大連地區(qū)能見度影響因子及個(gè)例分析

李瀟瀟，周婷婷，趙胡笳，朱軼明，劉曉初，張黎紅，桑明剛，孫虹雨

（1.大連市氣象臺，遼寧 大連 116001；2.合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥230031；

3.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽110166；4.遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧 沈陽110166；5.遼寧省氣象臺，遼寧 沈陽110166）

大氣能見度是直接影響海、陸、空交通以及軍事活動(dòng)的重要因素之一，特別是低能見度事件的出現(xiàn)，不但能夠誘發(fā)重大交通事故，也給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)帶來極大不便[1-2]。因此，大氣能見度特別是低能見度事件受到了我國學(xué)者的廣泛研究[3-5]。

能見度的分布特征、變化規(guī)律與氣象要素和大氣污染物濃度有著重要關(guān)系[6-8]。Mcmurry[9]指出相對濕度（RH）對顆粒物濃度和大氣能見度的影響較大。宋明等[10]對大氣能見度和同期觀測的相對濕度、PM10及PM2.5資料進(jìn)行分析，擬合得到具有季節(jié)變化的非線性大氣能見度擬合公式。姚青等[11]通過對秋冬季天津低能見度天氣下大氣氣溶膠污染特征的研究，指出PM10的變化與大風(fēng)揚(yáng)塵有關(guān)。胡琳等[12]研究指出相對濕度、風(fēng)速和污染物質(zhì)量濃度是影響關(guān)中城市群大氣能見度時(shí)空分布特征的主要因素。付桂琴等[13]研究結(jié)果表明小于2 km的低能見度主要出現(xiàn)在相對濕度＞80% 的天氣，5 km以上的低能見度主要出現(xiàn)在相對濕度＜60% 的天氣條件下。因此，研究低能見度的變化特征及其主要影響因子對進(jìn)一步認(rèn)識該地區(qū)大氣污染狀況具有重要意義，同時(shí)對空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)產(chǎn)品也具有一定的指導(dǎo)意義。

目前關(guān)于我國遼寧地區(qū)能見度的相關(guān)研究多集中在遼寧中部城市群地區(qū)[14-16]，而關(guān)于周邊沿海地區(qū)大氣能見度與氣象要素相關(guān)性的研究相對較少[17-18]。大連位于遼東半島南端，是東北地區(qū)最大的港口城市，具有明顯的海洋性氣候特征。與遼寧中部城市群相比，大連地區(qū)能見度變化規(guī)律具有明顯的區(qū)域性特征。宋煜等[19]、郭本軍等[20，21]研究指出沙塵對大連空氣中總懸浮顆粒物濃度具有顯著貢獻(xiàn)。萬顯烈等[22]研究結(jié)果表明大連市區(qū)氣溶膠中PM10質(zhì)量濃度約占TSP的50% ，PM2.5質(zhì)量濃度約占TSP的30% 。黃艇等[23]通過對大連一次激光雷達(dá)資料的分析指出反演激光雷達(dá)最低觀測高度處（180 m）的氣溶膠消光系數(shù)與地面的PM10濃度呈正相關(guān)，與能見度呈負(fù)相關(guān)。曹祥村等[24]分析了大連地區(qū)低能見度事件的時(shí)間分布特征及與天氣要素的關(guān)系。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，大連地區(qū)海陸空交通將更加繁忙，因此，掌握大連地區(qū)大氣能見度變化規(guī)律，討論大氣能見度與地面氣象要素和污染物質(zhì)量濃度的相關(guān)性，對做好低能見度事件的預(yù)測預(yù)報(bào)具有十分重要的科學(xué)意義。

本文通過分析大連地區(qū)大氣能見度的變化規(guī)律及其影響因子，旨在提高對大連市能見度與基本氣象要素變化狀況的基礎(chǔ)性認(rèn)識。同時(shí)根據(jù)PM10質(zhì)量濃度變化特征，重點(diǎn)揭示低能見度天氣成因，為該地區(qū)低能見度及重污染天氣事件的預(yù)測預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

1 資料來源

選取2010—2012年大連市地面氣象站的逐時(shí)觀測資料，計(jì)算得到水平能見度及相對濕度、平均風(fēng)速、地面氣壓、地面氣溫等氣象要素的日平均值。PM10日均質(zhì)量濃度由大連市氣象局可吸入顆粒物在線監(jiān)測獲得的PM10小時(shí)值進(jìn)行24 h平均后得到，與大連市地面氣象站（121.64 °E，38.91 °N，91，5 m）位于同一觀測場內(nèi)。使用Grads軟件和NCEP再分析資料（1°×1°）獲得地面和850 hPa天氣形勢圖和溫度對數(shù)壓力圖。

2 結(jié)果分析

2.1 大氣能見度的變化特征

由表1可知，2011年大連地區(qū)年均能見度（13.2 km）略低于2010年（13.5 km）和2012年（13.9 km）。表2為不同年份各級大氣能見度出現(xiàn)的天數(shù)和所占百分比。2011年能見度＜10 km出現(xiàn)的天數(shù)多于2010年和2012年，共100 d，約占總天數(shù)的27.4% ；2012年能見度＞20.0 km出現(xiàn)的天數(shù)多于2010年和2011年，共108 d，約占總天數(shù)的29.6% 。Zhao[25]指出2010—2012沈陽地區(qū)出現(xiàn)低能見度（VIS<10）事件的天數(shù)分別為132、119、121 d，由此可知，2010—2012大連地區(qū)出現(xiàn)低能見度（VIS<10）事件的天數(shù)遠(yuǎn)低于沈陽等遼寧中部城市地區(qū)，這與大連地區(qū)的地理位置有一定關(guān)系，海陸風(fēng)等局地環(huán)流使得城市與海洋可以進(jìn)行空氣交換，有利于污染物擴(kuò)散。大連地區(qū)年平均能見度約為17.0～19.0 km，高能見度多出現(xiàn)在10月—次年2月；低能見度出現(xiàn)在每年6—8月，最低能見度出現(xiàn)在2011年7月，約為5.6 km。大連地區(qū)夏季能見度明顯低于其他季節(jié)，特別是2011年夏季平均能見度約為7.7 km；春季能見度最低，秋季和冬季次之（表3）。

2.2 顆粒物質(zhì)量濃度和氣象要素的變化特征

表1結(jié)果指出，2011和2012年的PM10質(zhì)量濃度與2010年相比偏高，分別為67.4 μg·m-3和65.9 μg·m-3。從PM10質(zhì)量濃度的分布情況可以看出（表2），2010、2011、2012年P(guān)M10<50μg·m-3出現(xiàn)的天數(shù)和所占百分比分 別 為 173 d、114 d、145 d和47.4% 、31.2% 、39.7% ；PM10＞150 μg·m-3出現(xiàn)的天數(shù)和所占百分比分別為3 d、8 d、12 d和0.8% 、2.2% 、3.3% 。大連地區(qū)高PM10質(zhì)量濃度多出現(xiàn)在每年4—5月和9—12月，最高PM10質(zhì)量濃度出現(xiàn)在2011年5月，約為99.7 μg·m-3；低PM10質(zhì)量濃度多出現(xiàn)在1—2月，最低值約為50～60 μg·m-3。根據(jù)表3結(jié)果，2010—2012年大連地區(qū)高PM10質(zhì)量濃度多出現(xiàn)在春季，最大值約為76～88 μg·m-3，秋季其次（67～70 μg·m-3），而低PM10質(zhì)量濃度則多出現(xiàn)在夏季和冬季，平均值約為50～60 μg·m-3。大連地區(qū)大氣能見度在6—8月較小，而PM10質(zhì)量濃度在6—8月并沒有出現(xiàn)相應(yīng)的高值，這說明PM10并不是影響大連地區(qū)夏季能見度降低的主要因子，伴隨出現(xiàn)的較高的相對濕度與氣溫和較弱的地面氣壓場及較低的地面風(fēng)速等天氣條件，則是導(dǎo)致能見度降低的主要原因[26]。

表1 2010—2012年大連地區(qū)大氣能見度與PM10質(zhì)量濃度和氣象要素年均值

表2 2010—2012年大連地區(qū)大氣能見度變化趨勢

表3 2010—2012年大連地區(qū)大氣能見度與PM10質(zhì)量濃度和氣象要素季節(jié)平均值

2010—2012年大連地區(qū)平均風(fēng)速較為接近，約為3 m·s-1；年平均氣溫變化不大，范圍在10.3～10.6℃；2010年的相對濕度約為71.5% ，明顯高于2011年（63.1% ）和2012年（61.9% ）；年平均氣壓變化較小，范圍在1 005.6～1 006.6 Pa（表1）。2010—2012年6—8月相對濕度平均值較高，3—5月相對濕度平均值較小；每年12月—次年4月風(fēng)速平均值較大，7—8月風(fēng)速平均值較小；氣溫年平均值變化呈現(xiàn)“一峰一谷”趨勢，1—7月氣溫平均值明顯增大，8—12月平均氣溫呈減小的趨勢；年平均氣壓呈“一谷一峰”的變化趨勢，1—7月平均氣壓呈減小的趨勢，8—12月平均氣壓呈增加的趨勢。

根據(jù)不同氣象要素的季節(jié)變化來看（表3），夏季相對濕度最大（77.3% ～85.7% 左右），秋季和冬季次之（50% ～70% 左右），春季最?。?9% ～63% 左右），2010—2012年相對濕度呈逐年下降趨勢；春季和冬季平均風(fēng)速最大，可達(dá)3.3 m·s-1，秋季次之，約為2.8 m·s-1，夏季平均風(fēng)速最小約為2.5 m·s-1，2010年整體平均風(fēng)速較大；2010—2012年氣溫變化較為一致，春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫約為10.0℃、22.0℃、13.0℃和-4.0℃；夏季平均氣壓最小，約為995.0 hPa，秋季和冬季氣壓逐漸增加為1 006.0～1 009.0 hPa、1 011.0～1 015.0 hPa左右，春季平均氣壓降低，約為（1 011.8±7.2）hPa。春季風(fēng)速較大，有利于大氣中污染顆粒物的擴(kuò)散，使能見度總體較好；而夏季氣溫較高，能見度受空氣中水汽含量的影響顯著，加之地面氣壓較弱低，易導(dǎo)致低能見度事件的出現(xiàn)，此外，由于夏季光化學(xué)反應(yīng)生成的二次氣溶膠細(xì)粒子也是造成大氣能見度降低的又一個(gè)因子[27]。

2.3 大氣能見度與氣象要素的相關(guān)性

由表4可知，能見度與相對濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，春季、夏季、秋季、冬季大氣能見度與相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.55、-0.58、-0.68和-0.65，說明大氣中的水汽含量對大氣氣溶膠粒子的吸濕增長有著一定影響，使得大氣透明度減小，能見度降低。此外，我們進(jìn)一步分析了PM10質(zhì)量濃度與相對濕度的相關(guān)性。PM10質(zhì)量濃度與相對濕度在春季和夏季呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.23和-0.34；而在秋季和冬季呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.22和0.22。PM10質(zhì)量濃度與相對濕度在春季和夏季出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性可能與春季的大風(fēng)導(dǎo)致的污染物擴(kuò)散和夏季的降水導(dǎo)致的濕清除效應(yīng)有著一定的關(guān)系。

為了更好地分析不同相對濕度條件下大氣能見度和與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性，將相對濕度（Relative Humidity，RH）劃分為8個(gè)范圍（表4），分別對不同相對濕度條件下大氣能見度與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性進(jìn)行分析。由表4可知，隨著相對濕度的增加，能見度和PM10質(zhì)量濃度均呈逐漸降低趨勢，當(dāng)相對濕度超過80% 時(shí)，能見度＜10 km，PM10質(zhì)量濃度小于70 μg·m-3。大氣能見度與PM10質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且隨著相對濕度的增加，相關(guān)系數(shù)逐漸減小。當(dāng)相對濕度＜50% 時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)超過-0.50，當(dāng)相對濕度＞90% 時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)減小至-0.23。該結(jié)果表明，隨著相對濕度的增加，PM10質(zhì)量濃度并不是影響大連地區(qū)能見度降低的重要因子，大氣氣溶膠的吸濕增長導(dǎo)致大氣光散射能力增強(qiáng)，是導(dǎo)致能見度減小的重要原因之一[28]。

表4 2010—2012年大連地區(qū)不同相對濕度條件下大氣能見度與PM10平均值及相關(guān)性

2.4 大氣低能見度形成與氣象要素變化特征

圖1為大連地區(qū)2010—2012年低能見度（VIS＜10.0 km）的月分布圖。從圖1可知，大連地區(qū)低能見度事件每年7月較多，1月較少；2010—2012年7月低能見度分別出現(xiàn)22、28、25 d，2010—2012年1月低能見度分別出現(xiàn)10、2、10 d。從整體上看，2010、2011、2012年大連地區(qū)低能見度分別出現(xiàn)169、157、163 d。

表5為2010—2012年大連地區(qū)低能見與PM10質(zhì)量濃度和氣象要素的平均值。當(dāng)能見度（VIS）＜1.0 km時(shí)，PM10質(zhì)量濃度為70.2 μg·m-3、相對濕度為92.7% 、風(fēng)速約為2.4 m·s-1；當(dāng)1.0≤VIS ＜5.0 km時(shí)，PM10質(zhì)量濃度為70.2 μg·m-3、相對濕度為92.7% 、風(fēng)速約為2.4 m·s-1；當(dāng)5.0≤VIS ＜10.0 km時(shí)，PM10質(zhì)量濃度為70.2 μg·m-3、相對濕度為92.7% 、風(fēng)速2.4 m·s-1。隨著能見度的惡化，PM10質(zhì)量濃度的變化并不顯著，而相對濕度的變化則較為明顯，當(dāng)能見度＜1.0 km時(shí)相對濕度＞90% ，這與曹祥村等[24]指出的當(dāng)相對濕度＞90% ，大連出現(xiàn)低能見度概率較高的結(jié)果相一致。

圖1 2010—2012年大連地區(qū)低能見度月變化

表5 2010—2012年大連地區(qū)不同范圍能見度與PM10和氣象要素平均值

當(dāng)能見度（Visibility，VIS）＜1.0 km時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.27，而當(dāng)能見度1.0≤VIS＜5.0 km和5.0≤VIS ＜10.0 km時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性較弱，這說明能見度惡化時(shí)，大氣能見度應(yīng)該與氣溶膠細(xì)粒子的相關(guān)性更大。當(dāng)能見度在5.0≤VIS＜10.0 km變化范圍，大氣能見度與平均相對濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.14和-0.12，當(dāng)能見度在＜1.0 km變化范圍，大氣能見度與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.14；當(dāng)能見度在1.0≤VIS＜5.0 km變化范圍，大氣能見度與平均氣壓呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.21。

2.5 一次輻射平流霧和一次浮塵天氣過程中低能見度天氣成因分析

本文結(jié)合2010—2012年一次典型大霧和浮塵天氣過程，從環(huán)流形勢和地面氣象要素場及探空資料的分布特征對大連地區(qū)低能見度天氣成因進(jìn)行分析，討論導(dǎo)致大連能見度降低的主要?dú)庀蟪梢颉?/p>

2011年10月27日—11月3日大連地區(qū)出現(xiàn)輻射平流霧。由圖2可知，27日大氣能見度較高，約為12.0 km，地面平均風(fēng)速較大約為3.1 m/s，有利于污染擴(kuò)散（PM10質(zhì)量濃度較低約為58.0 μg·m-3）。29—31日，能見度從10 km迅速降低至不足1km，平均值約為0.8 km。同時(shí)，PM10質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著增加，最大值出現(xiàn)在10月31日，約為142 μg·m-3。在此次大霧過程中，平均風(fēng)速減小至1.5 m/s左右，相對濕度由63% 增加至10月31日重污染期間的90% ，而隨著污染事件的結(jié)束，相對濕度降低至約為60% 。

根據(jù)地面與850 hPa天氣形勢圖可以看出（圖3），30日20時(shí)大連地區(qū)處于中心位于50°N，130°E低渦底后部和南部中心位于36°N，120°E反氣旋環(huán)流頂部之間的西南流場中，氣壓梯度較大，低空水汽通道開始建立，近地面水汽飽和度逐漸增大。31日02時(shí)，南北兩個(gè)環(huán)流系統(tǒng)東移北上，大連地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)入南部反氣旋環(huán)流頂部，水汽條件進(jìn)一步變好，有利于大霧形成和發(fā)展。此時(shí)，近地面水汽逐漸達(dá)到飽和，并且伴隨低層弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于大霧天氣的發(fā)展和維持。

由溫度對數(shù)壓力圖（圖4）可知，30日20時(shí)，地面到1 km高度之間溫度露點(diǎn)差較小，并且有西南暖濕氣流持續(xù)輸送，近地層水汽飽和度不斷增大，2 km和3 km高度附近都存在逆溫層，并且所在高度為西到西北風(fēng)，表明高緯度的高空干暖空氣加入，給本地低層暖濕空氣“加蓋”，有利于低層空氣飽和度增加，此種上下層配置有利于大霧的形成和發(fā)展。31日08時(shí)探空曲線顯示，由于夜間長波輻射作用，近地面0.2～0.5 km和0.8～1.2 km出現(xiàn)兩層淺薄逆溫層。

圖2 大連一次輻射平流霧期間能見度（a）、平均風(fēng)速（b）、相對濕度（c）和PM10（d）變化

圖3 2011年10月30日20時(shí)地面（a）和850 hPa（b）、10月31日02時(shí)地面（c）和850 hPa（d）、10月31日08時(shí)地面（e）和850 hPa（f）天氣形勢圖

圖4 2011年10月30日20時(shí)溫度對數(shù)壓力圖

大連地區(qū)特別是在秋冬季節(jié)，由于海水熱容較大，夜間輻射降溫效應(yīng)不如陸地明顯，由海面平流到陸地的為相對暖濕空氣（以31日02時(shí)地面氣溫為例，大連本站氣溫為13.1℃，長海（海島站）氣溫為14.2℃），2～4 m/s的南風(fēng)就有可能出現(xiàn)輻射和平流兩種作用疊加在一起的大霧天氣，由于近地面比濕較小，容易同時(shí)出現(xiàn)空氣污染物濃度超標(biāo)情況。

圖5為2012年4月25日—5月2日大連一次浮塵事件中大氣能見度與平均風(fēng)速和相對濕度以及PM10質(zhì)量濃度的日變化。水平能見度在污染發(fā)生期間開始急劇降低，最低能見度出現(xiàn)在4月29—30日，平均值約為0.4 km。污染期間平均風(fēng)速分別為4.4 m/s、2.6 m/s、2.9 m/s，有利于粗粒子的垂直輸送。較大PM10質(zhì)量濃度出現(xiàn)在4月28日和29日，平均值分別約為493.0 μg·m-3和435.0 μg·m-3。此次沙塵事件中能見度的驟降可能與大風(fēng)浮塵事件有關(guān)，污染事件發(fā)生過程中，空氣較為干燥，較低相對濕度出現(xiàn)在4月28日，約為26% 。

4月28日08時(shí)大連地區(qū)高空處于中心位于50°N，120°E的東北冷渦底后部的西到西北氣流場中，處于急流區(qū)，高空風(fēng)力較大，28日20時(shí)，東北冷渦東移，大連地區(qū)處于冷渦底部的高空急流中，29日08時(shí)，大連地區(qū)處于冷渦底后部的西北急流區(qū)中，有利于內(nèi)蒙古和遼寧西北部沙源地的沙塵向東南方向輸送。28日20時(shí)探空曲線（圖6）表明，地面到1.5 km高度之間溫度露點(diǎn)差較大，干冷空氣在西北方向向東南方向自高空向近地面侵入，浮塵天氣出現(xiàn)，3 km以上由于受高空偏西氣流場控制，仍然為較為穩(wěn)定層結(jié)。

圖5 2012年4月25日—5月2日浮塵期間能見度（a）、平均風(fēng)速（b）、相對濕度（c）和PM10d變化

圖6 4月28日20時(shí)溫度對數(shù)壓力圖

圖7為2011年10月31日和2012年4月28日大連一次輻射平流霧過程與一次浮塵事件24 h氣團(tuán)后向軌跡圖。從軌跡分布可以看出，此次大霧事件中的水汽輸送來自西南風(fēng)氣流，有利于大霧天氣的發(fā)展；浮塵事件的沙塵則通過西北方向的沙源地向大連地區(qū)輸送。

3 結(jié)論與討論

（1）2010—2012年大連地區(qū)大氣能見度年均值分別約為13.5 km、13.2 km和13.9 km，能見度高值多出現(xiàn)在10月—次年2月，能見度低值多出現(xiàn)在每年的6—8月；低能見度（VIS<10.0 km）事件每年7月較多，1月份較少；從整體上看，2010、2011、2012年大連地區(qū)低能見度事件分別出現(xiàn)169、157、163 d。

（2）PM10質(zhì)量濃度年均值分別為57.8μg·m-3、67.4 μg·m-3和65.9 μg·m-3，PM10質(zhì)量濃度高值多出現(xiàn)在每年的4—5月和9—12月，PM10質(zhì)量濃度低值多出現(xiàn)在每年的1—2月。

（3）較高的相對濕度和大氣顆粒物的含水量導(dǎo)致了大氣能見度的降低。當(dāng)相對濕度小于50% 時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)超過-0.50，當(dāng)相對濕度大于90% 時(shí)，能見度與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)減小至-0.23。

圖7 大連地區(qū)24 h后向軌跡

（4）2011年10月27—1月3日大連一次輻射平流霧導(dǎo)致的低能見度過程由高空緯向暖干空氣和低層暖濕空氣共同作用造成，高層暖干空氣起到“暖蓋”作用，低層暖濕空氣提供水汽，增加空氣飽和度，大霧過程中的水汽輸送來自低層南到西南風(fēng)氣流；2012年4月25—5月2日大連一次浮塵事件導(dǎo)致的低能見度過程由東北冷渦后部的高空西北急流冷空氣造成，浮塵過程中的沙塵來自西北方向沙源地。