廣東省能見度儀觀測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

張芷言 鄧雪嬌* 王寶民 李 菲 譚浩波 鄧 濤

1)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510080)2)(中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣州 510275) 3)(廣東省生態(tài)氣象中心，廣州 510080)

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廣東省能見度儀觀測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

張芷言1)鄧雪嬌1)*王寶民2)李 菲1)譚浩波3)鄧 濤1)

1)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510080)2)(中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣州 510275)3)(廣東省生態(tài)氣象中心，廣州 510080)

針對廣東省的能見度觀測展開研究，提出了適用于能見度觀測布局適應(yīng)性分布研究的新方案，旨在為器測替代目測的能見度監(jiān)測網(wǎng)提供建議。研究表明:利用廣東省86個地面氣象觀測站的2009—2011年能見度和相對濕度日平均值資料，計算得到了品質(zhì)因數(shù)(figure of merit，F(xiàn)OM指數(shù))和空間影響范圍因數(shù)(sphere of influence，SOI指數(shù))，并以此為依據(jù)對現(xiàn)有的能見度站點進(jìn)行排名和分類。再根據(jù)確定的標(biāo)準(zhǔn)遴選所需站點，篩選時，如果排名低的站點影響的范圍內(nèi)超過50%的區(qū)域被排名高的站點影響范圍所覆蓋，則剔除此排名低的站點。篩選得到廣東省能見度儀觀測站網(wǎng)需要的最少站點數(shù)為43個。考慮到地形以及增加背景站等因素，最后綜合考慮廣東省能見度儀觀測站網(wǎng)所需要的站點數(shù)為51個，該結(jié)果可為器測能見度觀測站網(wǎng)建設(shè)提供參考。

能見度； 相對濕度； 能見度儀觀測網(wǎng)； FOM指數(shù)； SOI指數(shù)

引 言

為了在目前能見度條件下，跟蹤能見度變化，并研究能見度降低的機(jī)制，建立區(qū)域能見度觀測站網(wǎng)，進(jìn)行連續(xù)長期監(jiān)測至關(guān)重要。美國較早開展能見度網(wǎng)的建設(shè)與觀測工作，自1985年開始了為期65年的觀測計劃——IMPROVE(Interagency Monitoring of Protected Visual Environment)計劃，目標(biāo)是還原這些地區(qū)的自然能見度條件，至今在156個國家公園和荒野地區(qū)設(shè)立站點[1]。我國對于能見度的研究大多基于氣象局地面觀測站網(wǎng)的人工觀測資料[2-3]，這些資料觀測時次有限，空間代表性有待評估。近年來，國內(nèi)各地已逐步開展能見度儀的觀測研究[4-6]，但目前暫時還未建立系統(tǒng)的能見度儀觀測站網(wǎng)。

自1946年，Drozdov等[7]首先引用結(jié)構(gòu)函數(shù)法開展氣象站網(wǎng)的合理分布研究以來，不少國家的學(xué)者相繼在天氣、氣候、高空、蒸發(fā)和雨量站網(wǎng)的設(shè)計上做了大量工作，形成了多種氣象站網(wǎng)布局與優(yōu)化方法，如線性內(nèi)插法、區(qū)域內(nèi)插法(正三角形內(nèi)插法、正方形內(nèi)插法)、最優(yōu)內(nèi)插法、信息論方法、特征矢量內(nèi)插法和氣象觀測代表性評定法、因子分析法和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒ǖ萚8-11]。目前尚無針對能見度儀觀測網(wǎng)布局優(yōu)化方法的研究，本文將嘗試借鑒已有的空氣質(zhì)量監(jiān)測站網(wǎng)布局方案，提出適用于能見度儀觀測網(wǎng)布局研究的方法。

Liu等[12]在1986年建立了一種客觀方法確定空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中站點的數(shù)量和位置。這個方法分為兩步：第1步用品質(zhì)因素(figure of merit，F(xiàn)OM指數(shù))確定站點的排序，第2步用空間影響范圍因數(shù)(sphere of influence，SOI指數(shù))確定所需最少站點數(shù)。McElroy等[13]將文獻(xiàn)[12]的方法應(yīng)用于美國內(nèi)華達(dá)州的拉斯維加斯地區(qū)建立一氧化碳監(jiān)測站，利用空氣質(zhì)量模擬模型，以產(chǎn)生在時間上變化的空氣質(zhì)量型態(tài)的每一個有限數(shù)量的氣象情景的區(qū)域代表，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到拉斯維加斯最少設(shè)立22個一氧化碳監(jiān)測站，包括排名較高的19個監(jiān)測站和3個背景濃度站。Abdullah等[14]參考文獻(xiàn)[12]提出的方法，并考慮混合污染物濃度、人口暴露度以及建筑物密度等社會因素的影響，采用多重準(zhǔn)則論證站點建立的可行性，在沙特阿拉伯利雅得市監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)作為一個案例研究。本文將文獻(xiàn)[12]建立方案進(jìn)行合理修改，提出能見度觀測布局適用性分布研究的新方案，利用86個站的人工觀測資料，對廣東省的能見度儀觀測網(wǎng)布局進(jìn)行優(yōu)化，旨在建立一個科學(xué)的、具有代表性和準(zhǔn)確性的能見度儀觀測網(wǎng)，可替代人工的能見度觀測網(wǎng)。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文使用的能見度和相對濕度資料為廣東省86個站2009—2011年的日平均能見度和相對濕度資料。

1.2 方 法

McElroy等[13]將文獻(xiàn)[12]的方法應(yīng)用于美國內(nèi)華達(dá)州的拉斯維加斯地區(qū)建立一氧化碳的監(jiān)測站點。本文考慮到能見度的主要影響因子，以及廣東地區(qū)能見度的觀測情況，將該方法改進(jìn)，利用相對濕度對天氣情況分型，進(jìn)而提出適用于廣東省能見度儀觀測網(wǎng)優(yōu)化的新方案。

第1步：大量的科學(xué)觀測試驗證實了硫酸鹽、硝酸鹽等吸濕性顆粒物的散射特性對能見度下降有重要貢獻(xiàn)，在大氣相對濕度較高時，這些強(qiáng)吸濕性氣溶膠散射能力激增，導(dǎo)致局地能見度銳減[15-19]；同時根據(jù)文獻(xiàn)[20](圖1)珠江三角洲(簡稱珠三角)地區(qū)當(dāng)環(huán)境的相對濕度小于40%時，氣溶膠顆粒物的散射能力隨相對濕度增加基本不變，當(dāng)環(huán)境相對濕度大于80%時，隨著相對濕度的增加，氣溶膠顆粒物的消光特性顯著增加。所以本方法首先根據(jù)廣東省86個站2009—2011年相對濕度資料，將廣東省天氣情況分型，當(dāng)相對濕度小于40%時，視作干天氣狀況；當(dāng)相對濕度大于80%時，視作高相對濕度的天氣狀況，得到了廣東省天氣狀況的3種類型：0≤HR<40%，40%≤HR<80%，HR≥80%。對單站可以求得相應(yīng)的能見度FOM指數(shù)

(1)

圖1 珠江三角洲地區(qū)氣溶膠吸濕增長曲線隨相對濕度的變化圖[20]Fig.1 The fitting chart of aerosol growth factor in PRD region(from reference [20])

式(1)中，IFOM(x,y)是站點(x，y)在分類情形k下的代表性能見度，是站點(x，y)在3種分型情況下分別統(tǒng)計出能見度出現(xiàn)最大頻率的范圍，然后對此范圍內(nèi)的能見度求平均值，該平均值代表這種天氣類型下的能見度。p(k)是指分類情形k發(fā)生的概率。

第2步：確定最少數(shù)量的觀測站，由每個站空間可代表范圍(sphere of influence，以下簡稱SOI指數(shù))決定。對應(yīng)每對站點，可求得相應(yīng)的SOI指數(shù)，它是指這兩個站點觀測數(shù)據(jù)間的空間相關(guān)程度：

(2)

式(2)中，C1i，C2i是指其中兩個站的連續(xù)時間序列能見度。根據(jù)以上公式，某個站將有相應(yīng)其他站的SOI指數(shù)集。通過設(shè)置閾值，可挑選出該站觀測數(shù)據(jù)可代表的空間范圍，其中SOI指數(shù)超過給定閾值的對應(yīng)站，可被該站觀測數(shù)據(jù)所代表。

第3步：篩選過程。能見度儀觀測網(wǎng)應(yīng)能反映當(dāng)?shù)啬芤姸茸畹椭?，因此，篩選過程中能見度FOM指數(shù)按從低到高排序。根據(jù)前兩步計算得到的能見度FOM指數(shù)和SOI指數(shù)對86個站進(jìn)行篩選，用于篩選的標(biāo)準(zhǔn)：如果FOM指數(shù)排名低的站可代表的空間范圍超過50%的區(qū)域被FOM指數(shù)排名高的站可代表的空間范圍所覆蓋，則剔除該FOM指數(shù)排名低的站。同時考慮到能見度的極大值作為廣東省能見度的背景值，應(yīng)該予以保留。最后根據(jù)實際情況對比確定能見度儀觀測網(wǎng)中站數(shù)及其分布情況。

2 廣東省能見度空間分布狀況

目前，廣東省能見度觀測有人工觀測和能見度儀觀測網(wǎng)。能見度是氣象觀測的常規(guī)氣象要素之一，廣東省86個站每日進(jìn)行能見度人工觀測。廣東省的能見度儀觀測網(wǎng)現(xiàn)有39個陸續(xù)建設(shè)的能見度儀觀測站，這些站點空間分布不均勻，在廣州市布設(shè)較為密集。人工觀測站和能見度儀觀測站分布如圖2所示，部分人工觀測站點與能見度儀觀測站點位置重合。

圖2 廣東省能見度觀測站點分布圖Fig.2 The distribution of visibility monitoring stations in Guangdong

廣東省2009—2011年平均能見度的空間分布如圖3所示。由圖3可知，廣東省年平均能見度呈帶狀分布。從西到東，能見度的空間分布是高值區(qū)-低值區(qū)-高值區(qū)-低值區(qū)相間分布的特點。其中，珠三角中部(佛崗—從化—花都—四會—開平—臺山)、粵北(樂昌、始興)能見度較差，年平均能見度在12.0 km以下，能見度最低值出現(xiàn)在佛崗站，3年平均能見度為10.4 km?；浳髂?陽春—信宜—高州)、雷州半島、粵東地區(qū)能見度較好，年平均能見度在15.0 km以上，最高值出現(xiàn)在饒平站，3年平均能見度為22.7 km。

圖3 廣東省2009—2011年平均能見度空間分布Fig.3 The spatial distribution of mean visibility from 2009 to 2011 in Guangdong

2009—2011年廣東省年平均能見度分別為15.2 km，14.9 km，15.3 km，3年的年平均能見度空間分布大致相似(圖4)，均為珠三角中部(佛崗—從化—花都—三水一帶)、粵北(樂昌)、潮汕地區(qū)較差，年平均能見度大都在12 km以下；而粵西南(陽春—信宜—高州一帶)、雷州半島、粵西北(陽山—廣寧)、粵東地區(qū)(梅縣—龍川—紫金一帶)等地能見度較好，年平均能見度大都在15 km以上。2010年與2009年相比，在河源—紫金一帶、肇慶—陽春一帶、潮汕、四會、封開等地能見度有所惡化，而珠三角部分城市能見度明顯好轉(zhuǎn)。2011年與2010年相比，始興—翁源—龍川一帶、惠陽—惠東—海豐—陸豐一帶、陽春—高州一帶、徐聞能見度有所下降，而珠三角大部分城市，能見度惡化的趨勢有所減緩，但能見度小于12 km區(qū)域范圍有所擴(kuò)大。

圖4 廣東省2009—2011年逐年平均能見度空間分布(a)2009年，(b)2010年，(c)2011年Fig.4 The spatial distribution of mean annual visibility in Guangdong (a)2009，(b)2010，(c)2011

根據(jù)廣東省能見度空間分布的逐月變化圖(圖5)可以看出，廣東省能見度季節(jié)差異較大，在冬季(12月—次年2月)能見度較差，其中2月是能見度最差的時候，除粵東地區(qū)(梅縣—龍川—紫金一帶)、仁化、陽山、粵西南(陽春—信宜—高州一帶)外，其余地區(qū)能見度均較差，特別是在珠江口以西的珠三角西部地區(qū)月平均能見度在10 km以下，月平均能見度最低值為8.0 km，出現(xiàn)在順德站點。春季(3—5月)能見度在珠三角中部(佛崗—從化—花都—四會—開平—臺山)以及潮汕地區(qū)較差，在雷州半島、粵東地區(qū)能見度較好。夏季(6—8月)廣東省整體能見度較好，廣東省能見度均在10 km以上，除清遠(yuǎn)—佛崗—英德等地外，能見度均在15 km以上。秋季(9—11月)能見度狀況一般，在珠江口西岸能見度較差。

圖5 2009—2011年逐月平均能見度空間分布Fig.5 The spatial distribution of monthly average visibility in Guangdong from 2009 to 2011

續(xù)圖5

3 廣東省能見度儀觀測網(wǎng)布局優(yōu)化方案

廣東省能見度FOM指數(shù)如圖6所示。通過多站計算得到的能見度FOM指數(shù)，可用于排名和挑選得到最可取觀測站。由圖6可知，珠三角地區(qū)、潮汕地區(qū)是能見度FOM指數(shù)的低值區(qū)，其中，珠三角中部(佛崗—從化—花都—四會—開平—臺山)是能見度FOM指數(shù)的最低值區(qū)，粵西南(陽春—信宜—高州)、雷州半島、粵東地區(qū)(梅縣—龍川—紫金—海豐)是能見度FOM指數(shù)的高值區(qū)，其中，粵西南(陽春—信宜—高州)是FOM指數(shù)最高值區(qū)。FOM指數(shù)低值代表當(dāng)?shù)啬芤姸葼顩r相對較差，高值代表當(dāng)?shù)啬芤姸葼顩r相對較好。

考慮到近年來能見度逐漸下降的趨勢，為了使能見度更具代表性，將FOM指數(shù)按從低到高排序，作為后續(xù)綜合分析的判斷依據(jù)。參考方案中的第2步，利用廣東省86個站2009—2011年日平均能見度，得到3655個SOI指數(shù)。通過設(shè)置閾值，可挑選出該站點觀測數(shù)據(jù)可代表的空間范圍，即其中SOI指數(shù)超過給定閾值的對應(yīng)站，可被該站觀測數(shù)據(jù)所代表。參考文獻(xiàn)[12]中，樣本量為86，顯著性水平為0.05，解釋方差最小值為0.5時，得到的相關(guān)系數(shù)的閾值為0.7。將SOI指數(shù)的閾值設(shè)為0.7，即兩個站的SOI指數(shù)大于0.7時，代表這兩個站數(shù)據(jù)具有顯著空間相關(guān)。根據(jù)閾值，得到86個站分別可以代表的站，結(jié)果如表1所示。

圖6 廣東省能見度FOM指數(shù)分布(單位:km)Fig.6 The spatial distribution of FOM in Guangdong(unit:km)

根據(jù)前兩步計算得到的能見度FOM指數(shù)和SOI指數(shù)對86個站數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，如果FOM指數(shù)排名低的站可代表的空間范圍超過50%的區(qū)域被FOM指數(shù)排名高的站可代表的空間范圍所覆蓋，則剔除該FOM指數(shù)排名低的站。通過這個篩選過程最后得到38個站：四會、斗門、新會、湛江、陽江、臺山、珠海、從化、佛崗、中山、樂昌、開平、汕頭、高要、廣寧、增城、順德、深圳、始興、廣州、茂名、曲江、汕尾、清遠(yuǎn)、英德、五華、大埔、潮州、連平、惠東、興寧、豐順、河源、平遠(yuǎn)、海豐、龍川、紫金、信宜。考慮到上川島和南澳是海島站，具有一定特殊性，增加兩個站。且高州、陽春、化州是FOM指數(shù)最大值點，作為背景站，保留下來，得到能見度儀觀測網(wǎng)所需要的最少的站點數(shù)為43個。

表1 廣東省86個站FOM指數(shù)及其代表站點Table 1 The FOM value of 86 stations in Guangdong and their representative stations

注：*按FOM指數(shù)從小到大排序。

續(xù)表1

挑選出43個站的能見度資料，將得到的廣東省的能見度空間分布與原始的86個站得到的廣東省能見度空間分布比較(如圖7所示)。圖7a是篩選得到的43個站組成的能見度觀測網(wǎng)得到的能見度空間分布，圖7b是原始的86個站能見度資料得到的能見度空間分布,圖7c是兩者差值。由圖7可知，篩選后的站形成的能見度觀測網(wǎng)可較好地反映廣東省能見度的分布情況，特別是粵西南部、粵東地區(qū)兩種布站方案得到的能見度分布高低值區(qū)吻合度較高。但還存在以下問題：在珠三角中部能見度較差地區(qū)的極低值不明顯，在粵西北地區(qū)能見度高值區(qū)未反映。為解決以上兩個問題，考慮在能見度低的珠三角中部地區(qū)增加站點的分布密度，增設(shè)站點，增加三水、花都、南海、番禺、東莞5個站，同時在粵西北地區(qū)增加FOM指數(shù)的高值站：陽山和仁化站。

從兩種布站方案廣東省能見度空間分布逐月變化(圖8，以1月、4月、7月、10月作為代表月)可知，由篩選出的43個站得到的能見度分布情況與86個站得到的能見度分布接近一致，在珠江口以西的珠三角西側(cè)地區(qū)(月平均能見度在10 km以下)、珠三角中部地區(qū)、粵東地區(qū)(梅縣—龍川—紫金一帶)、潮汕地區(qū)兩種布站方案下能見度分布吻合度極高。但在雷州半島地區(qū)篩選后的站不能準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)啬芤姸确植记闆r，建議加設(shè)徐聞?wù)尽?/p>

圖7 2009—2011年廣東省能見度空間分布對比(a)43個站組成的能見度觀測網(wǎng)得到的能見度空間分布，(b)86個站得到的能見度空間分布，(c)兩者差值Fig.7 The comparison diagram of visibility spatial distribution in Guangdong from 2009-2011(a)the visibility spatial distribution of the selected 43 stations，(b)the visibility spatial distribution of pristine 86 stations，(c)the difference value

圖8 廣東省逐月能見度空間分布對比Fig.8 The comparison diagram of monthly visibility spatial distribution in Guangdong

續(xù)圖8

最后得到廣東省能見度儀觀測網(wǎng)中所需的最少的站數(shù)量為51(如圖9所示)。由圖9可知，有些地區(qū)建議設(shè)站和已設(shè)站完全重合或者接近重合，但在廣州地區(qū)已設(shè)站分布密度大于建議設(shè)站分布密度，在粵北、粵東、珠三角西部、雷州半島等地區(qū)已設(shè)站過于稀疏，因此，建議廣州地區(qū)減少2～3個站，除廣州以外的地區(qū)增設(shè)能見度儀觀測站。

圖9 建議設(shè)立的能見度儀觀測站點分布Fig.9 The distribution of suggested visibility meter stations

篩選出51個站能見度資料，將得到的廣東省的能見度空間分布與原始的86個站能見度空間分布比較(如圖10所示)。由圖10可知，由51個站組成的能見度儀觀測網(wǎng)得到的能見度分布(圖10a)與原始的86個站得到的能見度分布(圖10b)，除個別區(qū)域外較為一致。因此，由51個站組成的能見度觀測網(wǎng)能具有代表性，可準(zhǔn)確地反映廣東省能見度的空間分布狀況。

圖10 2009—2011年廣東省改進(jìn)后與原始的能見度觀測網(wǎng)能見度空間分布對比(a)改進(jìn)后，(b)原始，(c)兩者差值Fig.10 The comparison of visibility spatial distribution in Guangdong from 2009 to 2011(a)the visibility spatial distribution of the improved 51 stations, (b)the visibility spatial distribution of pristine 86 stations,(c)the difference value

4 小 結(jié)

本文將空氣質(zhì)量站網(wǎng)設(shè)定方法加以改進(jìn)，提出了適用于廣東省能見度儀觀測網(wǎng)分布優(yōu)化的新方案，旨在為器測替代目測的能見度監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)提供參考，得到了以下結(jié)論：

1) 利用廣東省86個站的2009—2011年日平均能見度資料，計算得到FOM指數(shù)和SOI指數(shù)對現(xiàn)有的能見度觀測站進(jìn)行排名和分類。根據(jù)FOM指數(shù)得到廣東省各站能見度代表值及所有站的能見度代表值的排名情況。

2) 計算SOI值，得到每個站的空間覆蓋范圍，最后篩選得到所需要的最少的站點數(shù)為43個。

3) 考慮地形等因素，廣東省能見度儀觀測網(wǎng)所需要的站點數(shù)為51個。

利用FOM指數(shù)和SOI指數(shù)篩選所需的站點數(shù)和位置分布確定與取舍還受到主觀因素的影響，需要進(jìn)一步討論得到更加客觀的篩選方案。

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The Optimization of Visibility Monitoring Network in Guangdong

Zhang Zhiyan1)Deng Xuejiao1)Wang Baomin2)Li Fei1)Tan Haobo3)Deng Tao1)

1)(InstituteofTropicalandMarineMeteorologyofCMA,Guangzhou510080)2)(DepartmentofAtmosphericSciences,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275)3)(EcologicalMeteorologicalCenterofGuangdongProvince,Guangzhou510080)

Visibility is an important indicator to measure the atmospheric transparency conditions, which not only reflects the regional air quality conditions, but also closely relates to human life. Under current visibility conditions, it is crucial to implement an extensive long term stations for visibility monitoring network to track changes in visibility and determine causal mechanism for the visibility impairment in the region. The visibility observation network in Guangdong includes artificial monitoring network and the visibility sensor network. Artificial visibility observation is carried out at 86 meteorological stations every day, instrument observation is carried out at 39 stations, and the spatial distribution of stations is intensive but quite uneven. Therefore, a new method is carried out aiming at the optimization the overall arrangement of visibility monitoring network.

Based on the dataset (daily visibility and relative humidity from the 86 meteorological stations in Guangdong), the method can be applied to optimization of the overall arrangement of the establishing operational visibility sensor network in Guangdong, which will substitute the artificial monitoring network. The figure-of-merit (FOM) and the spheres of influence (SOI) are calculated, and the most desirable location is ranked and identified using the resultant FOM field. The spatial coverage for each of stations is determined by the SOI. The determination of the minimum number of stations required is carried out by deleting lower ranking stations if more than 50% of its effecting area is covered by higher ranking stations. Besides, taking the local terrain, background stations, and other factors into account, it’s suggested 51 stations are required.

Above results can be applied in establishing operational visibility sensor network in Guangdong, which will substitute the artificial monitoring network. The related methods are also applicable to the overall arrangement for monitoring network of other variables.

visibility; relative humidity; the network of visibility monitoring; the figure-of-merit(FOM); the spheres of influence(SOI)

10.11898/1001-7313.20150608

國家科技支撐計劃(2014BAC16B06)，公益性行業(yè)(氣象)科研項目(GYHY201106050，GYHY201306042),廣東省科技計劃項目(2010A030200012，2012A061400012)，廣東省氣象局科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目(201103)

張芷言,鄧雪嬌,王寶民,等. 廣東省能見度儀觀測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26(6)：714-724.

2015-03-13收到， 2015-07-23收到再改稿。

* 通信作者， email： dxj@grmc.gov.cn