李 芳,付曉輝,祁東平,李子進(jìn)

(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(yù)報(bào)方法初探

李 芳,付曉輝,祁東平,李子進(jìn)

(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(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì),并對(duì) 1996-1999年逐日 08時(shí)東亞天氣圖進(jìn)行普查,根據(jù)發(fā)生灰霾天氣時(shí)宜昌所處地面形勢(shì)進(jìn)行分類,普查結(jié)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(chǎng)共 6類。宜昌處于變性高壓控制時(shí)出現(xiàn)灰霾天氣的概率最大,處于高壓或低壓控制時(shí),出現(xiàn)灰霾的可能性較小。此外,還根據(jù)宜昌市灰霾天氣氣象因子診斷分析結(jié)果,建立了宜昌市灰霾天氣預(yù)報(bào)決策樹(shù),并用 2009年的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明冬季及秋季預(yù)報(bào)效果優(yōu)于春季和夏季。

灰霾;地面形勢(shì);決策樹(shù);預(yù)報(bào)

1 引言

灰霾天氣加重空氣污染程度,使空氣混濁,能見(jiàn)度降低,危害人體健康。所以,灰霾的出現(xiàn)具有重要的空氣質(zhì)量指示意義。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)灰霾污染形成機(jī)理及成因進(jìn)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(shì),氣流停滯區(qū)、近地面靜小風(fēng),大氣邊界層存在強(qiáng)逆溫層,強(qiáng)日照和低相對(duì)濕度以及以上條件持續(xù)多日維持等[1]。為了提高霾天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平,國(guó)內(nèi)外各界展開(kāi)了各類研究。中國(guó)氣象科學(xué)研究院對(duì)霧霾等低能見(jiàn)度天氣進(jìn)行了詳細(xì)分析和預(yù)測(cè)方法的研究,大氣成分中心發(fā)展了包含大氣化學(xué)過(guò)程的中尺度模式,采用數(shù)值模式預(yù)報(bào)模式方法和模擬研究霧霾天氣,預(yù)測(cè)和分析這類天氣取得了很好的效果[2],目前,中國(guó)氣象局已開(kāi)展霧霾天氣的預(yù)報(bào)。宜昌作為旅游城市,空氣質(zhì)量及環(huán)境的好壞對(duì)城市的影響較大,據(jù)統(tǒng)計(jì),宜昌霾天氣呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)[3],因此,為提高宜昌霾天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平,分析統(tǒng)計(jì)宜昌市霾天氣氣候特征及霾天氣出現(xiàn)的天氣類型有其必要性。

決策樹(shù)方法是應(yīng)用很廣泛的歸納方法之一,速度快,直觀,在專家系統(tǒng)、工業(yè)控制過(guò)程、金融保險(xiǎn)預(yù)測(cè)以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,能夠在一個(gè)平臺(tái)上較好地整合各種資料和各種預(yù)報(bào)方法。決策樹(shù)方法在氣象上也應(yīng)用廣發(fā),澳大利亞已在業(yè)務(wù)工作中應(yīng)用決策樹(shù)系統(tǒng)診斷雷暴產(chǎn)生的可能性[4],四川省氣象臺(tái)也應(yīng)用雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)決策樹(shù)作雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào),業(yè)務(wù)試用效果較好[5]。本文主要采用決策樹(shù)方法對(duì)灰霾進(jìn)行預(yù)報(bào),并進(jìn)行試用檢驗(yàn)。

2 資料處理與方法

由于在實(shí)際地面觀測(cè)中,對(duì)輕霧和霾各地的觀測(cè)規(guī)定不同,就宜昌而言,輕霧和霾的界定為:當(dāng)能見(jiàn)度 <10Km時(shí),相對(duì)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(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究成果[6]及中國(guó)氣象局預(yù)測(cè)減災(zāi)司下發(fā)的氣預(yù)函 [2007]11號(hào)文件規(guī)定,對(duì)宜昌1996-1999年天氣現(xiàn)象觀測(cè)進(jìn)行訂正處理,并對(duì)1996-1999年逐日 08時(shí)東亞天氣圖進(jìn)行普查。

本文采用決策樹(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)霾進(jìn)行預(yù)報(bào),決策樹(shù)實(shí)驗(yàn)樣本包括 2009年1-12月的日本數(shù)值預(yù)報(bào)24h降水、T213模式 1000hPa宜昌格點(diǎn)相對(duì)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(xù)無(wú)降水日數(shù)、地面風(fēng)速等預(yù)報(bào)資料。

3 宜昌市霾的典型天氣類型

通過(guò)對(duì)宜昌 1996-1999年宜昌市灰霾天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和灰霾天氣所對(duì)應(yīng)的地面形勢(shì)進(jìn)行普查,結(jié)果發(fā)現(xiàn) 1996-199年中灰霾天氣共有 586d,根據(jù)發(fā)生灰霾天氣時(shí)宜昌所處地面形勢(shì)進(jìn)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(chǎng)共 6類;普查結(jié)果表明:宜昌處于變性高壓控制時(shí)出現(xiàn)霾天氣的概率最大,其次是處于高壓前 (底)部時(shí);當(dāng)宜昌處于高壓或低壓控制時(shí),出現(xiàn)霾的可能性較小(見(jiàn)表 1)。

表 1 1996—1999年宜昌市霾與地面形勢(shì)的統(tǒng)計(jì)

①高壓:此種天氣形勢(shì)分兩種,一種是冷高壓控制,另一種是暖高壓控制。當(dāng)?shù)孛鎴D上宜昌市受冷空氣影響,處于冷高壓脊控制之下時(shí),若冷高壓強(qiáng)度較強(qiáng),高壓脊前部偏北或東北氣流不斷引導(dǎo)北方冷空氣入侵,氣壓梯度較大,地面風(fēng)速也較大,對(duì)霾形成不利;若冷高壓強(qiáng)度較弱,風(fēng)速增大不顯著,天氣晴好,可能會(huì)出現(xiàn)霾。此外,夏季地面受暖性高壓控制時(shí),天氣晴熱,濕度小,大氣熱力和動(dòng)力條件不是很好時(shí)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(shí),宜昌出現(xiàn)霾的天數(shù)僅有 32d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)的 5.5%。

②高壓前(底)部:在秋冬季節(jié)冷空氣活動(dòng)頻繁時(shí),高壓主體位于河套或蒙古地區(qū),冷鋒鋒線位于河北—秦嶺一線時(shí),宜昌處于高壓前部,地面風(fēng)力較小,氣溫明顯升高,易出現(xiàn)霾天;當(dāng)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(fēng)速較弱,地面回暖明顯,溫度升高,大氣層結(jié)穩(wěn)定,易出現(xiàn)灰霾。在 1996-1999年中,當(dāng)宜昌處于高壓前 (底)部時(shí),出現(xiàn)霾的天數(shù)為154d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)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(chǎng)為主,系統(tǒng)較穩(wěn)定,此時(shí)易出現(xiàn)灰霾。在 1996-1999年中,當(dāng)宜昌處于高壓后部時(shí),出現(xiàn)霾的天數(shù)為 91d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)的 15.5%。

④變性高壓:冷空氣在南下過(guò)程中逐漸變性,當(dāng)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(shí)減小(△P≤0),氣壓梯度減小,風(fēng)速小,并且受變性高壓控制時(shí)將出現(xiàn)持續(xù)晴好天氣,濕度變小,大氣層結(jié)穩(wěn)定,不利于污染物擴(kuò)散,極易出現(xiàn)灰霾天氣。在 1996-1999年中,當(dāng)宜昌處于變性高壓控制時(shí),出現(xiàn)霾的天數(shù)為 247d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)的 42.2%。

⑤低壓:此種天氣形勢(shì)分兩種,一種是宜昌處于兩個(gè)弱高壓之間的低壓區(qū),另一種是處于從西南向東北伸的低壓倒槽。當(dāng)宜昌東南部有一弱的變性高壓,西北部有新的弱冷高壓時(shí),宜昌處于這兩個(gè)弱高壓之間的低壓區(qū),此時(shí)低壓區(qū)內(nèi)氣壓梯度較小,風(fēng)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(duì)霾形成有利;當(dāng)宜昌處于西南暖倒槽控制時(shí),地面氣壓場(chǎng)較弱,氣壓梯度小,風(fēng)速小,溫度高,常出現(xiàn)逆溫,易出現(xiàn)灰霾。在 1996-1999年中,當(dāng)宜昌處于低壓控制時(shí),出現(xiàn)霾的天數(shù)為 59d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)的 10.1%。

⑥鞍型場(chǎng):占 0.5%,鞍形場(chǎng)出現(xiàn)霾的概率很小,在 1996-1999年中,當(dāng)宜昌處于鞍型場(chǎng)時(shí),出現(xiàn)霾的天數(shù)僅為 3d,占霾出現(xiàn)總天數(shù)的 0.5%。

4 灰霾預(yù)報(bào)決策樹(shù)及預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

霾的出現(xiàn)與氣象條件密切相關(guān),不同的天氣形勢(shì)對(duì)霾的形成有很大影響,根據(jù)付曉輝等對(duì)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(fēng)速、地面氣壓場(chǎng)、連續(xù)不降水日數(shù)、逆溫層等有關(guān)。一般霾天氣出現(xiàn)時(shí)地面氣壓場(chǎng)減弱或處于均壓場(chǎng)中,地面風(fēng)速較小(U≤2m/s)。

灰霾天氣預(yù)報(bào)決策樹(shù)是一棵二叉樹(shù),經(jīng)過(guò)不斷修剪和選擇后的決策樹(shù)如圖 1,圖中各節(jié)點(diǎn)的屬性值為產(chǎn)生灰霾天氣的閾值,同一節(jié)點(diǎn)不同的小于閾值的屬性值對(duì)產(chǎn)生灰霾天氣的貢獻(xiàn)是不同的。次決策樹(shù)主要是對(duì)未來(lái) 24h是否有灰霾天氣出現(xiàn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

圖 1 宜昌市灰霾天氣預(yù)報(bào)決策樹(shù)

利用此決策樹(shù)對(duì) 2009年冬季、春季、秋季 3個(gè)季節(jié)各挑選一個(gè)代表月進(jìn)行試運(yùn)行預(yù)報(bào),隨機(jī)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(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行初步檢驗(yàn),檢驗(yàn)采用 TS評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)檢驗(yàn),結(jié)果表明:

①月份預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高,達(dá) 78.3%,3月份準(zhǔn)確率最低,3月份漏報(bào)率較高,因漏報(bào)較多,影響了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率;

②由于 1月份降水少,霾出現(xiàn)較多,檢驗(yàn)樣本也較多,對(duì)霾預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也較高;3月份進(jìn)入春季,雨水增多,連續(xù) 3d無(wú)降水這一判定條件對(duì)決策樹(shù)預(yù)報(bào)結(jié)果有一定影響,導(dǎo)致了霾的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低。

③此決策樹(shù)對(duì)冬季及秋季預(yù)報(bào)效果優(yōu)于春季和夏季的預(yù)報(bào)效果。不同季節(jié)霾的出現(xiàn)頻率不同,影響霾的主要天氣系統(tǒng)及氣象條件也不盡相同,有待進(jìn)一步對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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B

2010-09-10

李芳 (1984-),女,助工,主要從事短期天氣預(yù)測(cè)工作。

1003-6598(2010)增刊 -0085-03