上海城市气象综合观测网应用及展望
上海城市气象综合观测网应用及展望
高伟;陈浩君;谈建国
【摘 要】上海气象观测历史悠久,已基本建立了综合城市气象观测网络,为城市运行提供了关键气象信息应用和服务.未来,上海市气象局将以开展超大城市综合观测试验和智能气象为重点,提高城市气象观测的探测水平和应用能力.
【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】2017(007)006
【总页数】6页(P99-104)
【关键词】城市气象;观测;应用和服务;展望
【作 者】高伟;陈浩君;谈建国
【作者单位】长三角环境气象预报预警中心, 上海 200030;上海气象信息技术与支持中心, 上
海 200030;上海市气候中心, 上海 200030;中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室,上海 200030
【正文语种】中 文
0 引言
上海是中国的经济、金融、贸易和航运中心。据统计,上海已有超过2300万的人口和260万辆以上的汽车,地区生产总值27466.15亿元,30 m以上高楼32000多栋,其中1200多栋超过100 m[1]。随着上海经济社会的快速发展,城市化进程给城市地球环境带来了巨大的改变,以城市下垫面的改变最为直接[2]。城市化进程的加快,使得城市热岛等现象越来越显著,也改变了城市局地的能量平衡、边界层结构和大气成分,导致局地天气、气候及环境的变化[3]。产业和人口的高度密集,气象灾害影响连锁效应和放大效应明显增强[4]。气候变化和城市化的双重影响,使得上海这座超大城市频繁受到台风、暴雨、高温、雷电、大雾、风暴潮和其他灾害性天气影响,且发生的频率和强度越来越严重。
近年来,针对越发严重的城市气象和环境问题,美国、欧洲等地相继开展了一些综合观测试验
和研究计划。大规模、跨学科的城市气候科学试验相继实施,推动了城市气象观测理念、方法和技术的不断进步,如在美国盐湖城开展的Urban 2000、瑞士巴塞尔的BUBBLE 2001、法国马赛的ESCOMPTE 2001、美国俄克拉荷马的Joint Urban 2003、英国伦敦的DAPPLE 2004和日本东京的TOMACS 2011等[1,5]。这些观测试验都涉及城市地表参数的获取(反照率、粗糙度、湿参数)、地表能量平衡、城市边界层结构、城市热岛效应、城市环流与中尺度局地环流相互作用、城市对降水的影响、城市空气污染等内容。美国国家研究委员会2008[6]和2010年[7]发表的两份报告分别强调了城市大气边界层廓线观测和城市气象科学试验基地建设的重要性。2008年,世界气象组织为城市地面观测网的设计和站点的选址编制了指南[8]。WMO 在全球开展了一系列城市气象和环境研究(GURME)项目,主要针对空气质量及其相关的气象观测。这些项目包括:北京大气环境污染控制机制研究项目、莫斯科超大城市可持续发展气象服务、用被动采样仪进行空气质量观测、拉丁美洲城市空气质量预报的改进以及上海城市气象和环境研究示范等[9]。国内较全面的试验是2001—2003年在北京开展的大气边界层动力、热力、化学综合观测试验(BECAPEX),该试验获取了北京城市大气动力和大气化学三维结构特征[10]。国家自然科学基金“九五”重大项目“长江三角洲地区低层大气物理化学过程及其与生态系统的相互作用”在长江三角洲地区开展了水、热与物质通量输
送和转化的综合观测试验[11]。另外,南京市城市边界层观测(2005、2006年)[12],国家科技部“973”项目“我国东部大规模城市化的气候效应及对策”在我国东部长三角特大城市区,针对地表物理特性、陆面过程、城市冠层和大气边界层、大气污染物及其辐射特性等,设计和开展多过程的协同强化观测试验,国家科技支撑计划“京津冀城市高影响天气预报中的关键技术研究”。
上海是世界上最早开始气象观测的城市之一。1872年12月1日,上海徐家汇观象台开始了气象观测,标志着上海连续140年不间断气象观测记录的开端 [13]。经过百年气象的发展,上海已经建立了符合城市发展需求的城市气象综合观测网络,并在气象预报、预警和服务上发挥了重要的作用。
本文主要从上海城市气象综合观测网、应用个例、未来发展和结论四个方面,对上海城市气象综合观测系统做一个简要的概述。
1 上海城市气象综合观测网
1.1 上海城市综合观测网络组成
为充分理解城市与大气过程之间的相互作用,改善天气预报、大气污染和气候变化的城市适应性,更好的为城市运行提供关键气象信息服务,上海根据城市自身的特点和发展模式,建立了包括自动气象站、天气雷达、风廓线雷达、铁塔气象站、大气成分站等综合性的城市气象观测网(图1、表1),满足精细化预报和专业气象服务对城市气象观测提出了新的要求。
图1 上海城市气象观测网Fig. 1  Urban meteorological observation network in Shanghai
在地面气象观测方面,共建成了260多个自动气象站,空间间距达到区县5～6 km、市区4 km;各区县云、能、天自动化观测改造全部完成;在重要站点和各区县气象台站共设有天气实景观测系统27套、雨滴谱7套、雾滴谱2套、天气现象仪12套、天空成像1套,建成了覆盖全市的雷电闪电定位系统和地面大气电场观测网。在雷达气象观测方面,建成国内先进的青浦多普勒天气雷达,完成浦东南汇雷达双偏振多普勒技术升级改造,成为国内第一部业务化使用的S波段双偏振多普勒天气雷达。增设浦东临港地区一部X波段双偏振雷达。在城市边界层观测方面,全市共建成10部大气边界层风廓线雷达,组成较完善的边界层风廓线观测网;增设了2部近地面低空激光测风仪;利用区县电视塔和风能测风塔建成了11个70～100 m多层梯度气象观测系统;初步建立了由2部激光雷达、1部微波辐射计、10部云高仪组成的城市边界层垂上海台风什么时候来
直结构观测网;布设了2部涡动通量系统,集成红外气体分析仪和超声风速仪、四分量辐射观测仪组成的辐射、水热的涡动通量观测。在环境气象观测方面,建设有12个环境气象多要素不等的观测站、1个臭氧探空站、2个酸雨观测站、3个负氧离子站、1个花粉站和1个温室气体站等。在卫星遥感气象观测方面,建成了FY3、FY4、葵花、NOAA系列、TERRA和AQUA接收业务系统;整合了华东区域地基GNSS/Met网超过200个站点,站点平均分辨率50～100 km,长三角地区分辨率可达10～15 km。在海洋气象观测方面,建成(含共享站)由40个海岛自动气象观测网、10个海洋浮标观测网、4个船舶自动气象站、4个波浪观测站、14个潮位站、7个温盐流站等组成的海洋气象观测网。在移动气象观测方面,建成5部移动气象观测系统和应急卫星通信系统,除常规气象要素移动观测外,具备移动天气雷达、移动风廓线雷达和天气实景观测等。
表1 上海城市综合观测网络组成Table 1  Composition of urban integrated meteorological observation network in Shanghai序号  观测系统  项目名称  数量观测要素1  地面气象观测自动气象站 260  温、风、雨、湿、压、能见度天气实景监测 27  天气实景显示天气现象仪 12  天气现象+(天空成像、雨滴谱、雾滴谱、闪电定位、大气电场)2  天气雷达气象观测 S波段天气雷达 2  反射率、径向速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数X波段天气
雷达 1  反射率、径向速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数3  城市边界层观测边界层风廓线雷达 10 0～3km垂直风向风速激光测风仪 2 30～200m不同高度10层风向风速梯度观测站 11  不同高度风向风速(总高度为70～100m不等)激光雷达 2 130m～6km垂直消光系数,边界层高度云高仪 10 0～6km垂直消光系数,云底高度,边界层高度微波辐射计 1  温、湿和水汽廓线L波段雷达探空 1 0～30km温、湿、压、风垂直廓线涡动通量系统 2  四分量辐射、CO2\H2O浓度通量、三维超声风、湍流4  卫星遥感观测  卫星 6 FY3、FY4、葵花、NOAA系列、TERRA和AQUA的数据和产品GPS/MET 200+  大气整层水汽含量5  环境气象观测大气成分观测 12  反应性气体(O3, NOX, SO2, CO, VOC)、气溶胶(PM10, PM2.5, PM1)+(浊度、黑碳、气溶胶化学组分(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氯化物等)、UVAB和AOD不等臭氧探空站 1 O3垂直分压、浓度廓线和臭氧总量酸雨观测站 2  电导率、PH值负氧离子站 3  负氧离子浓度花粉站 1  花粉数量和类别温室气体站 1 CH4, CO2, N2O浓度6  海洋气象观测海岛自动气象 40  温、风、雨、湿、压、能见度船舶自动气象站 4  温、风、雨、湿、压、能见度波浪观测站 4  波浪大小、形态潮位站 14  潮位高度温盐流站 7  温盐含量7  移动气象观测  应急监测车 5  常规气象要素+(天气雷达、风廓线、云高仪、激光雷达和天气实景等)
1.2 上海城市综合观测网络特点
为了充分理解城市陆面和大气过程之间的相互作用,认识影响城市的高影响天气系统,针对天气对城市的影响和特殊用户需求等目标,上海城市气象综合观测网络(图2)具有如下特点:
1)多目标:观测不仅满足对城市边界层、认识高影响天气的科学认识,而且满足城市安全和环境、健康等多种用户的需求;观测对象关注高影响天气、高关注地域和高敏感用户,以上海地理坐标、以天气系统和用户需求等三个坐标关注城市与天气相互作用,实现气象观测从要素型向功能型转变。
2)多尺度:观测网络兼顾天气尺度、中尺度、城市尺度的综合,未来继续关注街区尺度、建筑物尺度和室内环境。
3)多要素:观测网络不仅是热力学、动力学的观测,而且是大气化学和生物气象学、物候学、城市生态学的观测;
4)多手段:观测网络采用了自动遥测、地基遥感、微型遥感、在线观测和采样等多种观测平台和多种观测手段的综合应用。
图2 上海城市综合气象观测框图Fig. 2  Logic diagram of urban comprehensive meteorological observation in Shanghai
5)同化和融合:通过资料集成、多源观测资料融合、模式的同化等手段实现观测资料的应用服务。
2 综合观测网应用个例
2.1 高影响天气监测应用
观测网的设计应首先满足城市高影响天气系统的监测。一方面提高强对流、台风、暴雨、高温、寒潮、雾霾等高影响天气的监测应用;另一方面为数值模式提供观测支撑,提高高影响天气预报准确率和精细化水平。
例如,基于上海城市气象综合观测网,通过对变分的三维质量守恒风场调整模式融合9部风廓线雷达、9座铁塔梯度观测资料和200余个加密地面自动站测风资料来反演精细化的三维风场诊断分析海风锋结构和演进。以2016年7月26日双支海风锋在上海浦东新区触发的热对流过程为例。由诊断的风场可知,在13:15时双支海风锋中的北支位于浦东新区北部和宝山
区,而南支海风锋推进更深,已经越过了市区到达市区西北部和闵行北部(图3a);红曲线为双支海风锋位置,与2 h之后的雷达窄带回波对应(图3c);海风锋交叉位置为显著风向辐合中心。这说明反演风场与真实风场非常接近,能很好地反映出海风锋位置和风场辐合中心。风场散度大值区反映出北支海风锋与环境风场辐合更加强烈,风场辐合最强处位于宝山区(图3b)。提前120 min诊断出的风场辐合中心位置落在热对流初生位置偏北约10 km处。实现了利用改进后的三维风场模型诊断精细化风场的业务中试运行,可为定位海风锋和风场辐合中心、预判热对流初生位置提供参考。

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