關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響及其評價模型

關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響及其評價模型答辯人：邱玉珺

導師：鄒學勇教授北京師范大學資源學院二零零六年五月二十三日北京師范大學博士學位論文答辯一、選題背景二、資料來源三、北京沙塵天氣特征四、北京地區(qū)近地面風速風向特征五、關(guān)鍵氣象因子對沙塵天氣的影響六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價七、主要結(jié)論匯報提綱現(xiàn)狀不容樂觀：北京冬春季節(jié)氣候干燥且多大風,沙塵天氣頻頻發(fā)生科學研究中存在的問題：沙塵天氣不只是一種簡單的自然天氣過程,還受到人類經(jīng)濟活動的影響.如何量化評價自然和人為因素對沙塵天氣的影響,目前還沒有很好的解決北京地處我國沙塵天氣多發(fā)區(qū)的下風向,上風向地區(qū)對北京沙塵天氣的影響較大,但究竟大到什么程度也無法綜合量化評價一、選題背景量化評價自然因素與人為因素對北京地區(qū)沙塵天氣的影響概率量化評價不同沙源對北京沙塵天氣的影響概率

總結(jié)和評價北京沙塵天氣的強度變化規(guī)律

擬解決的關(guān)鍵科學問題一、選題背景技術(shù)途徑一、選題背景2.1研究區(qū)及站點區(qū)域劃分二、資料來源2.2數(shù)據(jù)收集內(nèi)容時間涉及站點來源說明第一數(shù)據(jù)來源沙塵天氣發(fā)生時間、能見度、風速、相對濕度、降水量、蒸發(fā)量1971年-2000年區(qū)域圖中的14個站點中國氣象局能見度資料的時間分辨率為6h，其他資料的時間分辨率為日第二數(shù)據(jù)來源10m高度風速、風向1980年-2000年海淀、朝陽、石景山、房山、昌平、豐臺、延慶、懷柔、順義、平谷、門頭溝、大興各站點氣象臺站時間分辨率為1h，風向分別為：NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW、0風向C二、資料來源三、北京沙塵天氣特征交集沙塵暴∩揚沙沙塵暴∩浮塵揚沙∩浮塵沙塵暴∩揚沙∩浮塵頻率(次)說明23沙塵暴總頻率的92%

7沙塵暴總頻率的30.43%

66浮塵天氣的53.23%

7沙塵暴總頻率的30.43%并集北京三種沙塵天氣的并集為465頻次;沙塵暴、揚沙和浮塵天氣的頻率比分別為4.5%、73.10%、22.4%

3.1沙塵天氣頻率集合3.2沙塵天氣頻率集合1、2、3分別表示沙塵暴、揚沙和浮塵天氣的發(fā)生時間沙塵天氣頻率是指三個集合的并集三、北京沙塵天氣特征三、北京沙塵天氣特征北京沙塵天氣頻率年際分布3.3沙塵天氣頻率分布特征北京三種沙塵天氣頻率年際分布北京三種沙塵天氣頻率不同月份累積分布

三、北京沙塵天氣特征三、北京沙塵天氣特征3.4沙塵天氣日變化規(guī)律統(tǒng)計方法三、北京沙塵天氣特征統(tǒng)計結(jié)果沙塵天氣上午(8-14點)下午(14-20點)夜間與凌晨(20-08點)頻率/次頻率比/%頻率/次頻率比/%頻率/次頻率比/%沙塵暴624.00%1040.00%936.00%揚沙8220.25%10425.68%21954.07%浮塵2116.94%3629.03%6754.03%三、北京沙塵天氣特征沙塵天氣在不同季節(jié)的發(fā)生時間分布沙塵暴揚沙浮塵四、北京地區(qū)近地面風速風向特征主風向大于等于5m/s頻率年際分布

研究站點四、北京地區(qū)近地面風速風向特征風向統(tǒng)計方法四、北京地區(qū)近地面風速風向特征風向統(tǒng)計方法風向2風向1風向3風向4四、北京地區(qū)近地面風速風向特征不同風向下大于等于5m/s的頻率比平均68.19％平均11.56％平均9.48％平均9.88％四、北京地區(qū)近地面風速風向特征三種沙塵天氣在不同風向下的頻率比

風速日均值

風速最大值風向頻率比五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響

5.1關(guān)鍵氣象因子的確定涉及資料與方法氣象因子：沙塵天氣頻率、風速、相對濕度、降水量、蒸發(fā)量研究站點：研究站點圖中的14個站研究方法：沙塵天氣頻率與其他氣象因子做相關(guān)分析相關(guān)分析結(jié)果年相關(guān)分析：除了風速,其他氣象因子的相關(guān)性不穩(wěn)定季節(jié)相關(guān)分析：相關(guān)性穩(wěn)定,風速-正相關(guān)、相對濕度-負相關(guān)、降水量-負相關(guān)、蒸發(fā)量－正相關(guān)五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響

站點氣象因子北京豐寧懷來張家口呼和浩特大同太原風速0.625**0.574**0.458**0.558**0.608**0.608**0.669**相對濕度-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**蒸發(fā)量0.301**0.282**0.197**0.259**0.295**0.165**0.239**

站點氣象因子二連浩特阿巴嘎旗朱日和多倫阿拉善左旗銀川鹽池風速0.713**0.661**0.583**0.291**0.507**0.34**0.513**相對濕度-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**蒸發(fā)量0.345**0.325**0.308**-0.110.37**0.301**0.183**14站逐月沙塵天氣頻率與氣象因子相關(guān)系數(shù)

注：‘*’表示通過了95%的顯著性檢驗，‘**’表示通過了99%的顯著性檢驗

五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響

站點氣象因子平谷豐臺昌平房山石景山朝陽海淀風速與沙塵頻率0.217**0.431**0.394**0.422**0.45**0.333**0.481**相對濕度與沙塵頻率-0.237**-0.373**-0.392**-0.3**-0.33**-0.367**-0.285**降水量與沙塵頻率-0.103-0.201**-0.202**-0.082-0.117*-0.2**-0.113蒸發(fā)量與沙塵頻率0.244**0.316**0.273**0.195**0.302**0.2**0.284**P-E指數(shù)與沙塵頻率-0.136*-0.234**-0.231**-0.115-0.159**-0.229**-0.141*降水量與相對濕度0.66**0.68**0.665**0.646**0.668**0.685**0.661**蒸發(fā)量與相對濕度0.252**0.141*0.173**0.1270.0510.1080.058P-E指數(shù)與降水量0.957**0.955**0.964**0.953**0.951**0.95**0.95**P-E指數(shù)與蒸發(fā)量0.191**0.0970.110.182**0.0790.0770.054北京7區(qū)各氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

注：‘*’表示通過了95%的顯著性檢驗，‘**’表示通過了99%的顯著性檢驗

關(guān)鍵氣象因子：風速、相對濕度五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響依據(jù)：與風速成正相關(guān)，相對濕度成負相關(guān)；各氣象因子之間非線性作用

5.2氣象指數(shù)E0表示氣象指數(shù)，W表示風速（m/s），H表示相對濕度

站點氣象因子北京豐寧懷來張家口呼和浩特大同太原沙塵天氣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氣象指數(shù)10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m

站點氣象因子二連浩特阿巴嘎旗朱日和多倫阿拉善左旗銀川鹽池沙塵天氣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氣象指數(shù)10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m10,1,6m五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響14站沙塵天氣頻率與氣象指數(shù)周期

注：m表示月，只有數(shù)的單位是年五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響

5.3北京沙塵日的綜合氣象指數(shù)特征北京沙塵天氣與非沙塵日氣象指數(shù)月均值12個月的沙塵日指數(shù)均值為2.69,非沙塵日和全年平均分別為1.17、1.18,沙塵日的指數(shù)均值分別是非沙塵日和全年平均的2.30、2.28倍與非沙塵日氣象指數(shù)對比五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響與沙塵天氣頻率的對比沙塵天氣頻率與沙塵日氣象指數(shù)分布

沙塵日氣象指數(shù)和全年氣象指數(shù)均值

19711981199120001971198119912000五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響E表示季節(jié)性氣象指數(shù)，W表示風速（m/s），H表示相對濕度

5.4綜合氣象指數(shù)模型季節(jié)性氣象指數(shù)氣象指數(shù)與沙塵天氣頻率的對比五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響綜合氣象指數(shù)模型北京綜合氣象指數(shù)模型5.5人為因素和自然因素影響概率

五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響前提假設(shè)1.綜合氣象指數(shù)模型主要反映了自然條件影響（氣候因素）下的沙塵天氣發(fā)生規(guī)律2.沙塵天氣頻率實際值與模型預(yù)測值的差值作為人為因素對沙塵天氣影響的量化計算方法五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響RER表示相對人為影響率,Sr表示沙塵天氣頻率實際值,Sp表示沙塵天氣頻率預(yù)測值五、關(guān)鍵氣象因子對北京沙塵天氣的影響將12個月的RER相加得到年RER；30年的RER均值約為99.9%,人為因素與自然因素對北京沙塵天氣的影響概率都約占50%北京沙塵天氣RER年際分布六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價注1：G3∠G2，G5∠G4注2：閾值M取2/3

6.1沙塵天氣的成因分類六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價6.2不同沙源影響概率的計算方法不同沙源沙塵天氣發(fā)生時間與北京的交集運算六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價注：PVFi、PVSi和PVYi分別表示Gi在浮塵、沙塵暴和揚沙天氣下的影響概率;BF、BS、BY分別表示北京浮塵、沙塵暴、揚沙天氣的總頻率六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價北京沙塵天氣本地影響概率區(qū)域2對北京沙塵天氣的影響概率區(qū)域3對北京沙塵天氣的影響概率6.3不同沙源影響概率的評價結(jié)果六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價本地沙源、區(qū)域2和區(qū)域3的影響概率相加只有70.74%，沒有達到100%,可能是閾值M偏大造成；本地沙源、區(qū)域2和區(qū)域3中的影響概率折合成百分比分別為：23.9%、53.4%、22.7%區(qū)域3本地沙源區(qū)域2各種沙源影響比例六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價6.4沙塵強度評價模型資料：沙塵天氣頻率、風速、相對濕度、能見度、沙塵質(zhì)量濃度站點：北京方法：風速、相對濕度與沙塵天氣頻率、沙塵質(zhì)量濃度相關(guān)分析沙塵天氣頻率與能見度方差分析

能見度、能見度距平與沙塵質(zhì)量濃度進行相關(guān)分析模型資料與方法六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價模型依據(jù)1沙塵天氣發(fā)生頻率與能見度方差有顯著的相關(guān)性，能見度、能見度距平與沙塵質(zhì)量濃度值的相關(guān)分析（能見度用NI表示，能見度距平用ΔNI表示）時發(fā)現(xiàn)，沙塵質(zhì)量濃度與ΔNI/NI的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達-0.8012風速、相對濕度與沙塵天氣頻率、沙塵質(zhì)量濃度顯著相關(guān)3前一章中分析沙塵氣象指數(shù)時得出結(jié)論：沙塵天氣氣象指數(shù)中隱含有沙塵天氣強度的信息六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價Q表示沙塵強度指數(shù),NI表示能見度[km],ΔNI表示沙塵日當天與前一天能見度的差值,V表示風速[m/s],H表示相對濕度.v’取為風速的多年日均值.模型結(jié)構(gòu)六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價2000年4月1日－2000年4月15日PM10與Q指數(shù)的比較

Q指數(shù)與沙塵質(zhì)量濃度值的對比1六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價7個沙塵日TSP與Q指數(shù)的比較

Q指數(shù)與沙塵濃度觀測值的對比26.5沙塵強度特征六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價北京與近周邊站的對比六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價各種Q強度比較約為2的公比遞減

公比約為6:5:1各種沙塵天氣Q累積量百分比

六、北京地區(qū)沙塵天氣相關(guān)評價不同風向下的Q比較七、主要結(jié)論7.1沙塵天氣頻率特征沙塵暴、揚沙和浮塵天氣占總沙塵天氣頻率的百分比分別為4.5%、73.10%、22.4%92%的沙塵暴日中同時有揚沙天氣發(fā)生、有30.43%浮塵天氣發(fā)生；53.23%的浮塵天氣日中同時有揚沙天氣發(fā)生沙塵暴的最高頻率出現(xiàn)在下午時段,揚沙和浮塵天氣出現(xiàn)在夜間與凌晨時段七、主要結(jié)論7.2風場特征北京沙塵日在西北風向下的風速較大,受境外沙源的影響大東北風向下的風速比西北風向下小很多,但又大于除這兩個風向的其他風向,這種情況下發(fā)生的沙塵天氣會受近沙源的影響,且持續(xù)的時間也較長,影響力僅次于西北風向下的沙塵天氣西南風向下的浮塵天氣受