成都市大气能见度变化特征及影响因子研究

白爱娟，钟文婷，华 兰，张舒杼

1．成都信息工程学院大气科学学院，四川 成都 610225

2．成都市气象局环境气象服务中心，四川 成都 610072

大气能见度是一项重要的气象观测要素，大气水平能见度指视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中观看到和辨认目标物(黑色、大小合适)的最大水平距离［1］。大气能见度的变化通常受降水、雾、大风、扬沙等天气现象和空气污染物的影响。大气能见度可以反映空气质量的优劣，空气质量直接影响人们的生活和健康。成都是中国西部的重要工业城市，雾霾天气频繁。分析该市大气能见度的变化特征，对于了解低能见度天气的成因，提高空气质量有重要意义。

20世纪60年代，美、英等国开始对能见度的变化进行定量分析并作为衡量大气污染的指标。1979年Craig等［2］引入Ridit统计分析法，研究了该方法在大气能见度变化特征研究中的应用。1990年以来，美国学者发现降水和水汽形成的雾霾天气是低能见度的成因，大气能见度与对流层气溶胶浓度密切相关，并且与PM2.5浓度、硫酸盐和硝酸盐浓度也有密切关系［3-4］。中国对大气能见度和影响因素的分析主要集中在大城市［5-8］，其中黄健等［9］利用Ridit分析法、累积百分率法和能见度“非常好”出现频率的分析法对1954—2004年珠江三角洲大气能见度变化趋势进行研究。张宏等［10］对北京市近几年的能见度进行分析，并重点分析了大气中PM2.5对能见度的影响。张利等［11］对1955—2000年中国大气能见度变化趋势进行了整体分析，逐步探讨了中国大气环境的变化特征。

该研究利用MICAPS 2008—2011年地面观测资料，分析成都市区大气能见度的年际和季节变化特征，并以2009年成都地区一次低能见度天气过程为例，探究能见度与气象要素以及颗粒物浓度之间的关系，研究影响成都市区低能见度的因素，为政府制定大气污染控制措施提供参考依据。

1 资料和研究方法

1.1 资料处理

整理 2008—2011年温江站(站号 56187)MICAPS地面观测数据，包括大气能见度、温度、压力、湿度、风以及霾出现的天数，选取14：00的大气能见度记录进行分析。成都市PM2.5数据来源于成都市气象局的大气成分观测站2009年的资料。成都市空气污染指数资料来源于环保部数据中心网站［12］。成都站(站号56294)和温江站(站号56187)1999—2003年能见度资料的对比分析表明各气象因子与能见度的相关性一致，不影响能见度变化特征的分析结果。因此，温江站的资料可以代表成都市区的能见度特征。

1.2 能见度等级划分

根据中华人民共和国气象行业标准［13］，能见度分为0～6等级(表1)。能见度的分级，能清楚地反映能见度的年内和年际变化特征，并体现不同等级能见度的变化趋势。

表1 大气能见度(V)等级划分标准［13］

2 成都市大气能见度的变化特征分析

2.1 年际变化

2008—2011年成都市大气能见度及霾天数的年际变化如图1所示。

图1 2008—2011年成都市大气能见度及霾天数的年际变化曲线

由图1可见，这4年中成都市年平均能见度逐年增加，平均值为10.7～12 km，霾天数显著下降。大气能见度与霾天数呈显著的相反变化趋势，大气悬浮颗粒物的浓度造成灰霾天气，并导致能见度降低。

分析成都市不同等级大气能见度出现频率随时间变化曲线(图略)发现，大气能见度等级0出现的频率为65%左右，逐年增加，等级1出现的频率为30%左右，其他等级出现的概率很小但是也占有一定的比例，表明近年成都市能见度水平偏低，但整体的能见度水平逐渐好转。

2.2 能见度的季节差异特征

2008—2011年成都市大气能见度的季节变化趋势如图2所示。

图2 2008—2011年成都大气能见度的季节和年平均值变化趋势

由图2可知，夏季大气能见度值最高，春季次之，冬季能见度最差，低于9 km。四季能见度均逐年上升。春季、夏季能见度水平明显高于年平均值，秋季、冬季能见度水平明显低于年平均值。

不同季节不同等级能见度出现频率如图3所示。

图3 2008—2011年成都四季不同等级能见度出现频率变化曲线

由图3可见，成都春、夏季大气能见度等级0出现频率大于70%，秋、冬季减少至50%左右，且随时间逐渐增加。等级1在春、夏季出现频率为20%左右，秋、冬季增加到40%左右，冬季等级3出现频率高达7%，其他等级出现频率均很小。说明近4年来大气能见度有好转的趋势，级别“好”、“一般”的能见度占主导，但也会出现“很差”、“较差”的能见度级别，低能见度主要表现在秋、冬季节。

3 大气能见度年际及季节变化成因分析

大气能见度的降低与空气中污染气体和气溶胶粒子的散射和吸收效率有密切关系［14］，污染物浓度的降低导致大气能见度增加。成都市环保局监测［15］表明，2008—2011年气体污染物二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入颗粒物(PM10)的年均浓度以及降尘年均值大体上呈逐年降低的趋势。2009年相比于2008年，PM10、NO2的年均浓度和降尘年均值有不同程度的升高(NO2年均值较2008年同期上升了 0.003 mg/m3，升幅为5.8%，降尘年均值比2008年上升了2.72吨/平方公里·月，升幅为28.3%)，这与图3中的分析一致。成都市环保局发布的环境质量公报指出，2011年城区空气中主要污染物SO2、NO2、PM10年均浓度值较2008年均有所下降。

盆地的气象条件对成都市大气能见度有一定影响。进入冬季以后，静风和逆温大幅度增加，易导致PM10在城市上空聚集。成都地处盆地中央，不利于污染颗粒物的扩散。盆地内河网密布，水汽含量充沛，容易凝结成雾霾，导致大气能见度下降。相反，夏季汛雨频繁，雨水的冲刷有助于净化空气中的尘埃颗粒物，能见度升高。

4 成都市低能见度事件个例分析

4.1 天气过程分析

选取2009年11月3—16日成都市出现的低能见度天气事件为个例，将该过程分为4个阶段，各气象要素平均值分析整理列于表2。

表2 成都低能见度天气个例4个阶段大气能见度、气象因子和PM2.5的特征

由表2可见，阶段Ⅰ能见度值相对较高，天气晴好;阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，能见度保持在5 km以内，为雾霾天;阶段Ⅳ伴随着中雨，能见度逐渐回升。能见度较高的时期对应较低PM2.5值，较低相对湿度和低空气污染指数。能见度较短时期内的急剧变化不仅和颗粒物的浓度变化有关，同时也与伴随的天气演变过程有关［16］。分别计算个例期间大气能见度与各气象要素间的相关系数，均通过显著性检验，列于表3。

表3 大气能见度与PM2.5及各气象要素的相关系数

4.2 自然气象要素对大气能见度的影响

4.2.1 相对湿度与大气能见度的关系

图4显示了大气能见度与相对湿度的变化关系。

图4 2009年11月3—16日成都大气能见度和相对湿度的变化曲线

分析图4发现，11月3—6日大气能见度由11 km下降至5 km以下。7日和9日有所回升，其余时间能见度都保持在4 km以下。12日能见度逐渐回升。同时期大气相对湿度与能见度相关系数为－0.599。大气相对湿度较大时，空气中的悬浮颗粒物容易附着在水汽上凝结，形成大量的小液滴［17］。同时颗粒物吸收水汽越多，造成颗粒物直径增大，使得消光系数变大，从而大气能见度变小。相对湿度对大气能见度最主要的影响体现在对消光系数的影响上［18］。

4.2.2 地面风速与大气能见度的关系

大气能见度与地面风速关系见图5。

图5 2009年11月3—16日地面风速和大气能见度的变化曲线

分析图5发现，低能见度对应低风速，两者相关系数达0.406。近地面风速大，易将污染大气吹离城市，将周边高原的新鲜空气吹向城市，有利于局地的大气扩散。随着大气颗粒物的稀释和扩散，大气能见度转好。当地面风速较小又无云时，容易形成逆温现象，能见度变差。成都地区常年风速较小，大气污染物不易排放，导致大气能见度相对其他地方偏低。

4.2.3 地面气压、温度对大气能见度的影响

地面气压与大气能见度相关系数为0.596。分析地面气压与能见度的变化曲线(图略)，在阶段Ⅰ，成都地区地面受高压控制，天气晴好，太阳辐射强，热力对流强，有利于污染物垂直扩散，故能见度较好;在随后的阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，气压相对减小，存在大气下沉气流，导致热力对流弱，并常伴有强的辐射逆温，大气扩散条件差，污染物浓度高，能见度较差。

温度与能见度的相关系数为－0.297，温度通过其他因子间接影响大气能见度的变化。当大气温度降低至0℃以下，冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压时，有利于雾的形成，从而降低大气能见度［19］。

4.3 人为因素对大气能见度的影响

4.3.1 PM2.5浓度对大气能见度的影响

大气能见度与同期 PM2.5的相关系数高达－0.52。图6显示了PM2.5浓度、空气污染指数与大气能见度的关系。

分析图6可知，当空气中PM2.5含量增加时，空气质量较差，同期大气能见度较差，反之亦然。大气颗粒物的散射消光占总消光系数(包括散射消光和吸收消光)的80%，大气颗粒物浓度的高低，决定大气消光的强弱，是决定能见度好坏的主要因子［20］。

图6 2009年11月3—16日空气污染指数、PM2.5与能见度的变化曲线

4.3.2 空气污染指数与大气能见度的关系

将每日的空气污染指数［12］与每日的平均能见度进行对比分析。空气污染指数和能见度负相关显著，空气污染指数越高，PM10浓度越高，大气能见度就越低(图6)。此外，空气污染指数与PM2.5值的变化曲线轮廓相似且比PM2.5滞后1 d，表明悬浮颗粒物的含量是控制空气污染的重要因素，是决定能见度水平的关键因子。PM2.5浓度的变化可以为大气环境污染治理提供依据，市民的环保、节能以及低排放意识的提高，是改善大气能见度的有效方法。

5 结论

1)成都市2008—2011年的大气能见度水平伴随着霾天数的下降逐年上升，夏季能见度最高，春季次之，冬季最低，2009年能见度水平长期较差。

2)2008—2011年期间，全年和各季节能见度分布中“好”能见度出现频率最高，并且逐年上升，“一般”能见度出现频率次之，逐年呈小幅下降趋势，主要受周围地形和大气条件的影响，大气能见度持续偏低，但近年来有逐年好转的趋势。

3)通过成都市低能见度天气个例的分析发现，影响能见度的因素包括自然的气象因子和人为污染的因素。高湿和低风速是造成成都市区低能见度的主要气象条件。同时空气质量和PM2.5的排放是近年来影响大气能见度急剧降低的人为因素。有效控制污染物排放，是提高大气能见度的有效途径。

致谢：感谢参与该研究工作的所有同事和同学。

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