專利名稱：城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于城市氣象與城市環(huán)境空氣污染監(jiān)控與治理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
近年來，城市熱島效應(yīng)與空氣污染引起了人們的高度關(guān)注，這一方面與城市活動(dòng)產(chǎn)生的熱源與污染源有關(guān)，另一方面與城市的氣象條件密切相關(guān)。特別是位于城市地面與上空自由大氣之間的大氣邊界層，決定著地球表面與周圍大氣之間的所有物質(zhì)(污染物) 與能量(熱量)的交換，是造成城市熱島效應(yīng)與空氣污染的最關(guān)鍵氣象條件與因素。大氣邊界層最主要的結(jié)構(gòu)特征是湍流，即邊界層內(nèi)部空氣與其他物質(zhì)(包括污染物)充分均勻混合，因此通常也稱為大氣混合層?；旌蠈痈叨葘?duì)于城市空氣中污染物的擴(kuò)散與稀釋或污染物濃度具有直接的影響，因?yàn)樗鼪Q定了稀釋污染物的空氣量多少(=城市面積X混合層高度)。城市大氣混合層高度越低，稀釋污染物的空氣量就越少，污染物濃度會(huì)越高；反之，大氣混合層越高，污染物濃度就越低。因此，大氣混合層高度為預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)城市空氣污染提供重要依據(jù)。大氣混合層高度也是城市環(huán)境規(guī)劃與空氣質(zhì)量管理的重要依據(jù)。作為一種氣象參數(shù)，混合層高度不僅隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，而且隨空間地點(diǎn)發(fā)生變化。這樣，我們能夠根據(jù)城市大氣混合層高度的時(shí)空變化特性選擇污染企業(yè)的排放時(shí)間與確定污染企業(yè)分布地點(diǎn)， 即選擇混合層高度較高的時(shí)間段與區(qū)域向大氣排放，這樣既有利于污染物的快速擴(kuò)散與稀釋，又能夠避免對(duì)城市空氣造成嚴(yán)重污染。盡管具有上述重要性，大氣混合層高度(或大氣邊界層)是目前唯一未被充分認(rèn)識(shí)與利用的氣象參數(shù)，其根本原因是沒有直接有效的測(cè)量工具與方法。目前基本上采用間接測(cè)量獲得，即通過測(cè)試氣象參數(shù)在近地面不同高度上的分布與變化來確定混合層高度， 因?yàn)榛旌蠈觾?nèi)氣象參數(shù)由于湍流作用基本上不發(fā)生變化，而在混合層外發(fā)生不連續(xù)顯著變化。測(cè)試方法主要包括無線電探空與遠(yuǎn)程雷達(dá)探測(cè)兩大類，前者主要通過現(xiàn)場(chǎng)釋放無線電高空探測(cè)氣球來獲得，而后者主要利用聲雷達(dá)或激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)。前者對(duì)技術(shù)與設(shè)備要求簡(jiǎn)單，可靠性高，但需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試而且操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，每天只能進(jìn)行非常有限次(通常兩至四次)測(cè)試，因此不能獲得大氣混合層高度的實(shí)時(shí)變化。后者雖然可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)， 但雷達(dá)設(shè)備非常昂貴，一般氣象站無法滿足要求，很難推廣使用。為克服上述間接測(cè)試的困難與不足，目前多采用理論型參數(shù)化模型進(jìn)行估計(jì)與預(yù)測(cè)大氣混合層高度及其變化特性，如我國GB/T13201國家標(biāo)準(zhǔn)推薦根據(jù)大氣穩(wěn)定度來確定混合層高度的計(jì)算方法。這些參數(shù)模型都是物理學(xué)或機(jī)理假設(shè)模型，盡管物理意義明確，但在實(shí)際應(yīng)用中存在兩方面問題一方面，模型理論尚不成熟，模型多為經(jīng)驗(yàn)表達(dá)而且計(jì)算過程復(fù)雜，準(zhǔn)確性差；另一方面，理論模型需要一些非常規(guī)的高空探測(cè)參數(shù)(如地球表面阻力速度、云層云量等信息)，應(yīng)用困難。間接測(cè)試與理論模型的不足導(dǎo)致“大氣混合層高度”概念雖然重要但一直懸而未解，使大氣混合層高度應(yīng)用價(jià)值未能得到充分利用與推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，該城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法能簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)城市大氣混合層高度值。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟獲取某一城市的當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)，所述的氣象數(shù)據(jù)為空氣溫度T、大氣壓力P、太陽輻射值SR、空氣濕度RH、風(fēng)速WS、露點(diǎn)溫度DT，再根據(jù)MLH = α J+α 2Ρ+ α 3SR+ α 4RH+ α 5ffS+ α 6DT計(jì)算出該城市的大氣混合層高度的預(yù)測(cè)值；式中的MLH為大氣混合層高度；式中α工 Ci6為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)由歷史的氣象數(shù)據(jù)和歷史的大氣混合層高度經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)多元線性回歸方法獲得。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)多元線性回歸方法對(duì)白天與夜晚分別進(jìn)行線性回歸，分別獲得白天與夜晚的回歸系數(shù)。所述的白天為8:00-19:00時(shí)段，所述的夜晚為20:00-7:00時(shí)段。空氣溫度T、大氣壓力P、太陽輻射值SR、風(fēng)速WS、露點(diǎn)溫度DT和大氣混合層高度的單位分別為V、hPa (hPa指IOOPa,即100帕斯卡)、W/m2、m/s、°C和m,空氣濕度RH采
用百分?jǐn)?shù)值。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思根據(jù)一些城市多年的每小時(shí)的大氣混合層高度與基本氣象參數(shù)(包括太陽輻射、 溫度、壓力、相對(duì)濕度、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度)的Pearson相關(guān)性分析，標(biāo)明城市大氣混合層高度與這些氣象參數(shù)之間均具有顯著的相關(guān)性，比如，根據(jù)長(zhǎng)沙市2005-2009年每小時(shí)的大氣混合層高度與基本氣象參數(shù)(包括太陽輻射、溫度、壓力、相對(duì)濕度、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度)的 Pearson相關(guān)性分析，表明城市大氣混合層高度與這些氣象參數(shù)之間均具有顯著的相關(guān)性， 其相關(guān)系數(shù)依次為 0. 830#、0. 384**、-0. 132**、-0. 649#、0. 405#、0. 125** 表示顯著相關(guān))。因此，本發(fā)明基于這些參數(shù)與每小時(shí)的大氣混合層高度的相關(guān)性構(gòu)造每小時(shí)的大氣混合層高度的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，并通過數(shù)據(jù)擬合獲得該模型的具體系數(shù)，從而完成對(duì)城市大氣混合層高度的建模。最后再根據(jù)建模后得到的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)當(dāng)前的城市大氣混合層高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。有益效果本發(fā)明的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用簡(jiǎn)單且容易獲得(小型或微型氣象站)或當(dāng)?shù)貧庀缶謱?shí)時(shí)公布的基本氣象數(shù)據(jù)計(jì)算大氣混合層高度，一方面大大降低了研究成本，另一方面大大提高了研究效率， 從而為大氣混合層高度實(shí)用化提供了可能。(2)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型(即前述的計(jì)算公式MLH = α IT+ α 2Ρ+ α 3SR+ α 4RH+ α 5WS+ α 6DT)是對(duì)過去多年大氣混合層高度變化的總結(jié)與分析， 充分考慮了各氣象參數(shù)的影響，模型結(jié)果更準(zhǔn)確、更可靠。實(shí)踐表明，本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確度較高，預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0. 886，詳見實(shí)施例。
(3)通過本發(fā)明的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，可以方便快速估計(jì)與預(yù)測(cè)大氣混合層高度及其變化特性，并使其成為一種工具與技術(shù)，為城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與管理提供科學(xué)依據(jù)。


圖1為長(zhǎng)沙市2009年夏季(6月至8月)大氣混合層高度一天M小時(shí)變化趨勢(shì)圖；圖2是長(zhǎng)沙市2005 2009五年大氣混合層高度回歸模型計(jì)算結(jié)果與NOAA公布結(jié)果之間的比較示意圖；圖3是2010年1 10月大氣混合層高度預(yù)測(cè)結(jié)果與美國海洋大氣管理局 NOAA (http //www. noaa. gov/)公布數(shù)據(jù)的比較圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明該發(fā)明提出的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法具有一般性與通用性，可以直接推廣使用，具體實(shí)施方式
如下(1)首先選定城市或城市區(qū)域，然后獲取該城市或城市區(qū)域的大氣混合層高度與基本氣象參數(shù)歷史數(shù)據(jù)。(2)采用基本氣象參數(shù)建立大氣混合層高度回歸模型。首先大氣混合層高度。一方面，從美國海洋大氣管理局NOAA(http://www. noaa. gov/)下載過去五年Q005 2009) 每天M小時(shí)某一城市(如長(zhǎng)沙市)大氣混合層高度數(shù)據(jù)(我國目前尚未公開城市混合層高度數(shù)據(jù))，另一方面，由國際氣象網(wǎng)站(http//www. wunderground. com/)公開公布的氣象數(shù)據(jù)中獲得長(zhǎng)沙市過去五年(2005 2009)每天M小時(shí)的基本氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。(3)獲得實(shí)時(shí)氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。本發(fā)明混合層高度預(yù)測(cè)模型僅需最基本的六個(gè)氣象參數(shù)(包括空氣溫度、露點(diǎn)溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、太陽輻射、地面風(fēng)速)，可采用任何小型或微型氣象站(市場(chǎng)產(chǎn)品類型非常多，價(jià)格比較便宜，均能提供上述參數(shù))直接測(cè)試或采用當(dāng)?shù)貧庀缶止嫉臄?shù)據(jù)(如長(zhǎng)沙氣象局網(wǎng)站http://WWW. csqx. com/、北京市氣象局網(wǎng)站 http://www. bjmb. gov. cn/ 等)。(4)將實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)按照白天(08:00-19:00)與晚上00:00-07:00)分類，分別輸入本發(fā)明已給出的大氣混合層高度的回歸模型公式MLH = E (aixi)= a IT+ a 2P+ a 3SR+ a 4RH+ a 5WS+ a 6DT,從而實(shí)時(shí)計(jì)算出大氣混合層高度的具體數(shù)值。此模型與數(shù)據(jù)具有理論完備性和科學(xué)精確性，并且該發(fā)明能夠運(yùn)用于對(duì)城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)，例如用未來一周天氣預(yù)報(bào)獲得氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用該發(fā)明模型預(yù)測(cè)未來一周的城市大氣混合層高度數(shù)據(jù)，從而可以提前掌握未來一周內(nèi)的大氣混合層高度變化，對(duì)即將出現(xiàn)的較低值提前預(yù)警，保障城市通風(fēng)水平，避免城市污染激增。實(shí)施例1 以長(zhǎng)沙市為例，具體說明上述回歸模型(即前述的MLH的計(jì)算公式)的建立、實(shí)施與預(yù)測(cè)過程。首先，獲取歷史數(shù)據(jù)。一方面，從美國海洋大氣管理局NOAA (http://www. noaa.gov/)下載過去五年(2005 2009)每天24小時(shí)長(zhǎng)沙市大氣混合層高度數(shù)據(jù)(我國目前尚未公開城市混合層高度數(shù)據(jù))，另一方面，由國際氣象網(wǎng)站(http://WWW. wunderground. com/)公開公布的氣象數(shù)據(jù)中獲得長(zhǎng)沙市過去五年(2005 2009)每天24小時(shí)的基本氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)上述歷史數(shù)據(jù)，利用SPSS(即中文的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件(任何統(tǒng)計(jì)軟件都具備該功能)建立城市大氣混合層高度與基本氣象參數(shù)之間的多元線性回歸分段模型如下白天(8:00-19:00) =MLH = -11882+1. 4*SR+56. 4*WS+10. 6*Ρ+62· 9*Τ_56· 9*DT+12 3*RH ；夜晚(20 00-7 00) :MLH = -679+0. 07*SR+47. 6*WS+0. 8*Ρ+10· 6*Τ_8· 9*DT_0. 6*R
H0最后，利用上述回歸模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)長(zhǎng)沙市大氣混合層高度。圖3是我們采用2010 年1 10月的基本氣象參數(shù)數(shù)據(jù)(http://Ww. wunderground. com/)計(jì)算的大氣混合層高度變化，與美國海洋大氣管理局NOAA (http://www. noaa. gov/)公布的數(shù)據(jù)非常一致，充分驗(yàn)證了回歸模型的預(yù)測(cè)可靠性。圖1為長(zhǎng)沙市2009年夏季(6月至8月)大氣混合層高度一天24小時(shí)變化趨勢(shì)圖，可明顯看出其白天與夜晚存在顯著區(qū)別(夜晚平均值為200米左右，白天平均指則在 200 1500米之間變化)，因此本發(fā)明白天夜晚進(jìn)行分段回歸，以提高模型的可靠性。圖2是長(zhǎng)沙市2005 2009五年大氣混合層高度回歸模型計(jì)算結(jié)果與NOAA公布結(jié)果之間的比較，二者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0. 886(即相關(guān)性R2 = 0. 8862 = 0. 785)，說明回歸模型的可靠性。圖3是2010年1 10月大氣混合層高度預(yù)測(cè)結(jié)果與美國海洋大氣管理局 NOAA (http://www.noaa. gov/)公布數(shù)據(jù)的比較，結(jié)果非常一致，充分驗(yàn)證了回歸模型的預(yù)測(cè)可靠性。說明(1)回歸模型中城市大氣混合層高度歷史數(shù)據(jù)可以是如前所述的任何一種方法， 如大型氣象站遠(yuǎn)程探測(cè)或根據(jù)理論模型計(jì)算獲得。(2)本發(fā)明采用的基本氣象參數(shù)原則是簡(jiǎn)單且容易獲得(如采用小型或微型氣象站能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試的氣象數(shù)據(jù))或者當(dāng)?shù)貧庀缶謱?shí)時(shí)公布的氣象數(shù)據(jù)，具體采用的氣象參數(shù)包括 空氣溫度⑴、露點(diǎn)溫度(DT)、大氣壓力⑵、相對(duì)濕度(RH)、太陽輻射(SR)、地面風(fēng)速(WS)。(3)由于大氣混合層高度在白天與夜晚有顯著性區(qū)別(見附圖1)，因此為提高回歸模型的可靠性，本發(fā)明建議對(duì)白天與夜晚進(jìn)行分段回歸。(4)上述統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸模型實(shí)現(xiàn)了采用非常容易獲得或測(cè)試的基本氣象參數(shù)來計(jì)算非常難以獲得或測(cè)試的城市大氣混合層高度的方法。(5)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或當(dāng)?shù)貧庀缶謱?shí)時(shí)公布的基本氣象參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述多元線性回歸模型即可實(shí)時(shí)計(jì)算與預(yù)測(cè)城市大氣混合層高度及其變化。由于對(duì)于不同的城市，其線性回歸系數(shù)都是經(jīng)過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸方法獲得的，因此，本發(fā)明的方法具有普適性。即在任一個(gè)城市都可以使用，區(qū)別只在于不同城市中回歸系數(shù)的具體數(shù)值不同。
權(quán)利要求
1.一種城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟獲取某一城市的當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)，所述的氣象數(shù)據(jù)為空氣溫度τ、大氣壓力P、太陽輻射值SR、空氣濕度RH、 風(fēng)速ws、露點(diǎn)溫度DT，再根據(jù)MLH = α J+α 2Ρ+ α 3SR+ α 4RH+ α α 6DT計(jì)算出該城市的大氣混合層高度的預(yù)測(cè)值；式中的MLH為大氣混合層高度；式中α工 α 6為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)由歷史的氣象數(shù)據(jù)和歷史的大氣混合層高度經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)多元線性回歸方法獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)多元線性回歸方法對(duì)白天與夜晚分別進(jìn)行線性回歸，分別獲得白天與夜晚的回歸系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的白天為8:00-19:00時(shí)段，所述的夜晚為20:00-7:00時(shí)段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，空氣溫度Τ、大氣壓力P、太陽輻射值SR、風(fēng)速WS、露點(diǎn)溫度DT和大氣混合層高度的單位分別為°C、hPa、W/m2、m/S、！和m，空氣濕度RH采用百分?jǐn)?shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，獲取某一城市的當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)，所述的氣象數(shù)據(jù)為空氣溫度T、大氣壓力P、太陽輻射值SR、空氣濕度RH、風(fēng)速WS、露點(diǎn)溫度DT，再根據(jù)MLH＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT計(jì)算出該城市的大氣混合層高度的預(yù)測(cè)值；式中的MLH為大氣混合層高度；式中α1～α6為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)由歷史的氣象數(shù)據(jù)和歷史的大氣混合層高度經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)多元線性回歸方法獲得。該城市大氣混合層高度的預(yù)測(cè)方法能簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)城市大氣混合層高度值。
文檔編號(hào)G01C5/06GK102175216SQ201110047598
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者石靈芝, 賀廣興, 路嬋, 鄧啟紅, 黃柏良 申請(qǐng)人:中南大學(xué)