东莞散射系数的特征及与地面气象要素关系

2016-08-08袁志扬

广东气象 2016年2期

关键词：散射系数气象要素东莞市

袁志扬

(东莞市气象局，广东东莞　523086)

东莞散射系数的特征及与地面气象要素关系

袁志扬

(东莞市气象局，广东东莞523086)

摘要：利用东莞市大气成分站2013年散射系数和地面气象观测资料，分析了散射系数的变化特征及与气象因子的关系，结果可知：2013年东莞散射系数年平均值为163.7 M·m-1，1月份的散射系数最大，7月份最小。散射系数日变化特征表现为：早晨出现峰值，下午出现谷值；白天散射系数的变化非常明显，而夜间变化比较平缓；夜间散射系数值高于白天。散射系数与气象要素关系表现为：受偏西风的影响，东莞散射系数维持在较高的水平，南风则有利于散射系数降低；风速低，散射系数则高，随着风速增大，散射系数逐渐降低，当风速进一步增大时，散射系数保持在较低的水平；正变温或大幅度降温，散射系数会明显下降，而小幅降温则呈上升趋势；散射系数高值较少出现在湿度低的条件下，多出现在高湿度环境下；气压低，散射系数相对较低，不过受热带气旋外围的下沉气流影响，可能会出现极端情况；降雨虽然能洁净大气，降低散射系数，但不是每次降雨后，散射系数都有所降低。

关键词：散射系数；大气气溶胶；气象要素；东莞市

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固态和液态微粒共同组成的多相体系[1]。随着中国的工业化和城市化的快速发展，由人类活动产生的大气气溶胶大量增加，导致近年来连续性、大范围出现的灰霾受到大众和政府的关注，空气质量研究成为许多学者的重要课题[2-8]。气溶胶的散射系数是大气成分观测中气溶胶类的重要一项指标，能反映气溶胶的光学特性，表征大气气溶胶散射造成辐射能量衰减程度的物理量[13]。在大气辐射的过程中，气溶胶粒子能削弱到达地表的太阳辐射，并将少部分太阳辐射散射回宇宙，使入射到地面上的能量减少，降低低层大气的温度，同时气溶胶层吸收了太阳辐射的能量而增温，并通过大气运动传输热量，又能提高大气温度，影响全球环境的气候的变化[9-10]。因此分析气溶胶的散射系数对大气的辐射平衡、气候变化具有重要的意义。另一方面，大气中气溶胶粒子的散射使得能见度下降，给城市的经济活动和市民生活带来影响，因此有必要建立适合当地能见度的预报系统、霾天气预警发布标准[11-12]，能为局地大气散射系数的特征分析，提供重要的基础。近年来，散射系数的研究已在多地开展，如广州南沙、杭州等地[13-14]，而东莞在这方面的研究较少。本研究利用东莞市气象局大气成分观测站作为本次气溶胶的散射系数的观测点，从2013年1月1日—12月31日为期1年的连续观测，对散射系数变化特征及气象影响因子的影响作初步的分析。

1观测仪器及数据处理

散射系数数据是利用澳大利亚ECOTECH公司生产的M9003浊度计来进行连续观测的，仪器安装在东莞市大气成分观测站内，地处南城区植物园，四周有大面积的植物，无明显的污染排放源。浊度计设定每日自动进行定时零点检查，定期进行跨度检查，当零点或跨度检查值超出允许范围时，对仪器进行全校准，仪器自带加热系统，对测量样品湿度控制在60%以下。本研究基于2013年1—12月观测数据，该仪器的数据输出分辨率为1 min，由于仪器故障缺测、奇异数据等原因导致1 h内无效数据超过1/3时不作统计。经计算得到有效数据时数为8 735 h。

地面气象资料是由同一地点的东莞国家基本气象站观测所得。风向为该小时分钟数据统计出来的最多风向。其余气象资料都由分钟数据作小时平均处理。本研究主要利用小时数据进行分析，所用时间均为北京时。

2散射系数特征

2.1散射系数分布统计

2013年东莞散射系数年平均值为163.7 M·m-1，全年小时变化范围在100～103M·m-1，极大值为1 227.6 M·m-1，出现在4月15日07：00，极小值为5.6 M·m-1，出现在12月16日06：00。通过统计以区间为50 M·m-1的散射系数分布情况发现，散射系数小时值主要出现在250 M·m-1内，每个区间出现的频率超过12%，>250 M·m-1的区间频率都低于8%；其中分布最集中出现在50～100 M·m-1，占样本总量20.2%，而大于500 M·m-1仅占1.4%。

2.2散射系数逐月变化特征

图1是2013年东莞散射系数逐月变化情况。从图1可以看出，各月份散射系数波动非常大。全年有3个月份散射系数平均值达200 M·m-1以上，分别是1、4、10月，其中1月份的散射系数最大，平均达289.0 M·m-1；而散射系数最小为7月份，平均为66.5 M·m-1，其次为6月份。最大的1月份与最小的7月份相差达222.5 M·m-1。总体而言，1—4月散射系数较高，5—7月散射系数呈单调递减，7月达到谷值，8—10月为单调递增，11—12月小幅回落。与广州南沙相比，王开燕等[13]得到2011年南沙散射系数月均值在112.1～357.5 M·m-1之间，最大、最小值分别出现在12、8月，东莞散射系数月变化范围低于南沙，最大、最小值出现时间接近。

图1　东莞散射系数逐月变化

2.3散射系数日变化特征

图2为2013年东莞散射系数的日变化。从图2曲线中可以看出，东莞地区散射系数峰值出现在08：00，之后逐渐降低，16：00出现全天散射系数最低值，全天平均变化值在30 M·m-1左右，然后陡升至170 M·m-1左右，在夜间有小幅震荡。总体表现为，早晨出现峰值，之后逐渐下降，下午出现谷值，然后逐步震荡上升直至次日出现峰值；白天(08：00—20：00)散射系数的变化非常明显，而夜间(20：00—08：00)变化比较平缓；夜间散射系数值高于白天。

图2　东莞散射系数日变化特征

3散射系数与地面气象要素关系

3.1风向风速

图3为2013年东莞散射系数随风向的变化。从图3可看出，不同风向下散射系数平均值相差比较大，在SW-W-NW扇区上散射系数维持在较高的水平，在E-SE-S扇区上散射系数相对较小。散射系数的最高值出现在西风中，平均散射系数为249.3 M·m-1，吹南风时散射系数的值则最小，为118.6 M·m-1。从东莞的地理位置分析，东莞市位于广东省中南部，珠江口东岸，东江下游的珠江三角洲，东面、南面濒临南海，所以风向为偏东、东南和偏南风时，来自海洋的清洁空气对污染物起到显著的扩散稀释作用，因此散射系数平均值较低；而西面、西南面是广州、佛山、中山、珠海等经济发达的城市群，污染源较多，在偏西气流的作用下，污染物容易输送到本地，导致散射系数平均值偏高。

图3　东莞散射系数随风向的变化

图4为东莞不同风速下散射系数的变化。图4清晰反映出风速对散射系数的影响，当风速≤1.0 m/s时，散射系数处于高位；当风速在1.0～5.5 m/s之间，散射系数表现为随着风速增大呈逐渐下降趋势；当风速>5.5 m/s时，散射系数一直在低位小幅波动。总体来说，风速低，不利于污染物扩散，散射系数就大；随着风速增大，气流加快了对污染物的输送，能迅速将污染物扩散出去，污染物浓度降低，散射系数则逐渐降低；当风速进一步增大时，风对污染物的输送和稀释作用非常强，远强于污染物的堆积能力，空气能保持干净，因此散射系数保持在较低的水平。

图4　东莞不同风速下散射系数的变化

3.2温度

表1是3和1 h变温下散射系数平均变化量。可以看出，1与3 h变化趋势基本一致。在正变温情况下，散射系数平均变化量为负值，说明散射系数与前1或3 h相比有所下降，而且下降幅度随正变温增大而增大。1 h负变温在2.0 ℃内，3 h负变温在4.0 ℃内，散射系数平均变化量为正值，反映了小幅度降温容易导致散射系数上升。

表1　3和1 h变温下散射系数平均变化量1)　M·m-1

1)1 h变温范围在-3.0～3.0 ℃

一般的研究认为，温度升高，近地层对流湍流开始发展[1]，而湍流有利于污染物的扩散[15]，因此气温大幅升高，湍流发展则加快，扩散也强烈，加速散射系数下降；而降温会抑制湍流，大气层结趋于稳定，导致污染物不易扩散，散射系数呈上升趋势。不过大幅度降温一般是由强冷空气影响，而强冷空气过境时带来强风，吹散污染物，所以大幅度降温下，散射系数的平均变化量为负值。

3.3湿度

研究认为空气湿度对气溶胶的散射系数有很大的影响，随着湿度的增加，气溶胶中具有亲水性的化学成分会吸湿长大，从而提高颗粒物的76 mm散射能力[10]。从不同湿度下散射系数的分布,可以看出，散射系数较高值分布在相对湿度较大的区域。相对湿度>40%时，散射系数都有出现>500 M·m-1的情况，出现频次最多在相对湿度为80%～90%；相对湿度<40%时，散射系数多分布在100～150 M·m-1区间，只有2次出现>400 M·m-1的情况。总的来说，散射系数高值较少出现在湿度低的条件下，多出现在高湿度环境下。由于浊度计对样品的湿度有控制，而且加热系统会造成半挥发性气溶胶的损失[16]，因此统计上可能跟大气的实际情况会存在一定的偏差。

3.4气压

气压的变化必然对应着天气系统的变化，而不同天气系统对散射系数的影响是不同的。由不同气压下散射系数的平均值(图略)可知，当气压在988.0～990.0 hPa区间为散射系数出现极大值，波谷在996.0～998.0 hPa，之后散射系数逐渐上升到另一个高位。总体来说，气压高情况下，散射系数相对较高，气压低时则较低，不过低气压有时会出现极端情况。东莞容易受热带气旋影响，热带气旋接近时气压虽然低，不过外围的下沉气流会导致大面积、连续性的灰霾天气[17]，因此散射系数容易出现极端情况。

3.5降雨

湿沉降是指大气中的物质通过降水而落到地面的过程，是最有效的大气净化机制[10]，说明了降雨能洁净大气，降低散射系数。不过比较东莞2013年降雨过程前后的散射系数发现，不是每次降雨过程后散射系数都有所降低。图5给出的是4月2日逐小时散射系数与降雨量实况。

图5　4月2日散射系数与降雨实况

根据观测员记录当日有2次降雨过程，分别在05：00左右、11：07—18：24。通过对比降雨前后，散射系数都没有明显降低，反而不降反升。其中第2次过程降雨前(11：00)散射系数为370.6 M·m-1，降雨后(19：00)散射系数为892.7 M·m-1，降雨使散射系数升高超过500 M·m-1以上，之后散射系数一直维持在600 M·m-1以上。雨量级小没有足够的水对污染物冲洗和溶解，短时降雨不足以完全发挥冲刷和溶解作用，过弱的降雨也不能够达到冲刷效果，局部性的降雨不能大面积进行冲刷，这些都是影响着降雨过程对污染物的清除作用，另一方面，降雨使空气增湿，使得可溶性气溶胶更容易吸收水汽而长大，从而使散射系数升高。

4结论

东莞散射系数年平均值为163.7 M·m-1，散射系数分布最集中在50～100 M·m- 1，占样本总量的20.2%。不同的月份散射系数波动非常大，1月份的散射系数最大，7月份最小，两者相差达200 M·m-1以上。散射系数日变化特征表现为：早晨出现峰值，之后逐渐下降，下午出现谷值，然后再逐步震荡上升直至次日出现峰值；白天散射系数的变化非常明显，而夜间变化比较平缓；夜间散射系数值高于白天。

散射系数高低与气象要素有很大的关系。受偏西风的影响，东莞散射系数维持在较高的水平，南风则有利于散射系数降低；风速低，散射系数则高，随着风速增大，散射系数逐渐降低，当风速进一步增大时，散射系数保持在较低的水平。正变温或大幅度降温，散射系数会明显下降，而小幅降温则呈上升趋势。散射系数高值较少出现在湿度低的条件下，多出现在高湿度环境下。一般情况下，气压低，散射系数相对较低，不过受热带气旋外围的下沉气流影响，可能会出现极端情况。降雨虽然能洁净大气，降低散射系数，但不是每次降雨过程后，散射系数都有所降低。

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