1957—2016年杭州市大气能见度变化特征分析

王敏华 ，傅伟聪 ，3，朱志鹏 ，陈梓茹 ，黄淑萍 ，董建文 *

（1.福建农林大学园林学院，福州 350002；2.国家林业局森林公园工程技术研究中心，福州 350002；3.英属哥伦比亚大学景观合作研究中心，加拿大温哥华V6T 1Z4，加拿大）

1957—2016年杭州市大气能见度变化特征分析

王敏华1，2，傅伟聪1，2，3，朱志鹏1，2，陈梓茹1，2，黄淑萍1，2，董建文1，2*

（1.福建农林大学园林学院，福州 350002；2.国家林业局森林公园工程技术研究中心，福州 350002；3.英属哥伦比亚大学景观合作研究中心，加拿大温哥华V6T 1Z4，加拿大）

【目的】探究杭州市大气能见度变化特征。【方法】基于1957-2016年（缺失1965—1972年数据）的监测数据，利用均值计算、Ridit值分析、累计百分比等方法对杭州市大气能见度变化特征进行分析。【结果】①1957—2016年平均大气能见度为10.05 km，变化趋势为-0.231 km/a；②大气能见度最高值出现在夏季,最低值出现在冬季,而春、秋两季的大气能见度处于夏、冬季之间且监测均值较为接近，处于夏季与冬季之间；③“好”（≥20 km）和“差”（＜4 km）的大气能见度出现频率展示出了不同的变化特征；④杭州市在1956—1987年，Ridit值均大于0.5，在1987—1995年，Ridit值接近0.5，1996—2015年Ridit值处于0.5以下，而2016年Ridit值大于0.5；⑤20%、50%和80%位数的大气能见度在1957—2016年均处于下降趋势。【结论】整体而言杭州市大气能见度处于下降趋势，而2010年以后出现了下降放缓，在2016年呈现出一定的上升趋势，表明近年来杭州市对大气污染物的治理起到一定效果。

大气能见度；趋势；季节变化；Ridit分析；杭州市

大气能见度，定义为人们眼睛与可见目标之间的最大水平距离[1]，它不仅可以反映区域大气环境质量[2-3]，且与居民生活满意度息息相关。近年来，随着雾霾天气发生频率的升高，大气能见度降低已成为公众关注的问题[4]。大气能见度的变化时空趋势及季节、月变化特征已经吸引了很多研究者的目光。P.Brimblecombe在伦敦雾霾期间首次进行了大气能见度变化规律的研究，随后相关研究报告不断出现[5]。国内研究学者对大气能见度的研究主要集中在大型城市、重污染地区及部分工业发达地区。Deng X.等[6]研究了珠江地区的大气能见度变化趋势；Chang D.等[7]对中国6个大型城市进行了研究，揭示出大气能见度从20世纪70年代其至21世纪初呈下降趋势。

快速的城市化进程和经济发展导致资源消费量的急剧增加，许多地区正面临着大气能见度下降的严重挑战，这个问题在沿海城市特别突出。杭州市位于浙江省东部，是中国人口密度最大，经济活力最强的城市之一。在过去60年，特别是改革开放后，杭州市经历了经济的快速发展和城镇化水平的快速提升。目前，对这一地区大气能见度影响的变化规律研究鲜少报道。杭州市作为闽浙的典型城市，研究结果不仅能为该地区大气能见度提升及大气污染治理提供数据支持，并能为南方其他地区提供借鉴。

课题组基于1956—2016年（缺1965—1972年）的数据，针对杭州市大气能见度进行的数据整理分析，主要讨论以下几个问题：①计算分析1957—2016年（缺1965—1972年），杭州市大气能见度的变化规律，分析其变化趋势；②分析杭州市大气能见度的季节、月变化特征；③利用不同级别能见度、Ridit值分析及累计百分比等方法计算杭州市大气能见度的整体变化特征。为杭州市城市建设及游客、居民出行等提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 数据来源

大气能见度数据由中国气象数据网（http://data.cma.cn/）及美国国家海洋和大气管理局（https://www.climate.gov/）提供，监测数据为1957年1月1日至2016年12月31日（对于1965—1972这8年间丢失的数据，因为丢失的数据过多，没有合适的方法来补全，为了更科学合理的了解大气能见度变化趋势，故剔除1965—1972年监测数据），其中1957年1月1日—1980年9月27日（缺1965—1972年）数据监测每3 h/次，1980年9月27日后数据监测间隔为1 h/次。

1.2 分析方法

研究采用了5种统计、分析方法：

①统计分析1957—2016年（缺1965—1972年）大气能见度的年变化特征及变化趋势。

②分析了1957—2016年（缺1965—1972年）月均值、季度均值的变化特征。

③参照D.O.Lee[8]的分类依据，分析了1957—2016年（缺1965—1972年）每月出现不同级别大气能见度占比。由于监测精度不同，为了使研究结果更具科学性，将两个级别能见度（V）进行调整，将V≥20 km为定义“好”，将V＜4 km定义为“差”。

④Ridit被定义为在给定时间段内的能见度分布随时间推移的概率分布，可以用来描述观察期的变化趋势。依据M.Doyle和S.Dorling[3]选择5个类别能见度为进行Ridit计算依据，由于监测精度不同，为了使研究结果更具科学性，将5个分类依据进行调整，调整后为：V＜2 km，2≤V＜10 km，10≤V＜20 km，20≤V＜40 km以及V＞40 km（原文分类依据为0～1.9 km，2.0～9.9 km，10.0～19.9 km，20～39.9 km 以及＞40 km）。

⑤计算大气能见度累计百分比率：累积百分比也用于分析大气能见度的变化趋势。第n个累积百分位数是等于或超过这个百分位数的观测频数[7]。本研究中第50%位数（中位数），最差第20%位数（80%位数）和最佳20%位数（20%位数）进行累计百分比率计算，并计算回归方程。

1.3 数据处理

采用软件SPSS 19.00及EXCEL 2010进行数据处理分析和图像分析。

2 结果与分析

2.1 年变化趋势

由表1可知，1957—2016年（缺1965—1972年）平均大气能见度为10.05 km，变化趋势为-0.231 km/a（年）。表明随着时间发展，大气能见度正逐渐降低。进一步分析，20世纪50年代末60年代初为杭州市大气能见度的最好时期，且60年代初大气能见度有一个上升趋势，70年代初杭州市已一定程度受到大气污染影响，能见度下降趋势已经开始形成。由表1及图1可见，杭州市能见度均值由1956—1964的17.59 km降至1973—1976年期间14.97 km，雾霾日开始出现。1997—2016年，大气能见度基本保持在6.5 km左右；而在2012年后，大气能见度下降趋势得到遏制，甚至出现缓慢回升态势，如图1所示。

表1 1957—2016年(缺1965—1972年)杭州市大气能见度10年均值及变化趋势Table 1 Summary statistics of yearly visibility in Hangzhou during 1957—2016（without 1965—1972）

图1 1957—2016年（缺1965—1972年）杭州市大气能见度年变化趋势图Figure 1 Variations of yearly value of visibility during 1957—2016（without 1965—1972）in Hangzhou city

2.2 季节及月变化特征

基于1957—2016年（缺1965—1972年）数据分析，大气能见度最高值出现在夏季（6—8月），随后是春季（3—5月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），如图2（a）所示。进一步观察可知，大气能见度在7月份呈现最大值，而在1月份出现最低值，从1月至6月整体呈缓慢上升趋势，6—7月有个急促的上升，随后7—9月大幅下降，9—12月下降得较为平缓，整体呈“倒 V”字型，如图2（b）所示。

2.3 不同级别大气能见度的每月占比

出现“好”（≥20 km）和“差”（＜4 km）大气能见度的比率对于游客游览、居民的生活乃至心理感受具有较大的影响。图3展示了1957年至2016年（缺1965—1972年），每年出现“好”和“差”能见度的比例。由图3可见，“差”级别的大气能见度在1957—2006年间呈平缓的上升趋势，而在2006—2016年变化较为平稳维持在75%左右。“好”级别的大气能见度在1957—1964年呈上升趋势，随后1973—1990下降趋势明显，1990—2010表现出平稳趋势，维持在5%上下，并在2010—2016呈较为明显的上升趋势，表明近期环境治理对重污染天气的作用较为明显。

图2 1957—2016年（缺1965—1972年）杭州市大气能见度季节变化及月变化特征Figure 2 Variations of the monthly and seasonal visibility in Hangzhou city during 1957—2016（without 1965—1972）

2.4 Ridit分析

Ridit值变化曲线反映的是大气能见度的变化趋势，当Ridit值大于0.5时表明此年份的大气能见度高处于平均水平以上，而当Ridit值小于0.5时则表明大气能见度小于平均水平且有一定下降趋势。杭州市在 1957—1987（缺 1965—1972年）年，Ridit值均大于0.5，最高值为0.77，在波动中处于上升趋势，在1987—1995年，Ridit值接近0.5，表明此期间大气能见度处于整体均值，处于平稳时期变化趋势不明显，也表明此阶段为大气能见度从高于均值向低于均值转换；1996—2015年Ridit值处于0.5以下，表明在此期间大气能见度为降低的变化趋势；而2016年Ridit值大于0.5，表明2016年大气能见度处于上升趋势。

图3 1957—2016年（缺 1965—1972年）“好”与“差”级别大气能见度占比的变化趋势Figure 3 The variation of the rates of“good”and“bad”visibility during 1957—2016（without 1965—1972）

图4 1956—2016年（缺1965—1972年）杭州市Ridit值变化规律Figure 4 TheRidit value of Fuzhou city during 1956—2016（without 1965—1972）

2.5 累计百分比分析

由图5可知，20%、50%和80%位数的大气能见度均处于下降趋势。从下降的幅度来看20%最高，接下来是50%和80%，分别为-0.39、-0.36和-0.25 km/a。进一步分析20%在1987—2006有一个平缓的上升趋势，而在这一时期，50%与80%处于波动期，变化也较为平缓。而在1956—1986年（缺1965—1972年）与2006—2016年，20%、50%和80%大气能见度均处于急剧下降趋势，表明该时期，污染控制还需要提升。从消光系数上看，大气悬浮颗粒物浓度正不断提升，80%上升幅度最大为0.03大于中位数50%和20%的0.004和0.003 km/a。表明极端污染天气出现的频率正在增高，而较好大气能见度出现频率降低的幅度较为缓慢，这可能与温度、湿度、风速等的变化有关。

3 讨论与结论

研究发现杭州市大气能见度由20世纪50年代末至60年代初大气能见度呈上升，随后呈下降趋势至2012年，2012—2016缓慢上升，此结果与其他地区研究结果类似[9-12]。对这一现象的一般解释是20世纪50年代全民大炼钢铁运动，大量使用土锅炉造成的污染排放量增多，而20世纪60年代的工业规模很小，经济发展缓慢，一般很少受到大气污染的影响，能见度与当时的经济发展水平相符，由于统计数据的缺失此部分内容还需进一步研究。20世纪80年代初期至20世纪90年代中期，随着改革开放政策实施，杭州经济开始高速发展，也是能见度下降的主要阶段。1997—2016年，随着环保法规的相继出台及市民环保意识增强，下降趋势减缓；而在2012年后，大气能见度下降趋势得到遏制，甚至出现缓慢回升态势，与政府对环境保护的进一步落实密切相关[9-12]。

前人研究结果表明“好”大气能见度的出现，有利于提高游览者对景观的喜好程度[9]。作为著名的旅游城市，提升大气能见度特别是“好”级别的大气能见度出现比率，是城市建设、管理的重要任务。本研究发现“差”级别的大气能见度均在春、冬季出现的频率较高，而“好”级别的大气能见度出现在冬季的频率相对较低。夏季至初秋（6—10月）大气能见度处于较高水平，表明在这个季节内在杭州市出行能得到较好的感受。对于不同级别的大气能见度比例的分析研究，多数研究者只将能见度的年均值及其变化规律进行分析[7，13-15]。本研究清晰地展示了各个季节内在杭州市大气能见度的平均值，能为居民出行提供指导。大气能见度在夏季出现最大值与其温度高、湿度低等有关，且夏季大气污染物浓度相对较低，是导致大气能见度较高的主要因素。由于中国东南沿海夏季为主要的降雨季节，夏季常伴有较大强度的降雨，对空气有一定清洁作用，所以夏季为大气能见度最高的季节。冬季大气能见度低与污染物浓度较大直接相关。春、秋季节大气能见度相近，与污染物浓度、湿度等相似有关。Chang D.等的研究结果表明，大气颗粒物浓度在冬季处于最大值，雾霾天发生频率较大，导致大气能见度在冬季最低[7]。对照本文与前人研究结果，大气能见度的季节变化规律与大气颗粒物浓度季节变化规律呈相反的变化趋势[8，16-18]，进一步验证了大气能见度与大气颗粒物的相关性。

图5 1956—2016年（缺1965—1972年）杭州市20%位数、中位数、80%位数的大气能见度及相应消光系数的变化特征Figure 5 The variation of the 20%,50%and 80%visibility and extinction in Hangzhou city during 1956—2016（without 1965—1972）

基于中位数、20%位数及80%位数大气能见度及消光系数（βext）分析可得，1957—2016年间（缺1965—1972年），导致光线散射的空气悬浮物正不断增加，在整体气候条件没有明显变化的条件下，表明大气污染物浓度正不断提高。一些学者发现大气能见度与大气颗粒物浓度密切相关，并做了相关研究，结果显示剔除气象因素影响后，大气能见度能很好地反映空气质量的变化趋势[19-20]。大气能见度的数值模拟研究普遍采用计算消光系数求得大气能见度的方法[21]。但由于缺乏观测时间长、密度高的综合观测数据对模拟结果进行验证和修正，此方面的研究较少。前人研究结果表明，随着大气颗粒物光散射效应增强，大气能见度随之减低。指出大气污染物浓度同大气能见度具有一定相关性[10]。Huang W.等[22]分析了上海市大气能见度、大气污染物与死亡率的关系。其中，也对大气能见度与大气污染物浓度进行了相关性分析。本研究更加具体、深入地分析了不同大气能见度3个累计百分比的变化趋势，为相关污染物调控提供了基础数据支撑。

然而，由于数据获取条件有限，无法进行多年变化趋势分析，且研究仅有1个监测站的数据，没有对杭州市市不同立地条件（如：市中心、近郊、远郊等）监测点设置并分析，相关研究有待进一步进行。

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Temporal Dynamic of Visibility Characteristics of Hangzhou during 1957—2016

WANG Min-hua1，2，FU Wei-cong1，2，ZHU Zhi-peng1，2，CHEN Zi-ru1，2，HUANG Shu-ping1，2，DONG Jian-wen1，2*
（1.College of Landscape and Architecture，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，350002，China；2.State Forestry Administration National Forest Park Engineering Research Center，Fuzhou，350002，China；3.Collaborative for Advanced Landscape Planning，University of British Columbia，Vancouver V6T 1Z4，Canada）

【Objective】The objective of the study was to explore the temporal dynamic of atmospheric visibility in Hangzhou.【Methods】Based on the monitoring data from 1957 to 2016（except 1965—1972），the characteristics of atmospheric visibility were analyzed.【Results】①The average atmospheric visibility in 1957—2016 was 10.05 km and the trend was-0.231 km/year;②The highest atmospheric visibility appeared in the summer but the lowest value appeared in the winter.Additionally，while the mean values of atmospheric visibility were similar between spring and autumn；③The rate of atmospheric visibility of"good"（≥20 km）and"bad"（＜4 km）showed different variations；④The Ridit value of Hangzhou was higher than 0.5 in 1957—1987，was close to 0.5 in 1987—1995，was below 0.5 in 1996—2015，and was higher than 0.5 in 2016；⑤the atmospheric visibility of 20%，50%and 80%exhibited a downward trend over 1957—2016.【Conclusion】In general，the visibility of Hangzhou declined.The downward trend was slow after 2010.In 2016，the variation of visibility showed a certain upward trend.The results suggested that recent measures have been playing a significant role in controlling air pollutants in Hangzhou.

atmosphere visibility；trend；seasonal variation；Ridit analysis；Hangzhou city

xxx

A

1000-2650（2017）03-0396-05

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.017

2017-04-13

福建省林业科学研究项目：森林公园风景游憩林生态功能评价指标体系；国家林业公益性行业科研专项：美丽城镇森林景观的构建技术研究与示范（201404301）。

王敏华，讲师，硕士。*责任作者：董建文，博士，博导，教授，研究方向风景园林学，E-mail：fjdjw@126.com。

（本文审稿：杨占彪；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）