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基于机器学习的大气边界层高度预测方法研究

大气科学学报 2024年

作者：白嘉怡魏伟张宏昇车慧正中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室陕西省大气探测技术保障中心中国气象局地球系统数值预报中心中国气象局地球系统数值预报中心开放实验室北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室中国气象局大气化学重点开放实验室

大气边界层高度受多种气象因素影响，正确掌握大气边界层高度连续变化和演变规律具有重要意义。为解决传统技术手段获取大气边界层高度存在的时空分辨率低、误差偏大等问题，本研究基于机器学习方法——XGBoost，利用2016年1月—2019年... 详细信息

大气边界层高度受多种气象因素影响，正确掌握大气边界层高度连续变化和演变规律具有重要意义。为解决传统技术手段获取大气边界层高度存在的时空分辨率低、误差偏大等问题，本研究基于机器学习方法——XGBoost，利用2016年1月—2019年5月北京地区长期的地面气象观测、风廓线测风雷达和探空观测数据进行训练，确定算法模型估算大气边界层高度，预测了2019年6月—2020年5月北京地区大气边界层高度。结果表明：在晴朗的白天，模型预测效果最好，与真实观测存在较高的一致性，相关系数达到0.86；夜间预测效果较差。地表温度、相对湿度、风速是对模型预测结果影响最显著的特征。预测的边界层高度呈现显著日变化，日出之后迅速发展，午后逐渐下降，夜间逐渐达到平稳；春夏季北京地区边界层高度日变化较为显著，可达1 km；秋冬季日变化幅度较小，约为700 m。总体上，XGBoost算法预测边界层高度的能力优于多元线性回归算法和支持向量机。基于机器学习的边界层高度估计和预测方法避免了传统手段设置阈值带来的误差，为边界层高度连续观测和预测提供了新思路。

关键词： XGBoost方法机器学习大气边界层高度日变化

CE-318型太阳光度计常见问题及其解决方法

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气象科技 2010年第1期38卷 102-106页

作者：张晓春车慧正魏垚中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

介绍了CE-318型太阳光度计在运行过程中容易出现的问题,分析和说明了出现问题的原因,并给出了解决办法,提出了对仪器进行日、周、月、年检查、维护注意事项。旨在为台站观测技术人员提高CE-318型观测仪器的使用、维护和检修能力,进行仪... 详细信息

介绍了CE-318型太阳光度计在运行过程中容易出现的问题,分析和说明了出现问题的原因,并给出了解决办法,提出了对仪器进行日、周、月、年检查、维护注意事项。旨在为台站观测技术人员提高CE-318型观测仪器的使用、维护和检修能力,进行仪器的常规检查和维护提供参考,也为提高仪器运行的稳定性和数据质量的可靠性提供基础保障。

关键词：太阳光度计常见问题维护检修

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塔克拉玛干沙漠西南缘大气气溶胶光学特性

干旱区研究 2015年第5期32卷 983-990页

作者：于杰陈权亮车慧正高原大气与环境四川省重点实验室成都信息工程学院大气科学学院四川成都610225 中国气象科学研究院大气成分研究所北京100081

利用2002年5月至2005年3月和田地区CE318太阳光度计观测资料,反演440 nm、675 nm、870 nm和1 020 nm 4个波段气溶胶光学厚度（AOD）以及440-870 nm波长指数,并对气溶胶光学特性参数进行了滤云处理及数据质量控制,进而分析了塔克拉玛干... 详细信息

利用2002年5月至2005年3月和田地区CE318太阳光度计观测资料,反演440 nm、675 nm、870 nm和1 020 nm 4个波段气溶胶光学厚度（AOD）以及440-870 nm波长指数,并对气溶胶光学特性参数进行了滤云处理及数据质量控制,进而分析了塔克拉玛干沙漠西南缘地区气溶胶光学特性。研究表明：AOD的频率呈双峰分布,峰值中心分别位于0.31±0.007和0.64±0.11;波长指数的频率分布与AOD类似,也呈双峰分布,拟合相关系数R2=0.99,峰值中心分别在0.12±0.002和0.33±0.022,其中超过50%的波长指数集中在以0.12为中心的波峰附近。从季节变化来看,和田地区气溶胶光学特性存在明显的季节变化特征,全年平均光学厚度达到0.61±0.35,AOD在春夏季高,秋冬季低;波长指数则春夏季低,秋冬季相对较高。AOD最大值出现在5月（0.81±0.48）和8月（0.81±0.39）,最小值则出现在11月（0.31±0.12）;波长指数的最大值和最小值分别出现在1月（0.66±0.26）和5月（0.06±0.06）。AOD（波长指数）的日变化呈现出早晚高（低）,白天比较稳定的特征。从年平均变化来看,2002—2004年AOD和波长指数分别在0.57-0.60和0.22-0.23,比较稳定,无明显的年变化特征。AOD和波长指数的相互关系分析表明,波长指数随AOD的增加呈降低的趋势,说明粒径较大的沙尘粒子对高AOD贡献较大。研究结果显示,和田地区光学特性主要呈现出典型的沙漠气溶胶特点,人为活动产生的气溶胶对该地区气溶胶光学特性影响很小。

关键词：大气气溶胶光学厚度(AOD) 波长指数塔克拉玛干沙漠

京津冀一次重度雾霾天气能见度及边界层关键气象要素的模拟研究

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大气科学 2017年第6期41卷 1177-1190页

作者：侯梦玲王宏赵天良车慧正南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

本文利用GRAPES_CUACE大气化学模式对京津冀地区2015年12月重度雾霾过程进行了模拟和评估。京津冀地区能见度和PM2.5模拟值与观测值的对比表明:该模式能较好地模拟京津冀地区能见度和PM2.5的逐日变化情况,但模式存在对伴随着重污染发生... 详细信息

本文利用GRAPES_CUACE大气化学模式对京津冀地区2015年12月重度雾霾过程进行了模拟和评估。京津冀地区能见度和PM2.5模拟值与观测值的对比表明:该模式能较好地模拟京津冀地区能见度和PM2.5的逐日变化情况,但模式存在对伴随着重污染发生的低能见度模拟偏高的问题。以12月5~10日的重度雾霾过程为重点,针对地面风速、边界层高度、相对湿度、PM2.5及其对能见度的影响进行了详细分析,研究结果表明:污染过程中大部分地区过程平均风速低于2 m s-1,边界层平均高度低于600 m,相对湿度较高。模式低能见度模拟偏高可能因为:(1)模式模拟重雾霾时段的PM2.5极大值浓度偏低。(2)模拟相对湿度存在系统性偏低的误差,这一误差对能见度的影响表现为两方面,一是相对湿度会通过影响可溶性气溶胶的吸湿增长过程影响气溶胶质量浓度,导致气溶胶消光系数的计算偏低;二是目前模式中采用的能见度的参数化公式考虑了相对湿度对气溶胶吸湿增长的影响,没有考虑雾滴的直接消光作用。

关键词：雾霾 PM2.5 能见度相对湿度 GRAPES_CUACE模式

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近40a来新疆地区太阳辐射状况研究

干旱区地理 2005年第6期28卷 734-739页

作者：陈志华石广玉车慧正中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

本文利用1961-2000年间新疆地区的日照及地面太阳辐射观测资料,详细分析了近40 a来新疆地区日照和地面太阳辐射的分布和时空变化趋势。研究表明,近40 a来新疆地区日照、地面太阳总辐射和直接辐射呈总体下降趋势,但散射辐射的减少不明显... 详细信息

本文利用1961-2000年间新疆地区的日照及地面太阳辐射观测资料,详细分析了近40 a来新疆地区日照和地面太阳辐射的分布和时空变化趋势。研究表明,近40 a来新疆地区日照、地面太阳总辐射和直接辐射呈总体下降趋势,但散射辐射的减少不明显。更仔细的分析可以发现,在前31 a(1961-1991年)间,日照和地面太阳总辐射的减少趋势,从1978年开始显得更为明显。但是,自1992年开始,这种减少趋势发生逆转,新疆日照和地面太阳总辐射开始增加,不过尚未恢复到40 a来的平均值。

关键词：新疆太阳辐射大气系统

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中国地表太阳辐射再分析数据与观测的比较

应用气象学报 2012年第6期23卷 729-738页

作者：王丹盛立芳石广玉车慧正陕西省气象服务中心西安710014 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室海洋-大气相互作用气候实验室青岛266100 中国科学院大气物理研究所北京100029 中国气象科学研究院中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

利用我国地表太阳辐射台站资料和海上观测资料与同期的NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料进行比较,检验再分析资料是否能够反映中国地区的太阳辐射特征。结果表明:1979年之前NCEP/NCAR太阳辐射资料的可信度较低,存在虚假的明显上升趋势,197... 详细信息

利用我国地表太阳辐射台站资料和海上观测资料与同期的NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料进行比较,检验再分析资料是否能够反映中国地区的太阳辐射特征。结果表明:1979年之前NCEP/NCAR太阳辐射资料的可信度较低,存在虚假的明显上升趋势,1979年之后两套再分析资料的可信度均较高,在我国东部和低纬度地区的可信度好于西部和高纬度地区;由逐6 h再分析数据直接计算得到的逐日太阳辐射比实际观测偏低,剔除太阳辐射为零的情况计算逐日资料更合理。在大陆地区,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与台站太阳辐射资料的1979—2009年共31年平均误差分别为10.37 W·m^(-1)和-42.68 W·m^(-2),误差的标准差分别为12.31 W·m^(-2)和4.19 W·m^(-2);在海洋区域,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与海上观测太阳辐射资料的平均误差分别为-161.19 W·m^(-2)和-179.66 W·m^(-2),误差的标准差分别为37.07 W·m^(-2)和35.36 W·m^(-2)。与大陆台站资料相比,海上观测与再分析资料的误差偏大,这可能与海上观测资料较少,限制了NCEP模式的评估和改进有关。

关键词：地表太阳辐射台站资料再分析资料数据质量

北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究

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中国科学院研究生院学报 2007年第5期24卷 699-704页

作者：车慧正石广玉张小曳中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京... 详细信息

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫,并分析了其季节变化特征.

关键词：天空辐射计气溶胶光学特性辐射强迫

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天空辐射计观测反演北京城区气溶胶光学特性

应用气象学报 2020年第3期31卷 373-384页

作者：杨先逸车慧正陈权亮梁苑新成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

利用2018年10月-2019年9月天空辐射计观测数据反演北京城区气溶胶光学特性参数,重点分析污染过程中气溶胶光学特性与气象条件的相关性。结果表明:500 nm气溶胶光学厚度在2-7月较大,最高值出现在6月,为0.71。单次散射反照率最高值出现在8... 详细信息

利用2018年10月-2019年9月天空辐射计观测数据反演北京城区气溶胶光学特性参数,重点分析污染过程中气溶胶光学特性与气象条件的相关性。结果表明:500 nm气溶胶光学厚度在2-7月较大,最高值出现在6月,为0.71。单次散射反照率最高值出现在8月,为0.96;最低值出现在5月,为0.89。440~870 nm Angstrom波长指数最高值出现在夏季,为1.11;最低值出现在春季,为0.89。统计发现污染日数仅占总日数的17%,其中62%为轻度污染;污染和清洁天气条件下PM2.5浓度分别为107.22μg·m^-3和47.16μg·m^-3,500 nm气溶胶光学厚度分别为0.85和0.49,单次散射反照率分别为0.96和0.92;冬季Angstrom波长指数在污染天气条件下(1.02)大于清洁天气(0.91),春季相反。结合天空辐射计、激光雷达和气象数据分析2019年1月一次污染事件,可知低风速与高湿度等不利气象条件、气溶胶粒子的吸湿增长和二次转化、污染物局地排放及区域输送共同导致污染事件发生。

关键词：天空辐射计气溶胶光学特性污染天气北京

2003年秋季西安大气中黑碳气溶胶的演化特征及其来源解析

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气候与环境研究 2005年第2期10卷 229-237页

作者：李杨曹军骥张小曳车慧正中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室中国气象局大气成分观测与服务中心北京100081

2003年9～11月在西安站点通过黑碳测量仪(Aethalometer)获得了大气细粒子中每5min的黑碳气溶胶(BC)浓度,这些实时的BC浓度经过元素碳校对后,日平均浓度为10.2±5.8μg·m-3,其变化范围为1.8～27.5μg·m-3。BC浓度与污染指数(API)的变... 详细信息

2003年9～11月在西安站点通过黑碳测量仪(Aethalometer)获得了大气细粒子中每5min的黑碳气溶胶(BC)浓度,这些实时的BC浓度经过元素碳校对后,日平均浓度为10.2±5.8μg·m-3,其变化范围为1.8～27.5μg·m-3。BC浓度与污染指数(API)的变化具有良好的一致性(相关系数为0.64),表明BC是大气颗粒物污染的一个重要贡献。正常天气下,BC小时平均浓度呈三峰分布,这与机动车污染、居民活动和农村秸秆燃烧等来源相关联。通过降水天气下BC的浓度分布和BC浓度频次分布法,获得了西安大气中BC的本底浓度为4.5μg·m-3,以此估算了西安大气BC中不同来源的相对贡献,其中周边源对BC的贡献超过了1/3。这表明了该季节内城市周边农村秸秆燃烧对城市空气质量的显著贡献,需要进一步严格控制。

关键词：黑碳测量仪黑碳气溶胶时间序列来源解析