露、霜、结冰天气现象综合判别

《露、霜、结冰天气现象综合判别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《露、霜、结冰天气现象综合判别（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、露、霜、结冰天气现象综合判别黄思源;傅伟忠【摘 要】通过自动气象站的连续观测资料,结合人工观测的天气现象,根据露、霜、 结冰的成因筛选出符合条件的基本指标作为综合判据.选取气温、相对湿度、地面 温度、草面温度和近地面温度作为主要因子,综合考虑降水和天气状况对这些天气 现象形成的影响.采用两个气象观测站的分钟观测资料以及人工观测天气现象记录 进行统计分析.经过初选因子和精选指标,利用多要素的组合方法,提炼出自然状态下 出现露、霜、结冰现象的综合判别指标,获得了较好效果,拟合率在 80以上.为进 一步认识这些天气现象的发生和变化规律提供参考,也能为天气现象观测自动化提 供依据.期刊名称】气象科技年

2、(卷),期】2014(042)003【总页数】5页(P359-363) 【关键词】 露;霜;结冰;天气现象;判别【作 者】 黄思源;傅伟忠【作者单位】 浙江省宁波市气象网络与装备保障中心,宁波 315012;浙江省宁波市气象网络与装备保障中心,宁波 315012【正文语种】 中 文引言随着气象综合探测业务的发展，地面气象观测自动化推进的速度越来越快。自动观 测站在地面气象观测业务上的普遍使用很大程度上提高了观测精度和观测效率，在 探测自动化进程中迈出了可喜的一步。近年来国内外在云、能见度、天气现象自动 化观测设备的研制方面也有较大的突破1。但还有一些目测项目还没有成熟的 自动观测设备，如露、霜

3、等地面凝结类天气现象还是依赖人的观测。如果借助自动 气象站的多要素连续记录的功能，通过对高密度观测资料的综合分析，能够寻找出 自然环境下这些现象的发生和变化规律，那么也许能够发现一种新的自动观测这些 现象的方法，对于加快实现天气现象自动化观测具有重要的现实意义。1 观测资料与处理方法 选取宁波市的鄞州区基本气象观测站和宁海县一般气象观测站。观测资料长度为 2010 年11 月至2013年2 月的28 个月851天。包含了2个夏季和3个冬季。自动观测资料时间间隔为10min，共计样本数245088个，人工观测的1702个样本。气象要素包括气压、温度、湿度、风、地面温度、草面温度等常规自动气象 观

4、测资料和人工观测的云和天气现象等，其中草面温度对于地面凝结类天气现象具 有较好的指示意义2。由于霜和结冰主要出现在冬半年，因此，根据当地的无 霜期，剔除510月的记录，样本取自11月至次年4月。由于百叶箱中气温、湿度的传感器位于离地面1.5m高度，在一定程度上能够反映 近地层的气象状况，对于地面凝结和冻结天气现象有较好的指示作用。但是研究表 明3地面温度和草面温度在一定天气条件下能更好地反映近地面的气象条件。 因此，重点选取了以下 3 种近地面的观测资料。草面温度：传感器安装在距地6cm高度处，位于与地面大致平行的草地上的固定 支架上。草地面积至少1m2，草高不超过10cm 4。凝结类天气现象

5、的形成与 附着物的温度有关，草面温度能够较好地反映结露、结霜的温度条件。由于环境的 差异性或观测员维护不到位，导致不同地点观测的草面温度可比性差，草面温度存 在一定的局限性地面0cm温度：感应部分及表身一半埋入土中，一半露出地面。如果对温度表维 护不到位就会影响观测准确性。如地面温度在0C以上也会出现霜5,因降雪 天气温度传感器被积雪覆盖温度反而比百叶箱的高。近地面温湿度：为了对比分析，增加第3种温湿度观测。2012 年4月在鄞州站地 温场附近增设近地面温湿度观测，传感器高度离地15cm。传感器外加防辐射罩， 避免阳光直射和减小降水降雪天气对于观测的影响。从资料对比来看， 3种温度与百叶箱的温

6、度有较好的相关性。表1是鄞州站 （2012年4月至2013年2月每小时观测资料）百叶箱气温与近地面3种温度相 关性统计情况，相关系数在89%以上，近地面温度相关性最好，离散度最大的是 草面温度。表1气温与近地面3种温度相关性统计?为了更加直观地了解几种温度之间的关系，选取比较典型的一次冷高压控制下的晴 朗少云天气过程（图1）。可见草面温度变幅最大，0cm地面温度次之。在5天 中有3天（6、9、10日）出现霜，2天（78日）无霜现象记录。按照地面气象观测规范4的定义，露是水汽在地面及近地面物体上凝结而成的 水珠（霜融化成的水珠，不记露）；霜是水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白 色松脆的冰晶，或

7、由露冻结而成的冰珠，易在晴朗风小的夜间生成。结冰是指露天 水面（包括蒸发器的水）冻结成冰的现象。这 3 种现象是水汽或水发生相态变化 的物理现象，与近地面的气温、湿度、风，以及天气状况密切相关，因此，选择常 规的气象要素有气温、相对湿度、露点温度、风、云量；考虑降水或降雪天气对于 露和霜出现的影响，也将每天的降水类天气现象归入影响的因子。其中近地面的观 测要素有地面温度、草面温度、近地面气温、近地面相对湿度（图 2）。分钟资料处理：计算分钟的百叶箱温度露点差、近地面温度露点差、近地面气温与 百叶箱露点温度差。小时资料处理：从分钟资料中挑取每小时的最低气温、最大相对湿度、最高露点温 度、最小露点

8、温度差、地面最低温度、近地面最低温度、近地面最大相对湿度，近 地面最小温度露点差、近地面最小气温与百叶箱露点温度差。2 综合分析2.1 初选因子根据露、霜、结冰的形成原理，选取天气现象与气象要素配对计算相关系数，初步 确定相关性高的要素，初选指标为：露：最低气温Oc,相对湿度70%。霜：最低气温v4C,相对湿度70%,地面最低温度vOC,平均风速v3m/s。 结冰：最低气温vOC,地面最低温度vOC。根据以上条件对每小时进行统计,只要符合条件就记为出现一次对应的天气现象； 然后一天内只要出现一次以上的,记为当天有该天气现象。从宁海站人工观测与条 件判断结果对比,相符的露占33%、霜占88%、结

9、冰82%,露的拟合率最低,霜 最高,结冰次之。图2是2013年1月1719日的温度变化曲线,其中17日无霜,18、19日夜间有霜。可以看出，有霜的夜间温度都降到0C以下，相对湿度超过70%，天气 背景为晴朗少云微风；但无霜的17日夜间温度均在2C以上，相对湿度在68%以 下,夜间低云量为10 ,西北风3级左右。这是一个典型的从未结霜转为结霜的个 例。经过查找和分析典型个例发现,相对湿度达到70%不一定形成露,气温在零上也 能出现霜,这些现象在其他地方也有发现6。由于露出现时段涵盖了大半年, 气温跨度达到30C以上，从个例中发现不同季节背景下出现露的水汽条件有一定 差异,所以考虑分段筛选因子更为

10、合理。在降水天气背景下温湿度虽然符合形成露 的条件，但是实际下雨天不可能形成露。因此，将降水作为综合考虑的因素。为了 进一步提高拟合率，加入草面温度和天气状况进行综合分析。图3是2012年12月2931日的温湿度曲线图，3031日夜间各层温度都在接近Oc或小于0工，但没有结霜现象产生。从天气状况来看，29日下午至30日 中午有雨转雨夹雪，夜间湿度达到80% 90%，在这种天气背景下温湿度条件尽 管符合结霜的条件，但实际不可能产生霜。30日20: 00以后温度均在0C以下， 但相对湿度在60%以下，达不到结霜要求。这是一个雨夹雪天气的典型温湿度分 布案例。图1 2012年12月610日实测温度曲

11、线图2 2013年1月1719日结霜过程的温度变化曲线2.2 综合判别精选指标图3降水影响结霜的天气过程温湿度曲线经过反复筛选和计算，并尽量涵盖所有人工观测到的天气现象记录。经过几轮的指 标筛选，对露的判据依照温度分为4段。通过指标对比发现草面温度比地面温度 能够更好地反映凝结现象，因此，用草面温度作为近地面的温度指标(表2)。在 结冰现象分析中却发现地面温度对于水面的冻结还是有较好的指示作用，被列为结 冰的判据之一。在其他条件组合方面主要考虑了降水天气的影响。如果当天先出现露，后出现降水， 不会影响条件的判断。如果夜间持续降水，水汽和温度条件都符合出现露，当天也 没有露的观测记录，这种情况作

12、为过滤条件，认为降水天气屏蔽了露的出现。如果 在白天(08:0016:00)出现符合露、霜的指标，由于晴天太阳辐射影响，不 可能出现露或霜，也作为无此现象处理。霜和结冰指标如表3、表4。表2露判别指标序号最低气温/C相对湿度/%温度露点差/C草面温度/C草面露点差/C 其他 10.9,v18.1 65 1.5 18.0,v20.170 v 6.0 v 3.5 无降水 3 20.0,v 25.1 70 v 3.7 （或草面温度小于 3.7C） 无降水4 25.0 80 v 3.7无降水表3霜判别指标序号最低气温/C相对湿度/%温度露点差/C草面温度/C草面露点差/C 其他 1v5.0 v 1.0

13、 v 2.0 无降水 2v4.0 65 v 1.5 v 2.0 无降水 3 v1.0 v 4.0无降水表4结冰判别指标序号最低气温/C地面温度/C草面温度/C其他1v2.0v-1.1可伴降雪或积雪2 v 0.0可伴降雪或积雪3 v 0.0可伴降雪或积雪2.3 拟合结果经过统计得到表5所示结果。表5 计算结果和人工实测的拟合情况注：表中最后两行是2012年4月29日至 2013年2月21日期间常规的草面温度、地面温度观测与近地面温度观测作为温 度因子的对比。露霜结冰692 851 0.813 394 423 0.931 392 423 0.927鄞州站734 851 0.863 393 423

14、0.929 406 423 0.960鄞州站常规拟合样本总数拟合率 拟合样本总数拟合率拟合样本总数拟合率宁海站273 299 0.913 109 1130.965 113 113 1.000 268 299 0.896 104 113 0.920 106 113 0.938 优化 从表5可以看出总体拟合率在80%以上，用百叶箱温湿度、地面温度、草面温度 这3个层次的观测要素进行综合判别具有较好的效果。最高拟合率达到96% ，平 均拟合率露为83.8%，霜为93.0%，结冰为94.3%。第4行是加了近地面温湿度进行综合判别的统计结果。尽管样本数只有299个，露、霜、结冰分别提高拟合率1.7%、4

15、.5%和6.2%。可见近地面温湿度比草面温 度能更好地反映地面凝结现象，比地面温度更能反映水面结冰状况，对3种天气 现象都具有较好的指示作用。经过典型个例的分析，发现有一些主观和客观的原因导致了人工观测与实际情况的 误差，这种误差产生的可能性主要有以下几种可能7-10：（1）人工观测的误差。一般来说观测员对于干草上的霜观测比较准确，但是对于 一些暗霜或者是不明显的霜不注意，就会导致漏记。在结冰现象观测中，往往容易 与降雪后的地面积雪与结冰造成混淆。一般气象站夜间不观测容易漏记。如上半夜 少云、微风天气，辐射降温后出现露，但后半夜风向转为偏南，温度上升，露蒸发 消失，早晨观测不到露。（2）天气变

16、化导致人工观测的天气现象漏记录。如当夜间气温下降到开始结霜， 但后续天气变化导致云量增加，气温回升，使得霜化成了水滴，被观测员看到的时 候误判为露。（3）先露后霜顺序出现，容易漏露天气现象。天气变化比较快的情况下，从气象 要素上已经反映出某种天气现象的发生，实际出现这种天气现象的时间比较短，这 样就有可能漏记。如夜间辐射冷却降温导致先出现露，后冻结成冰珠，不仔细观测 有可能只记霜漏记露，实际应该把露、霜都记上。（4）降雪影响结冰的观测。当下雪的时候，百叶箱气温可能在零度或零度以下， 但是草面和地面的温度传感器被雪覆盖，温度在零上，所以有时候会不满足结冰温 度的条件，导致温度与结冰现象不匹配。（

17、5）时间积累效应不确定性造成误差。天气现象的发生需要一定时间的积累效应， 在条件的设置上一定要考虑这个因素。如结冰过程水面温度在零度以下，使得水面 不断降温放出热量，持续较长的时间才能冻结。在不同天气背景下的降温速度也影 响冻结时间，在实际判别中用多长时间比较合适需在实践中进一步探索。（6）地面0cm温度表或草面温度表安装不标准造成的温度误差。地面0cm温度 表安置状态在降水、降雪过后都会与之前发生一定的变化；还与日常的地温场地的 维护有关，地表土壤是否板结或松软对于地温影响较大。对于草面温度来说，只要 安放位置合适，观测的准确性相对较高，但是对于降雪天气，一旦有雪覆盖在温度 表上，可能会影响

18、对于草面温度的观测。3 结论（1）对于露、霜、结冰3种天气现象能够通过连续的气象要素观测，利用综合要 素判别得出结果与人工观测有较高的拟合率，平均达到 80%以上，最高达到 96%。（2）综合判别指标。露：最低气温小于 25C时，U65,T-Tdv6.0C,1.5CvTgv3.7C;最低气温大于等于 25C 时，U80,T-Tdv6.0C霜：U65,T-Tdv1.0C, Tg v4.0C, TL v5.0C结冰：TLv2.0 C,Tgv-1.1 C,或 TOvO.OC,或 TLvO.OCU为相对湿度,T-Td为湿度露点差，Tg为草面温度，TL为最低温度，T0为0cm地温。（3）近地面温度观测在

19、草地上，而且加了防辐射罩，不受地面土壤直接影响，也 不受降水和降雪的直接影响，比现有的草面温度、地面温度对于露、霜、结冰具有 更好的稳定性。从上面分析结果看对霜和结冰的拟合率提高具有较好的作用。因此， 可以增加观测点和时间长度来充分验证这项观测的必要性。近地面的相对湿度与百 叶箱内的相对湿度的相关系数为0.9876，前者离散度小于后者，平均值也偏小 1.89。分析结果表明百叶箱湿度观测总体能够反映草面的湿度状况。（4）在一些特殊个例分析中发现相同温湿度条件下，夜间风向的转变、风速大小， 以及云量多少对地面凝结类天气现象也有影响。通过更多的样本实例加以统计和提 炼，找出合适的组合指标，有利于提高

20、识别天气现象的准确性。（5）在露、霜、结冰的形成过程需要时间的累积效应，即在气象条件达到某一阈 值以后持续一段时间才能形成这种天气现象。因此，需要通过实验或更高时间密度 的自然环境中的观测，从中寻找合适的时间指标。（6）由于统计的样本局限在两个测站，尽管具有一定的代表性，但还需要在其他 不同台站和不同气候环境下作进一步的检验和修正，这样才能具有广泛适用性。参考文献1陈冬冬，施丽娟，李肖霞，等天气现象自动化观测现状调研J.气象科技， 2011 ， 39(5)：596602.2 张锦勇，雷安林，张忠，等成霜的气象条件与观测方法浅析J.贵州气象， 2008 ,32 ( 1 ):42 -43.3 贾杨

21、，高春铃利用自动站草面温度判定霜的形成J.黑龙江气象，2008 ,25 ( 2 ):32 - 33.4 中国气象局地面气象观测规范M .北京：气象出版社，2003.5 江秀珍，张涛张浅析地面温度在零度以上时出现霜的现象J.贵州气象， 2007 ,31 ( 1 ):43 -44.6 王淑艳，靳贵娟关于霜形成时温、湿条件的讨论J.黑龙江气象，2006 ,(4) :28 - 28.7 严永红记录露霜之我见J.气象，1990 ,16 ( 12 ):14 - 14.8 祁纯阳石英露点计J.气象科技，1982 ,(4):79 - 80.9 马舒庆，吴可军，陈冬冬，等天气现象自动化观测系统设计J.气象， 2011 ,37 ( 9 ): 1166 - 1172.10 陈冬冬，魏国栓，马启明，等多台国内外先进天气现象仪对比分析J. 气象水文海洋仪器，2010 ,(4):13 - 22.