成都市1980～2010年能見度的變化趨勢分析

周書華, 倪長健, 劉陪川, 鄭一靜

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225 2.四川環(huán)境監(jiān)測站,四川成都610041)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大氣污染問題已越來越突出,能見度的降低就是其主要表現(xiàn)之一。影響大氣能見度主要有自然因素和人為因素[1-3]。自然因素主要包括霧、揚(yáng)塵、降水等天氣現(xiàn)象,人為因素主要包括汽車尾氣、焚燒等[4]。若能見度低于10Km、相對濕度小于90%時(shí),將會(huì)出現(xiàn)灰霾天氣[5],也可能造成光化學(xué)煙霧等現(xiàn)象。研究表明,氣溶膠粒子中NO2、PM2.5和PM10的含量較高,如果大量的氣溶膠粒子不能及時(shí)輸送而長時(shí)間滯留在大氣中,對能見度以及人體健康、交通運(yùn)輸、航天事業(yè)等都有重大影響[6-8]。早期美國和英國主要采用累積百分率法和Ridit分析法來對大氣能見度進(jìn)行探究。Ghim等[9]也研究了韓國過去20年的能見度的變化特征。隨之中國對能見度也開展了大量研究工作。葉香等[10]采用百分位分析法、等級分析法、Ridit分析法對南京市能見度的時(shí)空變化特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。張軍[11]研究表明,佛山市的能見度在近30年里正在加速惡化。黃建等[12]提出了珠江三角洲的能見度問題主要是由氣溶膠粒子造成的空氣污染引起的。洪全[13]分析了能見度與各種氣象因子、污染物濃度之間的相關(guān)性,并指出能見度與相對濕度、降水、污染物濃度均呈負(fù)相關(guān)。

處于四川盆地西部的成都,四面環(huán)山,靜風(fēng)和逆溫是該地區(qū)主要的氣象現(xiàn)象,非常不利于污染物的輸送。在城市化進(jìn)程加速的條件背景下,對該區(qū)域展開對能見度的相關(guān)研究還可為環(huán)境評估等相關(guān)部門提供一定的理論參考依據(jù)。較自然因素而言,人為因素對能見度的影響更大,對其相關(guān)研究也已成為全球的一個(gè)熱點(diǎn)。所以,文中主要對由于空氣污染所造成的大氣能見度的變化趨勢進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

主要采用成都市氣象局提供的1980～2010年的地面觀測資料,包括一日4次的大氣能見度、相對濕度、降水等,觀測時(shí)間分別為北京時(shí)間02:00、08:00、14:00、20:00。由于早上08:00的能見度易受晚上形成的逆溫的影響,傍晚20:00也會(huì)受白天與晚上對目標(biāo)物的觀測不一致的影響而產(chǎn)生較大誤差,凌晨02:00的資料缺測較多,所以14:00的能見度能更好的代表一天的能見度,且要求相對濕度小于90%,以此將霧、霾天氣分開,并剔除降水等影響能見度的天氣[14]。

1.2 方法的選取

將篩選出來的能見度資料分為5個(gè)等級:0～1.9km、2～9km、10～19km、20～39km、40km以上[15]。然后分別采用累積百分率法(結(jié)合線性傾向估計(jì)法)、Ridit分析法和“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率法來對成都市具有代表性的5個(gè)縣(東部的金堂、西部的大邑、南部的新津、北部的彭州和中部的溫江)的能見度的變化趨勢進(jìn)行分析。

1.2.1 累積百分率法

實(shí)際的能見度值通常要≥觀測所得到的值。累積百分率法對能見度的變化趨勢分析,就是某一特定的累積百分率所對應(yīng)的能見度值隨時(shí)間的變化,該方法非常適用于這類被低估的觀測資料的變化趨勢分析[12]。

第i段能見度累積百分率定義為:某一段時(shí)間內(nèi)所觀測到的能見度值≥i段能見度值的次數(shù)與這一段時(shí)間內(nèi)總的觀測次數(shù)的百分比。其公式如下:

其中,f(v)為能見度的概率密度函數(shù),vi表示第i段的能見度,n表示總的觀測次數(shù),ni表示有ni次能見度等于或超過vi的值,ni/n×100%即為第i段能見度的累積百分率。如果將累積百分率為50%對應(yīng)的能見度定義為能見度中值,其結(jié)果只能由外推得到,然而實(shí)際的累積百分率曲線是非線性的,要外推很困難且誤差較大。因此,將累積百分率為60%所對應(yīng)的能見度定義為能見度中值,累積百分率為10%所對應(yīng)的能見度定義為能見度高值,累積百分率為90%所對應(yīng)的能見度定義為能見度低值[16]。

1.2.2 線性傾向估計(jì)法

用xi表示樣本量為n的某一氣候變量,ti為xi所對應(yīng)的時(shí)間,建立xi與ti之間的一元線性回歸方程:

其中b為回歸系數(shù),a為回歸常數(shù),a、b可以通過最小二乘法來進(jìn)行估計(jì)。而b的符號可以表示氣候變量x的趨勢傾向,其值的大小可以反映變化速率[17]。

1.2.3 Ridit分析法

Ridit中值能夠反映出某段時(shí)間某個(gè)地區(qū)能見度好于(差于)總體能見度的情況[15]。用fAi表示某段給定時(shí)間中第i段區(qū)間的能見度出現(xiàn)次數(shù)與該地區(qū)該段時(shí)間內(nèi)總的觀測次數(shù)之比,fRi表示總體中第i段區(qū)間的能見度出現(xiàn)次數(shù)與總的觀測次數(shù)之比,k表示能見度被分為k個(gè)等級(k=5)來進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。則Ridit中值的計(jì)算公式為:

為了方便,以下記Ridit中值為R。R＞0.5表示該段時(shí)間內(nèi)能見度好于總體能見度水平,R＜0.5則表示該段時(shí)間內(nèi)能見度差于總體能見度水平。Ridit分析法可直接由(3)式計(jì)算得出,不需要用外推法,且不易受氣象因素的影響。但Ridit分析法只適用于某個(gè)站點(diǎn)某段時(shí)間內(nèi),而能見度中值既可以在站與站之間進(jìn)行比較,也可以對不同年代進(jìn)行比較。但如前面所述,累積百分率需要外推,因此,Ridit分析法往往需要結(jié)合累積百分率法一起使用。

1.2.4 “非常好”能見度出現(xiàn)的頻率法

19km可以作為判斷夏季大氣污染影響能見度水平的一個(gè)非常好的指標(biāo)。所以這里將“非常好”能見度頻率定義為大于19km的能見度出現(xiàn)的頻率[16]。文中主要以夏季(6～8月)為研究對象,分別對金堂、大邑、新津、彭州和溫江的夏季“非常好”能見度出現(xiàn)頻率的變化趨勢進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積百分率法的結(jié)果分析

如表1所示,1980～2010年這31年,彭州的平均能見度中值最高,為20.16km,其次是大邑、溫江、金堂、新津,分別為11.9km、11.47km、9.4km、8.77km。20世紀(jì)80年代,金堂、大邑和新津平均能見度中值比總體平均能見度中值分別高3.8km、1.1km、2.83km,彭州和溫江分別低0.66km、0.04km。20世紀(jì)90年代除了溫江較總體平均能見度中值高0.36km外,其它4個(gè)站點(diǎn)分別低2.25km、1km、0.47km、1.06km。21世紀(jì)初,除彭州能見度中值高出總體平均能見度中值1.57km外,其它4個(gè)站點(diǎn)分別低1.40km、0.09km、2.14km、0.29km?？偟膩碚f,20世紀(jì)80年代,金堂、大邑和新津的平均能見度高于總體平均能見度,能見度減小主要體現(xiàn)在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初;彭州20世紀(jì)80年代和90年代的能見度低于總體平均能見度,21世紀(jì)初能見度增加。溫江20世紀(jì)80年代的平均能見度與總體平均能見度接近,90年代有所增加,21世紀(jì)初又降低。能見度的降低與中國從20世紀(jì)80年代以來經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展有很大關(guān)系。調(diào)查顯示,至2010年,成都市人均收入比改革開放前翻了幾番,隨之帶來的環(huán)境問題也日益突出,對能見度造成了很大影響。

表1 1980～2010年能見度中值的年代際變化(單位:km)

圖1 能見度中值的年變化趨勢圖

由圖1可明顯看出,金堂、大邑、新津和溫江的能見度中值的變化系數(shù)均為負(fù)值,表明這些地區(qū)的能見度呈下降趨勢;彭州的能見度中值的變化系數(shù)為正,表明該地區(qū)的能見度呈上升趨勢。其中溫江和大邑的能見度略有降低,金堂和新津下降幅度較大,彭州上升幅度不顯著。金堂2000年前能見度迅速下降,2000年以后略有好轉(zhuǎn)。大邑1980～1985年能見度上升,1985～1993年明顯呈下降趨勢,1993～2010年趨于平穩(wěn)(維持在12km)。新津1980～1985年略有上升,1991～2010年又逐漸降低,最后趨于平緩。彭州的能見度變化不顯著,基本維持在20km。溫江總體來說略有下降,但下降幅度不顯著,基本上維持在10km。從圖1和表1還可以看出近幾年各地區(qū)的能見度變化情況為:彭州的能見度最好,其次是大邑、溫江、金堂,新津最差。這與不同地區(qū)的地理環(huán)境和氣候特點(diǎn)有關(guān)系。彭州受國家自然保護(hù)區(qū)的面積較大,使用的土地面積小,人為活動(dòng)少,相應(yīng)的污染也少,能見度較好。溫江無山無丘,地勢平坦,平均相對濕度84%,平均風(fēng)速1.3m/s,研究表明,相對濕度與能見度呈負(fù)相關(guān),與風(fēng)速正相關(guān),在這樣的氣象條件下,不利于污染物的輸送,對能見度也有一定的影響。金堂的地形復(fù)雜,平均風(fēng)速為1.1m/s,濕度大,云霧多,霧和霾等影響能見度的天氣較多。大邑雨量充沛,降水對能見度的影響也非常顯著。新津以平原為主,加之新津機(jī)場污染較嚴(yán)重,雨量充沛,多云霧,日照短,霧、霾天氣出現(xiàn)頻率高,因此,能見度非常差。

如圖2所示,各季節(jié)能見度變化主要表現(xiàn)為:夏季最高,春季和秋季其次,冬季最低。除了彭州,其它4個(gè)站能見度的季節(jié)差異均在逐漸縮小,這與葉香等[10]的研究結(jié)果相符。金堂四季的能見度均呈下降趨勢,1995年開始季節(jié)變化不顯著。大邑春季和夏季的能見度總體呈波動(dòng)降低趨勢,1995年后季節(jié)差異非常小。新津春、夏、秋季的能見度均呈下降趨勢,冬季略有上升,致使季節(jié)差異也在逐漸縮小,尤其是1995年后。彭州的能見度變化不大,但季節(jié)差異明顯。溫江春、夏、秋季的能見度呈降低趨勢,冬季波動(dòng)變化,1993年開始季節(jié)差異逐漸縮小。主要是由于進(jìn)入春季以后,大氣層結(jié)開始由穩(wěn)定逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定,由低壓控制區(qū)內(nèi),氣流上升,云量大的日數(shù)較多,風(fēng)速通常也較大,有利于污染物的稀釋擴(kuò)散,凝結(jié)核因子較少,不容易出現(xiàn)霧、霾等能影響能見度的天氣;而冬季大氣層結(jié)較穩(wěn)定,由高壓控制區(qū)內(nèi),氣流下沉,風(fēng)速較小,加上冬季逆溫出現(xiàn)頻率高,嚴(yán)重阻礙了污染物的垂直輸送,使污染物長時(shí)間累積在近地層,造成大氣污染,從而對能見度造成很大影響。因此,夏季和春季能見度較高,秋季和冬季能見度較低。地形條件和空氣污染對該地區(qū)的氣候也會(huì)造成重要影響,氣候的季節(jié)差異與能見度的季節(jié)差異有很大關(guān)系。

圖2 能見度中值的季節(jié)變化趨勢圖

2.2 Ridit分析結(jié)果

從圖3可以看出,金堂、大邑、新津和溫江的Ridit中值均呈減小趨勢,但大邑減小不顯著,彭州略呈增加趨勢。這與能見度中值的變化趨勢基本一致,說明這兩種方法均能很好地反映出能見度的變化特征。金堂、大邑、新津和溫江的Ridit中值從1980年到2010年均從0.5以上減小到0.5以下,說明到2010年能見度已經(jīng)差于總體能見度水平,能見度逐漸在惡化。彭州的Ridit中值變化不顯著,且始終維持在0.5左右。

2.3 “非常好”能見度出現(xiàn)的頻率

圖3 Ridit中值的年變化趨勢圖

圖4 夏季“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率變化趨勢

從圖4中可以看到,金堂、大邑、新津和溫江夏季“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率均呈下降趨勢,彭州變化不顯著,在0.8左右波動(dòng)。說明近年來金堂、大邑、新津和溫江夏季空氣污染情況比較嚴(yán)重,彭州較輕。夏季霧、霾等天氣出現(xiàn)較少,對能見度的影響主要是空氣污染。由于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的發(fā)展不協(xié)調(diào),能見度具有局地差異。彭州位于成都北部,該地區(qū)旅游業(yè)發(fā)展較好,植被較多,空氣凈化能力較強(qiáng),能見度較好。金堂位于成都東部,經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,對環(huán)境影響較大。大邑位于西部,由于西部計(jì)劃不斷推進(jìn),工程污染比較嚴(yán)重,致使能見度惡化。新津位于成都南部,新津機(jī)場對該地區(qū)的能見度的影響也非常顯著,能見度最差。而中部的溫江主要是由于城市化進(jìn)程的加快,汽車尾氣的大量排放,人為活動(dòng)的頻率,所以能見度也較差。因此,經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、減少汽車尾氣等措施對改善空氣質(zhì)量也有重要影響。

3 結(jié)束語

分別采用累積百分率法、Ridit分析法、“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率法3種不同的統(tǒng)計(jì)方法對金堂、大邑、新津、彭州和溫江的能見度變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析,可以得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)3種方法的研究結(jié)果基本一致,說明都能較好地反映出該地區(qū)能見度的變化趨勢。

(2)金堂、大邑和新津的能見度減小主要體現(xiàn)在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初;20世紀(jì)80年代和90年代,彭州的能見度低于總體平均能見度,21世紀(jì)初上升。

(3)1980～2010年,彭州的能見度變化不顯著,略呈上升趨勢,相對其它4個(gè)站點(diǎn)較高;金堂、新津和溫江的能見度顯著下降,大邑略有下降。

(3)20世紀(jì)80、90年代彭州、金堂、大邑和新津的能見度的季節(jié)變化均非常顯著:夏季最高、春季和秋季次之、冬季最低。然而21世紀(jì)以后,除了彭州,其它3個(gè)縣的能見度的季節(jié)變化差異逐漸在縮小。

(4)從夏季“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率變化趨勢可知,金堂、大邑、新津、溫江這4個(gè)站點(diǎn)的“非常好”能見度出現(xiàn)的頻率較低,受空氣污染情況較嚴(yán)重;相比之下,彭州能見度維持較好,受空氣污染較輕。

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