2004广州地区低能见度事件变化特征分析

2004广州地区低能见度事件变化特征分析

1气溶胶污染对低能源的影响气溶胶颗粒是发表在宇宙中的固体或液体颗粒，直径为10-3101m。它的质量仅为总气质量的10亿分之一。然而，它对气候的传播、气候变化、云的形成、云的颜色、环境质量的变化、微气场中碳颗粒的循环、水循环和人类健康等有重要影响。针对其理化性质、及特有的环境和气候效应[5,6,7,8,9,10,11,12],国内外也进行了相关实验与数值模拟等多方面的研究。其中有结果显示,悬浮在环境空气中的部分气溶胶颗粒物,在相对湿度低于80%时,其散射系数增大不明显;当相对湿度超过80%并逐渐增加的情况下,粒子的散射系数成倍增长,此时气溶胶特别是细粒子的消光能力大幅度增强,因而常常导致极端低能见度等事件发生。经济飞速发展的珠江三角洲(以下简称珠三角)就是其典型代表之一。有数据表明,广州自1980年代初开始能见度急剧恶化导致霾天气日数增加,其中经历了3次大的波动。1980年代初—1980年代中后期,珠三角第一次经济大发展,由于法律法规和环保措施的不完善,大气气溶胶等污染物直接排放,低能见度日数出现了第一次明显上升期,但1980年代末珠三角的消烟除尘等措施又使得能见度有所好转;1990—1997年,随着经济的快速增长,SO2及其氧化的硫酸盐粒子与直接排放的气溶胶粒子叠加形成了第二次能见度恶化时段,而后珠三角处于国家开展的以酸雨控制和SO2控制为主的大气污染治理两控区,因而1998—2000年能见度出现明显好转;自2002年开始又进入第3次能见度恶化周期,近年来珠三角的机动车尾气污染引发了光化学污染,同时与直接排放的气溶胶和硫酸盐粒子叠加,广州进入了复合大气污染的时代。鉴于低能见度事件可能造成的重大危害,以及广州特殊的经济、政治与文化等地位,同时作为2010年亚运会的举办地,大力改善当地的能见度及空气质量显得尤为迫切。使用能见度仪研究低能见度事件是近年来才开始的工作,吴兑等使用能见度仪资料研究过南岭山地由于浓雾形成的恶劣能见度事件,李红军等基于器测能见度分析了在塔克拉玛干沙漠腹地的沙尘暴过程,而还未见到使用能见度仪站网研究由于气溶胶污染造成的低能见度事件。本文使用2004—2007年广州地区番禺、东山和南沙站3套能见度仪和3套自动气象站的逐时能见度、相对湿度等气象要素资料,分析研究了广州地区的低能见度事件特征。2能源模件与整体架构本文所使用的能见度资料来自福特仪器公司生产的Model6000能见度传感器(BelfortInstrumentCompany,727SouthWolfeStreet,Baltimore,MD21231USA),此仪器是针对监控20~50英里(6m~80km)范围内的能见度状况而设计的,精度10英尺(3m)。Model6000包括模拟和数字输出。模拟输出可选范围:0~1V、0~5V、0~10V和4~20mA;RS232和RS422数字输出在300-38,400波特的输出被用来指示实时的能见度和提供诊断信息。还包括警报TTL(Transister-Transister-Logic,晶体管-晶体管逻辑电路)输出,其可以按照用户预定的能见度临界值进行警报;两个警报通道是标准的,通过设置合适的临界值,可指示好/中等/差的能见度。这种新型传感器,设计精密,性能优异,在应用中即使超过能见度有限范围仍然保持高精度和可靠性。可用于机场、高速公路、观光景区、港口、船舰及其他海上平台等领域的能见度测量(表1)。BelfortModel6000是一种前向散射能见度传感器。这种传感器的发射端通过一个高功率LED向测量区域发射波长为880nm的红外线光束,光源被调制成在背景光强度下能极好地降低背景噪音和背景光线变化的影响。传感器的模拟输出信号与能见度是按比例对应的。接收端将测量被测量区域中的微粒和气溶胶散射到接收端的红外线的量,由此计算出消光系数,而能见度再通过消光系数由式(1)计算出来。使用前向散射感应器测量能见度对仪器在现场安装的要求特别高,其安装位置是获得精确测量数据的决定性因素之一。因此,本文所用广州地区的能见度仪均是根据贝尔福特仪器公司所给的安装地点挑选指引进行安装的,其中需要注意的问题主要有:(1)距离地面2~2.5m高(推荐最好装在草地上);(2)发射端、接收端要南北向(用以减少太阳直射到镜头造成误差);(3)地面附近不能有反光物(传感器探测的是仪器下方一小块空气的散射,因此地面不能有反射物)。3生活和生活条件特征由于使用长期气候资料进行霾与轻雾(雾)的统计时需要有统一的定量标准,不能直接使用台站记录的天气现象,因为以往全国气象系统的台站观测业务中,区分霾与轻雾(雾)比较任意,缺乏可比性。因此,本文依据对长期气候资料有关霾与轻雾(雾)界定的国际惯例,按照分析气候资料时对霾与轻雾(雾)的资料处理方法,即当日均能见度低于10km,日均相对湿度以90%为界,<90%时为霾、≥90%为轻雾(雾)的标准进行统计分析。本文也将按照这一气候资料的处理方法,定义日均能见度低于10km的视程障碍现象为“低能见度”事件。利用广州地区番禺、东山和南沙3站的能见度和相对湿度等逐时资料(资料长度分别为:20040414—20071223,20050111—20071224,20050601—20071224),重点分析2004—2007年间广州地区霾与轻雾(雾)等低能见度事件出现的地域差异和年、季变化等趋势,以便更深入地研究广州地区的低能见度特征,并为相关部门发布预警信息和采取有效的防治措施提供一定的参考依据。图1是广州地区各地面观测站的地理位置分布,东山站位于市中心,对应经纬度为113.30°E、23.13°N,海拔高度76m;南沙站毗邻广州市域的最南端——珠江出海口虎门水道西岸,经纬度为113.60°E、22.75°N,海拔高度23m;番禺站的相应经纬度为113.32°E、22.94°N,海拔高度13m,介于二者之间的近郊地区。4结果分析4.12广州地区轻雾雾的季节动态从图2a中霾天气的月天数变化来看,3站的总体涨落趋势类似,旱季有程度不同的峰值、雨季则存在一个低值区,年变化规律明显,即旱季霾的发生频率高,雨季偏低;7月霾日数不超过3天,且多数为0,是极少出现霾天气的时期;相对东山和南沙两站的月霾日数,番禺的月霾天数为3站之首。相应地,图2b则反映出2004—2007年间,广州地区的轻雾(雾)出现机率较小且有逐年减少的趋势;一年中只有个别月份的少数几天存在轻雾(雾)现象,其余月份出现日数均为0;东山出现轻雾(雾)的日数稍多于番禺,且南沙几乎没有轻雾(雾)现象发生。可见广州地区轻雾(雾)发生频率总体较低且日数偏少,这与霾天气的长期存在形成鲜明对比。据此,将以霾天气为重点来研究广州地区低能见度事件的变化特征。综合两图来看,2005—2007年间二者各年的极大值均呈递减趋势,这和图3中广州地区API日均值的变化情况大致相符;很显然,2005年的部分API极大值超过了180,2006年则降至160,2007年低于150,且API日均值高于100的天数有逐年降低的态势。由此可推知广州地区的空气质量有了一定程度上的改善,这方面已有相关的成果。4.22季节低差异事件的发生动态为了分析方便,将横坐标固定为1—12月,将3个站对应年份的霾天气月天数变化情况分别绘成图(图4),由图可看出:3站霾天气日数的逐年月变化总体上呈现双峰波动的趋势,主峰分别为10月和3—4月,即低能见度事件频发的时段;6—9月霾天气出现相对较少,尤其7月多数情况下无霾出现。总体上广州地区的低能见度事情常出现在10月—次年4月的旱季,与颗粒物的长时间积聚有关;雨季由于锋面、气旋等天气系统活动频繁,大尺度环流有利于污染物的长距离水平输送,同时降水等因素也减少了颗粒物在空气中的积累,这些都是使得雨季低能见度日数偏少的重要因素。对比各站霾天气月天数的极大值出现情况,均有不同程度的减少趋势;东山和南沙两地的月霾数均不超过20天;番禺2005年5月的霾日数高达31天,即全月均出现霾,位居3站之首,至2007年其月霾数已降至20天以下;大体上当地低能见度事件有了一定程度的控制或好转。这与近年的节能减排和机动车控制措施有较大关系。4.33低6份等级和极端低差异事件分析利用逐时能见度资料的算术平均得到当天的日均能见度,并划分为以下7个等级,即≥10km、8~10km、5~8km、3~5km、2~3km、1~2km、<1km,分别统计出一年中对应等级的能见度日数及其百分比,重点研究低能见度日数所占比例情况。由于3个站的资料长度不一样,为了增强站点间的可比性,选取同时有记录的2005—2007年数据进行分析。由图5a可知,番禺无视程障碍(即≥10km等级)日数百分比有不同程度的上升,即从2005年低于50%,到2006年超过50%,尤其在2007年则增多到60%以上;8~10km与5~8km等级范围的低能见度日数百分比变化不明显;3~5km和2~3km及以下等级的极端低能见度日数百分比明显减少。总体而言,番禺以5~8km等级的中度视程障碍现象居多,约占全年的20%;且该地能见度总体有好转趋势。其中,2005年≥10km等级的日数百分比低至50%以下,2~3km及以下等级的极端低能见度日数所占比例高达16.8%,该年可视为低能见度事件频发的典型年份。相比图5b中东山的情况,无视程障碍日数百分比由70.3%上升到了81.0%,总体达同期3站的最好水平,5~8km范围内的日数百分比在此3年间约降低了10个百分点,2~3km及以下等级所占百分比也由2.5%下降到了0.6%,低能见度现象以8~10km等级为主,能见度有较大程度的改善;这与近年“十一五”期间国家环保法规的切实执行和地区政府的大力监管有很重要关系。图5c为南沙的能见度变化情况,由于2005年该站只有下半年的数据,可比性不足,故主要关注2006—2007年的波动情况;很明显的,该站在最近两年内无视程障碍日数百分比稳定在67.8%上下,其余能见度等级的百分比差别无几,且以8~10km的轻度视程障碍现象为主;可见该地区的空气质量一直维持在良好状况。对此可能的原因分析为,该地毗邻珠江口,陆地空气常和海上的洁净气流相互交换,减少了局地气溶胶等污染物滞留的可能,因而对当地较好的能见度起了保障作用。图5显示出广州地区的空气质量得到了一定改善,能见度也因此有了较大好转。其中,番禺的低能见度事件以5~8km居多,略差于东山和南沙地区,可能最近几年番禺迅速发展的工业和物流排放了大量污染物,致使能见度恶化;但同时我们也可以看到,番禺的无视程障碍日数百分比是3者中增长最明显的,表明该地的污染源或污染物总量有所控制和减少。4.4站的低架构事件根据计算所得到的相对湿度和能见度日均值,将日均相对湿度按照RH≥90%,80%≤RH<90%,70%≤RH<80%,60%≤RH<70%,50%≤RH<60%,40%≤RH<50%,30%≤RH<40%,RH<30%分成八级,再挑选出各级相对湿度范围对应的日均能见度<10km的日数,计算各级的日数在总的低能见度日数中所占的比例;同时考虑到3站的可比性原则,即可以得到2005—2007各年间相对湿度等级对应的低能见度日数百分比(图6)。从图6易得到,低能见度事件发生时,番禺和南沙两地RH≥90%等级所占的日数百分比都较RH<90%的比例明显要少;东山所占比例稍大,但2005年的极大值也不超过25%,且2007年已降至10%以下,有逐年递减的趋势;RH<90%的比例占据了低能见度事件出现时的绝大部分,即总体上3站的低能见度事件多以霾天气为主,与前面分析相符。具体来看番禺的情况(图6a),3年中低能见度事件多发生在70%≤RH<80%范围内,2006年其比例高达40%以上,但2007年其比例降至35%以下;其次占有较高比例的为80%≤RH<90%和60%≤RH<70%两个等级,其中60%≤RH<70%所占比例很明显的由2005年的20%增加到2007年的30%以上,与70%≤RH<80%等级的比例持平,可见低能见度事件频发的相对湿度范围有所下降;50%≤RH<60%所占的比例也有升高,没有出现RH<40%的情况;即视程障碍现象多出现在RH介于60%~90%的中高湿度下,且有随湿度降低而增多的趋势,低相对湿度时则未发生低能见度事件。对比东山站的情况,图6b反映出该站所有相对湿度等级的百分比均不超过40%,低能见度事件多发生在80%≤RH<90%的较高湿度范围,且3年间均在30%上下波动,相比番禺对应等级的比例要高;70%≤RH<80%范围的比例居第二位,2006年其比例高达全部等级的最高值——约40%,也是3年间出现比例最大的,与番禺同期情况类似;60%≤RH<70%和40%≤RH<50%所占百分比有明显上升,可见低能见度事件出现的相对湿度范围也有所下降;RH<40%时也没有出现视程障碍现象,这点也与番禺相符。图6c中,南沙的低能见度事件多出现在70%≤RH<80%和60%≤RH<70%范围内,且比例均低于40%,但以2006年70%≤RH<80%等级所占比例最大,这与番禺和东山两地结果相同,可能与2006年总体天气情况有关;同时60%≤RH<70%的比例在3年间减少了近10%,70%≤RH<80%和80%≤RH<90%则相对稳定,低能见度事件有向较高湿度范围增多的趋势;50%≤RH<60%和40%≤RH<50%较低相对湿度的比例均有不同程度下降,2007年30%≤RH<40%低相对湿度情况下也存在少数视程障碍现象,RH<30%时则未出现过。综上所述,广州地区的低能见度事件在中高相对湿度范围内出现较多,RH<30%的低相对湿度情况下出现过视程障碍现象;番禺和东山的低能见度事件有朝着相对湿度减少方向增多的特点,南沙则呈大致相反的变化趋势,即相对湿度升高时低能见度事件增多。这可能由于近年来番禺和广州城郊的城市化迅速发展,当地温度相对较高,空气中的水汽含量则相对较少;而南沙因地处珠江出海口,水汽供应充足,易达到较高的相对湿度条件,故形成了3地低能见度事件发生日数近于相反的波动变化。4.53低能见度事件的日变化特征4.5.1旱季低清晰度事件特征前面研究了各站低能见度事件的年、季等变化规律,现对其日变化做一定的分析。同样考虑到可比性及年代表性,选取2006、2007年10—12月和7—9月的能见度逐时资料分别代表各年的旱、雨季进行讨论。根据4.3中能见度分级原则,也将逐时能见度值绘制成图(图7、8),其中横坐标代表各自月份对应的日期顺序,纵坐标由小到大依次为24个时次,色标为能见度分级(0~17km依次分为7级),颜色由浅到深表示能见度由高到低的变化。图7是3个站2006和2007年10—12月的旱季能见度逐时变化情况,直观地从图中红色所代表的较低甚至极端低能见度程度看来,3站旱季均存在较严重的低能见度事件,其中番禺的情况更严重;比较而言,2006年10月较严重,2007年在12月霾天气存在较多。从能见度24小时的日变化情况可以知道,夜间20时—早上08时的能见度相对较低,可能由于早晚温度比白天低,空气湿度较高,同时日间湍流活动较旺盛,大尺度的平流输送有利于污染物扩散,故在早上和夜间的中高湿度情况下易出现较低能见度现象;白天正午前后和该天其他时段有出现能见度低值区的情况,其原因可能是旱季总的天气形势相对较稳定,强对流等天气系统出现的情形较少,不利于污染物的远距离输送和扩散,这在一定程度上也有利于低能见度事件的持续存在。对比图8中雨季的能见度情况,很明显大片蓝色区域代表的无视程障碍现象,尤其是7月能见度良好,且3站2007年的能见度均比2006年好些;少量低能见度事件主要在8、9月出现,仍然以番禺居多,但总体上出现的日数较少,雨季的能见度比旱季的能见度要好。日变化,同样是早晚的能见度略低于白天,且早上稍差于夜间;白天的能见度低值区常出现于正午前后,这在2006年的番禺更明显,究其原因可能是午间的日照强、有利于光化学反应进行,期间可能使得某些气态污染物通过光化学反应生成消光性强的二次气溶胶,从而导致低能见度事件的发生。但同时,日间出现低能见度的情况相对很少,即使午间出现低能见度现象,其持续时间较短;几乎没有极端的低能见度事件发生。这可能是,雨季热带气旋等天气系统活动频繁,降水量较大,对空气中颗粒物的冲刷作用明显,很大程度上减少了颗粒物的积累,同时大尺度环流也促进了污染物的长距离运输和扩散,故总体能见度较好。综合图7~8旱季和雨季的情况,3地的能见度日变化规律明显,早晚能见度略差于白天,日间能见度低值区多见于正午前后;旱季较雨季日变化规律性更显著,且旱季能见度较差;番禺是3站中最有代表性、同时也是低能见度事件出现最严重的地区,但总体上3地的能见度截至2007年底都有较明显的改善。4.5.2旱季特征在时段与时段中的反映为了更有针对性地研究低能见度事件的日变化特征,将3站对应霾天气下的逐时能见度按照雨、旱季(划分原则与图7~8中一致