1957—2016年杭州市大氣能見度變化特征分析

王敏華 ，傅偉聰 ，3，朱志鵬 ，陳梓茹 ，黃淑萍 ，董建文 *

（1.福建農(nóng)林大學園林學院，福州 350002；2.國家林業(yè)局森林公園工程技術(shù)研究中心，福州 350002；3.英屬哥倫比亞大學景觀合作研究中心，加拿大溫哥華V6T 1Z4，加拿大）

1957—2016年杭州市大氣能見度變化特征分析

王敏華1，2，傅偉聰1，2，3，朱志鵬1，2，陳梓茹1，2，黃淑萍1，2，董建文1，2*

（1.福建農(nóng)林大學園林學院，福州 350002；2.國家林業(yè)局森林公園工程技術(shù)研究中心，福州 350002；3.英屬哥倫比亞大學景觀合作研究中心，加拿大溫哥華V6T 1Z4，加拿大）

【目的】探究杭州市大氣能見度變化特征。【方法】基于1957-2016年（缺失1965—1972年數(shù)據(jù)）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用均值計算、Ridit值分析、累計百分比等方法對杭州市大氣能見度變化特征進行分析。【結(jié)果】①1957—2016年平均大氣能見度為10.05 km，變化趨勢為-0.231 km/a；②大氣能見度最高值出現(xiàn)在夏季,最低值出現(xiàn)在冬季,而春、秋兩季的大氣能見度處于夏、冬季之間且監(jiān)測均值較為接近，處于夏季與冬季之間；③“好”（≥20 km）和“差”（＜4 km）的大氣能見度出現(xiàn)頻率展示出了不同的變化特征；④杭州市在1956—1987年，Ridit值均大于0.5，在1987—1995年，Ridit值接近0.5，1996—2015年Ridit值處于0.5以下，而2016年Ridit值大于0.5；⑤20%、50%和80%位數(shù)的大氣能見度在1957—2016年均處于下降趨勢?！窘Y(jié)論】整體而言杭州市大氣能見度處于下降趨勢，而2010年以后出現(xiàn)了下降放緩，在2016年呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，表明近年來杭州市對大氣污染物的治理起到一定效果。

大氣能見度；趨勢；季節(jié)變化；Ridit分析；杭州市

大氣能見度，定義為人們眼睛與可見目標之間的最大水平距離[1]，它不僅可以反映區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量[2-3]，且與居民生活滿意度息息相關(guān)。近年來，隨著霧霾天氣發(fā)生頻率的升高，大氣能見度降低已成為公眾關(guān)注的問題[4]。大氣能見度的變化時空趨勢及季節(jié)、月變化特征已經(jīng)吸引了很多研究者的目光。P.Brimblecombe在倫敦霧霾期間首次進行了大氣能見度變化規(guī)律的研究，隨后相關(guān)研究報告不斷出現(xiàn)[5]。國內(nèi)研究學者對大氣能見度的研究主要集中在大型城市、重污染地區(qū)及部分工業(yè)發(fā)達地區(qū)。Deng X.等[6]研究了珠江地區(qū)的大氣能見度變化趨勢；Chang D.等[7]對中國6個大型城市進行了研究，揭示出大氣能見度從20世紀70年代其至21世紀初呈下降趨勢。

快速的城市化進程和經(jīng)濟發(fā)展導致資源消費量的急劇增加，許多地區(qū)正面臨著大氣能見度下降的嚴重挑戰(zhàn)，這個問題在沿海城市特別突出。杭州市位于浙江省東部，是中國人口密度最大，經(jīng)濟活力最強的城市之一。在過去60年，特別是改革開放后，杭州市經(jīng)歷了經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的快速提升。目前，對這一地區(qū)大氣能見度影響的變化規(guī)律研究鮮少報道。杭州市作為閩浙的典型城市，研究結(jié)果不僅能為該地區(qū)大氣能見度提升及大氣污染治理提供數(shù)據(jù)支持，并能為南方其他地區(qū)提供借鑒。

課題組基于1956—2016年（缺1965—1972年）的數(shù)據(jù)，針對杭州市大氣能見度進行的數(shù)據(jù)整理分析，主要討論以下幾個問題：①計算分析1957—2016年（缺1965—1972年），杭州市大氣能見度的變化規(guī)律，分析其變化趨勢；②分析杭州市大氣能見度的季節(jié)、月變化特征；③利用不同級別能見度、Ridit值分析及累計百分比等方法計算杭州市大氣能見度的整體變化特征。為杭州市城市建設(shè)及游客、居民出行等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

大氣能見度數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）及美國國家海洋和大氣管理局（https://www.climate.gov/）提供，監(jiān)測數(shù)據(jù)為1957年1月1日至2016年12月31日（對于1965—1972這8年間丟失的數(shù)據(jù)，因為丟失的數(shù)據(jù)過多，沒有合適的方法來補全，為了更科學合理的了解大氣能見度變化趨勢，故剔除1965—1972年監(jiān)測數(shù)據(jù)），其中1957年1月1日—1980年9月27日（缺1965—1972年）數(shù)據(jù)監(jiān)測每3 h/次，1980年9月27日后數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔為1 h/次。

1.2 分析方法

研究采用了5種統(tǒng)計、分析方法：

①統(tǒng)計分析1957—2016年（缺1965—1972年）大氣能見度的年變化特征及變化趨勢。

②分析了1957—2016年（缺1965—1972年）月均值、季度均值的變化特征。

③參照D.O.Lee[8]的分類依據(jù)，分析了1957—2016年（缺1965—1972年）每月出現(xiàn)不同級別大氣能見度占比。由于監(jiān)測精度不同，為了使研究結(jié)果更具科學性，將兩個級別能見度（V）進行調(diào)整，將V≥20 km為定義“好”，將V＜4 km定義為“差”。

④Ridit被定義為在給定時間段內(nèi)的能見度分布隨時間推移的概率分布，可以用來描述觀察期的變化趨勢。依據(jù)M.Doyle和S.Dorling[3]選擇5個類別能見度為進行Ridit計算依據(jù)，由于監(jiān)測精度不同，為了使研究結(jié)果更具科學性，將5個分類依據(jù)進行調(diào)整，調(diào)整后為：V＜2 km，2≤V＜10 km，10≤V＜20 km，20≤V＜40 km以及V＞40 km（原文分類依據(jù)為0～1.9 km，2.0～9.9 km，10.0～19.9 km，20～39.9 km 以及＞40 km）。

⑤計算大氣能見度累計百分比率：累積百分比也用于分析大氣能見度的變化趨勢。第n個累積百分位數(shù)是等于或超過這個百分位數(shù)的觀測頻數(shù)[7]。本研究中第50%位數(shù)（中位數(shù)），最差第20%位數(shù)（80%位數(shù)）和最佳20%位數(shù)（20%位數(shù)）進行累計百分比率計算，并計算回歸方程。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用軟件SPSS 19.00及EXCEL 2010進行數(shù)據(jù)處理分析和圖像分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年變化趨勢

由表1可知，1957—2016年（缺1965—1972年）平均大氣能見度為10.05 km，變化趨勢為-0.231 km/a（年）。表明隨著時間發(fā)展，大氣能見度正逐漸降低。進一步分析，20世紀50年代末60年代初為杭州市大氣能見度的最好時期，且60年代初大氣能見度有一個上升趨勢，70年代初杭州市已一定程度受到大氣污染影響，能見度下降趨勢已經(jīng)開始形成。由表1及圖1可見，杭州市能見度均值由1956—1964的17.59 km降至1973—1976年期間14.97 km，霧霾日開始出現(xiàn)。1997—2016年，大氣能見度基本保持在6.5 km左右；而在2012年后，大氣能見度下降趨勢得到遏制，甚至出現(xiàn)緩慢回升態(tài)勢，如圖1所示。

表1 1957—2016年(缺1965—1972年)杭州市大氣能見度10年均值及變化趨勢Table 1 Summary statistics of yearly visibility in Hangzhou during 1957—2016（without 1965—1972）

圖1 1957—2016年（缺1965—1972年）杭州市大氣能見度年變化趨勢圖Figure 1 Variations of yearly value of visibility during 1957—2016（without 1965—1972）in Hangzhou city

2.2 季節(jié)及月變化特征

基于1957—2016年（缺1965—1972年）數(shù)據(jù)分析，大氣能見度最高值出現(xiàn)在夏季（6—8月），隨后是春季（3—5月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），如圖2（a）所示。進一步觀察可知，大氣能見度在7月份呈現(xiàn)最大值，而在1月份出現(xiàn)最低值，從1月至6月整體呈緩慢上升趨勢，6—7月有個急促的上升，隨后7—9月大幅下降，9—12月下降得較為平緩，整體呈“倒 V”字型，如圖2（b）所示。

2.3 不同級別大氣能見度的每月占比

出現(xiàn)“好”（≥20 km）和“差”（＜4 km）大氣能見度的比率對于游客游覽、居民的生活乃至心理感受具有較大的影響。圖3展示了1957年至2016年（缺1965—1972年），每年出現(xiàn)“好”和“差”能見度的比例。由圖3可見，“差”級別的大氣能見度在1957—2006年間呈平緩的上升趨勢，而在2006—2016年變化較為平穩(wěn)維持在75%左右?！昂谩奔墑e的大氣能見度在1957—1964年呈上升趨勢，隨后1973—1990下降趨勢明顯，1990—2010表現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢，維持在5%上下，并在2010—2016呈較為明顯的上升趨勢，表明近期環(huán)境治理對重污染天氣的作用較為明顯。

圖2 1957—2016年（缺1965—1972年）杭州市大氣能見度季節(jié)變化及月變化特征Figure 2 Variations of the monthly and seasonal visibility in Hangzhou city during 1957—2016（without 1965—1972）

2.4 Ridit分析

Ridit值變化曲線反映的是大氣能見度的變化趨勢，當Ridit值大于0.5時表明此年份的大氣能見度高處于平均水平以上，而當Ridit值小于0.5時則表明大氣能見度小于平均水平且有一定下降趨勢。杭州市在 1957—1987（缺 1965—1972年）年，Ridit值均大于0.5，最高值為0.77，在波動中處于上升趨勢，在1987—1995年，Ridit值接近0.5，表明此期間大氣能見度處于整體均值，處于平穩(wěn)時期變化趨勢不明顯，也表明此階段為大氣能見度從高于均值向低于均值轉(zhuǎn)換；1996—2015年Ridit值處于0.5以下，表明在此期間大氣能見度為降低的變化趨勢；而2016年Ridit值大于0.5，表明2016年大氣能見度處于上升趨勢。

圖3 1957—2016年（缺 1965—1972年）“好”與“差”級別大氣能見度占比的變化趨勢Figure 3 The variation of the rates of“good”and“bad”visibility during 1957—2016（without 1965—1972）

圖4 1956—2016年（缺1965—1972年）杭州市Ridit值變化規(guī)律Figure 4 TheRidit value of Fuzhou city during 1956—2016（without 1965—1972）

2.5 累計百分比分析

由圖5可知，20%、50%和80%位數(shù)的大氣能見度均處于下降趨勢。從下降的幅度來看20%最高，接下來是50%和80%，分別為-0.39、-0.36和-0.25 km/a。進一步分析20%在1987—2006有一個平緩的上升趨勢，而在這一時期，50%與80%處于波動期，變化也較為平緩。而在1956—1986年（缺1965—1972年）與2006—2016年，20%、50%和80%大氣能見度均處于急劇下降趨勢，表明該時期，污染控制還需要提升。從消光系數(shù)上看，大氣懸浮顆粒物濃度正不斷提升，80%上升幅度最大為0.03大于中位數(shù)50%和20%的0.004和0.003 km/a。表明極端污染天氣出現(xiàn)的頻率正在增高，而較好大氣能見度出現(xiàn)頻率降低的幅度較為緩慢，這可能與溫度、濕度、風速等的變化有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)杭州市大氣能見度由20世紀50年代末至60年代初大氣能見度呈上升，隨后呈下降趨勢至2012年，2012—2016緩慢上升，此結(jié)果與其他地區(qū)研究結(jié)果類似[9-12]。對這一現(xiàn)象的一般解釋是20世紀50年代全民大煉鋼鐵運動，大量使用土鍋爐造成的污染排放量增多，而20世紀60年代的工業(yè)規(guī)模很小，經(jīng)濟發(fā)展緩慢，一般很少受到大氣污染的影響，能見度與當時的經(jīng)濟發(fā)展水平相符，由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失此部分內(nèi)容還需進一步研究。20世紀80年代初期至20世紀90年代中期，隨著改革開放政策實施，杭州經(jīng)濟開始高速發(fā)展，也是能見度下降的主要階段。1997—2016年，隨著環(huán)保法規(guī)的相繼出臺及市民環(huán)保意識增強，下降趨勢減緩；而在2012年后，大氣能見度下降趨勢得到遏制，甚至出現(xiàn)緩慢回升態(tài)勢，與政府對環(huán)境保護的進一步落實密切相關(guān)[9-12]。

前人研究結(jié)果表明“好”大氣能見度的出現(xiàn)，有利于提高游覽者對景觀的喜好程度[9]。作為著名的旅游城市，提升大氣能見度特別是“好”級別的大氣能見度出現(xiàn)比率，是城市建設(shè)、管理的重要任務。本研究發(fā)現(xiàn)“差”級別的大氣能見度均在春、冬季出現(xiàn)的頻率較高，而“好”級別的大氣能見度出現(xiàn)在冬季的頻率相對較低。夏季至初秋（6—10月）大氣能見度處于較高水平，表明在這個季節(jié)內(nèi)在杭州市出行能得到較好的感受。對于不同級別的大氣能見度比例的分析研究，多數(shù)研究者只將能見度的年均值及其變化規(guī)律進行分析[7，13-15]。本研究清晰地展示了各個季節(jié)內(nèi)在杭州市大氣能見度的平均值，能為居民出行提供指導。大氣能見度在夏季出現(xiàn)最大值與其溫度高、濕度低等有關(guān)，且夏季大氣污染物濃度相對較低，是導致大氣能見度較高的主要因素。由于中國東南沿海夏季為主要的降雨季節(jié)，夏季常伴有較大強度的降雨，對空氣有一定清潔作用，所以夏季為大氣能見度最高的季節(jié)。冬季大氣能見度低與污染物濃度較大直接相關(guān)。春、秋季節(jié)大氣能見度相近，與污染物濃度、濕度等相似有關(guān)。Chang D.等的研究結(jié)果表明，大氣顆粒物濃度在冬季處于最大值，霧霾天發(fā)生頻率較大，導致大氣能見度在冬季最低[7]。對照本文與前人研究結(jié)果，大氣能見度的季節(jié)變化規(guī)律與大氣顆粒物濃度季節(jié)變化規(guī)律呈相反的變化趨勢[8，16-18]，進一步驗證了大氣能見度與大氣顆粒物的相關(guān)性。

圖5 1956—2016年（缺1965—1972年）杭州市20%位數(shù)、中位數(shù)、80%位數(shù)的大氣能見度及相應消光系數(shù)的變化特征Figure 5 The variation of the 20%,50%and 80%visibility and extinction in Hangzhou city during 1956—2016（without 1965—1972）

基于中位數(shù)、20%位數(shù)及80%位數(shù)大氣能見度及消光系數(shù)（βext）分析可得，1957—2016年間（缺1965—1972年），導致光線散射的空氣懸浮物正不斷增加，在整體氣候條件沒有明顯變化的條件下，表明大氣污染物濃度正不斷提高。一些學者發(fā)現(xiàn)大氣能見度與大氣顆粒物濃度密切相關(guān)，并做了相關(guān)研究，結(jié)果顯示剔除氣象因素影響后，大氣能見度能很好地反映空氣質(zhì)量的變化趨勢[19-20]。大氣能見度的數(shù)值模擬研究普遍采用計算消光系數(shù)求得大氣能見度的方法[21]。但由于缺乏觀測時間長、密度高的綜合觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行驗證和修正，此方面的研究較少。前人研究結(jié)果表明，隨著大氣顆粒物光散射效應增強，大氣能見度隨之減低。指出大氣污染物濃度同大氣能見度具有一定相關(guān)性[10]。Huang W.等[22]分析了上海市大氣能見度、大氣污染物與死亡率的關(guān)系。其中，也對大氣能見度與大氣污染物濃度進行了相關(guān)性分析。本研究更加具體、深入地分析了不同大氣能見度3個累計百分比的變化趨勢，為相關(guān)污染物調(diào)控提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

然而，由于數(shù)據(jù)獲取條件有限，無法進行多年變化趨勢分析，且研究僅有1個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，沒有對杭州市市不同立地條件（如：市中心、近郊、遠郊等）監(jiān)測點設(shè)置并分析，相關(guān)研究有待進一步進行。

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Temporal Dynamic of Visibility Characteristics of Hangzhou during 1957—2016

WANG Min-hua1，2，F(xiàn)U Wei-cong1，2，ZHU Zhi-peng1，2，CHEN Zi-ru1，2，HUANG Shu-ping1，2，DONG Jian-wen1，2*
（1.College of Landscape and Architecture，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，350002，China；2.State Forestry Administration National Forest Park Engineering Research Center，F(xiàn)uzhou，350002，China；3.Collaborative for Advanced Landscape Planning，University of British Columbia，Vancouver V6T 1Z4，Canada）

【Objective】The objective of the study was to explore the temporal dynamic of atmospheric visibility in Hangzhou.【Methods】Based on the monitoring data from 1957 to 2016（except 1965—1972），the characteristics of atmospheric visibility were analyzed.【Results】①The average atmospheric visibility in 1957—2016 was 10.05 km and the trend was-0.231 km/year;②The highest atmospheric visibility appeared in the summer but the lowest value appeared in the winter.Additionally，while the mean values of atmospheric visibility were similar between spring and autumn；③The rate of atmospheric visibility of"good"（≥20 km）and"bad"（＜4 km）showed different variations；④The Ridit value of Hangzhou was higher than 0.5 in 1957—1987，was close to 0.5 in 1987—1995，was below 0.5 in 1996—2015，and was higher than 0.5 in 2016；⑤the atmospheric visibility of 20%，50%and 80%exhibited a downward trend over 1957—2016.【Conclusion】In general，the visibility of Hangzhou declined.The downward trend was slow after 2010.In 2016，the variation of visibility showed a certain upward trend.The results suggested that recent measures have been playing a significant role in controlling air pollutants in Hangzhou.

atmosphere visibility；trend；seasonal variation；Ridit analysis；Hangzhou city

xxx

A

1000-2650（2017）03-0396-05

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.017

2017-04-13

福建省林業(yè)科學研究項目：森林公園風景游憩林生態(tài)功能評價指標體系；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項：美麗城鎮(zhèn)森林景觀的構(gòu)建技術(shù)研究與示范（201404301）。

王敏華，講師，碩士。*責任作者：董建文，博士，博導，教授，研究方向風景園林學，E-mail：fjdjw@126.com。

（本文審稿：楊占彪；責任編輯：鞏艷紅；英文編輯：徐振鋒）