关键气象因子对北京沙尘天气的影响及其评价模型

关键气象因子对北京沙尘天气的影响及其评价模型答辩人：邱玉珺

导师：邹学勇教授北京师范大学资源学院二零零六年五月二十三日北京师范大学博士学位论文答辩一、选题背景二、资料来源三、北京沙尘天气特征四、北京地区近地面风速风向特征五、关键气象因子对沙尘天气的影响六、北京地区沙尘天气相关评价七、主要结论汇报提纲现状不容乐观：北京冬春季节气候干燥且多大风,沙尘天气频频发生科学研究中存在的问题：沙尘天气不只是一种简单的自然天气过程,还受到人类经济活动的影响.如何量化评价自然和人为因素对沙尘天气的影响,目前还没有很好的解决北京地处我国沙尘天气多发区的下风向,上风向地区对北京沙尘天气的影响较大,但究竟大到什么程度也无法综合量化评价一、选题背景量化评价自然因素与人为因素对北京地区沙尘天气的影响概率量化评价不同沙源对北京沙尘天气的影响概率

总结和评价北京沙尘天气的强度变化规律

拟解决的关键科学问题一、选题背景技术途径一、选题背景2.1研究区及站点区域划分二、资料来源2.2数据收集内容时间涉及站点来源说明第一数据来源沙尘天气发生时间、能见度、风速、相对湿度、降水量、蒸发量1971年-2000年区域图中的14个站点中国气象局能见度资料的时间分辨率为6h，其他资料的时间分辨率为日第二数据来源10m高度风速、风向1980年-2000年海淀、朝阳、石景山、房山、昌平、丰台、延庆、怀柔、顺义、平谷、门头沟、大兴各站点气象台站时间分辨率为1h，风向分别为：NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW、0风向C二、资料来源三、北京沙尘天气特征交集沙尘暴∩扬沙沙尘暴∩浮尘扬沙∩浮尘沙尘暴∩扬沙∩浮尘频率(次)说明23沙尘暴总频率的92%

7沙尘暴总频率的30.43%

66浮尘天气的53.23%

7沙尘暴总频率的30.43%并集北京三种沙尘天气的并集为465频次;沙尘暴、扬沙和浮尘天气的频率比分别为4.5%、73.10%、22.4%

3.1沙尘天气频率集合3.2沙尘天气频率集合1、2、3分别表示沙尘暴、扬沙和浮尘天气的发生时间沙尘天气频率是指三个集合的并集三、北京沙尘天气特征三、北京沙尘天气特征北京沙尘天气频率年际分布3.3沙尘天气频率分布特征北京三种沙尘天气频率年际分布北京三种沙尘天气频率不同月份累积分布

三、北京沙尘天气特征三、北京沙尘天气特征3.4沙尘天气日变化规律统计方法三、北京沙尘天气特征统计结果沙尘天气上午(8-14点)下午(14-20点)夜间与凌晨(20-08点)频率/次频率比/%频率/次频率比/%频率/次频率比/%沙尘暴624.00%1040.00%936.00%扬沙8220.25%10425.68%21954.07%浮尘2116.94%3629.03%6754.03%三、北京沙尘天气特征沙尘天气在不同季节的发生时间分布沙尘暴扬沙浮尘四、北京地区近地面风速风向特征主风向大于等于5m/s频率年际分布

研究站点四、北京地区近地面风速风向特征风向统计方法四、北京地区近地面风速风向特征风向统计方法风向2风向1风向3风向4四、北京地区近地面风速风向特征不同风向下大于等于5m/s的频率比平均68.19％平均11.56％平均9.48％平均9.88％四、北京地区近地面风速风向特征三种沙尘天气在不同风向下的频率比

风速日均值

风速最大值风向频率比五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响

5.1关键气象因子的确定涉及资料与方法气象因子：沙尘天气频率、风速、相对湿度、降水量、蒸发量研究站点：研究站点图中的14个站研究方法：沙尘天气频率与其他气象因子做相关分析相关分析结果年相关分析：除了风速,其他气象因子的相关性不稳定季节相关分析：相关性稳定,风速-正相关、相对湿度-负相关、降水量-负相关、蒸发量－正相关五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响

站点气象因子北京丰宁怀来张家口呼和浩特大同太原风速0.625**0.574**0.458**0.558**0.608**0.608**0.669**相对湿度-0.364**-0.431**-0.413**-0.5**-0.567**-0.51**-0.522**降水量-0.263**-0.199**-0.242**-0.256**-0.208**-0.275**-0.284**蒸发量0.301**0.282**0.197**0.259**0.295**0.165**0.239**

站点气象因子二连浩特阿巴嘎旗朱日和多伦阿拉善左旗银川盐池风速0.713**0.661**0.583**0.291**0.507**0.34**0.513**相对湿度-0.555**-0.554**-0.607**-0.197**-0.374**-0.625**-0.651**降水量-0.118-0.133-0.223**-0.266**-0.034-0.179**-0.328**蒸发量0.345**0.325**0.308**-0.110.37**0.301**0.183**14站逐月沙尘天气频率与气象因子相关系数

注：‘*’表示通过了95%的显著性检验，‘**’表示通过了99%的显著性检验

五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响

站点气象因子平谷丰台昌平房山石景山朝阳海淀风速与沙尘频率0.217**0.431**0.394**0.422**0.45**0.333**0.481**相对湿度与沙尘频率-0.237**-0.373**-0.392**-0.3**-0.33**-0.367**-0.285**降水量与沙尘频率-0.103-0.201**-0.202**-0.082-0.117*-0.2**-0.113蒸发量与沙尘频率0.244**0.316**0.273**0.195**0.302**0.2**0.284**P-E指数与沙尘频率-0.136*-0.234**-0.231**-0.115-0.159**-0.229**-0.141*降水量与相对湿度0.66**0.68**0.665**0.646**0.668**0.685**0.661**蒸发量与相对湿度0.252**0.141*0.173**0.1270.0510.1080.058P-E指数与降水量0.957**0.955**0.964**0.953**0.951**0.95**0.95**P-E指数与蒸发量0.191**0.0970.110.182**0.0790.0770.054北京7区各气象因子间的相关系数

注：‘*’表示通过了95%的显著性检验，‘**’表示通过了99%的显著性检验

关键气象因子：风速、相对湿度五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响依据：与风速成正相关，相对湿度成负相关；各气象因子之间非线性作用

5.2气象指数E0表示气象指数，W表示风速（m/s），H表示相对湿度

站点气象因子北京丰宁怀来张家口呼和浩特大同太原沙尘天气30,15,1,6m,4m,3m30,15,1,6m,4m,3m30,15,10,1,6m,4m30,15,1,6m,4m,3m30,1,6m,4m30,15,1,6m,4m30,15,1,6m,4m气象指数10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m

站点气象因子二连浩特阿巴嘎旗朱日和多伦阿拉善左旗银川盐池沙尘天气30,10,1,6m,4m1,6m,4m,3m15,1,6m,4m30,15,1,6m,4m,3m30,15,1,6m30,10,1,6m30,10,1,6m气象指数10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响14站沙尘天气频率与气象指数周期

注：m表示月，只有数的单位是年五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响

5.3北京沙尘日的综合气象指数特征北京沙尘天气与非沙尘日气象指数月均值12个月的沙尘日指数均值为2.69,非沙尘日和全年平均分别为1.17、1.18,沙尘日的指数均值分别是非沙尘日和全年平均的2.30、2.28倍与非沙尘日气象指数对比五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响与沙尘天气频率的对比沙尘天气频率与沙尘日气象指数分布

沙尘日气象指数和全年气象指数均值

19711981199120001971198119912000五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响E表示季节性气象指数，W表示风速（m/s），H表示相对湿度

5.4综合气象指数模型季节性气象指数气象指数与沙尘天气频率的对比五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响综合气象指数模型北京综合气象指数模型5.5人为因素和自然因素影响概率

五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响前提假设1.综合气象指数模型主要反映了自然条件影响（气候因素）下的沙尘天气发生规律2.沙尘天气频率实际值与模型预测值的差值作为人为因素对沙尘天气影响的量化计算方法五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响RER表示相对人为影响率,Sr表示沙尘天气频率实际值,Sp表示沙尘天气频率预测值五、关键气象因子对北京沙尘天气的影响将12个月的RER相加得到年RER；30年的RER均值约为99.9%,人为因素与自然因素对北京沙尘天气的影响概率都约占50%北京沙尘天气RER年际分布六、北京地区沙尘天气相关评价注1：G3∠G2，G5∠G4注2：阈值M取2/3

6.1沙尘天气的成因分类六、北京地区沙尘天气相关评价6.2不同沙源影响概率的计算方法不同沙源沙尘天气发生时间与北京的交集运算六、北京地区沙尘天气相关评价注：PVFi、PVSi和PVYi分别表示Gi在浮尘、沙尘暴和扬沙天气下的影响概率;BF、BS、BY分别表示北京浮尘、沙尘暴、扬沙天气的总频率六、北京地区沙尘天气相关评价北京沙尘天气本地影响概率区域2对北京沙尘天气的影响概率区域3对北京沙尘天气的影响概率6.3不同沙源影响概率的评价结果六、北京地区沙尘天气相关评价本地沙源、区域2和区域3的影响概率相加只有70.74%，没有达到100%,可能是阈值M偏大造成；本地沙源、区域2和区域3中的影响概率折合成百分比分别为：23.9%、53.4%、22.7%区域3本地沙源区域2各种沙源影响比例六、北京地区沙尘天气相关评价6.4沙尘强度评价模型资料：沙尘天气频率、风速、相对湿度、能见度、沙尘质量浓度站点：北京方法：风速、相对湿度与沙尘天气频率、沙尘质量浓度相关分析沙尘天气频率与能见度方差分析

能见度、能见度距平与沙尘质量浓度进行相关分析模型资料与方法六、北京地区沙尘天气相关评价模型依据1沙尘天气发生频率与能见度方差有显著的相关性，能见度、能见度距平与沙尘质量浓度值的相关分析（能见度用NI表示，能见度距平用ΔNI表示）时发现，沙尘质量浓度与ΔNI/NI的相关性最好，相关系数高达-0.8012风速、相对湿度与沙尘天气频率、沙尘质量浓度显著相关3前一章中分析沙尘气象指数时得出结论：沙尘天气气象指数中隐含有沙尘天气强度的信息六、北京地区沙尘天气相关评价Q表示沙尘强度指数,NI表示能见度[km],ΔNI表示沙尘日当天与前一天能见度的差值,V表示风速[m/s],H表示相对湿度.v’取为风速的多年日均值.模型结构六、北京地区沙尘天气相关评价2000年4月1日－2000年4月15日PM10与Q指数的比较

Q指数与沙尘质量浓度值的对比1六、北京地区沙尘天气相关评价7个沙尘日TSP与Q指数的比较

Q指数与沙尘浓度观测值的对比26.5沙尘强度特征六、北京地区沙尘天气相关评价北京与近周边站的对比六、北京地区沙尘天气相关评价各种Q强度比较约为2的公比递减

公比约为6:5:1各种沙尘天气Q累积量百分比

六、北京地区沙尘天气相关评价不同风向下的Q比较七、主要结论7.1沙尘天气频率特征沙尘暴、扬沙和浮尘天气占总沙尘天气频率的百分比分别为4.5%、73.10%、22.4%92%的沙尘暴日中同时有扬沙天气发生、有30.43%浮尘天气发生；53.23%的浮尘天气日中同时有扬沙天气发生沙尘暴的最高频率出现在下午时段,扬沙和浮尘天气出现在夜间与凌晨时段七、主要结论7.2风场特征北京沙尘日在西北风向下的风速较大,受境外沙源的影响大东北风向下的风速比西北风向下小很多,但又大于除这两个风向的其他风向,这种情况下发生的沙尘天气会受近沙源的影响,且持续的时间也较长,影响力仅次于西北风向下的沙尘天气西南风向下的浮尘天气受