大连地区能见度影响因子及个例分析

李潇潇，周婷婷，赵胡笳，朱轶明，刘晓初，张黎红，桑明刚，孙虹雨

（1.大连市气象台，辽宁 大连 116001；2.合肥市环境监测中心站，安徽 合肥230031；

3.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳110166；4.辽宁省人工影响天气办公室，辽宁 沈阳110166；5.辽宁省气象台，辽宁 沈阳110166）

大气能见度是直接影响海、陆、空交通以及军事活动的重要因素之一，特别是低能见度事件的出现，不但能够诱发重大交通事故，也给社会经济和人类活动带来极大不便[1-2]。因此，大气能见度特别是低能见度事件受到了我国学者的广泛研究[3-5]。

能见度的分布特征、变化规律与气象要素和大气污染物浓度有着重要关系[6-8]。Mcmurry[9]指出相对湿度（RH）对颗粒物浓度和大气能见度的影响较大。宋明等[10]对大气能见度和同期观测的相对湿度、PM10及PM2.5资料进行分析，拟合得到具有季节变化的非线性大气能见度拟合公式。姚青等[11]通过对秋冬季天津低能见度天气下大气气溶胶污染特征的研究，指出PM10的变化与大风扬尘有关。胡琳等[12]研究指出相对湿度、风速和污染物质量浓度是影响关中城市群大气能见度时空分布特征的主要因素。付桂琴等[13]研究结果表明小于2 km的低能见度主要出现在相对湿度＞80% 的天气，5 km以上的低能见度主要出现在相对湿度＜60% 的天气条件下。因此，研究低能见度的变化特征及其主要影响因子对进一步认识该地区大气污染状况具有重要意义，同时对空气质量预报产品也具有一定的指导意义。

目前关于我国辽宁地区能见度的相关研究多集中在辽宁中部城市群地区[14-16]，而关于周边沿海地区大气能见度与气象要素相关性的研究相对较少[17-18]。大连位于辽东半岛南端，是东北地区最大的港口城市，具有明显的海洋性气候特征。与辽宁中部城市群相比，大连地区能见度变化规律具有明显的区域性特征。宋煜等[19]、郭本军等[20，21]研究指出沙尘对大连空气中总悬浮颗粒物浓度具有显著贡献。万显烈等[22]研究结果表明大连市区气溶胶中PM10质量浓度约占TSP的50% ，PM2.5质量浓度约占TSP的30% 。黄艇等[23]通过对大连一次激光雷达资料的分析指出反演激光雷达最低观测高度处（180 m）的气溶胶消光系数与地面的PM10浓度呈正相关，与能见度呈负相关。曹祥村等[24]分析了大连地区低能见度事件的时间分布特征及与天气要素的关系。随着社会经济的发展和生活水平的提高，大连地区海陆空交通将更加繁忙，因此，掌握大连地区大气能见度变化规律，讨论大气能见度与地面气象要素和污染物质量浓度的相关性，对做好低能见度事件的预测预报具有十分重要的科学意义。

本文通过分析大连地区大气能见度的变化规律及其影响因子，旨在提高对大连市能见度与基本气象要素变化状况的基础性认识。同时根据PM10质量浓度变化特征，重点揭示低能见度天气成因，为该地区低能见度及重污染天气事件的预测预报奠定基础。

1 资料来源

选取2010—2012年大连市地面气象站的逐时观测资料，计算得到水平能见度及相对湿度、平均风速、地面气压、地面气温等气象要素的日平均值。PM10日均质量浓度由大连市气象局可吸入颗粒物在线监测获得的PM10小时值进行24 h平均后得到，与大连市地面气象站（121.64 °E，38.91 °N，91，5 m）位于同一观测场内。使用Grads软件和NCEP再分析资料（1°×1°）获得地面和850 hPa天气形势图和温度对数压力图。

2 结果分析

2.1 大气能见度的变化特征

由表1可知，2011年大连地区年均能见度（13.2 km）略低于2010年（13.5 km）和2012年（13.9 km）。表2为不同年份各级大气能见度出现的天数和所占百分比。2011年能见度＜10 km出现的天数多于2010年和2012年，共100 d，约占总天数的27.4% ；2012年能见度＞20.0 km出现的天数多于2010年和2011年，共108 d，约占总天数的29.6% 。Zhao[25]指出2010—2012沈阳地区出现低能见度（VIS<10）事件的天数分别为132、119、121 d，由此可知，2010—2012大连地区出现低能见度（VIS<10）事件的天数远低于沈阳等辽宁中部城市地区，这与大连地区的地理位置有一定关系，海陆风等局地环流使得城市与海洋可以进行空气交换，有利于污染物扩散。大连地区年平均能见度约为17.0～19.0 km，高能见度多出现在10月—次年2月；低能见度出现在每年6—8月，最低能见度出现在2011年7月，约为5.6 km。大连地区夏季能见度明显低于其他季节，特别是2011年夏季平均能见度约为7.7 km；春季能见度最低，秋季和冬季次之（表3）。

2.2 颗粒物质量浓度和气象要素的变化特征

表1结果指出，2011和2012年的PM10质量浓度与2010年相比偏高，分别为67.4 μg·m-3和65.9 μg·m-3。从PM10质量浓度的分布情况可以看出（表2），2010、2011、2012年PM10<50μg·m-3出现的天数和所占百分比分 别 为 173 d、114 d、145 d和47.4% 、31.2% 、39.7% ；PM10＞150 μg·m-3出现的天数和所占百分比分别为3 d、8 d、12 d和0.8% 、2.2% 、3.3% 。大连地区高PM10质量浓度多出现在每年4—5月和9—12月，最高PM10质量浓度出现在2011年5月，约为99.7 μg·m-3；低PM10质量浓度多出现在1—2月，最低值约为50～60 μg·m-3。根据表3结果，2010—2012年大连地区高PM10质量浓度多出现在春季，最大值约为76～88 μg·m-3，秋季其次（67～70 μg·m-3），而低PM10质量浓度则多出现在夏季和冬季，平均值约为50～60 μg·m-3。大连地区大气能见度在6—8月较小，而PM10质量浓度在6—8月并没有出现相应的高值，这说明PM10并不是影响大连地区夏季能见度降低的主要因子，伴随出现的较高的相对湿度与气温和较弱的地面气压场及较低的地面风速等天气条件，则是导致能见度降低的主要原因[26]。

表1 2010—2012年大连地区大气能见度与PM10质量浓度和气象要素年均值

表2 2010—2012年大连地区大气能见度变化趋势

表3 2010—2012年大连地区大气能见度与PM10质量浓度和气象要素季节平均值

2010—2012年大连地区平均风速较为接近，约为3 m·s-1；年平均气温变化不大，范围在10.3～10.6℃；2010年的相对湿度约为71.5% ，明显高于2011年（63.1% ）和2012年（61.9% ）；年平均气压变化较小，范围在1 005.6～1 006.6 Pa（表1）。2010—2012年6—8月相对湿度平均值较高，3—5月相对湿度平均值较小；每年12月—次年4月风速平均值较大，7—8月风速平均值较小；气温年平均值变化呈现“一峰一谷”趋势，1—7月气温平均值明显增大，8—12月平均气温呈减小的趋势；年平均气压呈“一谷一峰”的变化趋势，1—7月平均气压呈减小的趋势，8—12月平均气压呈增加的趋势。

根据不同气象要素的季节变化来看（表3），夏季相对湿度最大（77.3% ～85.7% 左右），秋季和冬季次之（50% ～70% 左右），春季最小（49% ～63% 左右），2010—2012年相对湿度呈逐年下降趋势；春季和冬季平均风速最大，可达3.3 m·s-1，秋季次之，约为2.8 m·s-1，夏季平均风速最小约为2.5 m·s-1，2010年整体平均风速较大；2010—2012年气温变化较为一致，春季、夏季、秋季、冬季平均气温约为10.0℃、22.0℃、13.0℃和-4.0℃；夏季平均气压最小，约为995.0 hPa，秋季和冬季气压逐渐增加为1 006.0～1 009.0 hPa、1 011.0～1 015.0 hPa左右，春季平均气压降低，约为（1 011.8±7.2）hPa。春季风速较大，有利于大气中污染颗粒物的扩散，使能见度总体较好；而夏季气温较高，能见度受空气中水汽含量的影响显著，加之地面气压较弱低，易导致低能见度事件的出现，此外，由于夏季光化学反应生成的二次气溶胶细粒子也是造成大气能见度降低的又一个因子[27]。

2.3 大气能见度与气象要素的相关性

由表4可知，能见度与相对湿度呈显著的负相关关系，春季、夏季、秋季、冬季大气能见度与相对湿度的相关系数分别为-0.55、-0.58、-0.68和-0.65，说明大气中的水汽含量对大气气溶胶粒子的吸湿增长有着一定影响，使得大气透明度减小，能见度降低。此外，我们进一步分析了PM10质量浓度与相对湿度的相关性。PM10质量浓度与相对湿度在春季和夏季呈负相关关系，相关系数分别为-0.23和-0.34；而在秋季和冬季呈正相关关系，相关系数分别为0.22和0.22。PM10质量浓度与相对湿度在春季和夏季出现负相关性可能与春季的大风导致的污染物扩散和夏季的降水导致的湿清除效应有着一定的关系。

为了更好地分析不同相对湿度条件下大气能见度和与PM10质量浓度的相关性，将相对湿度（Relative Humidity，RH）划分为8个范围（表4），分别对不同相对湿度条件下大气能见度与PM10质量浓度的相关性进行分析。由表4可知，随着相对湿度的增加，能见度和PM10质量浓度均呈逐渐降低趋势，当相对湿度超过80% 时，能见度＜10 km，PM10质量浓度小于70 μg·m-3。大气能见度与PM10质量浓度呈负相关关系，并且随着相对湿度的增加，相关系数逐渐减小。当相对湿度＜50% 时，能见度与PM10质量浓度相关系数超过-0.50，当相对湿度＞90% 时，能见度与PM10质量浓度相关系数减小至-0.23。该结果表明，随着相对湿度的增加，PM10质量浓度并不是影响大连地区能见度降低的重要因子，大气气溶胶的吸湿增长导致大气光散射能力增强，是导致能见度减小的重要原因之一[28]。

表4 2010—2012年大连地区不同相对湿度条件下大气能见度与PM10平均值及相关性

2.4 大气低能见度形成与气象要素变化特征

图1为大连地区2010—2012年低能见度（VIS＜10.0 km）的月分布图。从图1可知，大连地区低能见度事件每年7月较多，1月较少；2010—2012年7月低能见度分别出现22、28、25 d，2010—2012年1月低能见度分别出现10、2、10 d。从整体上看，2010、2011、2012年大连地区低能见度分别出现169、157、163 d。

表5为2010—2012年大连地区低能见与PM10质量浓度和气象要素的平均值。当能见度（VIS）＜1.0 km时，PM10质量浓度为70.2 μg·m-3、相对湿度为92.7% 、风速约为2.4 m·s-1；当1.0≤VIS ＜5.0 km时，PM10质量浓度为70.2 μg·m-3、相对湿度为92.7% 、风速约为2.4 m·s-1；当5.0≤VIS ＜10.0 km时，PM10质量浓度为70.2 μg·m-3、相对湿度为92.7% 、风速2.4 m·s-1。随着能见度的恶化，PM10质量浓度的变化并不显著，而相对湿度的变化则较为明显，当能见度＜1.0 km时相对湿度＞90% ，这与曹祥村等[24]指出的当相对湿度＞90% ，大连出现低能见度概率较高的结果相一致。

图1 2010—2012年大连地区低能见度月变化

表5 2010—2012年大连地区不同范围能见度与PM10和气象要素平均值

当能见度（Visibility，VIS）＜1.0 km时，能见度与PM10质量浓度呈正相关，相关系数为0.27，而当能见度1.0≤VIS＜5.0 km和5.0≤VIS ＜10.0 km时，能见度与PM10质量浓度相关性较弱，这说明能见度恶化时，大气能见度应该与气溶胶细粒子的相关性更大。当能见度在5.0≤VIS＜10.0 km变化范围，大气能见度与平均相对湿度呈负相关，相关系数为-0.14和-0.12，当能见度在＜1.0 km变化范围，大气能见度与平均风速呈负相关，相关系数为-0.14；当能见度在1.0≤VIS＜5.0 km变化范围，大气能见度与平均气压呈正相关，相关系数为0.21。

2.5 一次辐射平流雾和一次浮尘天气过程中低能见度天气成因分析

本文结合2010—2012年一次典型大雾和浮尘天气过程，从环流形势和地面气象要素场及探空资料的分布特征对大连地区低能见度天气成因进行分析，讨论导致大连能见度降低的主要气象成因。

2011年10月27日—11月3日大连地区出现辐射平流雾。由图2可知，27日大气能见度较高，约为12.0 km，地面平均风速较大约为3.1 m/s，有利于污染扩散（PM10质量浓度较低约为58.0 μg·m-3）。29—31日，能见度从10 km迅速降低至不足1km，平均值约为0.8 km。同时，PM10质量浓度出现显著增加，最大值出现在10月31日，约为142 μg·m-3。在此次大雾过程中，平均风速减小至1.5 m/s左右，相对湿度由63% 增加至10月31日重污染期间的90% ，而随着污染事件的结束，相对湿度降低至约为60% 。

根据地面与850 hPa天气形势图可以看出（图3），30日20时大连地区处于中心位于50°N，130°E低涡底后部和南部中心位于36°N，120°E反气旋环流顶部之间的西南流场中，气压梯度较大，低空水汽通道开始建立，近地面水汽饱和度逐渐增大。31日02时，南北两个环流系统东移北上，大连地区逐渐转入南部反气旋环流顶部，水汽条件进一步变好，有利于大雾形成和发展。此时，近地面水汽逐渐达到饱和，并且伴随低层弱的辐合上升运动，有利于大雾天气的发展和维持。

由温度对数压力图（图4）可知，30日20时，地面到1 km高度之间温度露点差较小，并且有西南暖湿气流持续输送，近地层水汽饱和度不断增大，2 km和3 km高度附近都存在逆温层，并且所在高度为西到西北风，表明高纬度的高空干暖空气加入，给本地低层暖湿空气“加盖”，有利于低层空气饱和度增加，此种上下层配置有利于大雾的形成和发展。31日08时探空曲线显示，由于夜间长波辐射作用，近地面0.2～0.5 km和0.8～1.2 km出现两层浅薄逆温层。

图2 大连一次辐射平流雾期间能见度（a）、平均风速（b）、相对湿度（c）和PM10（d）变化

图3 2011年10月30日20时地面（a）和850 hPa（b）、10月31日02时地面（c）和850 hPa（d）、10月31日08时地面（e）和850 hPa（f）天气形势图

图4 2011年10月30日20时温度对数压力图

大连地区特别是在秋冬季节，由于海水热容较大，夜间辐射降温效应不如陆地明显，由海面平流到陆地的为相对暖湿空气（以31日02时地面气温为例，大连本站气温为13.1℃，长海（海岛站）气温为14.2℃），2～4 m/s的南风就有可能出现辐射和平流两种作用叠加在一起的大雾天气，由于近地面比湿较小，容易同时出现空气污染物浓度超标情况。

图5为2012年4月25日—5月2日大连一次浮尘事件中大气能见度与平均风速和相对湿度以及PM10质量浓度的日变化。水平能见度在污染发生期间开始急剧降低，最低能见度出现在4月29—30日，平均值约为0.4 km。污染期间平均风速分别为4.4 m/s、2.6 m/s、2.9 m/s，有利于粗粒子的垂直输送。较大PM10质量浓度出现在4月28日和29日，平均值分别约为493.0 μg·m-3和435.0 μg·m-3。此次沙尘事件中能见度的骤降可能与大风浮尘事件有关，污染事件发生过程中，空气较为干燥，较低相对湿度出现在4月28日，约为26% 。

4月28日08时大连地区高空处于中心位于50°N，120°E的东北冷涡底后部的西到西北气流场中，处于急流区，高空风力较大，28日20时，东北冷涡东移，大连地区处于冷涡底部的高空急流中，29日08时，大连地区处于冷涡底后部的西北急流区中，有利于内蒙古和辽宁西北部沙源地的沙尘向东南方向输送。28日20时探空曲线（图6）表明，地面到1.5 km高度之间温度露点差较大，干冷空气在西北方向向东南方向自高空向近地面侵入，浮尘天气出现，3 km以上由于受高空偏西气流场控制，仍然为较为稳定层结。

图5 2012年4月25日—5月2日浮尘期间能见度（a）、平均风速（b）、相对湿度（c）和PM10d变化

图6 4月28日20时温度对数压力图

图7为2011年10月31日和2012年4月28日大连一次辐射平流雾过程与一次浮尘事件24 h气团后向轨迹图。从轨迹分布可以看出，此次大雾事件中的水汽输送来自西南风气流，有利于大雾天气的发展；浮尘事件的沙尘则通过西北方向的沙源地向大连地区输送。

3 结论与讨论

（1）2010—2012年大连地区大气能见度年均值分别约为13.5 km、13.2 km和13.9 km，能见度高值多出现在10月—次年2月，能见度低值多出现在每年的6—8月；低能见度（VIS<10.0 km）事件每年7月较多，1月份较少；从整体上看，2010、2011、2012年大连地区低能见度事件分别出现169、157、163 d。

（2）PM10质量浓度年均值分别为57.8μg·m-3、67.4 μg·m-3和65.9 μg·m-3，PM10质量浓度高值多出现在每年的4—5月和9—12月，PM10质量浓度低值多出现在每年的1—2月。

（3）较高的相对湿度和大气颗粒物的含水量导致了大气能见度的降低。当相对湿度小于50% 时，能见度与PM10质量浓度相关系数超过-0.50，当相对湿度大于90% 时，能见度与PM10质量浓度相关系数减小至-0.23。

图7 大连地区24 h后向轨迹

（4）2011年10月27—1月3日大连一次辐射平流雾导致的低能见度过程由高空纬向暖干空气和低层暖湿空气共同作用造成，高层暖干空气起到“暖盖”作用，低层暖湿空气提供水汽，增加空气饱和度，大雾过程中的水汽输送来自低层南到西南风气流；2012年4月25—5月2日大连一次浮尘事件导致的低能见度过程由东北冷涡后部的高空西北急流冷空气造成，浮尘过程中的沙尘来自西北方向沙源地。