（气象学专业论文）上海市大气能见度研究.pdf

海市大气能见度 f 究 摘要 摘要 通常的能见度是指水平能见度，即视力正常的人在当时天气条件下，能够从 天空背景中看到和辨认出目标物( 黑色、大小适度) 的最大水平距离；夜间则是 指能看到和确定出的一定强度灯光的最大水平距离。 众所周知，能见度是一种复杂的大气现象，与空气质量和气象条件密切相关。 研究发现能见度与吸湿性的颗粒状污染物和相对湿度密切相关，特别是硫酸盐颗 粒潮解起着重要作用；就天气背景而言，能见度往往是大、中、小尺度天气系统 和包括大气化学反应的空气污染过程共同作用的结果：考虑特定的沿海城市背 景，还需着重考虑不同天气条件下，城市热岛环流和海陆风对不同粒径的气溶胶 输送及光化学烟雾形成的影响。 为了搞清沿海城市能见度变化的物理化学机制，本论文通过对1 9 9 8 2 0 0 2 年5 年能见度和气象资料、污染资料的分析，对能见度本身的变化特征及其影响 因子特别是由气一粒转化大气化学过程产生的二次粒子做了深入探讨，在此基础 上开发了基于系统辨识理论的上海市水平大气能见度预报模式。具体工作及结果 如下： 1 、本市能见度的变化与气象条件和污染排放有着较大的关系。在一天中， 以早晨为最差，午后为最好，其日变化十分明显，这种变化特征与气象条件尤其 是对流混合层高度的变化密切相关。在月变化方面，一年中的7 月1 0 月为最 好季节。 2 、影响能见度的空气污染因子，不仅包括一次源，还应包括经由气一粒转化 化学反应而产生的硫酸盐、硝酸盐等二次污染粒子。引入气一粒转化化学反应模 式，更加贴近能见度变化过程的大气物理和化学机制。 3 、通过探讨由气相h 2 s 0 4 ，h n 0 3 ，n h 3 和h 2 0 形成二次气溶胶的理论， 建立了气一粒转化模型，模式考虑了两个方面的化学反应机制，即：s o ：转化为s o ； n 0 x ( 包括n 0 + n 0 ：) 物质转化为n 0 ，的化学反应机制。利用此模式的个例计算结果 表明，s 0 2 和n o x 的转换率以及硝酸的形成率均随温度升高而增大，得到了与 北京( 2 3 h ) 和广州( 2 9 h ) 夏季观测值比较一致的结果。 4 、利用因子分析方法，将影响能见度的诸多因子归纳总结为6 类公因子 即：( 1 ) 公因子f 1 ，代表常规气象因子：( 2 ) 公因子f 2 ，代表污染因子；( 3 ) 公因子f 3 ，代表气粒转化速率因子；( 4 ) 公因子f 4 代表绝对湿度因子；( 5 ) 公因子f 5 ，代表云量因子：( 6 ) 公因子f 6 ，代表风向、风速和稳定度因子，以 反映污染物质的扩散和运移能力，简化了模型结构。 5 、基于系统辨识理论的水平能见度预报模式考虑了气象以及污染因子对能 见度的影响，考虑了能见度预报方程中预报历史对当次预报结果的影响，根据三 海市大气能见度研究摘裂 年的预报结果分析，预报准确率为6 8 0 ；预报基本准确率为8 1 0 。系统结 构简单，预报准确率较高。可以投入实际能见度预报业务运行。 通过本论文的研究，不仅有助于搞清沿海城市能见度变化的物理化学机制， 而且对于2 0 1 0 年上海世博会期间，城市大气环境的全面改善，树立良好的城市 形象有着十分重要的意义。 关键词： 能见度气一粒转化气溶胶因子分析系统辨识 上海市大气能见度研究 a b t r a o a b s t r a c t v i s i b i l i t yi su s u a l l yd e f i n e dt om e a n t h ef u r t h e s td i s t a n c eo n ec a ns e ea n di d e n t i f y a no b j e c ti nt h ea t m o s p h e r e a si sk n o w nt oa l l ，a sac o m p l e xa t m o s p h e r i cp h e n o m e n o n ，v i s i b i l i t yi sr e l a t e dt o a i rq u a l i t ya n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o ns e v e r a lr e c e n tr e s e a r c hs h o wt h a tv i s i b i l i t y i st i e du pt op a r t i c l ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y , e s p e c i a l l yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns u l f a t e p a r t i c l e sd e l i q u e s c e n c e a sw e a t h e rs y s t e mi sc o n c e r n e d ，v i s i b i l i t yr e s u l t sf r o mt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nv a r i a b l es c a l ew e a t h e r s y s t e ma n d a i rp o l l u t i o np r o c e s si n c l u d i n g a t m o s p h e r i cc h e m i s t r ya c t i o n s f o rs p e c i a lc o a s t a lc i t i e s ，a e r o s o lt r a n s p o r t a t i o na n d p h o t o c h e m i c a ls m o gf o r m a t i o ns h a l lb ec o n s i d e r e df r o mt h ei n f l u e n c eo fu r b a nh e a t i s l a n dc u r r e n ta n ds e a l a n dw i n du n d e rd i f f e r e n tw e a l h e rc o n d i t i o n s b a s e do n5 - y e a r sv i s i b i l i t yd a t a ，m e t e o r o l o g i c a ld a t aa n d p o l l u t a n td a t af r o m19 9 8 t o2 0 0 2 ，t h ep a p e rp r e s e n t sas t u d yf o rt h ev i s i b i l i t y sc h a r a c t e r i s t i ca n di t s i m p a c t ， e s p e c i a l l yt o s e c o n dp a r t i c l ed e r i v e df r o mg a s t o - p a r t i c l et r a n s f o r m a t i o n t h e nt h e a u t h o rd e v e l o p e dah o r i z o n t a l v i s i b i l i t yf o r e c a s tm o d ew i t hs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n d e t a i l e dc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w e d ： 1 t h e r ei sa g r e a tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s i b i l i t yv a r i e t ya n dw e a t h e rc o n d i t i o no r p o l l u t a n te m i s s i o n si ns h a n g h a i t h ed i u r n a lv a r i a t i o no fv i s i b i l i t yi ns h a n g h a iw a s a p p a r e n t t h e r ew a sl o wv i s i b i l i t yi nt h em o r n i n ga n dh i g hv i s i b i l i t yi nt h ea f t e r n o o n t h i sp h e n o m e n o nw a sc o r r e l a t e dt om e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l y m i x e d l a y e r h e i g h t t h e r ea p p e a r sh i g hv i s i b i l i t yd u r i n gj u l t oo c t i no n ey e a ra sf o rm o n t h l y v a r i a t i o n 2 a i rp o l l u t i o nf a c t o r si n c l u d es u l f a t eo rn i t r a t es e c o n d p a r t i c l e sd e r i v e df r o m g a s t o - p a r t i c l e t r a n s f o r m a t i o na sw e l la s o r i g i n a lp a r t i c l e s i t w i l lb eb e t t e r a p p r o p r i a t et oa t m o s p h e r i cp h y s i c sa n dc h e m i s t r ym e c h a n i s mf o rv i s i b i l i t yv a r i e t yi f g a s - t o - p a r t i c l ec h e m i s t r ya c t i o n sa r et a k e ni n t oa c c o u n t 3 b a s e do ng a s 。p l m s et o s e c o n d p a r t i c l et h e o r y , w ed e v e l o p e dag a s t o p a r t i c l e t r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mi n c l u d i n gt w oc h e m i c a la c t i o n s ：s 0 2 t os 0 4 5a n dn o 。 t on 0 3 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s f o r m a t i o nr a t eo f s 0 2a n dn o x o rt h ef o r m a t i o n r a t eo fn i t r i ca c i di si n c r e a s i n gw i t ht e m p e r a t u r e w eg o ts i m u l a t e dr a t e s 2 3 hi n b e o i n ga n d2 9 1 3 i n o u a n g z h o ui ns u m m e rw h i c ha r ec o n s i s t e n tt om o n i t o r i n g v a l u e s o b s e r v a t i o n s 4 ，t h ef a c t o r sw h i c h i m p a c tv i s i b i l i t ya r ei n d u c e di n t o6s p e c i e sb yf a c t o ra n a l y s i s ： 上海m 火气能见度研究 f 1 一g e n e r a lm e t e o r o l o g i c a l f a c t o r ；f 2 一p o l l u t a n tf a c t o r ；f 3 - g a s t o p a r t i c l e t r a n s f o r m a t i o nr a t e ；f 4 一a b s o l u t e h u m i d i t y ；f 5 - c l o u d a g e c l o u d c o v e r ；f 6 - w i n d d i r e c t i o n w i n ds p e e d v e l o c i t ya n da t m o s p h e r i cs t a b i l i t y 5 t h eh o r i z o n t a lv i s i b i l i t yf o r e c a s tm o d eb a s e do n w i t hs y s t e mr e c o g n i t i o nt h e o r y t o o ki n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo fm e t e o r o l o g i c a lf a c t o ra n dp o l l u t a n tf a c t o rt o v i s i b i l i t ya sw e l la st h ei n f l u e n c eo ff o r e c a s th i s t o r yt oc u r r e n tf o r e c a s to u t c o m ei n v i s i b i l i t y f o r e c a s tf u n c t i o n s a c c o r d i n gt o t h r e e y e a r s f o r e c a s tr e s u l t s t h ef o r e c a s t p r e c i s i o nr e a c h e s6 8 o w h i l et h ep r i m a r y f o r e c a s tp r e c i s i o ni s81 o t h em o d eh a s a s i m p l e s t r u c t u r ea n dh i g hf o r e c a s t p r e c i s i o n ，w h i c h s h a l lb eu s e di n v i s i b i l i t y f o r e c a s to p e r a t i o n t h i sr e s e a r c hi s s i g n i f i c a n tn o to n l yt oh e l p a sm a k ei tc l e a rt h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lm e c h a n i s mo fc o a s t a lc i t y s v i s i b i l i t yv a r i e t yb u ta l s ot oi m p r o v eu r b a n a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ta n db u i l d - u pf a v o r a b l eu r b a nv i s u a l i z ed u r i n ge x p o 2 0 10 s h a n g h a i k e yw o r d s ：v i s i b i l i t y , g a s p a r t i c l et r a n s f o r m a t i o n ，a e r o s o l ，f a c t o ra n a l y s i s ，s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n 段玉森硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张超教授华东师范大学主席 李朝颐教授华东师范大学 黄家鑫高工上海市气象局 王远飞教授华东师范大学 乐群副教授华东师范大学 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名日期：匹丛：尘：珍 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名导师签名 日期：理丛：圭! 矽日期：巡丛 上j 甸_ 1 1 i 大气能见度研究鹅一章引言 第章引言 1 1 能见度概述 大气污染是2 l 世纪人类面临的最严重的危机之一。工业和经济的发展造成 了空气质量的严重恶化。近几十年来，国际上许多大都市都对日益严重的大气污 染现象进行了全面的综合整治，取得了令人瞩目的成果。“九五”期间，通过 系列大气污染控制措施，我国一些大城市如上海等地的环境空气质量已由单纯的 煤烟型污染转变为石油型与煤烟型并重的复合型污染，空气质量有了明显改善， 但依然存在着一些急待解决的问题，其中影响居民生活和城市生态景观的上海城 市能见度就是主要要解决的问题之一。 通常的能见度系指水平能见度，即指视力j 下常的人在当时天气条件下，能够 从天空背景中看到和辨认出的目标物( 黑色、大小适度) 的最大水平距离；夜间则 是能看到和确定出的一定强度灯光的最大水平距离。除气象因素外，能见度的降 低主要是由于大气中的污染物质尤其是气溶胶对可见光的吸收和散射所产生的 消光作用所致，描述大气消光性质的参数称为消光系数。 多年的观测研究表明，气溶胶和气态污染物在其浓度小时对能见度的影响尚 不显著。但如果其浓度特别高时，则会改变天空颜色，使能见度减小哆例如空 气中的n o 。能吸收一定波长的可见光。当其浓度极大时，会使天空呈现棕褐色 2 。 在这样的天色背景下，使分辨目标物发生困难，造成视程障碍。除纯气象条件外， 在绝大多数情况下，导致城市能见度减低的因素是大气中悬浮的颗粒状污染的光 散射作用，其中以粒径小于2 ，5 p m 的颗粒物、硫酸盐、硝酸和碳黑等最为重要【”， 光化学烟雾等一类气态污染物也是重要的因素之一。尤其是粒径小于2 5hm 粒 子( p m 2 5 ) 的粒度谱分布、化学组成与大气能见度关系非常密切。其来源主要 有2 个方面，一个是由燃烧设备、机动车尾气等污染源的直接排放造成的；另一 方面是由s 0 2 、n o x 等污染气体通过大气物理和大气化学反应过程转化生成的。 这种粒子的大气光学效应最为显著，在可见光波段是消光效应最强的大气气溶胶 粒子，因而是城市大气能见度降低的最重要的污染物质。另一方面，在城市区域 大气中细微颗粒物的大量增多，增加了云雾形成的凝结核，因而当空气湿度较大 时，便会加剧大气能见度降低。 大量观测事实证明：城市中的能见度比同时期郊区为小。这种现象的产生主 要是由于城市空气中颗粒状的污染物和气态污染物都比郊区多的缘故。随着城市 能源使用情况的变化，污染物排放浓度不同，其能见度往往出现相应的变化。 1 2 研究目的 由于大气污染导致的能见度恶化，降低了城市居民的生活质量，也影响了城 上拇市人气能见度研究 第一章i 备 市的形象，与上海这座国际大都市的地位极不相称。本论文的目的就是深入分析 造成上海市大气能见度恶化的物理化学机带，寻找影响能见度变化的主要因子， 在此基础上建立上海市水平大气能见度预报模式。 论文的研究目的： ( 1 ) 分析影响上海市大气能见度的主要因子 ( 2 ) 深入分析因子本身的特征和变化规律 ( 3 ) 分析污染物气粒转化机理，建立“气粒转化大气化学模式” ( 4 ) 归纳总结影响上海市大气能见度的主要因子 ( 5 ) 建立“基于系统辨识理论的上海市水平大气能见度预报模式” 1 3 国内外研究进展 一些发达国家对城市能见度研究的热潮，主要起始于二十世纪七十年代到八 十年代，当时结合城市气候和城市大气环境的研究，主要借助于对资料的天气气 候分析和数理统计，得到一些十分有意义的结论，而对城市气溶胶化学、光化学 烟雾和气一粒转化模式等的探索，一直是持续不断【4 】。西欧和北美对燃煤产生的 s 仉污染问题做了大量研究i 作，发现硫酸盐对大气能见度的影响和对人体健康 的危害是大气污染的后果之一。苏维瀚等1 5 j 曾对北京地区大气能见度与大气污染 的关系进行了研究，指出北京地区平均大气能见度在1 9 7 0 1 9 7 9 年1 0 年降低了 6 1 0 k m ，平均每年降低0 6 l i c j n ：对j 七京地区大气能见度的研究表明：大气能 见度的变化受大气中硫酸根浓度、颗粒物浓度、相对湿度和小于1 0 帅颗粒物浓 度的影响较大嘲，造成北京地区低能见度的主要天气现象是雾【7 】o 根据上海龙华( 代表受城市影响显著站) 和长江口引水船( 代表郊区站) 同时 期能见度观测资料的对比结果p - j q ，在6 0 年代初期龙华这种低值能见度出现频率 在2 0 左右，比引水船站还稍低。但到1 9 6 8 年以后逐年增长，到了7 0 年代末 期，其出现频率增加到3 0 左右。而在同一时段内长江口引水船低值能见度的 变化则与此不同，逐年皆比龙华站低。显然这是因为龙华站受上海城市影响，空 气污染浓度增加，导致能见度水平下犟，其与长江口引水船的差距愈来愈大。在 1 9 6 1 一1 9 7 9 年1 9 年阅0 8 时低值能觅废出现频率皆是龙华站显著高于长江口引 水船站，说明上海城市对能见度的影响十分明显。 2 卜街市大气能见艇础究 1 3 1 天气对能见度的影响 图1 11 9 7 5 年4 月1 6 日8 时地面天气图 能见度的基本特征是由区域气候条件决定的。能见度与气象要素风、相对湿 度、混合层高度等有明显的相关关系【8 j 。尤其是，能见度低劣与各种天气现象和 天气形势紧密相联系。例如，1 9 7 5 年4 月1 6 - - 1 7 日：1 5 只早晨起，上海即为e 、 e s e 风。绝对湿度持续上升，使相对湿度在1 5 目2 0 时即达9 7 ，并直到1 8 日晨均维持在这一水平上。i 6 日8 时地面天气图( 图1 1 ) 上，上海处西南低槽 内，静止锋在杭州湾。在锋停滞期间，地面风速微弱，高空有逆温存在，因此十 分有利于水汽凝结和微粒物质的聚集，使能见度低劣。1 7 同8 时地面图上表明 原静止锋上产生波动并东移出海，上海处气旋波动后部，此时气温与绝对湿度都 逐步下降，但气旋后部为雨区，因而仍因雨雾迷蒙而使能见度低劣。这种情况使 1 8 同全天仍因降水而使能见度小于4 公里。一直到2 0 日，有股较强冷空气南 下，大陆冷高压控制整个长江中下游地区，上海的能见度才见好转。 1 3 2 直接排放的大气污染颗粒物与能见度的关系 早在上个世纪五十年代，一些科学家就对英格兰的曼彻斯特城市中心和郊区 飞机场在0 9 时观测到的低值能见度( 1 0 0 0 m = 各月出现日数进行过统计【9 】，结 果表明曼彻斯特城中心的低值能见度( 1 0 0 0 m = 出现日数各月皆比郊区多，全 年要比郊区多2 1 2r 。城区年平均低值能见度出现日数相当于郊区的2 5 7 倍。 自1 9 5 4 - - 1 9 5 6 年伦敦实施空气净化措施后，伦敦商业区空气中的颗粒状污染物 质有显著减少现象【i 。】。1 9 5 9 - - 1 9 6 4 年空气中烟尘含量比1 9 5 4 - - 1 9 5 9 年要减低 3 2 ，能见度有明显的好转，小于5 0 0 m 的能见度显著减少。英国其他城市亦有 类似情况】。 在美国洛杉矶，七十年代初的统计显示， 5 0 k m 的能见度都比以前 减少，而在5 l o k m 的中等能见度却显著增加。有人认为这和能源使用的情 况有关。由于洛杉矶过去使用能源以煤为主，燃煤所产生的烟尘往往导致能见度 i ：海市大气能见度 川究 小于2 k m 。后因改用石油为主要能源，这种烟尘减少， 5 0 k m 的能见度亦锐减【i “。据研究，当洛杉矶 飞机场风速小利，能见度的降低与每天石油消耗量具有线陛关系。估计每天消耗 石油量增多2 5 十1 0 3 l ，会导致能见度减低i k m l j 。 根据美国西南部十几个飞机场气象站连续2 5 年的能见度观测资利和美国国 家大气监测网的空气污染浓度资料i l ”，研究其能见度的历史变化，并着重分析 大气污染对能见度的影响，用大量观测事实证明城市能见度水平低于同时期的附 近郊区。例如豁城湖、菲尼克斯、塔克森和丹佛等4 个城市机场站能见度累积频 率中值为3 0 一5 5 哩，而郊区1 2 站能见度累积频率中值为6 5 8 0 哩。城市中良 好能见度出现频率已从本世纪5 0 年代中期到7 0 年代初期下降了1 0 3 0 ，蓝 天冉现的频率减少了2 0 一7 0 。这主要是由于空气中二次污染物( 氮化物和硫酸 盐) 的消光作用所产生的结果。特别值得提出的是当1 9 6 7 1 9 6 8 年期间，美国 西南部大城市钢厂工人曾进行大罢工9 个月，在这9 个月问，空气中这种二次污 染物浓度大幅度下降；下降幅度在4 0 7 0 左右。由于这种污染物浓度的卜降， 使得该地区能见度水平显著提高，其提高水平约在5 2 5 左右。 据印度学者的研究，印度孟买随着城市工厂数的逐年增多，排放至空气中的 颗粒状污染物与年俱增。在1 2 月至次年2 月期间低值能见度( 3 k i n = 出现次数 明显上升，孟买城市低值能见度( 3 k m = 出现次数在1 5 年内增加了5 0 倍。它是 在冬季静风有低层逆温时，颗粒状污染物浓度增大所致，并不是雾同增多的缘故 0 6 1 。 香港皇家观测所的研究人员应用香港两个城市站和两个郊区站同时期能见 度观测资料来分析其城、郊差异和年变趋势。结果表明，1 5 年中城区站的低 位能见度出现频率逐年皆大于郊区站，说明城区大气质量逊于郊区。在一年中以 3 月份低值能见度出现的频率为最大。这是因为3 月香港的大气层结为最稳定， 该月的气温垂直递减率是一年中的最低值。大气层结稳定有利于大气中污染物在 低层集聚。特别是颗粒状污染物的浓度增大，遂导致低值能见度的频率增高。月 平均气温垂直递减率与低值能见度两者的反相关关系十分密切。且在低值能见度 峰区城市与郊区能见度的差值特别显著。 对西安城、郊能见度的差异分析证实，就全年白天而论，能见度城市比郊区 小l k m ，各季中春季肛l 大，湍流交换强，城内外能见度差别不大。夏秋两季城郊 差别最大可达3 k m 左右，城市能见度的r 变化亦因大气稳定度而定f ”。 根据北京中国科学院环境化学研究所的研究【馆j ，1 9 7 0 - - 1 9 7 9 年北京地区大 气能见度平均值几乎是逐年下降。在1 9 8 0 - - 1 9 8 4 年期间北京地区低值能见度( 小 于4 k m ) 出现频率为1 3 2 0 ，其中约有半出现在早晨8 时，能见度小于】o k m 海市人气能见度州究 的出现频率高达5 0 ，可见北京大气能见度水平之低。天津能见度情况与北京 相类似。京律地区的能源中煤炭约占8 0 ，其消耗量逐年增加。据分析，年耗 煤量每增加1 m r 能见度约降低0 1 级，相当于降低0 61 o k m 。在此期间小于 4 k m 的低值能见度出现频率也随之增大，二者相关系数为0 9 7 。由此可见，燃煤 所造成的大气污染对能见度的影响是十分显著的。 进一步的分析发现大气中主要颗粒状污染物硫酸盐和含碳化合物对大气能 见度的降低起着重要作用。二者对消光系数的贡献分别为5 2 5 8 $ n2 2 2 9 ， 而气体污染物的贡献较小。 上述研究说明，空气中颗粒物对能见度的影响十分明显，这些颗粒物主要来 自于工业燃煤、建筑材料、汽车尾气和风蚀扬尘卫“。但根据课题组近年来对上 海市气溶胶分级采样数据的分析表明，在有些地区，p m l 0 可占总悬浮颗粒物总量 的7 0 8 0 ，而这些细颗粒对能见度的影响要大于粒径较大的粒子 2 1 , 2 2 】。例如在 对北京地区车辆排放颗粒物与能见度关系的研究中| 2 ，通过颗粒物浓度谱与能 见度的关系可以发现，能见度与某些粒径段的粒子相关性非常好，比较表明，对 能见度影响较大的为0 7 - 0 8 岫左右和l o 岬左右粒子。 城区能见度除受大气污染的影响外，还与湿度、风速、风向等气象条件及雾、 降水、浮尘等天气有密切关系 2 4 】。例如对上海2 0 年统计资料的分析，就可发现， 能见度小于l k m 时，相对湿度没有小于8 5 的：而相对湿度小于5 0 o 时，能见 度一般大于2 k m 。显然这是由于相对湿度大时，空气中水汽多，水汽能吸收一部 分太阳辐射，且又易被吸湿性的颗较状污染物吸收，特别是在硫酸盐粒潮解中起 着重要作用。风速对能见度的影响比较复杂，随着风速的加大，能见度逐渐变好。 但由于其影响主要表现在它对污染物和水汽的输送上，因此不同背景下，具体表 现可有很大不同1 2 5 2 6 1 。 1 3 3 城市大气光化学反应过程中的气粒转化研究1 2 7 , 2 8 i 由于细小颗粒物( 尤其是粒径小于2 p m 的粒子) 表面积大，为大气中的化学 反应提供了良好的反应床。同时，气溶胶中的某些化学成分，对大气中的许多化 学反应有催化作用，而且其本身也是某些化学成分的终结产物。在大气颗粒物的 各个尺度段里，次微米尺度段的粒子对人类的健康、太阳的消光以及大气中的酸 沉降等都是非常重要的，大气中的二次气溶胶尤其是通过气一粒转化生成的气溶 胶主要集中在这个尺度内。通过气粒转化形成的气溶胶中最主要的是硫酸盐、硝 酸盐、氨和水。因此，探讨怎样由气相h ：s n ，h n o 。n h 、和h ：o 形成二次气溶胶已 经成为理论和试验研究的目标1 2 。 通过模式试验来研究气溶胶的形成、物理特性、化学组成是一种比较实用的 方法。虽然因研究侧重点不同而注重不同的方面但作为一个理想的模式应该在 海市大气能见度研究 第一章引言 一定的可信度内能够预测气溶胶的总量以及随粒予尺度而变化的化学组成，而且 模式可以适用于较大的模拟区域并有较好的计算效率【 。 1 3 4 气态污染物对城市能见度的影响 光化学污染是一种严重危害人体健康和工农业生产的二次污染物。在发达国 家已经成为十分突出的大气污染问题。他们通过光化学污染的主要指标臭氧 及其前体物氮氧化物的浓度与气象关系的研究，得出某些气象指标和不同程度光 化学污染之间的定量关系。在上海，臭氧浓度的某些特征与气象条件的关系表现 在：冬季的0 。浓度比夏季高；0 ；浓度和n o x 浓度相关较好，反映了n o x 的光解对 生成低层0 ：。所起的作用比0 ：的直接光解更重要：0 3 浓度日变化和太阳辐射总量 日变化相当一致，0 。的峰值出现时间比n o x 的峰值时间推迟3 h 左右：0 。浓度的 逐日变化和气象参数存在一定的对应关系【3 ”。 1 4 论文架构 本论文的内容，依据研究流程与目的，共分为六章节说明之。 第一章引言。说明能见度问题的研究意义、研究目的及国内外研究现状， 介绍本论文的主要内容和采用的研究方法。 第二章 上海市大气能见度变化特征分析。分析上海市大气能见度的日变 化和年变化特征以及不同风向风速、不同云量和存在降水影响 状况下能见度的变化特点。 第三章导致能见度降低的气一粒转化大气化学模式研究。 第四章影响能见度的诸因子分析。通过因子分析，提取主因子，构造能 见度预报因子变量矩阵。 第五章 基于系统辨识理论的水平大气能见度预报模式。运用晟小二乘系 统迭代方法预报对上海市做每天的能见度预报。 第六章结论及展望。对预报结果和效果进行总结，分析造成误差的原因， 提出今后预报模式改进的方向。 6 海市人+ t 能见度i ! f _ 究第一幸能见度统计特缸投影响川誊 第二章能见度统计特征及影响因素 本章的主要目的是从能见度与气象要素的日变化、逐月变化、季节变化特征 以及不同能见度等级与对应气象要素平均值的相互关系，统计分析了上海地区大 气能见度与地面气象要素之间的相关性，同时选用水平能见度小于1 k m 的低能 见度作为一个重要指标，研究了其出现频率，多年日均变化曲线及多年日平均、 月平均、季节平均的时变特征以及状态分布特征，最后讨论了雾、浮尘等天气现 象对上海地区低能见度的影响。 资料来源： 数据包括上海某地1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年和2 0 0 2 年5 年逐月、 逐时的常规气象观测资料；污染资料包括1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年 和2 0 0 2 年5 年逐月、逐时的p m 。t s p ，n o 。，s o ：等资料。 2 1 能见度一般概况 平均能见度的日变化呈波形状态，全年r 平均值为5 6 k m ，低值出现在0 7 时左右，此时平均值为4 2 k r m 高值出现在1 5 时左右，此时平均值为6 4k m 。 图2 1 能见度日变化图 季节变化明显，夏秋较好，冬春较差，如图2 2 。 图2 2 能见度月变化图 统计得出( 见表2 3 ) ，7 月1 0 月为全年最好季节，平均6 8k m ，日最低 海市人气能见度研究 第一章能见度统计特 i f ! 及影响索 出现在6 7 时，平均5 1k i n ，1 5 时为最好，平均7 3 k m ；1 1 2 月及2 5 月较 低，平均3 8 k m 。i i _ _ 1 最低出现在7 时，平均3 4 k m ，1 5 时为最好，平均6 2 k m ；1 月最低，平均4 6k m ，1 月能见度闩最低出现在0 7 时，平均3 3 k m ，1 5 时2 2 时为最好，平均5 ，8 k m 。 年极端最低出现在1 月7 8 时，只有3 3 k m ：年极端最高出现在9 月的1 3 1 7 时，平均7 6k m 。日较差最小出现在6 月，r 最低出现在7 时，平均3 9 k m ， 日最高出现在1 5 时，平均5 4 k i n 。 表2 3 每月逐时平均能见度 2 2 云和风对能见度的影响 2 2 1 云对能见度的影响 图2 4 各云量状况下的能见度日变化图 l 、晴天无云时，能见度普遍较好 日低值出现在0 6 0 8 时，平均为4 7 k m ；日高值出现在1 3 1 5 时，平均 7 3 k m 。月低值出现在1 1 1 月，平均为5 6 k m ；月高值出现在7 9 月，平均为 海计i 人气能见度彬f 究 铕一幸能见度统计特矩及蟛响素 7 1 k m 。 7 月、8 月的1 3 2 4 时，能见度普遍大于8k m ；l 3 月的0 6 0 8 时最低 平均只有3 5k m 。 8 。 写6 0 鑫一。 岜 掣2 0 o j 。j - o - l 一 一 、厂 l23 4567891 0 l l l 2 l j l d l s l 6 1 71 8 1 9 z02 1 2 2z 5 2 d t t期 图2 5 无云情况下能见度日变化图 图2 6 无云情况下能见度年变化图 图2 7 无云情况下各月份能见度日变化图 我们对云量低于6 成时实测资料与能见度之间的关系做了状态分布图，从图 中可以看出，云量l 成到6 成之间随着云量的增加，能见度有逐渐降低的趋势， 但并不排除在各种云：l - l r 仍然有较好的能见度；例如：云量为0 到l 成之间的能 见度，含有良好亦或较差的状态，显然这里包含了雾的影响或长距离的输送作用。 海市人气能见度j i 】f 究 第一章能见度统计特征驶影响采 w 1 点 图2 3 低于6 成云量与能见度状态分布图 2 、阴天，云量等于1 0 成时，能见度普遍在5 2 k m 左右，高值不多。 日平均，低值出现在0 6 0 9 时，平均为4 2 k m ；高值出现在2 1 0 3 时，平 均为5 3 k $ 。月平均，1 月最低，极值只有3 o k m ，出现在0 5 时；9 月最高，极 值为8 4 k m ，出现在1 4 时。 3 、少云( 云量小于3 成) 时 日平均，低值出现在0 6 0 9 时，平均为4 6 k i n ；高值出现在1 2 2 2 时，平 均为7 2 k m 。月平均，1 1 月、1 2 月较低，平均4 7 k m ；高值出现在7 月、8 月， 平均为7 6 k m 。 云量1 3 成时，1 1 月、1 2 月的0 7 0 9 时能见度最低，只有3 2 k m ；7 月、 8 月的1 4 2 3 时的能见度最高，普遍达8 1 k m 以上。 4 、多云( 云量4 7 成) 时 日平均，低值出现在0 5 0 8 时，平均为5 1 k m ；1 3 1 9 时出现较高值，7 4 k m ； 2 2 0 2 时出现另一商值，平均7 5 k m 。月平均，1 月最低，5 8 k m ；7 月、8 月最 高，为8 o k m 。7 1 0 月均在7 o k m 以上。 总的来说，云量4 7 成时的能见度，在1 一4 月的0 2 0 9 时普遍较低，平 均3 3 k m ；7 9 月的1 3 1 8 时和1 2 月的0 2 0 4 时，能见度普遍较高，达8 5 k m 以上。 5 、云量为8 9 成时 臼平均，0 6 0 9 时为低值时段，平均5 5 k m ：1 3 1 9 时为高值时段，平均 7 5 k m 。月平均，3 月最低，6 o k m ；9 月最高，达7 9 k m ；8 1 2 月均在7 o k m 以上。云量为8 9 成时的能见度在l - - 2 月的0 6 0 9 时最低，平均4 2 k m ：9 月的0 9 1 5 时和1 2 月的2 3 0 4 时最高，均在8 5 k m 以上。 2 2 2 风速、风向对能见度的影响 能见度与风速、风向之间的关系较为复杂，比如在稳定的非沙尘天气情况下， 北风风速增大会使能见度变得更好( 正相关) ，在沙尘天气时，风速增大会使能 见度更为恶劣( 反相关) 。 游市人气能见度卅究 第一章能见度统汁特钶艘影响圳索 1 、风速小于等于。1m s 时 风速小于等于lm s 时的能见度数值普遍较低，5 o k r a 以下的频数较大。卜| 平均，0 6 0 9 时较低，平均3 5 k m ；2 2 0 2 时较高，平均5 9 k m 。月平均，l l 1 月较低 图2 6l m s 风速下的能见度季节变化 2 、风速大于等于4 m s 时 风速大于等于4 m s 时的能见度，7 8 k m 的频数较大。日平均，能见度比风 速小于等于lm s 时有明显提高。除0 5 0 8 时为5 6 k m 外，其余时段均在6 2 k m 以上。1 9 0 3 时为高值时段，平均6 7 k m 。傍晚时较好。 月季变化，能见度数值冬季低，秋季高。1 2 月、1 月较低，为5 6 k m ；7 1 0 月较高，平均7 6 k m 。 图2 7 大于等于4 m s 风速下的能见度季节变化 海市人气能见度 ! ) l 究 销一章能见艘统i 1 特缸驶彬响袁 图2 8 风速与能见度状态空间分布图 图2 - 8 是风速实测资料与能见度状态空间分布图，从图中可以看出，风速在 l m s 到5 m s 之间时，能见度出现较好的概率最大；从总的情况来看，随着风速 的增加，能见度有逐渐变好的趋势。 3 、风向对能见度的影响 东南风时平均7 5k m ，为最高值；西北风时为最低值，3 8 k m 。整个来看， 东南风时，能见度较好，而且夏季多东南风。 风向为北风时：曰平均，0 6 0 9 时段较低，为4 9 k m ；2 2 0 1 时段较高， 为6 4 k m 。月平均，3 8 月较低，为5 2 k i n ；9 月较高，达8 2 k m 。 风向为南风时：日平均，0 7 0 9 时较低，平均4 9 k m ：1 2 0 4 时较高，为 6 6 k m 。月平均，1 2 月、1 月较低，为4 8 k i n ；7 8 月较高，为8 2 k m 。 风向为南风时的能见度，在7 月、8 月能见度普遍大于7 8 k m 。 风向为西南风和西西南风时：统计结果显示。1 0 月份西南风和西西南风频 数较低。2 月、8 月出现了大于等于l o k m 的良好能见度。 风向为东北风时：日平均，0 5 0 8 时为低值时段，平均5 ? k m ；1 2 2 4 时 为高值时段，平均6 9 k m 。月平均，5 6 月较低，5 3 k m ；8 1 1 月较高，8 o k m 。 风向为东南风时：日平均，0 5 0 9 时较低，5 7 k m ；1 3 1 6 时及1 8 2 1 时 较高，分别为7 5 k m 和7 3 1 m 。月平均，1 月、6 月较低，4 9 k m ：8 月最高，9 1 k m ， 1 2 月次高，8 7 k m 。