影響,地面風速較弱,地面回暖明顯,溫度升高,大氣層結穩定,易出現灰霾。在 1996-1999年中,當宜昌處于高壓前 (底)部時,出現霾的天數為154d,占霾出現總天數的 26.2%。

③高壓后部:與高壓底部類似,地面高壓入海,宜昌處于入海高壓后部,受高壓后部偏南氣流影響,地面回暖明顯,并以均壓場為主,系統較穩定,此時易出現灰霾。在 1996-1999年中,當宜昌處于高壓后部時,出現霾的天數為 91d,占霾出現總天數的 15.5%。

④變性高壓:冷空氣在南下過程中逐漸變性,當受冷空氣影響后,宜昌處于變性高壓控制中,在其控制下,天氣晴好,地面氣壓較冷高壓控制時減小(△P≤0),氣壓梯度減小,風速小,并且受變性高壓控制時將出現持續晴好天氣,濕度變小,大氣層結穩定,不利于污染物擴散,極易出現灰霾天氣。在 1996-1999年中,當宜昌處于變性高壓控制時,出現霾的天數為 247d,占霾出現總天數的 42.2%。

⑤低壓:此種天氣形勢分兩種,一種是宜昌處于兩個弱高壓之間的低壓區,另一種是處于從西南向東北伸的低壓倒槽。當宜昌東南部有一弱的變性高壓,西北部有新的弱冷高壓時,宜昌處于這兩個弱高壓之間的低壓區,此時低壓區內氣壓梯度較小,風力不大,受東南部變性高壓的影響,前期天氣較好,濕度較小,對霾形成有利;當宜昌處于西南暖倒槽控制時,地面氣壓場較弱,氣壓梯度小,風速小,溫度高,常出現逆溫,易出現灰霾。在 1996-1999年中,當宜昌處于低壓控制時,出現霾的天數為 59d,占霾出現總天數的 10.1%。

⑥鞍型場:占 0.5%,鞍形場出現霾的概率很小,在 1996-1999年中,當宜昌處于鞍型場時,出現霾的天數僅為 3d,占霾出現總天數的 0.5%。

4 灰霾預報決策樹及預報檢驗

霾的出現與氣象條件密切相關,不同的天氣形勢對霾的形成有很大影響,根據付曉輝等對宜昌市霾天氣的氣象因子診斷分析[3],得出宜昌霾天氣與地面風速、地面氣壓場、連續不降水日數、逆溫層等有關。一般霾天氣出現時地面氣壓場減弱或處于均壓場中,地面風速較小(U≤2m/s)。

灰霾天氣預報決策樹是一棵二叉樹,經過不斷修剪和選擇后的決策樹如圖 1,圖中各節點的屬性值為產生灰霾天氣的閾值,同一節點不同的小于閾值的屬性值對產生灰霾天氣的貢獻是不同的。次決策樹主要是對未來 24h是否有灰霾天氣出現進行預報。

圖 1 宜昌市灰霾天氣預報決策樹

利用此決策樹對 2009年冬季、春季、秋季 3個季節各挑選一個代表月進行試運行預報,隨機選取2009年1月為冬季代表月、3月為春季代表月、11月為秋季代表月,對預報結果進行初步檢驗,檢驗采用 TS評分標準。經檢驗,結果表明:

①月份預報準確率最高,達 78.3%,3月份準確率最低,3月份漏報率較高,因漏報較多,影響了預報準確率;

②由于 1月份降水少,霾出現較多,檢驗樣本也較多,對霾預報準確率也較高;3月份進入春季,雨水增多,連續 3d無降水這一判定條件對決策樹預報結果有一定影響,導致了霾的預報準確率較低。

③此決策樹對冬季及秋季預報效果優于春季和夏季的預報效果。不同季節霾的出現頻率不同,影響霾的主要天氣系統及氣象條件也不盡相同,有待進一步對決策樹進行優化。

[1] 鐘流舉 .灰霾天氣背景資料[Z].中國環境監測總站部分省市站長座談會發言資料,2007.05.17.

[2] 劉紅年,胡榮章,等,城市灰霾數值預報模式的建立與應用[J].環境科學研究,2009,22(6):631-636.

[3] 付曉輝,肖剛,等,近 53年宜昌市霾的演變特征及氣象因子診斷[J].長江流域資源與環境,2010,19(2):164-168.

[4] G.A.Mills,J.R.Colquhoun.強雷暴環境的客觀預報:決策樹與區域業務數值天氣預報模式[J].氣象科技,1994,6:14-24.

[5] 徐會明,靳小兵,等.決策樹法在雷電潛勢預報中的應用[J].高原山地氣象研究,2008,25(4):55-58.

[6] 吳兌 .關于霾與霧的區別和灰霾天氣預警的討論[J].氣象,2005.31(4):3-7.

P456

B

2010-09-10

李芳 (1984-),女,助工,主要從事短期天氣預測工作。

1003-6598(2010)增刊 -0085-03