成都市大氣能見度變化特征及影響因子研究

白愛娟，鐘文婷，華 蘭，張舒杼

1．成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225

2．成都市氣象局環(huán)境氣象服務(wù)中心，四川 成都 610072

大氣能見度是一項重要的氣象觀測要素，大氣水平能見度指視力正常的人在當(dāng)時的天氣條件下，能夠從天空背景中觀看到和辨認目標物(黑色、大小合適)的最大水平距離［1］。大氣能見度的變化通常受降水、霧、大風(fēng)、揚沙等天氣現(xiàn)象和空氣污染物的影響。大氣能見度可以反映空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，空氣質(zhì)量直接影響人們的生活和健康。成都是中國西部的重要工業(yè)城市，霧霾天氣頻繁。分析該市大氣能見度的變化特征，對于了解低能見度天氣的成因，提高空氣質(zhì)量有重要意義。

20世紀60年代，美、英等國開始對能見度的變化進行定量分析并作為衡量大氣污染的指標。1979年Craig等［2］引入Ridit統(tǒng)計分析法，研究了該方法在大氣能見度變化特征研究中的應(yīng)用。1990年以來，美國學(xué)者發(fā)現(xiàn)降水和水汽形成的霧霾天氣是低能見度的成因，大氣能見度與對流層氣溶膠濃度密切相關(guān)，并且與PM2.5濃度、硫酸鹽和硝酸鹽濃度也有密切關(guān)系［3-4］。中國對大氣能見度和影響因素的分析主要集中在大城市［5-8］，其中黃健等［9］利用Ridit分析法、累積百分率法和能見度“非常好”出現(xiàn)頻率的分析法對1954—2004年珠江三角洲大氣能見度變化趨勢進行研究。張宏等［10］對北京市近幾年的能見度進行分析，并重點分析了大氣中PM2.5對能見度的影響。張利等［11］對1955—2000年中國大氣能見度變化趨勢進行了整體分析，逐步探討了中國大氣環(huán)境的變化特征。

該研究利用MICAPS 2008—2011年地面觀測資料，分析成都市區(qū)大氣能見度的年際和季節(jié)變化特征，并以2009年成都地區(qū)一次低能見度天氣過程為例，探究能見度與氣象要素以及顆粒物濃度之間的關(guān)系，研究影響成都市區(qū)低能見度的因素，為政府制定大氣污染控制措施提供參考依據(jù)。

1 資料和研究方法

1.1 資料處理

整理 2008—2011年溫江站(站號 56187)MICAPS地面觀測數(shù)據(jù)，包括大氣能見度、溫度、壓力、濕度、風(fēng)以及霾出現(xiàn)的天數(shù)，選取14：00的大氣能見度記錄進行分析。成都市PM2.5數(shù)據(jù)來源于成都市氣象局的大氣成分觀測站2009年的資料。成都市空氣污染指數(shù)資料來源于環(huán)保部數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站［12］。成都站(站號56294)和溫江站(站號56187)1999—2003年能見度資料的對比分析表明各氣象因子與能見度的相關(guān)性一致，不影響能見度變化特征的分析結(jié)果。因此，溫江站的資料可以代表成都市區(qū)的能見度特征。

1.2 能見度等級劃分

根據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標準［13］，能見度分為0～6等級(表1)。能見度的分級，能清楚地反映能見度的年內(nèi)和年際變化特征，并體現(xiàn)不同等級能見度的變化趨勢。

表1 大氣能見度(V)等級劃分標準［13］

2 成都市大氣能見度的變化特征分析

2.1 年際變化

2008—2011年成都市大氣能見度及霾天數(shù)的年際變化如圖1所示。

圖1 2008—2011年成都市大氣能見度及霾天數(shù)的年際變化曲線

由圖1可見，這4年中成都市年平均能見度逐年增加，平均值為10.7～12 km，霾天數(shù)顯著下降。大氣能見度與霾天數(shù)呈顯著的相反變化趨勢，大氣懸浮顆粒物的濃度造成灰霾天氣，并導(dǎo)致能見度降低。

分析成都市不同等級大氣能見度出現(xiàn)頻率隨時間變化曲線(圖略)發(fā)現(xiàn)，大氣能見度等級0出現(xiàn)的頻率為65%左右，逐年增加，等級1出現(xiàn)的頻率為30%左右，其他等級出現(xiàn)的概率很小但是也占有一定的比例，表明近年成都市能見度水平偏低，但整體的能見度水平逐漸好轉(zhuǎn)。

2.2 能見度的季節(jié)差異特征

2008—2011年成都市大氣能見度的季節(jié)變化趨勢如圖2所示。

圖2 2008—2011年成都大氣能見度的季節(jié)和年平均值變化趨勢

由圖2可知，夏季大氣能見度值最高，春季次之，冬季能見度最差，低于9 km。四季能見度均逐年上升。春季、夏季能見度水平明顯高于年平均值，秋季、冬季能見度水平明顯低于年平均值。

不同季節(jié)不同等級能見度出現(xiàn)頻率如圖3所示。

圖3 2008—2011年成都四季不同等級能見度出現(xiàn)頻率變化曲線

由圖3可見，成都春、夏季大氣能見度等級0出現(xiàn)頻率大于70%，秋、冬季減少至50%左右，且隨時間逐漸增加。等級1在春、夏季出現(xiàn)頻率為20%左右，秋、冬季增加到40%左右，冬季等級3出現(xiàn)頻率高達7%，其他等級出現(xiàn)頻率均很小。說明近4年來大氣能見度有好轉(zhuǎn)的趨勢，級別“好”、“一般”的能見度占主導(dǎo)，但也會出現(xiàn)“很差”、“較差”的能見度級別，低能見度主要表現(xiàn)在秋、冬季節(jié)。

3 大氣能見度年際及季節(jié)變化成因分析

大氣能見度的降低與空氣中污染氣體和氣溶膠粒子的散射和吸收效率有密切關(guān)系［14］，污染物濃度的降低導(dǎo)致大氣能見度增加。成都市環(huán)保局監(jiān)測［15］表明，2008—2011年氣體污染物二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10)的年均濃度以及降塵年均值大體上呈逐年降低的趨勢。2009年相比于2008年，PM10、NO2的年均濃度和降塵年均值有不同程度的升高(NO2年均值較2008年同期上升了 0.003 mg/m3，升幅為5.8%，降塵年均值比2008年上升了2.72噸/平方公里·月，升幅為28.3%)，這與圖3中的分析一致。成都市環(huán)保局發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量公報指出，2011年城區(qū)空氣中主要污染物SO2、NO2、PM10年均濃度值較2008年均有所下降。

盆地的氣象條件對成都市大氣能見度有一定影響。進入冬季以后，靜風(fēng)和逆溫大幅度增加，易導(dǎo)致PM10在城市上空聚集。成都地處盆地中央，不利于污染顆粒物的擴散。盆地內(nèi)河網(wǎng)密布，水汽含量充沛，容易凝結(jié)成霧霾，導(dǎo)致大氣能見度下降。相反，夏季汛雨頻繁，雨水的沖刷有助于凈化空氣中的塵埃顆粒物，能見度升高。

4 成都市低能見度事件個例分析

4.1 天氣過程分析

選取2009年11月3—16日成都市出現(xiàn)的低能見度天氣事件為個例，將該過程分為4個階段，各氣象要素平均值分析整理列于表2。

表2 成都低能見度天氣個例4個階段大氣能見度、氣象因子和PM2.5的特征

由表2可見，階段Ⅰ能見度值相對較高，天氣晴好;階段Ⅱ和階段Ⅲ，能見度保持在5 km以內(nèi)，為霧霾天;階段Ⅳ伴隨著中雨，能見度逐漸回升。能見度較高的時期對應(yīng)較低PM2.5值，較低相對濕度和低空氣污染指數(shù)。能見度較短時期內(nèi)的急劇變化不僅和顆粒物的濃度變化有關(guān)，同時也與伴隨的天氣演變過程有關(guān)［16］。分別計算個例期間大氣能見度與各氣象要素間的相關(guān)系數(shù)，均通過顯著性檢驗，列于表3。

表3 大氣能見度與PM2.5及各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

4.2 自然氣象要素對大氣能見度的影響

4.2.1 相對濕度與大氣能見度的關(guān)系

圖4顯示了大氣能見度與相對濕度的變化關(guān)系。

圖4 2009年11月3—16日成都大氣能見度和相對濕度的變化曲線

分析圖4發(fā)現(xiàn)，11月3—6日大氣能見度由11 km下降至5 km以下。7日和9日有所回升，其余時間能見度都保持在4 km以下。12日能見度逐漸回升。同時期大氣相對濕度與能見度相關(guān)系數(shù)為－0.599。大氣相對濕度較大時，空氣中的懸浮顆粒物容易附著在水汽上凝結(jié)，形成大量的小液滴［17］。同時顆粒物吸收水汽越多，造成顆粒物直徑增大，使得消光系數(shù)變大，從而大氣能見度變小。相對濕度對大氣能見度最主要的影響體現(xiàn)在對消光系數(shù)的影響上［18］。

4.2.2 地面風(fēng)速與大氣能見度的關(guān)系

大氣能見度與地面風(fēng)速關(guān)系見圖5。

圖5 2009年11月3—16日地面風(fēng)速和大氣能見度的變化曲線

分析圖5發(fā)現(xiàn)，低能見度對應(yīng)低風(fēng)速，兩者相關(guān)系數(shù)達0.406。近地面風(fēng)速大，易將污染大氣吹離城市，將周邊高原的新鮮空氣吹向城市，有利于局地的大氣擴散。隨著大氣顆粒物的稀釋和擴散，大氣能見度轉(zhuǎn)好。當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速較小又無云時，容易形成逆溫現(xiàn)象，能見度變差。成都地區(qū)常年風(fēng)速較小，大氣污染物不易排放，導(dǎo)致大氣能見度相對其他地方偏低。

4.2.3 地面氣壓、溫度對大氣能見度的影響

地面氣壓與大氣能見度相關(guān)系數(shù)為0.596。分析地面氣壓與能見度的變化曲線(圖略)，在階段Ⅰ，成都地區(qū)地面受高壓控制，天氣晴好，太陽輻射強，熱力對流強，有利于污染物垂直擴散，故能見度較好;在隨后的階段Ⅱ和階段Ⅲ，氣壓相對減小，存在大氣下沉氣流，導(dǎo)致熱力對流弱，并常伴有強的輻射逆溫，大氣擴散條件差，污染物濃度高，能見度較差。

溫度與能見度的相關(guān)系數(shù)為－0.297，溫度通過其他因子間接影響大氣能見度的變化。當(dāng)大氣溫度降低至0℃以下，冰面飽和水汽壓低于水面飽和水汽壓時，有利于霧的形成，從而降低大氣能見度［19］。

4.3 人為因素對大氣能見度的影響

4.3.1 PM2.5濃度對大氣能見度的影響

大氣能見度與同期 PM2.5的相關(guān)系數(shù)高達－0.52。圖6顯示了PM2.5濃度、空氣污染指數(shù)與大氣能見度的關(guān)系。

分析圖6可知，當(dāng)空氣中PM2.5含量增加時，空氣質(zhì)量較差，同期大氣能見度較差，反之亦然。大氣顆粒物的散射消光占總消光系數(shù)(包括散射消光和吸收消光)的80%，大氣顆粒物濃度的高低，決定大氣消光的強弱，是決定能見度好壞的主要因子［20］。

圖6 2009年11月3—16日空氣污染指數(shù)、PM2.5與能見度的變化曲線

4.3.2 空氣污染指數(shù)與大氣能見度的關(guān)系

將每日的空氣污染指數(shù)［12］與每日的平均能見度進行對比分析?？諝馕廴局笖?shù)和能見度負相關(guān)顯著，空氣污染指數(shù)越高，PM10濃度越高，大氣能見度就越低(圖6)。此外，空氣污染指數(shù)與PM2.5值的變化曲線輪廓相似且比PM2.5滯后1 d，表明懸浮顆粒物的含量是控制空氣污染的重要因素，是決定能見度水平的關(guān)鍵因子。PM2.5濃度的變化可以為大氣環(huán)境污染治理提供依據(jù)，市民的環(huán)保、節(jié)能以及低排放意識的提高，是改善大氣能見度的有效方法。

5 結(jié)論

1)成都市2008—2011年的大氣能見度水平伴隨著霾天數(shù)的下降逐年上升，夏季能見度最高，春季次之，冬季最低，2009年能見度水平長期較差。

2)2008—2011年期間，全年和各季節(jié)能見度分布中“好”能見度出現(xiàn)頻率最高，并且逐年上升，“一般”能見度出現(xiàn)頻率次之，逐年呈小幅下降趨勢，主要受周圍地形和大氣條件的影響，大氣能見度持續(xù)偏低，但近年來有逐年好轉(zhuǎn)的趨勢。

3)通過成都市低能見度天氣個例的分析發(fā)現(xiàn)，影響能見度的因素包括自然的氣象因子和人為污染的因素。高濕和低風(fēng)速是造成成都市區(qū)低能見度的主要氣象條件。同時空氣質(zhì)量和PM2.5的排放是近年來影響大氣能見度急劇降低的人為因素。有效控制污染物排放，是提高大氣能見度的有效途徑。

致謝：感謝參與該研究工作的所有同事和同學(xué)。

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