香格里拉大氣本底站能見(jiàn)度變化特征淺析

楊祿麟

（香格里拉區(qū)域大氣本底站，云南 迪慶674400）

1 引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于世界各大城市的空氣污染程度日益嚴(yán)重，導(dǎo)致城市大氣能見(jiàn)度降低，嚴(yán)重影響了城市居民的正常生活，而且低能見(jiàn)度的出現(xiàn)更會(huì)給人們帶來(lái)諸多不便和各種危害，常常是造成陸、海、空交通和飛機(jī)起降重大事故的重要原因，成為公眾和環(huán)保部門關(guān)注的問(wèn)題之一。環(huán)境大氣中能見(jiàn)度的降低通常是由大氣中顆粒物、水滴和污染氣體的增加引起的，有關(guān)研究也表明，水汽、霧滴本身會(huì)增強(qiáng)光的吸收和散射，因而會(huì)對(duì)大氣能見(jiàn)度降低有貢獻(xiàn)。能見(jiàn)度是指示某些天氣現(xiàn)象（如霧、霾、煙、輕霧、沙塵暴等）及大氣潔凈度的重要指標(biāo)。

在區(qū)域大氣本底站開展對(duì)大氣水平能見(jiàn)度的測(cè)量，可以為控制區(qū)域性污染以及研究污染物的遠(yuǎn)距離輸送及來(lái)源提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 采樣環(huán)境

香格里拉區(qū)域大氣本底站（28.01°N，99.44°E，海拔3580m）位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣城正北30km處，在滇、藏、川三省區(qū)交界。地處于西南暖濕氣流背風(fēng)坡，降水量的年內(nèi)分布干濕季分明。干季，當(dāng)年11月至翌年4月，由于受強(qiáng)勁的南支干暖西風(fēng)氣流控制，輻射降溫劇烈，晴天多，降水量只占全年的10%～40%。濕季5～10月，因主要受西南暖濕氣流的控制和高原波動(dòng)的影響，其降雨量占全年的40%～90%，降水主要集中在7～8月。主導(dǎo)風(fēng)向多為南風(fēng)或西南風(fēng)，年平均風(fēng)速1.9m/s，年平均氣溫5.2℃，年降水量614mm。氣候特征屬于季風(fēng)氣候區(qū)，是東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的交匯處。香格里拉區(qū)域大氣本底站建成于2009年，該站周圍5km范圍內(nèi)無(wú)村莊和工廠等明顯污染物排放，是世界氣象組織全球大氣觀測(cè)網(wǎng)（WMO/GAW）的成員站。

2.2 觀測(cè)方法

自2007年7月起，香格里拉區(qū)域大氣本底站開展了大氣水平能見(jiàn)度的連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)儀器采用Vaisala公司生產(chǎn)的FD12型能見(jiàn)度儀，是一種前散射測(cè)量?jī)x器。該儀器通過(guò)測(cè)量小體積空氣對(duì)光的散射系數(shù)來(lái)測(cè)量氣象能見(jiàn)度，其每次測(cè)量的周期是15s，是目前中國(guó)氣象局沙塵暴站網(wǎng)普遍采用的一種能夠進(jìn)行全自動(dòng)觀測(cè)的能見(jiàn)度儀測(cè)量?jī)x器。自觀測(cè)以來(lái)，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)獲取率較好。

2.3 數(shù)據(jù)處理

資料數(shù)據(jù)采集按默認(rèn)頻率15s，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于穩(wěn)健局部回歸篩選。首先，人工剔除由于系統(tǒng)故障及其他因素導(dǎo)致的明顯的不合理數(shù)據(jù)，然后計(jì)算并做好數(shù)據(jù)剔除，直至剩余數(shù)與均值差異全部小于合理差值為止，剩余的數(shù)據(jù)即為本底數(shù)據(jù)。本底數(shù)據(jù)被認(rèn)為排除了局地條件和人為活動(dòng)的直接影響，具有已基本混合均勻的大氣組成特征，從而能更好地代表區(qū)域平均大氣能見(jiàn)度狀況。

3 結(jié)果和討論

2011年數(shù)據(jù)中有1997280條有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效率達(dá)到96%。通過(guò)人工篩選并留用數(shù)據(jù)958694條，占觀測(cè)數(shù)據(jù)的48%。本文分析是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制并計(jì)算小時(shí)平均，按四季及日、月、年為單位繪制圖像，獲得數(shù)據(jù)能夠反映本底大氣能見(jiàn)度變化特征。

3.1 香格里拉地區(qū)大氣能見(jiàn)度各時(shí)間尺度上的變化特征

3.1.1 日變化和季變化

香格里拉區(qū)域大氣本底站2011年日變化能見(jiàn)度顯著（圖1），不同季節(jié)表現(xiàn)出基本相似的規(guī)律，但又有所不同。就日變化而言，春秋兩季基本和全年平均變化相同，夏季日變化呈現(xiàn)明顯的峰、谷變化曲線，6～7時(shí)左右能見(jiàn)度最低，過(guò)后能見(jiàn)度開始持續(xù)增大，至17～19時(shí)達(dá)到最大值，隨后再逐漸降低。冬季能見(jiàn)度是在11～12時(shí)處于低谷，其余時(shí)間能見(jiàn)度都比這一時(shí)刻高。晚間的20～24時(shí)、0～5時(shí)可見(jiàn)度屬于高清時(shí)間段。能見(jiàn)度的這種日變化反映了近地層污染物的分布狀況及其變化。這主要是由于夜間大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，邊界層中常有逆溫層存在，抑制了空氣中粒子的向上擴(kuò)散，而早晨因炊事、交通等人類活動(dòng)較為集中，造成大氣污染源排放量增大，加劇了空氣受污染的程度，另外夜間至清晨空氣相對(duì)濕度較大，風(fēng)速小，容易生霧，這些都導(dǎo)致了夜間和清晨能見(jiàn)度較低。日出后，隨著太陽(yáng)輻射加強(qiáng)，空氣相對(duì)濕度減小，逆溫層逐漸被抬升而消失，大氣垂直交換加強(qiáng)，而午后動(dòng)量下傳，地面風(fēng)速通常是一天之中最大的時(shí)段，空氣中污染物容易擴(kuò)散，因此午后的大氣能見(jiàn)度通常是最好的時(shí)段。

圖1 香格里拉本底站2011年能見(jiàn)度日變化曲線

各個(gè)季節(jié)出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致，但出現(xiàn)谷值的時(shí)間有所差別，春、秋及全年的最小值出現(xiàn)在7時(shí)左右，而夏季的最小值為6時(shí)左右，冬季最小值出現(xiàn)在12時(shí)左右。夏季日變化幅度最大。能見(jiàn)度冬季最高，秋季次之，然后是春季，夏季最低（圖2），分別為43.5，41.6，39.8，34.5。香格里拉這種季節(jié)變化特征主要原因是香格里拉區(qū)域大氣本底站海拔3580m，高原氣候夏季溫度高，大氣活動(dòng)旺盛，降水大，常出現(xiàn)輕霧現(xiàn)象，對(duì)能見(jiàn)度造成一定影響。而冬季氣候以干燥晴朗的天氣為主，所以冬季能見(jiàn)度平均值最高。

圖2 2011年季節(jié)變化趨勢(shì)

3.1.2 月變化

香格里拉2011年能見(jiàn)度月變化趨勢(shì)如圖3所示，能見(jiàn)度有明顯的月變化特征。從月份上看，能見(jiàn)度最大值出現(xiàn)在11、12月份，為45.29km、46.32km，最小值出現(xiàn)在8月份，為27.37km。

3.2 香格里拉地區(qū)大氣能見(jiàn)度的頻率分布

以香格里拉本底站2011年能見(jiàn)度小時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)年、春和采暖期不同濃度區(qū)間（以2.0km為間隔）出現(xiàn)的天數(shù)，并除以總天數(shù)來(lái)反映2011年能見(jiàn)度分布情況，得到香格里拉2011年能見(jiàn)度的平均頻率分布數(shù)據(jù)（圖4），香格里拉本底站2011年最大能見(jiàn)度在49km左右，占全年比例很大，達(dá)到16.4%，其次集中在39～47km范圍內(nèi)，占全年的47.7%，1～35km，占全年的36.0%。

圖3 2011年月變化趨勢(shì)

圖4 香格里拉本底站2011年能見(jiàn)度頻率分布

3.3 觀測(cè)結(jié)果的影響因素

3.3.1 地面風(fēng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響

對(duì)觀測(cè)期間不同季節(jié)小時(shí)風(fēng)向（水平風(fēng)）平均對(duì)應(yīng)的風(fēng)速及濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀測(cè)，并將算術(shù)平均求解出來(lái)，得到16風(fēng)向?qū)?yīng)的雜質(zhì)氣體風(fēng)速及濃度載荷情況。香格里拉大氣本底站四季16風(fēng)向大氣中各雜質(zhì)氣體的濃度載荷和地面風(fēng)速分布的趨勢(shì)相類似，四季雜質(zhì)氣體的濃度隨著地面風(fēng)速的增大而降低。在冬春季節(jié)，本站雜質(zhì)氣體的濃度變化的決定因素可能是地面風(fēng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)生態(tài)系統(tǒng)的呼吸作用減弱的緣故。西南方向來(lái)向地面風(fēng)能夠明顯降低本站雜質(zhì)氣體的四季濃度，在夏秋季節(jié)，本站雜質(zhì)氣體的濃度變化更加受到地面風(fēng)的顯著影響。而該扇區(qū)也具有較大的平均風(fēng)速，說(shuō)明近地面源及地面風(fēng)綜合控制著香格里拉大氣本底站的能見(jiàn)度。

3.3.2 氣團(tuán)傳輸對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響

研究四季每小時(shí)對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)等熵后向軌跡，以對(duì)不同季節(jié)氣團(tuán)傳輸對(duì)本站雜質(zhì)氣體觀測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行探究。在進(jìn)行72h后向軌跡聚類并對(duì)各簇內(nèi)軌跡對(duì)應(yīng)雜質(zhì)氣體小時(shí)濃度進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，運(yùn)用美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（NOAA）HYSPLIT后向軌跡模式，將其和NCEP/NCAR氣象資料有機(jī)結(jié)合起來(lái)。西南方向是該站四季主要?dú)鈭F(tuán)的來(lái)源方向，該站雜質(zhì)氣體濃度的主要影響因素并不是夏季氣團(tuán)傳輸，而是在春、夏、秋來(lái)自緬甸、印度方向的氣團(tuán)的影響下降低。由于該站駐地陸地植被生態(tài)系統(tǒng)在冬季時(shí)排放減少，因此導(dǎo)致氣團(tuán)傳輸決定著該站雜質(zhì)氣體的濃度。

4 結(jié)論

（1）由于季節(jié)不同，日變化最明顯的是夏季，其次為冬季。而春秋兩季日變化特征基本和年平均特征相同，呈現(xiàn)峰、谷變化曲線，夏季早晨（5～7時(shí)）可見(jiàn)度為20km，屬于一天中可見(jiàn)度最低時(shí)間段，但17～19時(shí)可見(jiàn)度為40km，夏季可見(jiàn)度日變化幅度最大。不同季節(jié)的同一時(shí)間段，可見(jiàn)度也有差別，例如冬季和夏季就相差20km。

（2）月變化特征與我國(guó)大部分城市和地區(qū)不同，大部分城市是冬季能見(jiàn)度最低，夏季最高。香格里拉大氣本底站則是春天的2月，冬季的11月、12月最高，秋季的8月可見(jiàn)度最低。

（3）香格里拉能見(jiàn)度頻率分布特征很有規(guī)律，香格里拉本底站2011年最大能見(jiàn)度在49km左右，可見(jiàn)度在39km之外的占全年比例最大，達(dá)到64%。

（4）地面風(fēng)和氣團(tuán)傳輸對(duì)香格里拉大氣本底站能見(jiàn)度的觀測(cè)結(jié)果具有直接而深刻的影響，需要做好有針對(duì)性的計(jì)算分析。

總之，香格里拉大氣能見(jiàn)度的日變化、季節(jié)變化特征明顯。夏季能見(jiàn)度最低為25km左右，冬季能見(jiàn)度最高為49km左右；一日之中，夏季日變化明顯，早晨最低，午后最高。通過(guò)全年頻率分布顯示，香格里拉大氣能見(jiàn)度質(zhì)量良好。

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