浙江省大氣水平能見度氣候特征分析

胡云麗　陳　斌

(1.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051；2.蕭山區(qū)氣象局,浙江 蕭山 311201)

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浙江省大氣水平能見度氣候特征分析

胡云麗1陳斌2

(1.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051；2.蕭山區(qū)氣象局,浙江 蕭山 311201)

摘要：利用1955—2011年浙江全省人工氣象觀測站能見度歷史觀測資料,分析浙江省大氣水平能見度時空分布規(guī)律,初步探討浙江大氣環(huán)境的變化特征。結果表明,20世紀70年代末之前,浙江能見度普遍較高,80年代后明顯降低；浙江省能見度具有顯著的月變化特征,全年中7月最高,1月最低；一天中能見度呈現(xiàn)單峰單谷的波動變化,早晨7時最低,下午15時最高；能見度在全省范圍內(nèi)的空間分布特征也十分明顯,東部沿海及西南山區(qū)為能見度的高值區(qū),低值帶主要位于北部和金華、衢州一帶。能見度是空氣質(zhì)量的重要指標,因而它反映出不同時期、不同地區(qū)大氣環(huán)境的好差,同時也折射出浙江經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境保護意識的變化。

關鍵詞：大氣能見度；氣候規(guī)律；山本方法；經(jīng)驗正交分解

0引言

2013年初,一場持續(xù)的霧霾天氣籠罩了我國中東部及西南地區(qū),天空呈現(xiàn)出黃紅色,空氣中充斥著煙塵味,能見度只有數(shù)百米,呼吸道感染病人驟然增多。此后的秋冬季節(jié),霧霾頻繁出現(xiàn)。這再度引起人們對于大氣環(huán)境問題的關切。低能見度現(xiàn)象是早已有之,還是現(xiàn)代工業(yè)社會的產(chǎn)物？在我國,張利[1]等人曾對1955—2000年中國能見度變化趨勢進行分析；羅云峰[2]、趙秀娟[3]等人也分別對我國華南沿海地區(qū)和蘭州的能見度變化情況展開類似研究；在浙江鄰近地區(qū),文獻[4—5]分別對上海和福州的能見度特征做出闡述。但針對浙江全省范圍內(nèi)具體能見度時空分布規(guī)律的分析,還從未有過。在我國,由于地域?qū)拸V而且地形復雜,通過現(xiàn)有研究成果還無法全面、細致了解浙江能見度的分布特征和趨勢。

本文利用浙江1955—2011年這57 a全省人工氣象觀測站水平能見度(以下簡稱能見度)觀測資料,對全省能見度時空分布規(guī)律進行分析,從而揭示其時、空分布特征。

1使用資料及處理方法

1.1資料說明

浙江自1951年開展能見度觀測,但直至1955年中國氣象局執(zhí)行《氣象觀測暫行規(guī)范(地面部分)》[6]以來臺站分布才較為合理,因而選用1955年后的資料用做分析。經(jīng)人工篩選,得到觀測連續(xù)性較好、數(shù)據(jù)準確率高的67站資料,并剔除缺測資料。而在這67站中,約1/4測站在1972年始有連續(xù)觀測。在以下分析中,為最大限度保留更多資料,凡是以時間為主軸的分析,資料選用從1955年開始,而以空間為主軸的分析,則從1972年開始。

在能見度日變化分析中,若僅用常規(guī)6 h間隔資料必然難以反映出能見度在一天內(nèi)的詳細變化特征,因而需要采用逐時觀測資料。浙江省內(nèi)僅有杭州、臺州洪家、舟山定海3個國家基準氣候站具備能見度逐時觀測資料,且起始年份不同。其中杭州站資料始于1993年1月1日,臺州洪家始于1987年1月1日,舟山定海始于2004年1月1日。2012年由于觀測業(yè)務調(diào)整國家基準氣候站能見度人工觀測又改為3 h一次,因此所有測站資料的截止時間統(tǒng)一為2011年12月31日。

在1955—2011年,浙江省內(nèi)各地面觀測站通常每逢02、08、14、20時對能見度進行觀測,其中部分縣級臺站夜間無人值守,02時資料缺測。為提高分析方法的適用性,在計算平均能見度時所有臺站均使用08、14、20時3次觀測資料。但由本文2.3節(jié)分析可見,02時屬能見度在一天中較差時刻,因而只用3次平均得出的結果比常規(guī)的4次平均值偏高,具體偏高幅度在1.3節(jié)里加以說明。

1.2資料處理方法

中國氣象局在1955—1979年執(zhí)行《氣象觀測暫行規(guī)范(地面部分)》的觀測方法,這期間能見度以等級的方式記錄(詳見表1)。自1980年起執(zhí)行《地面氣象觀測規(guī)范》,能見度以千米為單位記錄。由于能見度資料在1980 年前后記錄方式不一致,需要進行一致性處理,為1980年前的能見度級別賦予合理的具體距離。理論上,各能見度等級可以取為在等級對應距離區(qū)間內(nèi)的任意值,例如區(qū)間中值,但由表1可見,各能見度等級所對應能見度距離的區(qū)間并非等間隔劃分,任意使用其中一個值代替能見度等級會為估計1980年之前的能見度距離帶來較大誤差,從而造成能見度資料在1980年前后的不連續(xù)。因此,本文先將所有站點1980—2011年間每一時次的能見度觀測資料按表1的方法轉(zhuǎn)換為能見度等級,在各能見度等級限制下對能見度距離進行平均,從而得到適合10 個能見度等級所對應的能見度距離的替代值(簡稱估算值)[7],進而用該估算值取代1980 年前能見度等級資料。

表1給出各能見度等級對應能見度距離區(qū)間范圍以及用上述方法得到的估算值,其中能見度為0 級時,其估算值定為能見度距離區(qū)間范圍的中值,即0.025 km。

表1　各能見度級別對應能見度距離范圍及能見度距離估算值

從表1可見,各能見度等級對應能見度距離值要小于該能見度等級對應距離區(qū)間的中值,特別是能見度等級值較大時更為顯著,這就證實如果簡單使用區(qū)間中值會造成能見度資料在1980 年前后的不連續(xù)。利用上面得到的能見度距離估算值替代1980年前能見度等級資料,進而對站點能見度距離資料進行平均,可以得到1955—1979年各站點日(月、年)平均能見度距離,并進一步得到浙江全省能見度逐日(月、年)平均。圖1為浙江1955—2011年歷年平均能見度距離變化,其中1980 年前的能見度值為利用上述方法估算得到,而1980 年后分別給出兩種結果：實際值即直接利用臺站實際觀測的能見度通過平均獲得,而估算值是指先將臺站能見度距離按照1955—1979年的規(guī)范轉(zhuǎn)換為等級,然后用相對應的距離估算值代替后通過平均獲得。這樣做的目的是將1980 年前后資料處理的方法統(tǒng)一起來,從而消除處理方法不同可能引起的資料不連續(xù)。

圖1　1955—2011年浙江省年平均能見度變化

為分析估算值的有效性,將1980年后的估算值和實際值進行相關性分析,得到兩個序列的相關系數(shù)為0.9975,可見估算值和實際值之間具有很好的相關擬合性。

然而采用該方法得到的能見度估算值與實際值之間還存在一定的誤差。就全省平均而言,1980—1995 年估算值略小于觀測的實際值,而1996—2011年估算值略大于觀測實際值。能見度距離年平均值估算的絕對誤差約為1.27%。這種誤差對能見度長期變化趨勢分析的影響很小,因此,為了保證資料的連續(xù)性,本文在接下來的分析中,除日變化規(guī)律使用的是1987年以后的資料不牽涉到1980年前后變化而采用的是實際觀測值以外,其它全部使用估算值來計算。

1.3能見度3次平均的偏高幅度說明

為研究能見度3時次平均與4時次平均的偏差,在估算值處理完成后篩選所有具有4次觀測資料的記錄,計算這些記錄的3時次(08、14、20時)平均為16.39 km,4時次平均為15.97 km,4時次平均比3時次平均偏低約2.56%。因而下文中用3時次得出的平均值在日后運用時可以減小2.56%,但對趨勢研究無影響。

2浙江省能見度時間變化特征

2.1年際變化特征

為揭示浙江能見度的歷史變化,本文采用山本(Ya ma moto)方法[8]研究1955—2011年浙江能見度序列的突變情況。

2.1.1山本(Ya ma moto)方法概述

山本方法從氣候信息與氣候噪聲兩部分來討論突變問題。對于時間序列x,人為設置某一時刻為基準點,基準點前后樣本量分別為n1和n2的兩段子序列均值之差的絕對值視為氣候變化的信號,而它們的變率則視為噪聲,定義信噪比為兩段子序列均值之差的絕對值與方差之和的比值。

此方法中,由于人為設置基準點,子序列長度不同可能引起突變點漂移,應通過反復變動子序列長度進行實驗比較,以便得到可靠判別。考慮到本文所使用的能見度序列的長度和計算方便,分別采用n1=n2=5、10、15、20來進行實驗分析。

2.1.2年平均能見度實驗結果分析

對應浙江全省年平均能見度不同子序列長度得到的滑動信噪比曲線見圖2。由圖看出,雖然所取子序列不同,但信噪比變化趨勢基本接近。其中,當n1和n2取10和20時,最大信噪比出現(xiàn)在1978—1979年間,當n1和n2取5和15時則是出現(xiàn)在1979—1980年間,且全部超過了0.01顯著性水平,因而可以確定,上世紀70年代末,浙江年平均能見度序列經(jīng)歷了最強突變,70年代到80年代明顯由高轉(zhuǎn)低,這種降低是1955年以來最為顯著的一次突變。此外,在80、90年代之交,以及90年代后期,也分別經(jīng)歷過兩次較強突變。

圖2　山本方法信噪比曲線

2.1.3高、低能見度實驗結果分析

為進一步揭示浙江能見度變化的細部特征,本文分別研究了高能見度(20 km以上,相當于1955—1979年規(guī)范的8～9級)和低能見度(10 km以下,相當于1955—1979年規(guī)范的0～6級；4 km以下,相當于1955—1979年規(guī)范的0～5級)歷年變化趨勢。先計算每年出現(xiàn)高(低)能見度的總次數(shù)(每站每天仍取08、14、20時3個時次),再除以當年的總記錄數(shù),得到當年每天每站的平均出現(xiàn)頻率。此舉是為消除部分測站資料不連續(xù),有的年份總記錄數(shù)多而有的年份少帶來的人為影響。在此基礎上,利用山本方法進行歷年序列的突變分析。

結果顯示,由高、低能見度頻率序列得到的信噪比曲線變化趨勢同年平均能見度基本吻合。最強突變均出現(xiàn)在上世紀70年代末,另外在80年代末和90年代初,以及1995—1997年間也都出現(xiàn)過一次較強突變。

2.2月際變化特征

浙江省月平均能見度變化呈單峰型(圖略)。全年中1月份能見度最低,為12.7 km,2—6月逐漸升高,7月升高最快,并達到全年最高值19.7 km,8月以后逐漸下降。

王鎮(zhèn)銘[9]指出,夏季,隨著夏季風環(huán)流系統(tǒng)建立,浙江境內(nèi)盛行東南風,初夏逐步進入汛期,暴雨、大暴雨出現(xiàn)概率增加,盛夏受副熱帶高壓影響,晴熱干燥,同時夏季又是熱帶氣旋影響浙江概率最大的時期,因而這時節(jié)降水量為一年中最大；秋季,夏季風逐步減弱并向冬季風過渡,降水量迅速減少；冬季,浙江受制于北方冷氣團,即冬季風,天氣晴冷少雨、空氣干燥,降水量降到一年中最?。欢杭臼菛|亞季風由冬季風向夏季風轉(zhuǎn)換的交替季節(jié),南北氣流交匯頻繁,低氣壓和鋒面活動加劇,全省雨水增多。

結合上述氣候特點分析：夏季,浙江全省氣溫最高、對流活動旺盛、臺風影響頻繁、降水多、大氣擴散能力強,大氣污染物可以得到及時清除和擴散,因而大氣能見度最好。進入秋季后,氣溫降低、對流活動減弱、降水減少,大氣擴散能力削弱,加上逆溫層存在等因素使污染物不斷累積,大氣能見度呈轉(zhuǎn)差趨勢,并于冬天跌入最低谷。次年春季后隨北方冷空氣減弱、南方暖濕氣流增強,氣溫開始升高、降水增多,大氣擴散能力加強,能見度趨于好轉(zhuǎn)。

2.3日變化特征

圖3給出杭州、臺州洪家及舟山定海逐時平均能見度變化。

3站能見度一天內(nèi)的變化無一例外呈現(xiàn)出單峰單谷型。早晨7時最低,下午15時最高。

能見度日變化趨勢同氣溫和濕度高低息息相關。7時開始,由于太陽輻射增加,地表吸收熱量,近地層空氣受熱后膨脹上升,加速垂直運動,將近地面的大氣污染物帶到高空后擴散；同時,經(jīng)陽光照射,空氣濕度下降,能見度逐漸上升。15時前后往往是氣溫最高、濕度最低時刻,能見度也在這時達到最大。之后隨氣溫下降,垂直運動減弱,甚至出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,近地面污染物堆積,同時濕度逐漸增大,能見度逐步降低,并在次日早晨7時前后氣溫最低、濕度最大時達到最低點。

圖3　杭州、洪家和定海逐時能見度變化

3浙江省能見度空間分布特征

為研究全省能見度空間分布特征,將1972年后的歷史資料剔除缺測后得到62站40 a的完整能見度年平均資料,并進行主分量分析,以最大程度提取空間變化特征。本文采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)方法[8]。因年平均資料不存在季節(jié)變化,因而直接對原始變量場分析。

分離得到的第一模態(tài)空間向量見圖4,其方差貢獻達98.8%,而時間系數(shù)均為相差不大的正值(圖5)。

圖4　浙江年平均能見度第一模態(tài)特征向量

圖5　浙江年平均能見度第一模態(tài)時間系數(shù)

由圖4可見,東部沿海的舟山、寧波南部、臺州、地處西南部山區(qū)的麗水地區(qū)和溫州西南部為省內(nèi)能見度的高值區(qū)。次高值區(qū)位于西北部山區(qū),即杭州的臨安和淳安等地。而低值帶覆蓋了北部的湖州、杭州東北部、紹興北部和西部、金華和衢州等地,另一低值區(qū)位于溫州東南部。

鄭景春[10]認為,風速是影響能見度的主要氣象因子之一。統(tǒng)計表明,風速較小時,出現(xiàn)能見度低值的頻數(shù)較多；隨風速增大,能見度轉(zhuǎn)好；但當風速繼續(xù)增大而超過某一臨界風速后, 能見度反而惡化。由回歸方程求得臨界風速為7.7 m/s。

據(jù)王鎮(zhèn)銘[9]統(tǒng)計,浙江省各地多年平均風速呈近?！I—內(nèi)陸遞減的規(guī)律。近海地區(qū)、內(nèi)陸高山的山頂以及一些特殊地形條件的地方年平均風速一般在5 m/s以上,離大陸較遠的海島平均風速可達7 m/s左右；沿海及靠近大陸的島嶼中央年平均風速在3～5 m/s之間；內(nèi)陸地區(qū)除高山站外觀測到的平均風速一般都在3 m/s以下,其中浙西地區(qū)多在1 m/s左右。

能見度分布規(guī)律基本與風力相吻合。舟山地處海島,常年風力較大,平均能見度為各地最高；麗水位于浙江西南,山勢連綿、群峰聳峙,海拔多在千米以上,能見度也較高；臺州、寧波屬沿海地區(qū),能見度也不差；而風速最小的內(nèi)陸平均能見度則最低。

4能見度與空氣質(zhì)量

為揭示能見度與空氣質(zhì)量之間的關系,本文將浙江省環(huán)境保護廳于2012年6月發(fā)布的《2011年浙江省環(huán)境狀況公報》中的浙江省可吸入顆粒物濃度區(qū)域分布圖與浙江全省2011年平均能見度分布圖進行對比(圖略),發(fā)現(xiàn)省內(nèi)高污染濃度區(qū)域和低污染區(qū)域分別與能見度的低值區(qū)和高值區(qū)基本對應吻合。

在2011年浙江省可吸入顆粒物濃度區(qū)域分布圖中,高污染區(qū)包括了湖州、杭州東北部、紹興、金華、衢州東部、麗水東北部,而這些地方均屬于2011年全省低能見度落區(qū)；2011年浙江省低污染區(qū)主要集中在浙江的東部島嶼、東南沿海、西南部,以及南部的溫州、杭州西部和衢州西部一帶。其中,除了溫州東部以外,其它也恰恰為2011年全省的高能見度落區(qū)。

由此也可以發(fā)現(xiàn),能見度是反映大氣環(huán)境的重要指標,能見度的變化趨勢一定程度上也代表了大氣環(huán)境的變化趨勢。由此可以推測,80年代以來浙江能見度下降的原因,很可能與大氣污染有關。而在90年代后期能見度變化趨于平緩,則折射出了政府及公眾環(huán)境保護意識的提高。

5結語

1)浙江省能見度在20世紀70年代末之前較好,80年代后迅速下降；高能見度出現(xiàn)頻率亦存在類似特征。

2)浙江省月平均能見度變化曲線呈單峰型,1月份為全年最低,7月最高。

3)浙江能見度呈典型的日變化特征,早晨7時最低,下午15時最高。

4)浙江省能見度具有明顯的空間分布特征,高值區(qū)位于舟山—寧波南部、臺州—溫州北部—溫州西南部和麗水一帶,其中心分別為舟山和麗水西南部；另一高值區(qū)位于位于杭州西部和西南部。低值區(qū)則位于湖州—杭州東北部—紹興、金華—衢州中、南部,中心在湖州北部。

5)2011年,浙江省內(nèi)能見度高值區(qū)與當年低污染區(qū)、低值區(qū)與高污染區(qū)基本對應吻合,可見,能見度是反映大氣環(huán)境的重要指標。

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收稿日期：2015-03-23