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改进气候图的一些想法

已有 3055 次阅读 2012-4-19 11:26 |个人分类:气象|系统分类:观点评述|关键词:新气候图| 新气候图

改进气候图的一些想法网络版.doc

改进气候图的一些想法

张学文,2012/4/19,网络版(有关的图见word稿)

1.采用极坐标图表示气象要素的年变化,增加日变化内容... 1

2.不同气象要素值与其笼罩面积的图表... 3

3.把“雨日”统计细化为“雨时”后再绘图... 5

4.降水量等值线依等比级数选取... 6

5. 新气候图的部分内容、名称... 8

6. 希望... 8

 

1. 气候图是概括各地气候状况的简明手段,它具有一目了然的特点。对学生理解气候,对不同领域的业务人员掌握气候具有重要意义。20世纪在我国气候资料逐步丰富的基础上我国先后出版了两本气候图(19531979年)。本世纪,2002年又有新版的中国的气候图。

随着气象站点的加密、观测时间的加密、观测项目的增加、表达手段的提高和对气候认识的深化以及对气候认识的提高,“气候图”显然应当逐步提高与创新。另外随着电子信息技术的进步,网络版的气候图也应当在人们的期待中。每隔20-30年出版一册有补充内容的新气候图,应当看作是气候学界的正常现象。

在这种大背景下,下面提出4个气候图编绘方面的创新点,它们是:

l        采用极坐标图表示气象要素的年变化。并且增加日变化内容;

l        增加气象要素值笼罩面积图这一类型(多年平均);

l        把“雨日”类的统计(图)提高为“雨时”统计(图);

l        降水的等值线改为按降水量的等比级数选取。

1.采用极坐标图表示气象要素的年变化,增加日变化内容

有一类单站的气候图,它描述单站的温度、降水等气象要素的年变化。它们大多以月份的时间轴为横坐标以气象要素变量的值为纵坐标的直角坐标图表示。它体现各月气象要素的年变化。这大家早已习惯了,也没有什么不对之处。但是,此类气候图,是在描述周而复始的年度的周期变化的,可是直角坐标系里这种周期是依靠读者自己去体会的,而不是一目了然地体现在图上的。如果极大(小)值出现是12月或者1月,就需要费力地判断才可以确定。

如果我们改绘极坐标图,并且把周而复始的时间以极坐标中的角度来表示,那么一类新气候图形式就出现了。这种以角度表示周期性的各个月份,或者以角度表示24小时的极坐标图上,气候平均值数据就连成为闭合圈了。图1.就对比了两种气候平均图在表现周期变化上的差别。显然,把时间用极坐标上的角度表示,周期性就明显。

1. 两种标准系下的乌鲁木齐各月相对湿度年变化图

以角度表示时间的气候图是对大量的老气候图的一种技术改造,我们需要取其长,熟悉它的特性、规定它的一些绘图规则。

过去的气候图基本不分析、绘制气象要素的日变化图,有了极坐标图以后,可以用极坐标气候图表达气象要素的日变化过程。气压、温度、降水、湿度、冰雹次数、雷暴次数、雾的出现次数的日变化就可以一目了然,并且容易分析它们的关系(周期位相关系)。这些日变化特点显然应当在气候图里展现。把一些日变化明显的气象要素的平均日变化过程用极坐标图体现出来应当是气候图的新特色

2. 极坐标下的闪电次数的日变化例子

 

3. 极坐标下的雾的出现次数的日变化例子

 

2.不同气象要素值与其笼罩面积的图表

分析地理底图上某气象要素等值线是气候图中最重要的一类。根据地理底图上绘制的年平均温度分布图就可以内插出图上任何一个地点的年平均温度。现在的创新点是在这类气象要素等值线的地理分布图的基础上进一步给出对应区域(如本省区、全国、亚洲、全球)气象要素(如降水、温度)的不同取值与其笼罩的面积的关系图、表

例如年降水量的地理分布图很重要。它告诉我们那里降水量多少。如果再细问,在本区域内,不同的降水量占据了多少面积,本区域一年所形成的总降水量是多少立方米(这个数据对认识水资源很重要),这些问题,就不能立刻回答出来。于是我们提出补上一个不同气象要素值所笼罩的面积的关系图(表),以便给出定量的答案

这就是在气象要素地理分布图的基础上计算出不同气象要素取值与笼罩面积的关系表,再在这个表的基础上绘出对应的关系图。它是气象要素地理分布图的深度挖掘。下面的例子是在新疆年降水量地理分布图的基础上进而分析出来的不同降水量笼罩面积表。

 

1. 新疆不同的年降水量所笼罩的面积的关系表

(根据新疆年降水量的地理分布图,统计计算出)

年降水量/mm

笼罩面积/万平方公里

总水量/亿m³

年降水量/mm

笼罩面积/万平方公里

总水量/亿m³

1000以上

0.4

42.0

200-300

11.5

287.5

900-1000

0.7

66.5

150-200

13.6

238.0

800-900

1.1

93.5

100-150

18.1

226.25

700-800

2

150.0

50-100

25

187.5

600-700

2.1

136.5

25-50

30.1

1128.75

500-600

4.5

247.5

25以下

40.5

50.625

400-500

6.2

279.0

 

 

 

300-400

8.9

311.5

 

合计

2429.25

下面是根据年降水量r与笼罩面积s的关系进一步做的图和配的公式

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

气候图里包括有大量的气象要素地理分布图,我们都可以在这些图的基础上统计计算出对应的气象要素不同取值所笼罩的对应面积(不同的温度笼罩的面积、不同的积温、无霜期、湿度等等)。在这些数据的基础上就可以绘出气象要素与笼罩面积的关系图。这些图就是气候图的新发展。而它们有时可以进一步找到对应的公式。这显然是气候工作的进一步理论化。

统计气象里经常进行气象要素不同取值的概率分布的分析。例如发现某地年平均温度服从正态分布等等。这是把气象要素在时间域的采样时,所做的概率分析。现在面对一张气象要素取值的平面分布图去分析不同气象要素值所笼罩的面积(图、表、公式),则等价于在该区域上对该气象要素任意采样时,该气象要素不同取值的出现概率。所以分析笼罩面积问题等于把气象概率分析从过去的时间域扩大到空间(面积)域。这是气象统计视野的新扩展。

气象要素不同取值与笼罩面积关系问题是气候学的新的探索点。所以把过去的气象要素地理分布图向前推进到笼罩面积分布是气候学的进步

气象要素不同取值所笼罩的面积不仅可以从气象资料里计算,也可以从理论上推算。例如在文献[[1]]上就给出了不同的太阳能强度所笼罩的地球面积的图(没有被大气吸收前)。

 

3.把“雨日”统计细化为“雨时”后再绘图

在气候学里一般分析降水日数、冰雹日数的地理分布图。其统计基础是该天气现象的出现日数的多年情况。但是气象资料里所谓的日数仅代表当日出现了这种天气现象,而不表示当日全天24小时都存在该天气现象。某气象现象平均每年出现180天,并不表示在时间域任意抽样时,该现象出现的概率接近0.5

林之光可能是最早注意到这个问题的学者,他在中国气候一书中[[2]]等文献中提倡分析降水现象一年中时间的维持时间(称为雨时)。并且对其平均值的地域分布等方面做了详细分析。这使过去的雨日分析提高了一大步。

我们固然不能说雨日的分析没有价值,但是应当指出雨时的分析不仅更准确细致,而且它容易与该现象的出现概率联系起来。

显然分析林教授提倡的雨时分布图,比分析雨日分布图有价值。而为此就需要从气象观测的报表中取出每次降水过程的历时长度,再进而求得每月、年的对应数据,再求月、年的雨时以及任意时刻降水的概率。

80年代,林之光分析的雨时,仅利用了3年的资料。而现在我们又有了30年的资料,又有了更多的气象站。所以进一步细化雨时分析是可能的和应当的。

再就是,应当认识到雨时分析是天气现象从出现日数统计向出现的小时(分钟)数的统计的例子。我们不仅要知道一年平均有几天会出现冰雹(雷电、大雾、沙尘暴),而且需要知道平均每年冰雹仅出现多少分钟。

于是,各地的年(季,月)的雨时图等待我们去分析,每年各地冰雹出现的分钟数(而不是日数)也等待我们统计资料,展开分析。这涉及一批新的气候图的出现。

气候图、气候统计一方面自然要与气象资料相衔接,但是它也需要与概率的理论要求以及计算概率的要求相衔接。

4.降水量等值线依等比级数选取

多数的气象图上的等值线是以等差级数划分的。如温度以04812、度的划分,这简单明确几乎不需高谈什么等差级数概念,就没有问题地执行了多年。

但是这样的习惯做法无形中让气象工作者认为,一切的气象变量都可以自然地采用等差级数划分。而这种观点在降水量图的等雨量线应用中就遇到了困难和问题。其一种结果就是由于有的地方等值线太密而人为地抽掉某些等值线(一种气候图上认为修订等值线竟然达到8处之多)。这样做的结果是等值线的疏、密已经没有物理意义。它降低了降水量等值线图的价值。这是气候图分析中的重要弱点。

为什么会出现这个问题?核心环节是不同的降水量在地理上占有的面积与降水量不是线性关系。而经常是负指数关系。在这种气候规律下,用降水量的线性关系的等差级数的雨量线是不可能绘出比较均匀的等值线的。

如何处理是好?应当用等比级数划分降水等级(新疆气象台从70年代就这样做了),也用它作为降水等值线。

参考名称

降水量(mm

降水等级n

降水量(mm

降水等级n

微量

2.5

1

3.5

1.5

小量

5

2

7.1

2.5

中量

10

3

14

3.5

大量

20

4

28.3

4.5

暴雨

40

5

56.6

5.5

大暴雨

80

6

113

6.5

特大暴雨

160

7

226

7.5

 

320

8

453

8.5

 

640

9

905

9.5

 

1280

10

1810

10.5

 

2560

11

3620

11.5

 

5120

12

7241

12.5

 

10240

13

14482

13.5

 

上面的表是怎么得到的呢?它是用下面的等比级数公式,配合特定的r1b 值而计算出来的一组等比级数。其一般公式是   其中n是降水等级。即降水分布图上需要选取的各条等值线所对应的降水等级。

让上面公式中r1=2.5mmb=2 ,雨量等级n=12…13 就得到了上表的前一部分。让雨量等级n 1.52.53.5…13.5 这些个值就得到表的后一部分。(参考作者1999年发表在http://zxw.idm.cn  上的网页文章)

5. 新气候图的部分内容、名称

(以新疆为例,其代表气象站是20个)

图的类别

数量

说明

单站的月平均气温+月降水量的年变化图

20

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

单站的月平均相对湿度+月平均风速的年变化图

20

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

单站的月平均气压+日照时数的年变化图

20

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

N个天气现象出现日数的年变化图

20×N/2

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

4季代表日的温度+压力的日变化图

20×4

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

4代表季的日降水量+降水概率(雨时)的日变化图

20×4

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

暖季冰雹/雷电在24小时的出现概率

10个站

以极坐标形式表示,一般情况的一个体现两个变量

雾在各个小时的出现概率图

冬季

伊宁、乌鲁木齐等机场

以极坐标形式表示,

新疆各月/年的降水量笼罩面积图

13

同时给出公式和总水资源量

新疆年/季平均温度笼罩面积图

5

 

新疆年、各季雨时分布图

5

 

降水强度为5mm/h,20mm/h占有的时间的地理分布(年、季)

10

 

新疆年、月降水量分布图

13

等比级数划分

6. 希望

把新气候图的编绘作为气象部门的一项工作,系统展开。这样在资料的权威性方面比较有保证。自然目前资料比较容易获得,有兴趣的个人也可以搞。而成果可以出版纸介质的气候图集,或者电子出版物。

这些成果可以在中学、大学地理、气候教材中体现,也可以供某些专业部门、人员使用。

这种气候图集可以是全国的,本省的。有兴趣也可以编亚洲或者世界的。

改进气候图的一些想法网络版.doc

[1] “天文气候中的两个分布函数”张学文,2008年《沙漠与绿洲气象》杂志2511-14

[2] 张家诚,林之光,中国气候,上海科学技术出版社,1985206-222



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4 周少祥 丁裕国 李庆祥 zhxftcl

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