浦靜姣 ,徐宏輝 ,馬千里 (.浙江省氣象科學研究所,浙江 杭州 30008；.臨安區(qū)域大氣本底站,浙江 臨安3307)

在北京、濟南、南京、西安、珠江三角洲等地區(qū)的相關研究表明,能見度主要會受到顆粒物(濃度、粒徑分布、化學組分)、氣態(tài)污染物和水汽等因素的影響,尤其是細顆粒物對大氣能見度的影響非常大[1-8].通過分析能見度和顆粒物濃度的相關性建立回歸方程,可以反演估算大氣中的顆粒物濃度[9-10].對國內能見度的長期分布特征研究顯示[11-18],近 30a來隨著工業(yè)和城市的發(fā)展,顆粒物污染加劇,全國大部分地區(qū)的能見度均出現不同程度地下降.但是目前對能見度的研究主要集中在城市地區(qū)[19-24].同時,細顆粒物污染具有區(qū)域性特征,它所造成的能見度下降也是區(qū)域性的環(huán)境問題,會對區(qū)域內的交通、農作物生長、人體健康等造成直接影響.長三角地區(qū)城市密集,各個城市的能見度日變化、季節(jié)變化差異較大,迫切需要對區(qū)域尺度的能見度變化特征進行研究,從而獲得長三角地區(qū)的特征值.

本文采用 2008～2015年長三角背景地區(qū)臨安區(qū)域大氣本底站在線觀測能見度,分析相對濕度、大氣污染對該區(qū)域能見度的影響,結合氣象要素和大氣污染物排放建立長三角能見度特征值的篩選方法,探討長三角能見度的區(qū)域特征值,評估人為源排放對該區(qū)域能見度的影響程度.

1 數據獲取

臨安區(qū)域大氣本底站(119°44′E,30°18′N,海拔138.6m)是我國最早建立的大氣成分本底國家野外站之一,已被納入世界氣象組織區(qū)域大氣本底觀測網.臨安站北側和東側分布著長三角城市群(東側距離杭州50km、東北向距離上海150km),西南側為山區(qū).站址四周以丘陵、林地和農田為主,植被覆蓋良好,周圍 3km 范圍內無大型村落.盛行風向以東北風和西南風為主,特殊天氣現象和逆溫的出現頻率較低,具有典型的亞熱帶季風區(qū)氣候和大氣環(huán)流特征.

能見度數據采自Vaisala公司FD12型能見度儀,該儀器是一種前散射測量儀器,通過發(fā)射機持續(xù)發(fā)射紅外光脈沖,被透鏡聚焦后經大氣中的顆粒物散射,由接收機將散射光收集并進行測量,再通過特定算法轉化為氣象光學能見度,其測量周期為 15s,測量范圍 10～50000m,數據時段為2008～2015年.相對濕度數據由臨安本底站內自動氣象站觀測得到,環(huán)境空氣質量數據取自浙江省環(huán)境保護局,數據時段為2013～2015年.

2 結果與討論

2.1 臨安大氣本底站能見度時間分布特征

2008～2015年,臨安大氣本底站能見度在線觀測有效時數為 67818,占總時數的 96.7%.臨安站能見度的日變化分布呈現單峰型分布(圖1),高值出現在下午 13：00和 14：00,低值出現在凌晨5：00 和 6：00,日變化幅度為 5.2km.季節(jié)分布上,春夏季能見度較高,秋冬季較低,與廣州、上海、西安等城市的觀測結果一致[7,17];能見度日變化幅度夏季最大,為 7.4km,冬季最小為 3.4km,春、秋季分別為5.3,4.9km.

年際分布上,2008～2015年能見度整體上表現為先降后升的變化趨勢,平均增長幅度為0.087km/a,其中,2008～2012 年,能見度平均降幅為 0.085km/a,與 上 海 地 區(qū) 1973～2007 年0.083km/a的平均降幅[17]基本一致;2013年能見度上升較快,這可能是由于2013年夏季副熱帶高壓較強,臨安地區(qū)出現持續(xù)的極端高溫,相對濕度較低(平均為 66%,低于 2013～2015年夏季均值76%),空氣質量較好(AQI平均值 55,低于 2013～2015年夏季均值 62),導致大氣能見度較同期值偏高近一倍;4個季節(jié)中,春、夏季的年增長幅度較大,分別達到0.222,0.155km/a,秋冬季節(jié)變化幅度不大,分別為-0.058,0.017km/a.

圖1 2008～2015年臨安大氣本底站能見度日變化分布和年際變化Fig.1 Diurnal and annual variation of visibility at Lin'an regional background station from 2008 to 2015

2.2 相對濕度、大氣污染對能見度的影響

2.2.1 相對濕度對能見度的影響 選取 2013～2015年來分析相對濕度和大氣污染狀況對臨安地區(qū)能見度的影響.2013～2015年臨安地區(qū)相對濕度的日變化分布如圖2所示.與圖1相比,能見度與相對濕度的日變化趨勢均表現為單峰型,午后出現能見度高值、相對濕度低值,凌晨出現能見度低值、相對濕度高值,呈現明顯的負相關.并且冬季能見度日最小值出現在6：00～7：00,比春秋季延遲 1h,夏季日最小值出現在 4：00～5：00,比春秋季提前 1h,與相對濕度的季節(jié)分布特征一致.可見,能見度的日變化分布形態(tài)受到氣象條件的影響較大.

圖2 2013～2015年臨安大氣本底站相對濕度日變化分布Fig.2 Diurnal variation of relative humidity at Lin'an regional background station from 2013 to 2015

圖3進一步比較了污染、非污染狀況下的能見度與相對濕度分布.在 2種狀況下, 能見度均與相對濕度呈負相關關系,與南京地區(qū)的觀測結果相似[25-26],高相對濕度也是造成臨安地區(qū)低能見度的重要因素.污染狀況的能見度下降幅度(1.3km/10%RH)小于非污染狀況(2.0km/10%RH),非污染狀況的能見度下降幅度在高濕條件下明顯高于低濕條件,污染狀況的能見度下降幅度在高濕/低濕條件下幾乎一致(表1),可見相對濕度對能見度的影響在非污染狀況下更為明顯,這可能是造成夏季能見度日變化幅度遠遠大于冬季的重要原因,夏季污染程度較輕(圖4),相對濕度的日變化對能見度的影響作用更為明顯.

圖3 2013～2015年臨安大氣本底站在污染、非污染狀況下的能見度與相對濕度分布Fig.3 Visibility as a function of relative humidity intervals under polluted and non-polluted conditions at Lin'an regional background station from 2013 to 2015

表1 不同污染狀況下能見度隨相對濕度變化率Table 1 Visibility as a function of relative humidity intervals under different pollution conditions

2.2.2 大氣污染對能見度的影響 2013～2015年,臨安地區(qū)污染時次共出現 6477h,占總時數的 24.6%;污染時次中首要污染物為 PM2.5、PM10、O3的時數依次為 5420,987,70h,分別占83.7%、15.2%、1.1%,可見臨安地區(qū)的污染以顆粒物污染為主,并且以細顆粒物污染居多.2013～2015年臨安地區(qū)AQI的日變化分布如圖4所示.與圖1相比,能見度的日變化趨勢與AQI日變化的相關性較差,能見度的日變化表現為單峰型,AQI的日變化由于人為源排放的影響呈現雙峰型分布.能見度的季節(jié)變化受到大氣污染程度的影響較大,臨安地區(qū)相對濕度的季節(jié)差異并不顯著,夏秋季平均為 76%,冬季為70%,春季為68%(圖3),而AQI的季節(jié)差異則較大,冬季最高,平均值達到118,夏季最低為62,春秋季分別為 86、77.臨安地處亞熱帶季風氣候區(qū),夏季受到海洋性氣團的影響,大氣擴散條件較好,雖然夏季的濕度相對較高,但是大氣污染較輕;冬季被大陸性氣團控制,濕度較低,受人為源排放的影響污染較重,尤其是二次氣溶膠的形成降低了大氣能見度[22,27].

圖4 2013～2015年臨安大氣本底站AQI日變化分布Fig.4 Diurnal variation of AQI at Lin'an regional background station from 2013 to 2015

圖5比較了不同濕度和大氣污染狀況下的能見度等級分布.在低濕條件下(RH＜80%),低能見度主要出現在污染時次,5km以下時數達到46.9%,比非污染時次高39.0%,10km以上時數占9.7%,比非污染時次低 45.9%.在高濕條件下(RH≥80%),5km 以下能見度在污染時次出現97.2%,非污染時次出現 73.6%.可見,同等濕度條件下,污染越重,低能見度出現頻率越高.

能見度隨大氣污染程度的變化分布如圖6所示.在低濕條件下(RH＜80%),隨著大氣污染程度的加劇,能見度逐漸降低,當 AQI≤100時,AQI每增加 10,能見度平均下降約 2.1km,當AQI＞100時,AQI每增加 10,能見度平均下降約0.17km;在高濕條件下(RH≥80%),AQI每增加10,能 見 度 分 別 下 降 約 0.45km (AQI≤100)和0.05km(AQI＞100).這與北京地區(qū)的研究結果類似[28],在相對濕度較小時,消光作用對PM2.5濃度變化的響應明顯;當相對濕度較大時,則不明顯.此外,臨安地區(qū)的顆粒物與能見度的相關性亦不為線性[2,17],在顆粒物濃度較低時,顆粒物濃度的增加對能見度的影響作用較大,因此非污染狀況下能見度隨AQI的降幅遠遠大于污染狀況.大氣污染程度對能見度的影響在非污染狀況下表現得更為明顯.

圖5 不同濕度、污染狀況下的能見度等級分布Fig.5 Frequency of visibility scales under different humidity and pollution conditions

圖6 2013～2015年臨安大氣本底站在高濕、低濕條件下的能見度與AQI分布Fig.6 Visibility as a function of AQI intervals under high-humidity and low-humidity conditions at Lin'an regional background station from 2013 to 2015

2.3 長三角能見度特征值分布

2.3.1 背景值的篩選 為了獲取長三角地區(qū)能見度的特征值,參照該地區(qū)CO2背景濃度的篩選方法[29],對受到人為源影響的觀測時次予以篩除.首先,2013～2015年臨安地區(qū)出現輕度及以上污染的時次在能見度背景值篩選過程中予以剔除,共6477h;其次,靜風條件下大氣層結較為穩(wěn)定,輸送擴散條件較差,在篩分過程中亦予以剔除,共842h;最后采用Hysplit 4.9模式和NCEP GDAS全球氣象資料,計算72h氣團后向軌跡,結合人為源排放的空間分布[30],對受到排放源影響較大的時次予以剔除(圖7),共7429h.經過上述篩選過程,最終得到如圖8所示的能見度分布,共 11261h,占同期有效觀測時數的43.3%.

圖7 2010年長三角地區(qū)PM2.5人為源排放分布以及受人為源污染氣團影響較大時次的氣團后向軌跡分布Fig.7 Anthropogenic emissions of PM2.5 surrounding the sampling site in 2010 and air mass backward trajectories affecting the sampling site

圖8 2013～2015年臨安大氣本底站能見度背景與非背景值分布Fig.8 Background and non-background value of visibility at Lin’an station from 2013 to 2015

圖9 臨安大氣本底站能見度背景與非背景值的日變化和月變化分布Fig.9 Diurnal and monthly distribution of visibility under background and non-background conditions at Lin’an station

2.3.2 長三角能見度區(qū)域特征值及人為源的影響 圖9中臨安站能見度的背景值與非背景值日變化分布形態(tài)基本一致,均與氣象條件的日變化密切相關,在下午時段,大氣混合層較高,擴散輸送條件較好,相對濕度較低,能見度的背景與非背景值均較高;至凌晨,大氣層結較為穩(wěn)定,相對濕度較高,能見度的背景與非背景值均出現低值.但是受到大氣污染影響后,能見度非背景值在各時次均出現明顯下降,較背景值平均降低約4.4km,非背景值的日變幅為 3.5km,較背景值日變幅下降3.1km.

從季節(jié)分布來看,能見度背景值與非背景值的季節(jié)分布差異較大,背景值的最高值出現在 7月,低值出現在2月,年變化幅度為9.4km,這主要是受到降水月際分布的影響,2013～2015年 2月臨安地區(qū)降水均偏多,月降水量在 108.4～157.6mm之間,從而導致能見度較低,此外2013、2015年秋季降水亦明顯偏多,因此 9～11月份能見度背景值亦較低;非背景值的最高值出現在10月,低值出現在 1、2月,年變化幅度較小,僅為3.7km.可見,長三角地區(qū)的能見度背景值約為(9.7±2.2) km,受到人類活動的影響后能見度出現大幅下降,降幅約為4.4km.

3 結論

3.1 臨安站能見度的日變化分布表現為單峰型,高值出現在下午 13：00～14：00,低值出現在凌晨5：00～6：00,日變化幅度為 5.2km,與相對濕度的日變化分布呈現明顯負相關,受到氣象條件的影響較大.季節(jié)分布上,春夏季能見度較高,秋冬季較低,主要受到大氣污染程度的季節(jié)變化影響.

3.2 2008～2015年能見度整體上表現為先降后升的變化趨勢,平均增長幅度為 0.087km/a,其中春、夏季的年增長幅度較大,秋冬季保持穩(wěn)定.

3.3 高相對濕度、高污染是造成臨安地區(qū)低能見度的重要因素,相對濕度、大氣污染程度對能見度的影響作用均在非污染狀況下更為明顯.

3.4 長三角地區(qū)的能見度特征值約為(9.7±2.2)km,人為源污染氣團的影響會導致能見度下降約4.4km,降幅為48%.

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