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广州地区能见度长期变化趋势与特征

Xuejiao Deng^a,b, Xuexi Tie^c,e,*，Dui Wu^b, Xiuji Zhou^d, Xueyan Bi^b, Hanbo Tan^b,

Fei Li^b, Chenglin Jiang^b

^a北京大学物理学院大气科学系，北京，中国

^b中国气象局热带与海洋气象研究所热带季风重点开放实验室，广州，中国

^c国家大气研究中心，Boulder，CO 80303，美国

^d中国气象局中国气象科学研究院，北京，中国

^e上海气象局，上海，中国

摘要：本文认为，在珠三角区域，城市化的快速发展和人类活动的加强对能见度产生了重要影响。根据能见度的长期趋势，在1954年到2006年之间，广州的能见度有快速的变化。从1954年到1972年，低能见度事件极少发生，平均每年少于1天。从1972年1980年，能见度状况开始转变，低能见度天气发生频率快速增加。从1980年到2006年，低能见度天气发生频率居高不下（约150天每年），表明从1980年之后，广州经常遭遇低能见度的恶劣天气。为揭示广州低能见度天气的成因，本文分析了一次发生于2005年11月15日至29日的低能见度天气下的物理与化学特征。结果表明，高浓度气溶胶是一项主要诱因。在能见度小于10km的天气下，气溶胶浓度的临界值是120mu;gsdot;m^-3。更深入的分析表明，气溶胶含量与能见度之间存在非线性关系。当气溶胶浓度很高时(大于120mu;gsdot;m^-3)，能见度的变化对于气溶胶浓度并不敏感；然而当浓度低于120mu;gsdot;m^-3时，能见度的变化对于气溶胶浓度相当敏感。本文还发现吸收性气溶胶（如元素碳EC）对能见度的降低有很重要的作用。在大多数情况下，极低的能见度（小于2km）通常由高EC浓度（大于15mu;gsdot;m^-3）导致。在一般情况下，粒径小于1mu;m的散射性气溶胶对能见度的降低有最大的贡献（约70%），相反地，大粒径的散射性气溶胶的贡献是最小的。本文意在表明，小粒径的气溶胶，包括散射性和吸收性的粒子，导致了持续性低能见度天气的发生。为改善广州地区的大气能见度，减少细颗粒物的排放迫在眉睫。本研究认为，改善广州的能见度有两个重要步骤。第一，气溶胶浓度要控制在临界值120mu;gsdot;m^-3以下；第二，由气溶胶浓度与能见度之间的非线性关系，气溶胶浓度达临界值后，若进一步降低，会极大改善能见度状况。

关键词：气溶胶；能见度长期趋势；散射与吸收颗粒；广州

引言

珠三角地区（PRD）位于中国南部（112°E~115°E，21°N~24°N），是一个高度城市化的区域，包含了众多大城市（广州、香港、深圳、澳门）。近几年来，经济的飞速发展对这片区域的气溶胶含量、能见度产生了重要影响。

当前，气溶胶是珠三角地区的首要空气污染物（Deng等，2006）。珠三角地区的气溶胶主要来源于煤的燃烧、机动车尾气和生物质燃烧。高浓度的气溶胶引起了一些气候与环境方面的问题。在气候方面，气溶胶具有直接辐射效应，因为它能吸收、散射短波与长波辐射。气溶胶还改变水云、冰云、混合相云的形成过程与降水效率，因此引起间接辐射效应，伴随着云的性质的变化。除了气候效应之外，气溶胶对能见度有重要影响。高浓度的气溶胶会导致低能见度，而珠三角地区经常发生低能见度天气。

本文描述了广州能见度的长期变化趋势，并分析了一次低能见度天气过程。分析该过程中的气象条件和气溶胶性质，我们能更好理解低能见度天气的诱因。在第2节，我们介绍了测量装置和数据。在第3节，我们展现了低能见度天气的特征。

数据与装置

为研究气溶胶的性质，中国气象局在珠三角地区建立了大气观测网络，包括广州站（位于22°56rsquo;N，113°19rsquo;E）。广州站于2004年1月投入运行。观测变量包括气溶胶质量浓度（元素碳EC，PM₁₀,PM_2.5和PM_1.0）、气溶胶光学性质，气溶胶散射与吸收效率和大气能见度。测量装置简介如下：（1）PM₁₀,PM_2.5,PM_1.0质量浓度、数浓度、中值半径，由灰尘监测仪测量（Grimm科技公司生产，范围从0.25到32mu;m）（2）EC质量浓度，由黑碳测量仪观测（Magee科技公司，AE-16，波长880nm）（Hansen et al., 1984)（3）散射系数，由便携式积分浊度计观测（波长525nm，Ecotech,A-ZRA-M9003）（4）吸收系数，由黑碳测量仪观测（单位质量吸收截面8m²/g2^{2222222222222222222222222222222222222}）（5）大气能见度，由能见度观测（Belfort Model 6000）。我们对这些装置的流入、光源稳定性、零点、范围进行定期检查，仪器定期的维护能保证测量的准确。除了以上装置，广州站还有一个传统的能见度仪，它已运转了52年，性能良好，记录正常。（Wu et al., 2007）

结果和讨论

广州能见度长期变化趋势

我们首先分析能见度的长期记录，以研究经济发展对于能见度的影响。图1为广州52年的霾日数。霾日的定义为：（a）日均能见度小于10km；（b）日均相对湿度小于90%；（c）当天无降水（Wu,2005）。根据上述定义，霾天可认为是高浓度的气溶胶引起的低能见度天气。由图1，广州的能见度变化有三个明显的阶段。从1954年到1972年，霾天发生频率很低（约每年几天），此时的能见度

图1 广州52年的霾日数。霾日定义为：(a)日均能见度小于10km；（b）日均相对湿度小于90%；（c）当天无降水（Wu,2005）

图2 于广州拍摄的照片（左：11月23日，右：11月29日）

状况良好，为时期1。从1972年到1980年，霾天发生频率快速增加，于1980年达到150d/a，这是时期2，能见度由好转坏。时期3从1980年到2006年，霾日数维持在很高的值，约为150d/a，表明广州处在低能见度天气下的时间占了40%，除了高值之外，霾日数也有一些年际变化。正因为低能见度天气对人类生活有重要影响，所以要深入研究和理解低能见度天气的成因。在下面的章节，我们将分析广州地区在能见度由好转坏时期里的一次低能见度天气过程的特征。

案例研究

在此案例中，我们选取了2005年11月25至29日发生于广州的一次低能见度天气，通过分析气象条件与气溶胶数据，以研究低能见度天气的特征与成因。在此期间，能见度由高急转直下，因此，这次过程表现了广州低能见度天气的典型特征。图2是两张照片，11月23日的能见度状况很好，为23km，而11月29日的能见度就快速跌至11km。

图3 2005年11月15~29日能见度（粉红直线，单位km）与PM10质量浓度（黑线，单位mu;gsdot;m^-3）随时间的变化

更详细的能见度数据见图3，它给出了能见度与气溶胶质量浓度（PM₁₀）在此期间的变化。能见度在几天的时间里从50km降至10km，15日的能见度为50km，24日的能见度为10km。在以下的分析中，我们定义15日至23日的晴空条件为阶段1，24日至29日的低能见度天气为阶段2。在阶段1，气溶胶质量浓度较低（约50-100mu;gsdot;m^-3），在阶段2，气溶胶质量浓度很高，达到100~200mu;gsdot;m^-3，最大值为422mu;gsdot;m^-3。更进一步，气溶胶浓度与能见度呈高度的反相关关系，相关系数在图4中给出，相关系数约为0.8，且通过alpha;=0.05的显著性检验。低能见度天气（小于10km）下的气溶胶浓度阈值为120mu;gsdot;m^-3。换句话说，当气溶胶浓度在阈值之上时，通常会发生低能见度天气，此外，这还能清楚证明气溶胶浓度与

图4 2005年11月15~29日气溶胶浓度（mu;gsdot;m^-3）与能见度（km）的关系。红色圆点代表平均能见度为10km

能见度之间存在非线性关系。当气溶胶很很高时，能见度对于气溶胶含量不敏感，例如，当气溶胶浓度从150mu;gsdot;m^-3增加到300mu;gsdot;m^-3时，能见度从9km减小至5km，两者变化的比率Delta;V/Delta;A为-0.027km/(mu;gsdot;m^-3)。相反地，当气溶胶浓度很低时，能见度对气溶胶含量的变化相当敏感。在此例中，当气溶胶浓度从50mu;gsdot;m^-3增加至100mu;gsdot;m^-3时，能见度从35km降至12km，两者比率为-0.46 km/(mu;gsdot;m^-3)。这种非线性关系对此区域的能见度状况改善有很重要的作用。本文总结了两个改善广州大气能见度的重要途径，第一步，要把气溶胶浓度控制在阈值120mu;gsdot;m^-3以下；第二步，根据这种非线性关系，气溶胶浓度的进一步的降低将会极大改善能见度状况。

气象条件

气溶胶浓度和能见度的变化与气象条件有关。从2005年11月15日至29日，珠三角大部分地区都是晴空。图5是地面观测站测得的地面风的空间分布，在阶段1（15至23日），珠三角地区有一次强冷锋过境，伴随着大风。在阶段2（24至29日），珠三角地区受高压控制，风速很弱。图6是广州的风速与温度的详细时间变化，由图6，在阶段1，平均地表风速为3m/s，它将广州的气溶胶粒子输送至周边地区，使气溶胶浓度降低。相反，阶段2风速很低，29日的风速为0~1m/s。低的风速会使气溶胶在源地汇集，造成很高的浓度，结果29日的PM₁₀浓度最大值达到了422mu;gsdot;m^-3。

图5 地面观测站所测的地表风空间分布，空心圆点为广州。（a）2005年11月17日；（b）2005年11月27日

气溶胶特征及与能见度的关系

能见度可由以下公式计算（Seinfeld和Pandis, 1998）

beta;_e是总消光系数，beta;_s和beta;_a是散射与吸收系数，beta;_sg, beta;_ag, beta;_sp, beta;_ap分别是气相与颗粒相的散射和吸收系数。气相分子对能见度的影响包括空气分子的瑞利散射，O₃,NO₂,SO₂对太阳辐射的吸收，气溶胶颗粒对能见度的影响包括气溶胶对太阳辐射的吸收和散射（Madronich和Flocke, 1999）。图7为所测量的气溶胶的散射和吸收系数，可以看出，气溶胶散射系数beta;_sp远大于吸收系数beta;_ap.定义单次反照率omega;，它为beta;_sp与beta;_sp beta;_ap的比值。omega;值为0.8，表明在气溶胶总消光中，散射占80%，吸收占20%。omega;值在两个阶段基本保持不变，说明在清洁条件（阶段1）和污染条件（阶段2）下，吸收性和散射性气溶胶均来自相同的源。

图6 2005年11月15~29日广州地表风（m/s）与温度（℃）的时间变化

图7 2005年11月15~29日气溶胶的散射、吸收系数（10^-6m^-1）及单次反照率

图8体现了观测与用公式（1）计算所得的能见度之间的差异。由于只考虑了气溶胶的消光系数beta;_sp和beta;_ap，这种差异由气相消光系数（beta;_sg和beta;_ag）引起。结果表明，在阶段2，两者差异很小，此时的低能见度主要由气溶胶对太阳辐射的吸收和散射引起。在阶段1，气溶胶消光系数也对能见度有主要贡献，气相消光系数则有次要的贡献。以上分析表明，气溶胶在能见度的降低中扮演重要角色，尤其是在污染天气下。

气溶胶消光系数定义为

其中sigma;是气溶胶消光截面，dN/dr是气溶胶数密度谱，I_r和I_m分别是气溶胶折射指数的实部和虚部，与气溶胶组分有关。由（3）和（4）式，气溶胶消光系数（或能见度）受多种因子影响，包括气溶胶组分、数密度、尺度分布和光学性

图8 2005年11月15~29日观测的能见度（黑线），与将所测的大气消光系数（且只考虑气溶胶的消光系数）代入式(1)计算得到的能见度（红线） 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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