2012～2020年成都市不同等級能見度的時空分布特征

韋 榮 , 張小玲,2 , 華 明 , 黨 瑩 , 姜雨彤 , 趙 晨

（1. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610225；2. 成都平原城市氣象與環(huán)境四川省野外科學(xué)觀測研究站, 成都 610225；3. 四川省成都市氣象局, 成都 610072）

引 言

在過去幾十年里，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和人為排放的增加，空氣質(zhì)量不斷惡化，能見度嚴(yán)重下降，尤其是我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)[1-2]。能見度是反映環(huán)境空氣質(zhì)量的一個直觀指標(biāo)。能見度的下降已經(jīng)成為中國許多大城市的主要空氣污染問題。能見度低會造成道路交通擁堵、航班延誤，損害交通安全，嚴(yán)重影響公眾的出行和生活安全。以高濃度顆粒物和低能見度為特征的嚴(yán)重空氣污染已經(jīng)引起了公眾的廣泛關(guān)注[3]。

近年來，關(guān)于能見度的研究日益豐富，主要成果集中在其時空分布特征、預(yù)測預(yù)報(bào)和訂正方法等方面。不同地區(qū)能見度的變化特征、影響因子存在較大差異。比如，北京的高能見度主要分布在西北部，江蘇的能見度空間變化呈東部高西部低的特征[4-5]。白愛娟等[6]和周書華等[7]先后分析了成都市近年來能見度變化特征，但未在精細(xì)化等級分析方面做深入探討。能見度受氣象因子和污染物的直接影響，影響因素可分為自然因素（霧、沙塵、相對濕度等）和人為因素（汽車尾氣、工業(yè)灰塵、化石燃料燃燒等）[8-9]。根據(jù)張浩等[10]和白永清等[11]的研究，對于合肥市和武漢市來說，PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度都是影響能見度的主要因子，兩市PM2.5濃度閾值分別為46 μg·m-3和40 μg·m-3。Aman 等[12]研究指出泰國的能見度對風(fēng)向具有很強(qiáng)的依賴性，受當(dāng)?shù)匚廴驹从绊懞艽蟆Ｔ罒挼萚13]研究雙流機(jī)場一次低能見度過程發(fā)現(xiàn)，晴朗夜空、逆溫層、地面冷卻輻射、水汽飽和以及近地面微風(fēng)狀況的共同作用致使輻射霧生成，導(dǎo)致雙流機(jī)場出現(xiàn)一次能見度急劇下降過程。目前，大氣能見度預(yù)測常用的有數(shù)值模式、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和主客觀結(jié)合等方法，≥10 km 等級的能見度預(yù)報(bào)效果最好，1 km 以下能見度的效果最差[14]，但可利用氣溶膠數(shù)濃度的消光系數(shù)參數(shù)化方案來提高低能見度的模擬效果[15-16]。黃楚惠等[17]結(jié)合低能見度與地面氣象要素的關(guān)系獲取訂正閾值，并在此基礎(chǔ)上采用概率匹配法對SWC 能見度預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正研究。

根據(jù)中國氣象局的定義，當(dāng)水平能見度＜10 km 且相對濕度＜90%時，這種天氣可以被定義為霧霾。成都所處的四川盆地是我國主要的霧霾地區(qū)之一[18]。在2000～2010年，成都每年都有超過200 d 的低能見度天氣（＜10 km）[19]。由于四川盆地獨(dú)特的地形，相對濕度偏高是成都的典型氣象特征，不利的氣象條件也增加了空氣污染問題的嚴(yán)重性[20]。目前，國內(nèi)對能見度的研究主要集中在京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，而對成都地區(qū)能見度的研究還較為有限[21-23]。針對這一不足，本文利用2012～2020年成都市逐時能見度數(shù)據(jù)，在精細(xì)化等級劃分的基礎(chǔ)上，研究區(qū)域能見度的時空演變特征以及氣象因子與污染物的聯(lián)系，以期為科學(xué)制定排放控制政策和改善區(qū)域空氣質(zhì)量提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

成都市位于四川盆地西部，地處青藏高原的東部邊緣，西側(cè)為龍門和邛崍山脈，東臨龍泉山，地勢由西北向東南傾斜，高度差較大，具有復(fù)雜的地形條件。成都市氣候條件比較特殊，屬于常年風(fēng)速小、濕度大、逆溫多、靜穩(wěn)的天氣形勢，邊界層較低也導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散，有利于二次污染物的生成[24]。

圖1 是研究選取的氣象站點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位置示意。氣象數(shù)據(jù)來自成都市13個氣象國控站點(diǎn)，為2012～2020年逐小時地面觀測數(shù)據(jù)，要素包括能見度和氣溫、風(fēng)速、站點(diǎn)氣壓、相對濕度?？諝馕廴举Y料來自中國環(huán)境監(jiān)測總站（http://106.37.208.233:20035/），包括成都市2013年P(guān)M2.5和PM10日均值濃度數(shù)據(jù)及2014～2020年P(guān)M2.5和PM10逐小時濃度數(shù)據(jù)。其中環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)包括2個交通污染監(jiān)控站點(diǎn)（十里店、君平街）、5個城區(qū)環(huán)境評價站點(diǎn)（金泉兩河、三瓦窯、沙河鋪、大石西路、龍泉驛）和1個郊區(qū)環(huán)境評價站點(diǎn)（靈巖寺）。成都市梁家港站點(diǎn)于2017年10月27日停運(yùn)，同日龍泉驛區(qū)政府觀測站點(diǎn)啟用。

圖1 成都市氣象觀測站點(diǎn)和國控環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 能見度和顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)訂正

地面氣象觀測自動化改革前，通常是3 h（02、05、08、11、14、17、20、23 時）或8 h（08、14、20 時）人工記錄氣象數(shù)據(jù)。改革后變?yōu)?4 h 自動觀測。溫江站、都江堰站和龍泉站自2015年開始實(shí)現(xiàn)自動觀測，2016年起成都市13個氣象國控站全部實(shí)現(xiàn)自動觀測。但是，人工觀測得到的數(shù)據(jù)要比自動觀測的高[25]。為減小誤差，本文使用的數(shù)據(jù)全部經(jīng)過訂正。根據(jù)2003年中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》，采樣大氣的消光系數(shù)σ=0.05；人工觀測對能見度較好的天氣（能見度＞10 km）時，一般采用比感閾為0.05；能見度＜10 km時，采用比感閾為0.02。本文將人工觀測和自動觀測之間按比例系數(shù)換算，把成都市人工觀測能見度數(shù)據(jù)訂正到自動觀測數(shù)據(jù)[26]，具體公式如下：

當(dāng)氣壓和溫度發(fā)生改變時，顆粒物的實(shí)際質(zhì)量和體積不會隨之改變。因此，使用實(shí)際狀況下的質(zhì)量濃度，更能客觀反映顆粒物的污染狀況，也方便與其他國家的空氣質(zhì)量進(jìn)行比較和研究[27]。本文將2013～2018年8月PM2.5和PM10標(biāo)況濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)一訂正為實(shí)況濃度，具體公式如下：

式中：C標(biāo)（μg/m3）表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下顆粒物濃度，C實(shí)（μg/m3）表示實(shí)際狀態(tài)下顆粒物濃度，P標(biāo)（kPa）表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓，P實(shí)（kPa）表示實(shí)際狀態(tài)下大氣壓，T標(biāo)（K）表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，T實(shí)（K）表示實(shí)際狀態(tài)下溫度。

1.2.2 能見度等級劃分

參考張利等[28]提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將成都市能見度劃分成9個等級（表1），利用等級分析法分析成都市能見度的變化趨勢。本文劃分3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月～次年2月為冬季。

表1 大氣水平能見度等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 成都能見度時空變化特征

2.1.1 時間變化趨勢

如圖2 所示，除2016年以外，2012～2020年成都地區(qū)大氣能見度呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢，從8.19 km 上升到12.57 km，近9 a 上升了53.48%。其中，2016年成都市平均能見度為7.77 km，比其他年份的平均能見度低5%～38%。近年來，相對濕度呈顯著上升趨勢，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈下降趨勢，且與能見度呈負(fù)相關(guān)。

圖2 2012～2020年成都市能見度（a）、相對濕度（b）、PM2.5（c）和PM10（d）濃度時間變化特征

近年來我國空氣質(zhì)量持續(xù)改善，大氣顆粒物濃度明顯降低。2012～2020年，成都市春季PM2.5濃度下降了53.5%，能見度上升了82.68%；冬季PM2.5濃度下降了77.88%，能見度僅上升了12.06%。雖然冬季顆粒物下降的幅度比春季要大，但能見度的改善效果卻比不上春季。冬季冷空氣過程少、靜小風(fēng)頻率高、濕度大、水平擴(kuò)散能力和邊界層垂直擴(kuò)散條件差，使得冬季污染治理難度大，導(dǎo)致成都市冬季低能見度事件頻發(fā)[29]。

圖3 為成都市大氣能見度月變化的箱型分布。如圖所示，成都地區(qū)大氣能見度的月變化特征比較明顯，大致呈“低-高-低”型的單峰分布，尤其是2018～2020年能見度變化的幅度比較大。2012～2020年月平均能見度的變化特征為：1～5月能見度處于緩慢上升的階段，5～8月能見度處于高值且穩(wěn)定的水平，8月～次年1月能見度快速下降；8月平均能見度達(dá)到最高（13.59 km），1月平均能見度為最低（5.38 km），8月平均能見度是1月的2.53 倍。

圖3 2012～2020年成都市能見度月變化特征（a. 多年平均，b～j. 依次對應(yīng)2012～2020年，箱型圖從上至下依次表示最大值、75%分位數(shù)、中位數(shù)、25%分位數(shù)和最小值）

進(jìn)一步分析2016～2020年成都市能見度日變化(圖4)發(fā)現(xiàn)，成都市日變化呈單峰分布特征。07 時能見度最低，17 時能見度最高；自12 時開始，PM2.5和PM10變化幅度逐漸增大。在能見度改善得比較明顯的時次，對應(yīng)的相對濕度、PM2.5和PM2.5濃度會協(xié)同下降。當(dāng)60%≤RH＜90%時，成都市平均能見度維持在9.5～15.5 km。

圖4 2016～2020年成都市能見度、相對濕度、PM2.5 和PM10 逐年日變化

2.1.2 空間分布特征

圖5 是2012～2020年成都地區(qū)能見度逐年空間分布（簡陽區(qū)域數(shù)據(jù)缺測）。如圖所示，成都東部比西部高，北部比南部高，中部中心城區(qū)能見度最低，自西南向東北總體呈先遞減再遞增的空間趨勢。成都市每年的能見度均值都在4.5 km 以上，能見度較低的區(qū)縣為雙流、彭州、崇州等，能見度最高的是金堂。位于成都西南方向的邛崍、浦江能見度逐年轉(zhuǎn)好，中心城區(qū)低能見度的范圍也在減小。根據(jù)2020年成都市統(tǒng)計(jì)年鑒，雙流區(qū)工業(yè)企業(yè)數(shù)量較多，隨著工業(yè)排放的增加，雙流區(qū)空氣質(zhì)量有所下降。根據(jù)2020年彭州市統(tǒng)計(jì)年鑒，2019年境內(nèi)公路總里程較2015年上升40%，隨之而來的是交通排放增加，影響彭州市能見度。據(jù)崇州市統(tǒng)計(jì)局公報(bào)，2015～2019年崇州以工業(yè)和建筑業(yè)為主，占全部產(chǎn)業(yè)的46%以上，這是導(dǎo)致崇州能見度變差的重要原因。金堂是全國有名的森林康養(yǎng)基地試點(diǎn)縣，曾榮獲中國生態(tài)文明獎，空氣質(zhì)量能達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn)。金堂能見度較好與建設(shè)龍泉山城市森林公園、增綠增景等舉措的大力推行密不可分。

圖5 2012～2020年成都地區(qū)能見度逐年空間分布（a～i. 依次對應(yīng)2012～2020年）

圖6 是多年平均的成都地區(qū)四季能見度空間分布。如圖所示，成都市能見度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化（簡陽市數(shù)據(jù)缺測），夏季能見度最高，秋季和春季次之，冬季最低。春季和秋季能見度的空間分布特征相似，均為東高西低且北高南低，而中部城區(qū)能見度最低。冬季大部分地區(qū)能見度低于10 km，夏季能見度高值中心出現(xiàn)在成都東部（金堂、青白江、龍泉一帶）和北部（彭州、都江堰）以及邛崍東部。

圖6 2012～2020年平均的成都地區(qū)四季能見度空間分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季）

不同季節(jié)的不同氣象條件會對能見度變化產(chǎn)生影響。春季大氣層結(jié)不穩(wěn)定和風(fēng)速比較大，容易導(dǎo)致污染物被稀釋和擴(kuò)散，因此出現(xiàn)霧、霾等天氣的概率相對較低，能見度相對較好。夏季降水較多，有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，容易提高空氣質(zhì)量，因此夏季能見度最高。冬季大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，風(fēng)速較小，存在逆溫，使得污染物累積在近地層，因此冬季能見度最低。

2.2 各等級能見度的變化特征

圖7 是不同時段成都地區(qū)各等級能見度出現(xiàn)頻率。如圖所示，2012～2020年成都市能見度等級5 發(fā)生頻率（27.05%）最高，等級6 發(fā)生頻率（22.46%）次之；等級0 發(fā)生頻率（0.60%）最低，等級1 級發(fā)生頻率（2.14%）次之。不難發(fā)現(xiàn)，2012～2014年、2015～2017年和2018～2020年能見度等級5 出現(xiàn)頻率均為最高，分別是27.05%、44.46%和24.95%。2012～2014年和2018～2020年能見度等級0 出現(xiàn)頻率最低，2015～2017年則是等級1 出現(xiàn)頻率最低。綜上所述，等級5（5～10 km）和等級6（10～20 km）能見度出現(xiàn)頻率最高，0 級（500 m以下）和1 級（0.5～1 km）出現(xiàn)頻率最低。

圖7 不同時段成都各等級能見度出現(xiàn)頻率（a. 2012～2020年，b. 2012～2014年，c. 2015～2017年，d. 2018～2020年）

圖8 為2012～2020年成都市各等級能見度出現(xiàn)頻率逐年變化。如圖所示，成都市5～10 km 能見度變化具有一定的階段性，2012～2013年能見度出現(xiàn)頻率無明顯變化趨勢，2014～2015年能見度出現(xiàn)頻率下降明顯（下降20%），2016～2020年波動變化（維持在23%～26%）；20km 以上能見度發(fā)生頻率逐年上升，從不足3%上升到15%。總體來看，近年來成都市能見度有所提升。

圖8 2012～2020年成都地區(qū)各等級能見度出現(xiàn)頻率逐年變化

從成都地區(qū)能見度的季節(jié)變化（圖9）來看，2～10 km和＞10 km 以上的能見度主要出現(xiàn)在夏季。隨著能見度增大，其出現(xiàn)頻率呈先增后減的變化特征。春季4～5 km 能見度發(fā)生頻率最高（7.0%），夏季4～10 km 能見度發(fā)生頻率最高（5.5%），秋季2～4 km 能見度發(fā)生頻率最高（10.6%），冬季2～3 km 能見度發(fā)生頻率最高（14%）。利用高斯函數(shù)（GaussAmp）對成都市能見度頻數(shù)進(jìn)行非線性曲線擬合，得到出現(xiàn)頻率最大的能見度峰值數(shù)據(jù)。春季、夏季、秋季和冬季能見度峰值分別是6.34±0.47 km、7.46±0.65 km、4.09±0.53 km、3.43±0.37 km。

圖9 2012～2020年成都地區(qū)不同季節(jié)各等級能見度頻數(shù)分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季）

圖10 為2012～2020年成都市各等級能見度出現(xiàn)頻次的逐月變化。如圖所示，等級5（5～10 km）和等級6（10～20 km）能見度出現(xiàn)頻率最高。成都市各個月份等級5 能見度出現(xiàn)頻率均超過25%，秋、冬季等級6 能見度出現(xiàn)頻率均低于20%。低于1 km 能見度主要出現(xiàn)在冬季，高于30 km 能見度主要出現(xiàn)在6月和7月。整體來看，成都市能見度處于較高水平。

圖10 2012～2020年成都市各等級能見度出現(xiàn)頻次的逐月變化

圖11 為各站點(diǎn)不同等級能見度的出現(xiàn)頻率分布。如圖所示，整個成都地區(qū)以等級5（5～10 km）為主，其中彭州、龍泉出現(xiàn)等級5 和等級6 的頻率相當(dāng)，均在25%左右。金堂能見度最好，等級5 和等級6 出現(xiàn)頻率之和超過45%。雙流能見度最差，等級0 和等級1的出現(xiàn)頻率之和超過20%。500 m 以下的能見度主要出現(xiàn)在雙流、崇州、溫江、新津；30 km 以上能見度主要出現(xiàn)在金堂、大邑、浦江、龍泉。

圖11 2012～2020年成都地區(qū)各站點(diǎn)不同等級能見度出現(xiàn)頻率分布

2.3 不同等級能見度的影響因子

表2 給出了不同等級能見度下氣象要素和污染物濃度的統(tǒng)計(jì)特征。隨著能見度增加，對應(yīng)的PM2.5、PM10濃度和相對濕度減少，而風(fēng)速和溫度增加。計(jì)算不同等級能見度的影響因子變率可知：能見度為0～3 km 時，風(fēng)速變率最大，增加了41%；當(dāng)能見度為3～20 km，PM2.5變率最大，下降了43.0%；能見度為20 km以上，PM10變率最大，下降了32.9%。

表2 2016～2020年不同能見度等級下的影響因子

2016～2020年 成 都 市5～10 km 大 氣 能 見 度 出 現(xiàn)概率最高（24.95%），對應(yīng)的PM2.5、PM10濃度分別為30.58 μg·m-3和53.33 μg/m3。低 于500 m 能 見 度 發(fā) 生概率最低（0.61%），對應(yīng)的PM2.5、PM10濃度分別為92.68 μg/m3和141.60 μg/m3。

3 結(jié)論

本文利用2012～2020年成都市逐時的能見度、PM2.5和PM10濃度和氣象觀測資料，對成都市能見度年、季、日變化變化趨勢以及空間分布特征進(jìn)行分析，并探討了不同等級能見度發(fā)生頻率以及與污染濃度和氣象要素的關(guān)系，得出以下主要結(jié)論：

（1）2012～2020年成都市能見度整體呈上升趨勢，近9 a 上升了53.48%。大氣能見度有明顯的季節(jié)變化和日變化特征。成都市月平均能見度最大值出現(xiàn)在8月（13.59 km），最小值出現(xiàn)在1月（5.38 km）；平均能見度最低值出現(xiàn)在07 時，最高值出現(xiàn)在17 時。

（2）成都市能見度呈東高西低且北高南低的分布特征，低值區(qū)主要分布在成都中部的中心城區(qū)。低能見度空間分布與當(dāng)?shù)毓I(yè)水平發(fā)展程度、植被覆蓋率、汽車尾氣排放量，地形和氣象條件等均有關(guān)系。

（3）2012～2016年成都市能見度以等級5（5～10 km）和等級6（10～20 km）為主，出現(xiàn)頻率分別是27.05%和22.46%。等級5 能見度出現(xiàn)頻率逐年下降，20 km 以上能見度出現(xiàn)頻率則逐年上升。春、夏、秋、冬季能見度峰值分別是6.34±0.47 km、7.46±0.65 km、4.09±0.53 km、3.43±0.37 km。500 m 以下能見度主要出現(xiàn)在雙流、崇州、溫江，30 km 以上能見度主要出現(xiàn)在金堂、大邑、浦江。

（4）隨著相對濕度增加或PM2.5、PM10質(zhì)量濃度增加，低能見度出現(xiàn)頻率呈上升趨勢。1 km 以下能見度與高濕（RH＞96%）、低溫度（T＜10.6℃）、小風(fēng)速（＜1.0 m/s）和高污染物濃度（PM2.5＞84.8 μg/m-3，PM10＞129.0 μg/m3）。