成都市1980～2010年能见度的变化趋势分析

周书华, 倪长健, 刘陪川, 郑一静

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225 2.四川环境监测站,四川成都610041)

0 引言

随着经济的迅速发展,大气污染问题已越来越突出,能见度的降低就是其主要表现之一。影响大气能见度主要有自然因素和人为因素[1-3]。自然因素主要包括雾、扬尘、降水等天气现象,人为因素主要包括汽车尾气、焚烧等[4]。若能见度低于10Km、相对湿度小于90%时,将会出现灰霾天气[5],也可能造成光化学烟雾等现象。研究表明,气溶胶粒子中NO2、PM2.5和PM10的含量较高,如果大量的气溶胶粒子不能及时输送而长时间滞留在大气中,对能见度以及人体健康、交通运输、航天事业等都有重大影响[6-8]。早期美国和英国主要采用累积百分率法和Ridit分析法来对大气能见度进行探究。Ghim等[9]也研究了韩国过去20年的能见度的变化特征。随之中国对能见度也开展了大量研究工作。叶香等[10]采用百分位分析法、等级分析法、Ridit分析法对南京市能见度的时空变化特征进行了详细分析。张军[11]研究表明,佛山市的能见度在近30年里正在加速恶化。黄建等[12]提出了珠江三角洲的能见度问题主要是由气溶胶粒子造成的空气污染引起的。洪全[13]分析了能见度与各种气象因子、污染物浓度之间的相关性,并指出能见度与相对湿度、降水、污染物浓度均呈负相关。

处于四川盆地西部的成都,四面环山,静风和逆温是该地区主要的气象现象,非常不利于污染物的输送。在城市化进程加速的条件背景下,对该区域展开对能见度的相关研究还可为环境评估等相关部门提供一定的理论参考依据。较自然因素而言,人为因素对能见度的影响更大,对其相关研究也已成为全球的一个热点。所以,文中主要对由于空气污染所造成的大气能见度的变化趋势进行分析。

1 资料与方法

1.1 资料的选取

主要采用成都市气象局提供的1980～2010年的地面观测资料,包括一日4次的大气能见度、相对湿度、降水等,观测时间分别为北京时间02:00、08:00、14:00、20:00。由于早上08:00的能见度易受晚上形成的逆温的影响,傍晚20:00也会受白天与晚上对目标物的观测不一致的影响而产生较大误差,凌晨02:00的资料缺测较多,所以14:00的能见度能更好的代表一天的能见度,且要求相对湿度小于90%,以此将雾、霾天气分开,并剔除降水等影响能见度的天气[14]。

1.2 方法的选取

将筛选出来的能见度资料分为5个等级:0～1.9km、2～9km、10～19km、20～39km、40km以上[15]。然后分别采用累积百分率法(结合线性倾向估计法)、Ridit分析法和“非常好”能见度出现的频率法来对成都市具有代表性的5个县(东部的金堂、西部的大邑、南部的新津、北部的彭州和中部的温江)的能见度的变化趋势进行分析。

1.2.1 累积百分率法

实际的能见度值通常要≥观测所得到的值。累积百分率法对能见度的变化趋势分析,就是某一特定的累积百分率所对应的能见度值随时间的变化,该方法非常适用于这类被低估的观测资料的变化趋势分析[12]。

第i段能见度累积百分率定义为:某一段时间内所观测到的能见度值≥i段能见度值的次数与这一段时间内总的观测次数的百分比。其公式如下:

其中,f(v)为能见度的概率密度函数,vi表示第i段的能见度,n表示总的观测次数,ni表示有ni次能见度等于或超过vi的值,ni/n×100%即为第i段能见度的累积百分率。如果将累积百分率为50%对应的能见度定义为能见度中值,其结果只能由外推得到,然而实际的累积百分率曲线是非线性的,要外推很困难且误差较大。因此,将累积百分率为60%所对应的能见度定义为能见度中值,累积百分率为10%所对应的能见度定义为能见度高值,累积百分率为90%所对应的能见度定义为能见度低值[16]。

1.2.2 线性倾向估计法

用xi表示样本量为n的某一气候变量,ti为xi所对应的时间,建立xi与ti之间的一元线性回归方程:

其中b为回归系数,a为回归常数,a、b可以通过最小二乘法来进行估计。而b的符号可以表示气候变量x的趋势倾向,其值的大小可以反映变化速率[17]。

1.2.3 Ridit分析法

Ridit中值能够反映出某段时间某个地区能见度好于(差于)总体能见度的情况[15]。用fAi表示某段给定时间中第i段区间的能见度出现次数与该地区该段时间内总的观测次数之比,fRi表示总体中第i段区间的能见度出现次数与总的观测次数之比,k表示能见度被分为k个等级(k=5)来进行概率统计。则Ridit中值的计算公式为:

为了方便,以下记Ridit中值为R。R＞0.5表示该段时间内能见度好于总体能见度水平,R＜0.5则表示该段时间内能见度差于总体能见度水平。Ridit分析法可直接由(3)式计算得出,不需要用外推法,且不易受气象因素的影响。但Ridit分析法只适用于某个站点某段时间内,而能见度中值既可以在站与站之间进行比较,也可以对不同年代进行比较。但如前面所述,累积百分率需要外推,因此,Ridit分析法往往需要结合累积百分率法一起使用。

1.2.4 “非常好”能见度出现的频率法

19km可以作为判断夏季大气污染影响能见度水平的一个非常好的指标。所以这里将“非常好”能见度频率定义为大于19km的能见度出现的频率[16]。文中主要以夏季(6～8月)为研究对象,分别对金堂、大邑、新津、彭州和温江的夏季“非常好”能见度出现频率的变化趋势进行分析。

2 结果与分析

2.1 累积百分率法的结果分析

如表1所示,1980～2010年这31年,彭州的平均能见度中值最高,为20.16km,其次是大邑、温江、金堂、新津,分别为11.9km、11.47km、9.4km、8.77km。20世纪80年代,金堂、大邑和新津平均能见度中值比总体平均能见度中值分别高3.8km、1.1km、2.83km,彭州和温江分别低0.66km、0.04km。20世纪90年代除了温江较总体平均能见度中值高0.36km外,其它4个站点分别低2.25km、1km、0.47km、1.06km。21世纪初,除彭州能见度中值高出总体平均能见度中值1.57km外,其它4个站点分别低1.40km、0.09km、2.14km、0.29km。总的来说,20世纪80年代,金堂、大邑和新津的平均能见度高于总体平均能见度,能见度减小主要体现在20世纪90年代和21世纪初;彭州20世纪80年代和90年代的能见度低于总体平均能见度,21世纪初能见度增加。温江20世纪80年代的平均能见度与总体平均能见度接近,90年代有所增加,21世纪初又降低。能见度的降低与中国从20世纪80年代以来经济的迅速发展有很大关系。调查显示,至2010年,成都市人均收入比改革开放前翻了几番,随之带来的环境问题也日益突出,对能见度造成了很大影响。

表1 1980～2010年能见度中值的年代际变化(单位:km)

图1 能见度中值的年变化趋势图

由图1可明显看出,金堂、大邑、新津和温江的能见度中值的变化系数均为负值,表明这些地区的能见度呈下降趋势;彭州的能见度中值的变化系数为正,表明该地区的能见度呈上升趋势。其中温江和大邑的能见度略有降低,金堂和新津下降幅度较大,彭州上升幅度不显著。金堂2000年前能见度迅速下降,2000年以后略有好转。大邑1980～1985年能见度上升,1985～1993年明显呈下降趋势,1993～2010年趋于平稳(维持在12km)。新津1980～1985年略有上升,1991～2010年又逐渐降低,最后趋于平缓。彭州的能见度变化不显著,基本维持在20km。温江总体来说略有下降,但下降幅度不显著,基本上维持在10km。从图1和表1还可以看出近几年各地区的能见度变化情况为:彭州的能见度最好,其次是大邑、温江、金堂,新津最差。这与不同地区的地理环境和气候特点有关系。彭州受国家自然保护区的面积较大,使用的土地面积小,人为活动少,相应的污染也少,能见度较好。温江无山无丘,地势平坦,平均相对湿度84%,平均风速1.3m/s,研究表明,相对湿度与能见度呈负相关,与风速正相关,在这样的气象条件下,不利于污染物的输送,对能见度也有一定的影响。金堂的地形复杂,平均风速为1.1m/s,湿度大,云雾多,雾和霾等影响能见度的天气较多。大邑雨量充沛,降水对能见度的影响也非常显著。新津以平原为主,加之新津机场污染较严重,雨量充沛,多云雾,日照短,雾、霾天气出现频率高,因此,能见度非常差。

如图2所示,各季节能见度变化主要表现为:夏季最高,春季和秋季其次,冬季最低。除了彭州,其它4个站能见度的季节差异均在逐渐缩小,这与叶香等[10]的研究结果相符。金堂四季的能见度均呈下降趋势,1995年开始季节变化不显著。大邑春季和夏季的能见度总体呈波动降低趋势,1995年后季节差异非常小。新津春、夏、秋季的能见度均呈下降趋势,冬季略有上升,致使季节差异也在逐渐缩小,尤其是1995年后。彭州的能见度变化不大,但季节差异明显。温江春、夏、秋季的能见度呈降低趋势,冬季波动变化,1993年开始季节差异逐渐缩小。主要是由于进入春季以后,大气层结开始由稳定逐渐变为不稳定,由低压控制区内,气流上升,云量大的日数较多,风速通常也较大,有利于污染物的稀释扩散,凝结核因子较少,不容易出现雾、霾等能影响能见度的天气;而冬季大气层结较稳定,由高压控制区内,气流下沉,风速较小,加上冬季逆温出现频率高,严重阻碍了污染物的垂直输送,使污染物长时间累积在近地层,造成大气污染,从而对能见度造成很大影响。因此,夏季和春季能见度较高,秋季和冬季能见度较低。地形条件和空气污染对该地区的气候也会造成重要影响,气候的季节差异与能见度的季节差异有很大关系。

图2 能见度中值的季节变化趋势图

2.2 Ridit分析结果

从图3可以看出,金堂、大邑、新津和温江的Ridit中值均呈减小趋势,但大邑减小不显著,彭州略呈增加趋势。这与能见度中值的变化趋势基本一致,说明这两种方法均能很好地反映出能见度的变化特征。金堂、大邑、新津和温江的Ridit中值从1980年到2010年均从0.5以上减小到0.5以下,说明到2010年能见度已经差于总体能见度水平,能见度逐渐在恶化。彭州的Ridit中值变化不显著,且始终维持在0.5左右。

2.3 “非常好”能见度出现的频率

图3 Ridit中值的年变化趋势图

图4 夏季“非常好”能见度出现的频率变化趋势

从图4中可以看到,金堂、大邑、新津和温江夏季“非常好”能见度出现的频率均呈下降趋势,彭州变化不显著,在0.8左右波动。说明近年来金堂、大邑、新津和温江夏季空气污染情况比较严重,彭州较轻。夏季雾、霾等天气出现较少,对能见度的影响主要是空气污染。由于经济与环境的发展不协调,能见度具有局地差异。彭州位于成都北部,该地区旅游业发展较好,植被较多,空气净化能力较强,能见度较好。金堂位于成都东部,经济发展较快,对环境影响较大。大邑位于西部,由于西部计划不断推进,工程污染比较严重,致使能见度恶化。新津位于成都南部,新津机场对该地区的能见度的影响也非常显著,能见度最差。而中部的温江主要是由于城市化进程的加快,汽车尾气的大量排放,人为活动的频率,所以能见度也较差。因此,经济与环境协调发展、减少汽车尾气等措施对改善空气质量也有重要影响。

3 结束语

分别采用累积百分率法、Ridit分析法、“非常好”能见度出现的频率法3种不同的统计方法对金堂、大邑、新津、彭州和温江的能见度变化趋势进行了详细分析,可以得出以下几个结论:

(1)3种方法的研究结果基本一致,说明都能较好地反映出该地区能见度的变化趋势。

(2)金堂、大邑和新津的能见度减小主要体现在20世纪90年代和21世纪初;20世纪80年代和90年代,彭州的能见度低于总体平均能见度,21世纪初上升。

(3)1980～2010年,彭州的能见度变化不显著,略呈上升趋势,相对其它4个站点较高;金堂、新津和温江的能见度显著下降,大邑略有下降。

(3)20世纪80、90年代彭州、金堂、大邑和新津的能见度的季节变化均非常显著:夏季最高、春季和秋季次之、冬季最低。然而21世纪以后,除了彭州,其它3个县的能见度的季节变化差异逐渐在缩小。

(4)从夏季“非常好”能见度出现的频率变化趋势可知,金堂、大邑、新津、温江这4个站点的“非常好”能见度出现的频率较低,受空气污染情况较严重;相比之下,彭州能见度维持较好,受空气污染较轻。

[1] 刘西川,高太长,刘磊,等.降水现象对大气消光系数和能见度的影响[J].应用气象学报,2010,21(4):433-441.

[2] 沈家芬,冯建军,谢利,等.广州市大气能见度的特征及其影响因子分析[J].生态环境,2007,16(4):1199-1204.

[3] 刘永红,冯婷,蔡铭.2009年广州能见度变化规律及主要影响因素分析[J].中国环境监测,2012,28(3):32-37.

[4] 张浩,石春娥,谢伟,等.安徽省1955-2005年城市大气能见度变化趋势[J].气象科学,2008,28(5):515-520.

[5] 魏文秀,张欣,田国强.河北霾分布与地形和风速关系分析[J].自然灾害学报,2010,1(19):49-52.

[6] 赵胡笳,马雁军.丹东地区大气能见度变化及其主要影响因子分析[J].辽宁气象,2011,27(6):7-13.

[7] 吴彬贵,解以扬,吴丹朱,等.京津塘高速公路秋冬季低能见度及应对措施[J].自然灾害学报,2009,18(4):12-17.

[8] 吴兑,毕雪岩,邓雪娇,等.珠江三角洲气溶胶云造成的严重灰霾天气[J].自然灾害学报,2006,6(15):77-83.

[9] Ghim Young Sung,Moon Kil-Choo,Lee Sihye,etc.Visibility trends in Korea during the past two decades[J].Journal of the Air&Waste Management Association(1995),2005,55(1):73-82.

[10] 叶香,姜爱军,张军,等.南京市大气能见度的变化趋势及特征[J].气象科学,2011,31(3):325-331.

[11] 张军.佛山市近30年来能见度变化趋势的分析[J].地理研究,1993,12(4):54-61.

[12] 黄健,吴兑,黄敏辉,等.1954-2004年珠江三角洲大气能见度变化趋势[J].应用气象学报,2008,19(1):61-70.

[13] 洪全.重庆市大气能见度变化趋势及影响因子[J].重庆大学学报(自然科学版),2003,26(5):151-154.

[14] 伍一萍,张广平,陈传宏.宁夏石嘴山市大气能见度的变化趋势及特征[J].宁夏农林科技,2012,53(5):125-127.

[15] 范引琪,李春强.1980-2003年京、津、冀地区大气能见度变化趋势研究[J].高原气象,2008,27(6):1392-1400.

[16] 范引琪,李二杰,范增禄.河北省1960-2002年城市大气能见度的变化趋势[J].大气科学,2005,29(4):526-535.

[17] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京:气象出版社,2007.