2004廣州地區(qū)低能見度事件變化特征分析

2004廣州地區(qū)低能見度事件變化特征分析

1氣溶膠污染對低能源的影響氣溶膠顆粒是發(fā)表在宇宙中的固體或液體顆粒，直徑為10-3101m。它的質(zhì)量僅為總氣質(zhì)量的10億分之一。然而，它對氣候的傳播、氣候變化、云的形成、云的顏色、環(huán)境質(zhì)量的變化、微氣場中碳顆粒的循環(huán)、水循環(huán)和人類健康等有重要影響。針對其理化性質(zhì)、及特有的環(huán)境和氣候效應(yīng)[5,6,7,8,9,10,11,12],國內(nèi)外也進行了相關(guān)實驗與數(shù)值模擬等多方面的研究。其中有結(jié)果顯示,懸浮在環(huán)境空氣中的部分氣溶膠顆粒物,在相對濕度低于80%時,其散射系數(shù)增大不明顯;當(dāng)相對濕度超過80%并逐漸增加的情況下,粒子的散射系數(shù)成倍增長,此時氣溶膠特別是細粒子的消光能力大幅度增強,因而常常導(dǎo)致極端低能見度等事件發(fā)生。經(jīng)濟飛速發(fā)展的珠江三角洲(以下簡稱珠三角)就是其典型代表之一。有數(shù)據(jù)表明,廣州自1980年代初開始能見度急劇惡化導(dǎo)致霾天氣日數(shù)增加,其中經(jīng)歷了3次大的波動。1980年代初—1980年代中后期,珠三角第一次經(jīng)濟大發(fā)展,由于法律法規(guī)和環(huán)保措施的不完善,大氣氣溶膠等污染物直接排放,低能見度日數(shù)出現(xiàn)了第一次明顯上升期,但1980年代末珠三角的消煙除塵等措施又使得能見度有所好轉(zhuǎn);1990—1997年,隨著經(jīng)濟的快速增長,SO2及其氧化的硫酸鹽粒子與直接排放的氣溶膠粒子疊加形成了第二次能見度惡化時段,而后珠三角處于國家開展的以酸雨控制和SO2控制為主的大氣污染治理兩控區(qū),因而1998—2000年能見度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn);自2002年開始又進入第3次能見度惡化周期,近年來珠三角的機動車尾氣污染引發(fā)了光化學(xué)污染,同時與直接排放的氣溶膠和硫酸鹽粒子疊加,廣州進入了復(fù)合大氣污染的時代。鑒于低能見度事件可能造成的重大危害,以及廣州特殊的經(jīng)濟、政治與文化等地位,同時作為2010年亞運會的舉辦地,大力改善當(dāng)?shù)氐哪芤姸燃翱諝赓|(zhì)量顯得尤為迫切。使用能見度儀研究低能見度事件是近年來才開始的工作,吳兌等使用能見度儀資料研究過南嶺山地由于濃霧形成的惡劣能見度事件,李紅軍等基于器測能見度分析了在塔克拉瑪干沙漠腹地的沙塵暴過程,而還未見到使用能見度儀站網(wǎng)研究由于氣溶膠污染造成的低能見度事件。本文使用2004—2007年廣州地區(qū)番禺、東山和南沙站3套能見度儀和3套自動氣象站的逐時能見度、相對濕度等氣象要素資料,分析研究了廣州地區(qū)的低能見度事件特征。2能源模件與整體架構(gòu)本文所使用的能見度資料來自福特儀器公司生產(chǎn)的Model6000能見度傳感器(BelfortInstrumentCompany,727SouthWolfeStreet,Baltimore,MD21231USA),此儀器是針對監(jiān)控20~50英里(6m~80km)范圍內(nèi)的能見度狀況而設(shè)計的,精度10英尺(3m)。Model6000包括模擬和數(shù)字輸出。模擬輸出可選范圍:0~1V、0~5V、0~10V和4~20mA;RS232和RS422數(shù)字輸出在300-38,400波特的輸出被用來指示實時的能見度和提供診斷信息。還包括警報TTL(Transister-Transister-Logic,晶體管-晶體管邏輯電路)輸出,其可以按照用戶預(yù)定的能見度臨界值進行警報;兩個警報通道是標(biāo)準(zhǔn)的,通過設(shè)置合適的臨界值,可指示好/中等/差的能見度。這種新型傳感器,設(shè)計精密,性能優(yōu)異,在應(yīng)用中即使超過能見度有限范圍仍然保持高精度和可靠性?？捎糜跈C場、高速公路、觀光景區(qū)、港口、船艦及其他海上平臺等領(lǐng)域的能見度測量(表1)。BelfortModel6000是一種前向散射能見度傳感器。這種傳感器的發(fā)射端通過一個高功率LED向測量區(qū)域發(fā)射波長為880nm的紅外線光束,光源被調(diào)制成在背景光強度下能極好地降低背景噪音和背景光線變化的影響。傳感器的模擬輸出信號與能見度是按比例對應(yīng)的。接收端將測量被測量區(qū)域中的微粒和氣溶膠散射到接收端的紅外線的量,由此計算出消光系數(shù),而能見度再通過消光系數(shù)由式(1)計算出來。使用前向散射感應(yīng)器測量能見度對儀器在現(xiàn)場安裝的要求特別高,其安裝位置是獲得精確測量數(shù)據(jù)的決定性因素之一。因此,本文所用廣州地區(qū)的能見度儀均是根據(jù)貝爾福特儀器公司所給的安裝地點挑選指引進行安裝的,其中需要注意的問題主要有:(1)距離地面2~2.5m高(推薦最好裝在草地上);(2)發(fā)射端、接收端要南北向(用以減少太陽直射到鏡頭造成誤差);(3)地面附近不能有反光物(傳感器探測的是儀器下方一小塊空氣的散射,因此地面不能有反射物)。3生活和生活條件特征由于使用長期氣候資料進行霾與輕霧(霧)的統(tǒng)計時需要有統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn),不能直接使用臺站記錄的天氣現(xiàn)象,因為以往全國氣象系統(tǒng)的臺站觀測業(yè)務(wù)中,區(qū)分霾與輕霧(霧)比較任意,缺乏可比性。因此,本文依據(jù)對長期氣候資料有關(guān)霾與輕霧(霧)界定的國際慣例,按照分析氣候資料時對霾與輕霧(霧)的資料處理方法,即當(dāng)日均能見度低于10km,日均相對濕度以90%為界,<90%時為霾、≥90%為輕霧(霧)的標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)計分析。本文也將按照這一氣候資料的處理方法,定義日均能見度低于10km的視程障礙現(xiàn)象為“低能見度”事件。利用廣州地區(qū)番禺、東山和南沙3站的能見度和相對濕度等逐時資料(資料長度分別為:20040414—20071223,20050111—20071224,20050601—20071224),重點分析2004—2007年間廣州地區(qū)霾與輕霧(霧)等低能見度事件出現(xiàn)的地域差異和年、季變化等趨勢,以便更深入地研究廣州地區(qū)的低能見度特征,并為相關(guān)部門發(fā)布預(yù)警信息和采取有效的防治措施提供一定的參考依據(jù)。圖1是廣州地區(qū)各地面觀測站的地理位置分布,東山站位于市中心,對應(yīng)經(jīng)緯度為113.30°E、23.13°N,海拔高度76m;南沙站毗鄰廣州市域的最南端——珠江出海口虎門水道西岸,經(jīng)緯度為113.60°E、22.75°N,海拔高度23m;番禺站的相應(yīng)經(jīng)緯度為113.32°E、22.94°N,海拔高度13m,介于二者之間的近郊地區(qū)。4結(jié)果分析4.12廣州地區(qū)輕霧霧的季節(jié)動態(tài)從圖2a中霾天氣的月天數(shù)變化來看,3站的總體漲落趨勢類似,旱季有程度不同的峰值、雨季則存在一個低值區(qū),年變化規(guī)律明顯,即旱季霾的發(fā)生頻率高,雨季偏低;7月霾日數(shù)不超過3天,且多數(shù)為0,是極少出現(xiàn)霾天氣的時期;相對東山和南沙兩站的月霾日數(shù),番禺的月霾天數(shù)為3站之首。相應(yīng)地,圖2b則反映出2004—2007年間,廣州地區(qū)的輕霧(霧)出現(xiàn)機率較小且有逐年減少的趨勢;一年中只有個別月份的少數(shù)幾天存在輕霧(霧)現(xiàn)象,其余月份出現(xiàn)日數(shù)均為0;東山出現(xiàn)輕霧(霧)的日數(shù)稍多于番禺,且南沙幾乎沒有輕霧(霧)現(xiàn)象發(fā)生?？梢姀V州地區(qū)輕霧(霧)發(fā)生頻率總體較低且日數(shù)偏少,這與霾天氣的長期存在形成鮮明對比。據(jù)此,將以霾天氣為重點來研究廣州地區(qū)低能見度事件的變化特征。綜合兩圖來看,2005—2007年間二者各年的極大值均呈遞減趨勢,這和圖3中廣州地區(qū)API日均值的變化情況大致相符;很顯然,2005年的部分API極大值超過了180,2006年則降至160,2007年低于150,且API日均值高于100的天數(shù)有逐年降低的態(tài)勢。由此可推知廣州地區(qū)的空氣質(zhì)量有了一定程度上的改善,這方面已有相關(guān)的成果。4.22季節(jié)低差異事件的發(fā)生動態(tài)為了分析方便,將橫坐標(biāo)固定為1—12月,將3個站對應(yīng)年份的霾天氣月天數(shù)變化情況分別繪成圖(圖4),由圖可看出:3站霾天氣日數(shù)的逐年月變化總體上呈現(xiàn)雙峰波動的趨勢,主峰分別為10月和3—4月,即低能見度事件頻發(fā)的時段;6—9月霾天氣出現(xiàn)相對較少,尤其7月多數(shù)情況下無霾出現(xiàn)?？傮w上廣州地區(qū)的低能見度事情常出現(xiàn)在10月—次年4月的旱季,與顆粒物的長時間積聚有關(guān);雨季由于鋒面、氣旋等天氣系統(tǒng)活動頻繁,大尺度環(huán)流有利于污染物的長距離水平輸送,同時降水等因素也減少了顆粒物在空氣中的積累,這些都是使得雨季低能見度日數(shù)偏少的重要因素。對比各站霾天氣月天數(shù)的極大值出現(xiàn)情況,均有不同程度的減少趨勢;東山和南沙兩地的月霾數(shù)均不超過20天;番禺2005年5月的霾日數(shù)高達31天,即全月均出現(xiàn)霾,位居3站之首,至2007年其月霾數(shù)已降至20天以下;大體上當(dāng)?shù)氐湍芤姸仁录辛艘欢ǔ潭鹊目刂苹蚝棉D(zhuǎn)。這與近年的節(jié)能減排和機動車控制措施有較大關(guān)系。4.33低6份等級和極端低差異事件分析利用逐時能見度資料的算術(shù)平均得到當(dāng)天的日均能見度,并劃分為以下7個等級,即≥10km、8~10km、5~8km、3~5km、2~3km、1~2km、<1km,分別統(tǒng)計出一年中對應(yīng)等級的能見度日數(shù)及其百分比,重點研究低能見度日數(shù)所占比例情況。由于3個站的資料長度不一樣,為了增強站點間的可比性,選取同時有記錄的2005—2007年數(shù)據(jù)進行分析。由圖5a可知,番禺無視程障礙(即≥10km等級)日數(shù)百分比有不同程度的上升,即從2005年低于50%,到2006年超過50%,尤其在2007年則增多到60%以上;8~10km與5~8km等級范圍的低能見度日數(shù)百分比變化不明顯;3~5km和2~3km及以下等級的極端低能見度日數(shù)百分比明顯減少。總體而言,番禺以5~8km等級的中度視程障礙現(xiàn)象居多,約占全年的20%;且該地能見度總體有好轉(zhuǎn)趨勢。其中,2005年≥10km等級的日數(shù)百分比低至50%以下,2~3km及以下等級的極端低能見度日數(shù)所占比例高達16.8%,該年可視為低能見度事件頻發(fā)的典型年份。相比圖5b中東山的情況,無視程障礙日數(shù)百分比由70.3%上升到了81.0%,總體達同期3站的最好水平,5~8km范圍內(nèi)的日數(shù)百分比在此3年間約降低了10個百分點,2~3km及以下等級所占百分比也由2.5%下降到了0.6%,低能見度現(xiàn)象以8~10km等級為主,能見度有較大程度的改善;這與近年“十一五”期間國家環(huán)保法規(guī)的切實執(zhí)行和地區(qū)政府的大力監(jiān)管有很重要關(guān)系。圖5c為南沙的能見度變化情況,由于2005年該站只有下半年的數(shù)據(jù),可比性不足,故主要關(guān)注2006—2007年的波動情況;很明顯的,該站在最近兩年內(nèi)無視程障礙日數(shù)百分比穩(wěn)定在67.8%上下,其余能見度等級的百分比差別無幾,且以8~10km的輕度視程障礙現(xiàn)象為主;可見該地區(qū)的空氣質(zhì)量一直維持在良好狀況。對此可能的原因分析為,該地毗鄰珠江口,陸地空氣常和海上的潔凈氣流相互交換,減少了局地氣溶膠等污染物滯留的可能,因而對當(dāng)?shù)剌^好的能見度起了保障作用。圖5顯示出廣州地區(qū)的空氣質(zhì)量得到了一定改善,能見度也因此有了較大好轉(zhuǎn)。其中,番禺的低能見度事件以5~8km居多,略差于東山和南沙地區(qū),可能最近幾年番禺迅速發(fā)展的工業(yè)和物流排放了大量污染物,致使能見度惡化;但同時我們也可以看到,番禺的無視程障礙日數(shù)百分比是3者中增長最明顯的,表明該地的污染源或污染物總量有所控制和減少。4.4站的低架構(gòu)事件根據(jù)計算所得到的相對濕度和能見度日均值,將日均相對濕度按照RH≥90%,80%≤RH<90%,70%≤RH<80%,60%≤RH<70%,50%≤RH<60%,40%≤RH<50%,30%≤RH<40%,RH<30%分成八級,再挑選出各級相對濕度范圍對應(yīng)的日均能見度<10km的日數(shù),計算各級的日數(shù)在總的低能見度日數(shù)中所占的比例;同時考慮到3站的可比性原則,即可以得到2005—2007各年間相對濕度等級對應(yīng)的低能見度日數(shù)百分比(圖6)。從圖6易得到,低能見度事件發(fā)生時,番禺和南沙兩地RH≥90%等級所占的日數(shù)百分比都較RH<90%的比例明顯要少;東山所占比例稍大,但2005年的極大值也不超過25%,且2007年已降至10%以下,有逐年遞減的趨勢;RH<90%的比例占據(jù)了低能見度事件出現(xiàn)時的絕大部分,即總體上3站的低能見度事件多以霾天氣為主,與前面分析相符。具體來看番禺的情況(圖6a),3年中低能見度事件多發(fā)生在70%≤RH<80%范圍內(nèi),2006年其比例高達40%以上,但2007年其比例降至35%以下;其次占有較高比例的為80%≤RH<90%和60%≤RH<70%兩個等級,其中60%≤RH<70%所占比例很明顯的由2005年的20%增加到2007年的30%以上,與70%≤RH<80%等級的比例持平,可見低能見度事件頻發(fā)的相對濕度范圍有所下降;50%≤RH<60%所占的比例也有升高,沒有出現(xiàn)RH<40%的情況;即視程障礙現(xiàn)象多出現(xiàn)在RH介于60%~90%的中高濕度下,且有隨濕度降低而增多的趨勢,低相對濕度時則未發(fā)生低能見度事件。對比東山站的情況,圖6b反映出該站所有相對濕度等級的百分比均不超過40%,低能見度事件多發(fā)生在80%≤RH<90%的較高濕度范圍,且3年間均在30%上下波動,相比番禺對應(yīng)等級的比例要高;70%≤RH<80%范圍的比例居第二位,2006年其比例高達全部等級的最高值——約40%,也是3年間出現(xiàn)比例最大的,與番禺同期情況類似;60%≤RH<70%和40%≤RH<50%所占百分比有明顯上升,可見低能見度事件出現(xiàn)的相對濕度范圍也有所下降;RH<40%時也沒有出現(xiàn)視程障礙現(xiàn)象,這點也與番禺相符。圖6c中,南沙的低能見度事件多出現(xiàn)在70%≤RH<80%和60%≤RH<70%范圍內(nèi),且比例均低于40%,但以2006年70%≤RH<80%等級所占比例最大,這與番禺和東山兩地結(jié)果相同,可能與2006年總體天氣情況有關(guān);同時60%≤RH<70%的比例在3年間減少了近10%,70%≤RH<80%和80%≤RH<90%則相對穩(wěn)定,低能見度事件有向較高濕度范圍增多的趨勢;50%≤RH<60%和40%≤RH<50%較低相對濕度的比例均有不同程度下降,2007年30%≤RH<40%低相對濕度情況下也存在少數(shù)視程障礙現(xiàn)象,RH<30%時則未出現(xiàn)過。綜上所述,廣州地區(qū)的低能見度事件在中高相對濕度范圍內(nèi)出現(xiàn)較多,RH<30%的低相對濕度情況下出現(xiàn)過視程障礙現(xiàn)象;番禺和東山的低能見度事件有朝著相對濕度減少方向增多的特點,南沙則呈大致相反的變化趨勢,即相對濕度升高時低能見度事件增多。這可能由于近年來番禺和廣州城郊的城市化迅速發(fā)展,當(dāng)?shù)販囟认鄬^高,空氣中的水汽含量則相對較少;而南沙因地處珠江出?？?水汽供應(yīng)充足,易達到較高的相對濕度條件,故形成了3地低能見度事件發(fā)生日數(shù)近于相反的波動變化。4.53低能見度事件的日變化特征4.5.1旱季低清晰度事件特征前面研究了各站低能見度事件的年、季等變化規(guī)律,現(xiàn)對其日變化做一定的分析。同樣考慮到可比性及年代表性,選取2006、2007年10—12月和7—9月的能見度逐時資料分別代表各年的旱、雨季進行討論。根據(jù)4.3中能見度分級原則,也將逐時能見度值繪制成圖(圖7、8),其中橫坐標(biāo)代表各自月份對應(yīng)的日期順序,縱坐標(biāo)由小到大依次為24個時次,色標(biāo)為能見度分級(0~17km依次分為7級),顏色由淺到深表示能見度由高到低的變化。圖7是3個站2006和2007年10—12月的旱季能見度逐時變化情況,直觀地從圖中紅色所代表的較低甚至極端低能見度程度看來,3站旱季均存在較嚴(yán)重的低能見度事件,其中番禺的情況更嚴(yán)重;比較而言,2006年10月較嚴(yán)重,2007年在12月霾天氣存在較多。從能見度24小時的日變化情況可以知道,夜間20時—早上08時的能見度相對較低,可能由于早晚溫度比白天低,空氣濕度較高,同時日間湍流活動較旺盛,大尺度的平流輸送有利于污染物擴散,故在早上和夜間的中高濕度情況下易出現(xiàn)較低能見度現(xiàn)象;白天正午前后和該天其他時段有出現(xiàn)能見度低值區(qū)的情況,其原因可能是旱季總的天氣形勢相對較穩(wěn)定,強對流等天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的情形較少,不利于污染物的遠距離輸送和擴散,這在一定程度上也有利于低能見度事件的持續(xù)存在。對比圖8中雨季的能見度情況,很明顯大片藍色區(qū)域代表的無視程障礙現(xiàn)象,尤其是7月能見度良好,且3站2007年的能見度均比2006年好些;少量低能見度事件主要在8、9月出現(xiàn),仍然以番禺居多,但總體上出現(xiàn)的日數(shù)較少,雨季的能見度比旱季的能見度要好。日變化,同樣是早晚的能見度略低于白天,且早上稍差于夜間;白天的能見度低值區(qū)常出現(xiàn)于正午前后,這在2006年的番禺更明顯,究其原因可能是午間的日照強、有利于光化學(xué)反應(yīng)進行,期間可能使得某些氣態(tài)污染物通過光化學(xué)反應(yīng)生成消光性強的二次氣溶膠,從而導(dǎo)致低能見度事件的發(fā)生。但同時,日間出現(xiàn)低能見度的情況相對很少,即使午間出現(xiàn)低能見度現(xiàn)象,其持續(xù)時間較短;幾乎沒有極端的低能見度事件發(fā)生。這可能是,雨季熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)活動頻繁,降水量較大,對空氣中顆粒物的沖刷作用明顯,很大程度上減少了顆粒物的積累,同時大尺度環(huán)流也促進了污染物的長距離運輸和擴散,故總體能見度較好。綜合圖7~8旱季和雨季的情況,3地的能見度日變化規(guī)律明顯,早晚能見度略差于白天,日間能見度低值區(qū)多見于正午前后;旱季較雨季日變化規(guī)律性更顯著,且旱季能見度較差;番禺是3站中最有代表性、同時也是低能見度事件出現(xiàn)最嚴(yán)重的地區(qū),但總體上3地的能見度截至2007年底都有較明顯的改善。4.5.2旱季特征在時段與時段中的反映為了更有針對性地研究低能見度事件的日變化特征,將3站對應(yīng)霾天氣下的逐時能見度按照雨、旱季(劃分原則與圖7~8中一致