CN102183800A - 基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：预测城市大气混合层高度：根据大气混合层高度MLH＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT计算出该城市的大气混合层高度的预测值；步骤2：计算城市通风系数作为城市通风状况的预测值；基于公式：城市通风系数VC＝大气混合层高度MLH×风速WS，得到的城市通风系数的计算值作为城市通风状况的预测值。该基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法能简单、快速、准确地预测和评价城市的通风状况。
Description
技术领域
本发明属于城市气象与城市环境空气污染监控与治理技术领域，涉及一种基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法。
背景技术
近年来，越来越严重的城市热岛效应与空气污染引起了人们的高度重视与广泛研究。为保障居民的身体舒适与健康，必须有效控制(或稀释)并及时排出城市活动产生的热量与污染物。
通风是稀释与排除热量与污染物最有效方式。但是，传统意义上的通风都是针对封闭空间的。为此，本发明将传统的通风概念拓展应用于开放的城市空间，定义为“城市通风”。
城市空间可以理解为“受城市影响”的空间区域，其水平界面即为城市的实际占地面积，竖直界面则为大气边界层厚度(也称为大气混合层高度)，因为边界层以外的自由大气不受城市的影响。由于大气边界层厚度是不断变化的，因此城市空间是变化的。城市活动产生的热量与污染物都聚集在虚拟的城市空间物理界面内，城市通风的目的主要是稀释或排除其空间内的热与污染物，以改善热岛效应或降低空气污染水平。
对于传统的刚性封闭空间，通风只能依靠空气的进出带走空间内的热与污染物。但是，城市空间是弹性变化的，其竖直方向边界层厚度增加将提升城市空间的体积，也能有效稀释其空间内的热与污染物，因此也可理解为通风的一种方式。这样，城市通风包括两方面：一方面是空气穿越水平方向城市边界(即空气进出城市)带走其空间内产生的热与污染物；另一方面竖直方向大气边界层厚度增加稀释城市热量与污染物浓度。因此，城市通风是立体的，可理解为水平方向空气流动速度与竖直方向大气边界层厚度共同作用的结果(见图4)。
近年来，人们越来越关注城市通风及其对改善城市空气质量、消除城市热岛效应、保障城市公共安全、预防与处理城市空气污染事件中的作用。但是，人们对城市通风的认识明显受传统通风概念的影响，把城市空间视为刚性封闭空间，忽略竖直方向城市大气边界层厚度变化，即认为城市上空界面固定，仅关注穿越城市的水平方向空气流动对城市热、风环境与污染物分布的作用与影响。特别是，近年来在城市规划与设计中得到广泛应用的风洞试验与计算流体动力学CFD数值模拟技术均未考虑城市大气边界层厚度的作用与影响。主要原因在于大气混合层高度尽管其重要性但缺乏直接有效的测试技术，成为一种“悬而未解”的虚拟概念，一直未能得到人们的重视与应用。事实上，竖直方向大气边界层厚度变化引起的城市通风非常重要，特别是在城市无风的状态下，边界层厚度是迁移城市能量与污染物的唯一驱动力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，该基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法能简单、快速、准确地预测城市通风状况。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，包括以下步骤：
步骤1：预测城市大气混合层高度：
获取某一城市的当前气象数据，所述的气象数据为：空气温度T、大气压力P、太阳辐射值SR、空气湿度RH、风速WS、露点温度DT，
再根据MLH＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT计算出该城市的大气混合层高度的预测值；式中的MLH为大气混合层高度；
式中α1～α6为回归系数，回归系数由历史的气象数据和历史的大气混合层高度经统计学多元线性回归方法获得；
步骤2：计算城市通风系数作为城市通风状况的预测值；
基于公式：城市通风系数VC＝大气混合层高度MLH×风速WS，得到的城市通风系数的计算值作为城市通风状况的预测值。
采用统计学多元线性回归方法对白天与夜晚分别进行线性回归，分别获得白天与夜晚的回归系数。
所述的白天为8:00-19:00时段，所述的夜晚为20:00-7:00时段。
空气温度T、大气压力P、太阳辐射值SR、风速WS、露点温度DT和大气混合层高度的单位分别为：℃、hPa、W/m2、m/s、℃和m，空气湿度RH采用百分数值，城市通风系数VC的单位为m2/s。
本发明的技术构思：
本发明的思想不同于传统刚性封闭空间，本发明建立了城市通风的概念，一方面，水平通风能够在水平方向迁移城市热量、消除空气污染；另一方面，竖直通风通过改变城市边界层厚度有效地稀释空气污染，降低城市污染水平。首先，本发明根据现有的历史数据计算城市通风系数，并依据通风系数的大小评估城市通风水平的高低。其次，本发明通过利用可获得的历史气象数据，建立了大气混合层高度统计学多元线性回归模型，从而对城市通风系数进行预测。
本发明对城市通风系数的分析和评价能够为城市通风指标与污染水平的评价和预测提供科学的方法和技术手段。本发明对城市通风的定义、评价与预测方法如下：
(1)建立城市通风的科学表达。由于城市通风是水平方向空气流动速度(风速)与竖直方向大气边界层厚度(大气混合层高度)共同作用的结果，因此定义
城市通风系数(VC)＝大气混合层高度(MLH)×风速(WS)
式中，VC单位m2/s，MLH单位m，WS单位m/s。此方程适用于各城市的不同地点或监测站，本发明采用的是长沙市机场一个监测点的数据。
(2)由于水平方向城市风速可以很容易实时测试，因此认为是已知的气象参数。研究城市通风必须首先获得竖直方向城市大气混合层高度信息。由于缺乏直接有效的测试方法，因此本发明采用统计学回归模型能够对城市大气混合层高度进行准确实时计算与预测，
根据一些城市多年的每小时的大气混合层高度与基本气象参数(包括太阳辐射、温度、压力、相对湿度、风速、露点温度)的Pearson相关性分析，标明城市大气混合层高度与这些气象参数之间均具有显著的相关性，比如，根据长沙市2005-2009年每小时的大气混合层高度与基本气象参数(包括太阳辐射、温度、压力、相对湿度、风速、露点温度)的Pearson相关性分析，表明城市大气混合层高度与这些气象参数之间均具有显著的相关性，其相关系数依次为0.830**、0.384**、-0.132**、-0.649**、0.405**、0.125**(**表示显著相关)。因此，本发明基于这些参数与每小时的大气混合层高度的相关性构造每小时的大气混合层高度的统计学模型，并通过数据拟合获得该模型的具体系数，从而完成对城市大气混合层高度的建模。最后再根据建模后得到的统计学模型对当前的城市大气混合层高度进行预测。
根据现有的历史数据建立城市大气混合层高度与其它基本气象参数之间的统计学多元线性回归模型，模型表达式为：
MLH＝∑(αixi)＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT式中：MLH——大气混合层高度(m)；T——空气温度(℃)；P——大气压力(hPa)；SR——太阳辐射(W/m2)；RH——空气湿度(％)；WS——风速(m/s)；DT——露点温度(℃)；αi(i＝1，...6)——回归系数。
(3)根据已知的风速与大气混合层高度数据，本发明可以利用上述城市通风模型实时准确地计算与预测城市通风状况与能力。
(4)城市通风是评价城市热岛效应与空气质量的依据，为此本发明建立城市通风的评价指标
优：VC≥6000m2/s(其中：MH＞1500m，WS＞4m/s)；
良：4000≤VC＜6000；
中：2000≤VC＜4000；
差：VC＜2000m2/s(其中：MH＜500m，WS＜4m/s)。
此评价指标根据美国国家气象中心和加拿大大气环境服务部门的现有标准，并针对中国和长沙市的实际情况进行标定和修正，此指标能够较为准确和有效地评估与反映长沙市实时城市通风水平的好坏。
(5)城市通风优劣也是指导城市环境规划与管理的重要指标与依据。根据上述评价指标，选择城市通风好的时间段与区域定时、定点指导污染企业向大气排放污染物，既有利于污染物的快速扩散与稀释，又能避免对城市空气造成严重污染。
有益效果：
(1)本发明克服了人们对城市通风概念与方法认识不足，综合考虑了水平方向空气流动与竖直方向大气边界层厚度共同作用，全面揭示了城市通风对热岛效应与污染的作用与影响。
(2)本发明提出的城市通风模型(即本发明的城市通风系数VC以及预测城市大气混合层高度的表达式)为计算与预测城市通风能力提供了一种实用工具与方法。
(3)本发明建立的城市通风性能评价指标为评价城市热岛效应与空气质量提供了直接依据，也是指导城市环境规划与管理的重要指标与依据。具体实践表明，本发明的方法预测准确性高。
值得说明的是，本发明中的关键步骤一步骤1：城市大气混合层高度的预测方法，具有以下优点：
(1)采用简单且容易获得(小型或微型气象站)或当地气象局实时公布的基本气象数据计算大气混合层高度，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，从而为大气混合层高度实用化提供了可能。
(2)统计学模型(即前述的计算公式MLH＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT)是对过去多年大气混合层高度变化的总结与分析，充分考虑了各气象参数的影响，模型结果更准确、更可靠。实践表明，本发明的预测方法准确度较高，预测值与测量值的相关系数高达0.886，详见实施例。
(3)通过本发明的城市大气混合层高度的预测方法，可以方便快速估计与预测大气混合层高度及其变化特性，并使其成为一种工具与技术，为城市空气质量预报与管理提供科学依据。
附图说明
图1为长沙市2009年夏季(6月至8月)大气混合层高度一天24小时变化趋势图；
图2是长沙市2005～2009五年大气混合层高度回归模型计算结果与NOAA公布结果之间的比较示意图；
图3是2010年1～10月大气混合层高度预测结果与美国海洋大气管理局NOAA(http://www.noaa.gov/)公布数据的比较图。
图4是本发明提出的城市通风示意图；
图5为根据本发明提出的城市通风模型得到的我国长沙市机场的通风强度与NOAA网站下载并计算得到的实际结果的比较示意图。
图6是根据通风模型对2010年1-10月长沙城市通风系数的预测值与观测值的比较验证结果示意图。
图7为根据本发明对城市通风水平的评估标准对2010年1-10月长沙市通风系数的预测值与观测值进行评估与统计的结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
该发明提出的城市大气混合层高度的预测方法具有一般性与通用性，可以直接推广使用，具体实施步骤如下：
步骤1：预测城市大气混合层高度
(1)首先选定城市或城市区域，然后获取该城市或城市区域的大气混合层高度与基本气象参数历史数据。
(2)采用基本气象参数建立大气混合层高度回归模型。首先大气混合层高度。一方面，从美国海洋大气管理局NOAA(http://www.noaa.gov/)下载过去五年(2005～2009)每天24小时某一城市(如长沙市)大气混合层高度数据(我国目前尚未公开城市混合层高度数据)，另一方面，由国际气象网站(http://www.wunderground.com/)公开公布的气象数据中获得长沙市过去五年(2005～2009)每天24小时的基本气象参数数据。
(3)获得实时气象参数数据。本发明混合层高度预测模型仅需最基本的六个气象参数(包括空气温度、露点温度、大气压力、相对湿度、太阳辐射、地面风速)，可采用任何小型或微型气象站(市场产品类型非常多，价格比较便宜，均能提供上述参数)直接测试或采用当地气象局公布的数据(如长沙气象局网站http://www.csqx.com/、北京市气象局网站http://www.bjmb.gov.cn/等)。
(4)将实时气象数据按照白天(08:00-19:00)与晚上(20:00-07:00)分类，分别输入本发明已给出的大气混合层高度的回归模型公式MLH＝∑(αixi)＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT，从而实时计算出大气混合层高度的具体数值。此模型与数据具有理论完备性和科学精确性，并且该发明能够运用于对城市大气混合层高度的预测，例如用未来一周天气预报获得气象数据，运用该发明模型预测未来一周的城市大气混合层高度数据，从而可以提前掌握未来一周内的大气混合层高度变化，对即将出现的较低值提前预警，保障城市通风水平，避免城市污染激增。
步骤2：
计算城市通风系数作为城市通风状况的预测值；
基于公式：城市通风系数VC＝大气混合层高度MLH×风速WS，得到的城市通风系数的计算值作为城市通风状况的预测值。
实施例1：
以长沙市为例，具体说明上本发明的实施步骤。
步骤1：预测城市大气混合层高度
首先，获取历史数据。一方面，从美国海洋大气管理局NOAA(http://www.noaa.gov/)下载过去五年(2005～2009)每天24小时长沙市大气混合层高度数据(我国目前尚未公开城市混合层高度数据)，另一方面，由国际气象网站(http://www.wunderground.com/)公开公布的气象数据中获得长沙市过去五年(2005～2009)每天24小时的基本气象参数数据。
其次，根据上述历史数据，利用SPSS(即中文的：统计产品与服务解决方案)统计学分析软件(任何统计软件都具备该功能)建立城市大气混合层高度与基本气象参数之间的多元线性回归分段模型如下：
白天(8:00-19:00)：MLH＝-11882+1.4*SR+56.4*WS+10.6*P+62.9*T-56.9*DT+12.3*RH；
夜晚(20:00-7:00)：MLH＝-679+0.07*SR+47.6*WS+0.8*P+10.6*T-8.9*DT-0.6*RH。
步骤2：基于公式：城市通风系数VC＝大气混合层高度MLH×风速WS，得到的城市通风系数的计算值作为城市通风状况的预测值。计算结果如图5和图6所示。
根据预测的通风系数，判断与评价长沙市通风能力与城市环境污染水平。图7为根据城市大气混合层高度模型预测出的2010年1-10月的通风系数预测值，并根据以上标准对其评估与统计分布。统计结果表明，根据模型预测的长沙城市通风能力优、良、中、差的发生次数和比例分别为284(4％)、413(5.8％)、1136(16.1％)、5227(74.0％)，而相对应的实际观测值发生的次数和比例依次为276(3.9％)、401(5.7％)、1068(15.1％)、5315(75.3％)，其中，通风系数的观测值为2010年1-10月当天时刻的大气混合层高度(由NOAA网站下载得到)与当天时刻的风速值(由长沙气象网站下载得到)的乘积。根据本发明拟定的长沙城市通风指标，将2010年长沙城市通风系数的预测值与观测值进行统计分布与比较，结果表明，采用该评价标准，其预测值与观测值的发生次数与发生频率十分接近，其准确率高达99.97％。说明本发明采用的城市通风评价指标能够准确和有效地评估和反映长沙市的通风能力与城市污染水平。
最后，利用上述回归模型实时预测长沙市大气混合层高度。图3是我们采用2010年1～10月的基本气象参数数据(http://www.wunderground.com/)计算的大气混合层高度变化，与美国海洋大气管理局NOAA(http://www.noaa.gov/)公布的数据非常一致，充分验证了回归模型的预测可靠性。
图1为长沙市2009年夏季(6月至8月)大气混合层高度一天24小时变化趋势图，可明显看出其白天与夜晚存在显著区别(夜晚平均值为200米左右，白天平均指则在200～1500米之间变化)，因此本发明白天夜晚进行分段回归，以提高模型的可靠性。
图2是长沙市2005～2009五年大气混合层高度回归模型计算结果与NOAA公布结果之间的比较，二者的相关系数高达0.886(即相关性R2＝0.8862＝0.785)，说明回归模型的可靠性。
图3是2010年1～10月大气混合层高度预测结果与美国海洋大气管理局NOAA(http://www.noaa.gov/)公布数据的比较，结果非常一致，充分验证了回归模型的预测可靠性。
图5为根据本发明提出的城市通风模型得到的我国长沙市机场的通风强度与NOAA网站下载并计算得到的实际结果的比较示意图，两者相关性高达0.987，很好地说明城市通风模型的可靠性与准确性。
图6是根据通风模型对2010年1-10月长沙城市通风系数的预测值与观测值的比较验证结果示意图，其相关性达到0.970，充分说明了本发明提出的对城市通风系数的预测精确性和有效性。
图7为根据本发明对城市通风水平的评估标准，对2010年1-10月长沙市通风系数的预测值与观测值进行评估与统计的结果示意图。采用该指标分类，预测值与观测值在不同指标时发生的次数与频率十分接近，该指标能够准确的对长沙城市通风能力进行标定与评估。
说明：
(1)回归模型中城市大气混合层高度历史数据可以是如前所述的任何一种方法，如大型气象站远程探测或根据理论模型计算获得。
(2)本发明采用的基本气象参数原则是简单且容易获得(如采用小型或微型气象站能够实时测试的气象数据)或者当地气象局实时公布的气象数据，具体采用的气象参数包括：空气温度(T)、露点温度(DT)、大气压力(P)、相对湿度(RH)、太阳辐射(SR)、地面风速(WS)。
(3)由于大气混合层高度在白天与夜晚有显著性区别(见附图1)，因此为提高回归模型的可靠性，本发明建议对白天与夜晚进行分段回归。
(4)上述统计学回归模型实现了采用非常容易获得或测试的基本气象参数来计算非常难以获得或测试的城市大气混合层高度的方法。
(5)通过现场测试或当地气象局实时公布的基本气象参数数据，根据上述多元线性回归模型即可实时计算与预测城市大气混合层高度及其变化。
由于对于不同的城市，其线性回归系数都是经过历史数据进行线性回归方法获得的，因此，本发明的方法具有普适性。即在任一个城市都可以使用，区别只在于不同城市中回归系数的具体数值不同。由于城市大气混合层高度的预测是本发明方法的核心，因此，本发明同样也具有广泛应用性即通用性。
Claims (4)
1.一种基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：预测城市大气混合层高度：
获取某一城市的当前气象数据，所述的气象数据为：空气温度T、大气压力P、太阳辐射值SR、空气湿度RH、风速WS、露点温度DT，
再根据MLH＝α1T+α2P+α3SR+α4RH+α5WS+α6DT计算出该城市的大气混合层高度的预测值；式中的MLH为大气混合层高度；
式中α1～α6为回归系数，回归系数由历史的气象数据和历史的大气混合层高度经统计学多元线性回归方法获得；
步骤2：计算城市通风系数作为城市通风状况的预测值；
基于公式：城市通风系数VC＝大气混合层高度MLH×风速WS，得到的城市通风系数的计算值作为城市通风状况的预测值。
2.根据权利要求1所述的基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，其特征在于，采用统计学多元线性回归方法对白天与夜晚分别进行线性回归，分别获得白天与夜晚的回归系数。
3.根据权利要求1所述的基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，其特征在于，所述的白天为8:00-19:00时段，所述的夜晚为20:00-7:00时段。
4.根据权利要求1-3所述的基于大气混合层高度参数的城市通风状况的预测方法，其特征在于，空气温度T、大气压力P、太阳辐射值SR、风速WS、露点温度DT和大气混合层高度的单位分别为：℃、hPa、W/m2、m/s、℃和m，空气湿度RH采用百分数值，城市通风系数VC的单位为m2/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110914 |