東莞散射系數(shù)的特征及與地面氣象要素關(guān)系

袁志揚

(東莞市氣象局，廣東東莞　523086)

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東莞散射系數(shù)的特征及與地面氣象要素關(guān)系

袁志揚

(東莞市氣象局，廣東東莞523086)

摘要：利用東莞市大氣成分站2013年散射系數(shù)和地面氣象觀測資料，分析了散射系數(shù)的變化特征及與氣象因子的關(guān)系，結(jié)果可知：2013年東莞散射系數(shù)年平均值為163.7 M·m-1，1月份的散射系數(shù)最大，7月份最小。散射系數(shù)日變化特征表現(xiàn)為：早晨出現(xiàn)峰值，下午出現(xiàn)谷值；白天散射系數(shù)的變化非常明顯，而夜間變化比較平緩；夜間散射系數(shù)值高于白天。散射系數(shù)與氣象要素關(guān)系表現(xiàn)為：受偏西風(fēng)的影響，東莞散射系數(shù)維持在較高的水平，南風(fēng)則有利于散射系數(shù)降低；風(fēng)速低，散射系數(shù)則高，隨著風(fēng)速增大，散射系數(shù)逐漸降低，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時，散射系數(shù)保持在較低的水平；正變溫或大幅度降溫，散射系數(shù)會明顯下降，而小幅降溫則呈上升趨勢；散射系數(shù)高值較少出現(xiàn)在濕度低的條件下，多出現(xiàn)在高濕度環(huán)境下；氣壓低，散射系數(shù)相對較低，不過受熱帶氣旋外圍的下沉氣流影響，可能會出現(xiàn)極端情況；降雨雖然能潔凈大氣，降低散射系數(shù)，但不是每次降雨后，散射系數(shù)都有所降低。

關(guān)鍵詞：散射系數(shù)； 大氣氣溶膠； 氣象要素； 東莞市

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固態(tài)和液態(tài)微粒共同組成的多相體系[1]。隨著中國的工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，由人類活動產(chǎn)生的大氣氣溶膠大量增加，導(dǎo)致近年來連續(xù)性、大范圍出現(xiàn)的灰霾受到大眾和政府的關(guān)注，空氣質(zhì)量研究成為許多學(xué)者的重要課題[2-8]。氣溶膠的散射系數(shù)是大氣成分觀測中氣溶膠類的重要一項指標(biāo)，能反映氣溶膠的光學(xué)特性，表征大氣氣溶膠散射造成輻射能量衰減程度的物理量[13]。在大氣輻射的過程中，氣溶膠粒子能削弱到達(dá)地表的太陽輻射，并將少部分太陽輻射散射回宇宙，使入射到地面上的能量減少，降低低層大氣的溫度，同時氣溶膠層吸收了太陽輻射的能量而增溫，并通過大氣運動傳輸熱量，又能提高大氣溫度，影響全球環(huán)境的氣候的變化[9-10]。因此分析氣溶膠的散射系數(shù)對大氣的輻射平衡、氣候變化具有重要的意義。另一方面，大氣中氣溶膠粒子的散射使得能見度下降，給城市的經(jīng)濟活動和市民生活帶來影響，因此有必要建立適合當(dāng)?shù)啬芤姸鹊念A(yù)報系統(tǒng)、霾天氣預(yù)警發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，能為局地大氣散射系數(shù)的特征分析，提供重要的基礎(chǔ)。近年來，散射系數(shù)的研究已在多地開展，如廣州南沙、杭州等地[13-14]，而東莞在這方面的研究較少。本研究利用東莞市氣象局大氣成分觀測站作為本次氣溶膠的散射系數(shù)的觀測點，從2013年1月1日—12月31日為期1年的連續(xù)觀測， 對散射系數(shù)變化特征及氣象影響因子的影響作初步的分析。

1觀測儀器及數(shù)據(jù)處理

散射系數(shù)數(shù)據(jù)是利用澳大利亞ECOTECH公司生產(chǎn)的M9003濁度計來進(jìn)行連續(xù)觀測的， 儀器安裝在東莞市大氣成分觀測站內(nèi)，地處南城區(qū)植物園，四周有大面積的植物，無明顯的污染排放源。濁度計設(shè)定每日自動進(jìn)行定時零點檢查，定期進(jìn)行跨度檢查，當(dāng)零點或跨度檢查值超出允許范圍時，對儀器進(jìn)行全校準(zhǔn)，儀器自帶加熱系統(tǒng)，對測量樣品濕度控制在60%以下。本研究基于2013年1—12月觀測數(shù)據(jù)，該儀器的數(shù)據(jù)輸出分辨率為1 min，由于儀器故障缺測、奇異數(shù)據(jù)等原因?qū)е? h內(nèi)無效數(shù)據(jù)超過1/3時不作統(tǒng)計。經(jīng)計算得到有效數(shù)據(jù)時數(shù)為8 735 h。

地面氣象資料是由同一地點的東莞國家基本氣象站觀測所得。風(fēng)向為該小時分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來的最多風(fēng)向。其余氣象資料都由分鐘數(shù)據(jù)作小時平均處理。本研究主要利用小時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所用時間均為北京時。

2散射系數(shù)特征

2.1散射系數(shù)分布統(tǒng)計

2013年東莞散射系數(shù)年平均值為163.7 M·m-1，全年小時變化范圍在100～103M·m-1，極大值為1 227.6 M·m-1，出現(xiàn)在4月15日07：00，極小值為5.6 M·m-1，出現(xiàn)在12月16日06：00。通過統(tǒng)計以區(qū)間為50 M·m-1的散射系數(shù)分布情況發(fā)現(xiàn)，散射系數(shù)小時值主要出現(xiàn)在250 M·m-1內(nèi)，每個區(qū)間出現(xiàn)的頻率超過12%，>250 M·m-1的區(qū)間頻率都低于8%；其中分布最集中出現(xiàn)在50～100 M·m-1，占樣本總量20.2%，而大于500 M·m-1僅占1.4%。

2.2散射系數(shù)逐月變化特征

圖1是2013年東莞散射系數(shù)逐月變化情況。從圖1可以看出，各月份散射系數(shù)波動非常大。全年有3個月份散射系數(shù)平均值達(dá)200 M·m-1以上，分別是1、4、10月，其中1月份的散射系數(shù)最大，平均達(dá)289.0 M·m-1；而散射系數(shù)最小為7月份，平均為66.5 M·m-1，其次為6月份。最大的1月份與最小的7月份相差達(dá)222.5 M·m-1?？傮w而言，1—4月散射系數(shù)較高，5—7月散射系數(shù)呈單調(diào)遞減，7月達(dá)到谷值，8—10月為單調(diào)遞增，11—12月小幅回落。與廣州南沙相比，王開燕等[13]得到2011年南沙散射系數(shù)月均值在112.1～357.5 M·m-1之間，最大、最小值分別出現(xiàn)在12、8月，東莞散射系數(shù)月變化范圍低于南沙，最大、最小值出現(xiàn)時間接近。

圖1　東莞散射系數(shù)逐月變化

2.3散射系數(shù)日變化特征

圖2為2013年東莞散射系數(shù)的日變化。從圖2曲線中可以看出，東莞地區(qū)散射系數(shù)峰值出現(xiàn)在08：00，之后逐漸降低，16：00出現(xiàn)全天散射系數(shù)最低值，全天平均變化值在30 M·m-1左右，然后陡升至170 M·m-1左右，在夜間有小幅震蕩?？傮w表現(xiàn)為，早晨出現(xiàn)峰值，之后逐漸下降，下午出現(xiàn)谷值，然后逐步震蕩上升直至次日出現(xiàn)峰值；白天(08：00—20：00)散射系數(shù)的變化非常明顯，而夜間(20：00—08：00)變化比較平緩；夜間散射系數(shù)值高于白天。

圖2　東莞散射系數(shù)日變化特征

3散射系數(shù)與地面氣象要素關(guān)系

3.1風(fēng)向風(fēng)速

圖3為2013年東莞散射系數(shù)隨風(fēng)向的變化。從圖3可看出，不同風(fēng)向下散射系數(shù)平均值相差比較大，在SW-W-NW扇區(qū)上散射系數(shù)維持在較高的水平，在E-SE-S扇區(qū)上散射系數(shù)相對較小。散射系數(shù)的最高值出現(xiàn)在西風(fēng)中，平均散射系數(shù)為249.3 M·m-1，吹南風(fēng)時散射系數(shù)的值則最小，為118.6 M·m-1。從東莞的地理位置分析，東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，東江下游的珠江三角洲，東面、南面瀕臨南海，所以風(fēng)向為偏東、東南和偏南風(fēng)時，來自海洋的清潔空氣對污染物起到顯著的擴散稀釋作用，因此散射系數(shù)平均值較低；而西面、西南面是廣州、佛山、中山、珠海等經(jīng)濟發(fā)達(dá)的城市群，污染源較多，在偏西氣流的作用下，污染物容易輸送到本地，導(dǎo)致散射系數(shù)平均值偏高。

圖3　東莞散射系數(shù)隨風(fēng)向的變化

圖4為東莞不同風(fēng)速下散射系數(shù)的變化。圖4清晰反映出風(fēng)速對散射系數(shù)的影響，當(dāng)風(fēng)速≤1.0 m/s時，散射系數(shù)處于高位；當(dāng)風(fēng)速在1.0～5.5 m/s之間，散射系數(shù)表現(xiàn)為隨著風(fēng)速增大呈逐漸下降趨勢；當(dāng)風(fēng)速>5.5 m/s時，散射系數(shù)一直在低位小幅波動。總體來說，風(fēng)速低，不利于污染物擴散，散射系數(shù)就大；隨著風(fēng)速增大，氣流加快了對污染物的輸送，能迅速將污染物擴散出去，污染物濃度降低，散射系數(shù)則逐漸降低；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時，風(fēng)對污染物的輸送和稀釋作用非常強，遠(yuǎn)強于污染物的堆積能力，空氣能保持干凈，因此散射系數(shù)保持在較低的水平。

圖4　東莞不同風(fēng)速下散射系數(shù)的變化

3.2溫度

表1是3和1 h變溫下散射系數(shù)平均變化量。可以看出，1與3 h變化趨勢基本一致。在正變溫情況下，散射系數(shù)平均變化量為負(fù)值，說明散射系數(shù)與前1或3 h相比有所下降，而且下降幅度隨正變溫增大而增大。1 h負(fù)變溫在2.0 ℃內(nèi)，3 h負(fù)變溫在4.0 ℃內(nèi)，散射系數(shù)平均變化量為正值，反映了小幅度降溫容易導(dǎo)致散射系數(shù)上升。

表1　3和1 h變溫下散射系數(shù)平均變化量1)　M·m-1

1)1 h變溫范圍在-3.0～3.0 ℃

一般的研究認(rèn)為，溫度升高，近地層對流湍流開始發(fā)展[1]，而湍流有利于污染物的擴散[15]，因此氣溫大幅升高，湍流發(fā)展則加快，擴散也強烈，加速散射系數(shù)下降；而降溫會抑制湍流，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致污染物不易擴散，散射系數(shù)呈上升趨勢。不過大幅度降溫一般是由強冷空氣影響，而強冷空氣過境時帶來強風(fēng)，吹散污染物，所以大幅度降溫下，散射系數(shù)的平均變化量為負(fù)值。

3.3濕度

研究認(rèn)為空氣濕度對氣溶膠的散射系數(shù)有很大的影響，隨著濕度的增加，氣溶膠中具有親水性的化學(xué)成分會吸濕長大，從而提高顆粒物的76 mm散射能力[10]。從不同濕度下散射系數(shù)的分布,可以看出，散射系數(shù)較高值分布在相對濕度較大的區(qū)域。相對濕度>40%時，散射系數(shù)都有出現(xiàn)>500 M·m-1的情況，出現(xiàn)頻次最多在相對濕度為80%～90%；相對濕度<40%時，散射系數(shù)多分布在100～150 M·m-1區(qū)間，只有2次出現(xiàn)>400 M·m-1的情況?？偟膩碚f，散射系數(shù)高值較少出現(xiàn)在濕度低的條件下，多出現(xiàn)在高濕度環(huán)境下。由于濁度計對樣品的濕度有控制，而且加熱系統(tǒng)會造成半揮發(fā)性氣溶膠的損失[16]，因此統(tǒng)計上可能跟大氣的實際情況會存在一定的偏差。

3.4氣壓

氣壓的變化必然對應(yīng)著天氣系統(tǒng)的變化，而不同天氣系統(tǒng)對散射系數(shù)的影響是不同的。由不同氣壓下散射系數(shù)的平均值(圖略)可知，當(dāng)氣壓在988.0～990.0 hPa區(qū)間為散射系數(shù)出現(xiàn)極大值，波谷在996.0～998.0 hPa，之后散射系數(shù)逐漸上升到另一個高位。總體來說，氣壓高情況下，散射系數(shù)相對較高，氣壓低時則較低，不過低氣壓有時會出現(xiàn)極端情況。東莞容易受熱帶氣旋影響，熱帶氣旋接近時氣壓雖然低，不過外圍的下沉氣流會導(dǎo)致大面積、連續(xù)性的灰霾天氣[17]，因此散射系數(shù)容易出現(xiàn)極端情況。

3.5降雨

濕沉降是指大氣中的物質(zhì)通過降水而落到地面的過程，是最有效的大氣凈化機制[10]，說明了降雨能潔凈大氣，降低散射系數(shù)。不過比較東莞2013年降雨過程前后的散射系數(shù)發(fā)現(xiàn)，不是每次降雨過程后散射系數(shù)都有所降低。圖5給出的是4月2日逐小時散射系數(shù)與降雨量實況。

圖5　4月2日散射系數(shù)與降雨實況

根據(jù)觀測員記錄當(dāng)日有2次降雨過程，分別在05：00左右、11：07—18：24。通過對比降雨前后，散射系數(shù)都沒有明顯降低，反而不降反升。其中第2次過程降雨前(11：00)散射系數(shù)為370.6 M·m-1，降雨后(19：00)散射系數(shù)為892.7 M·m-1，降雨使散射系數(shù)升高超過500 M·m-1以上，之后散射系數(shù)一直維持在600 M·m-1以上。雨量級小沒有足夠的水對污染物沖洗和溶解，短時降雨不足以完全發(fā)揮沖刷和溶解作用，過弱的降雨也不能夠達(dá)到?jīng)_刷效果，局部性的降雨不能大面積進(jìn)行沖刷，這些都是影響著降雨過程對污染物的清除作用，另一方面，降雨使空氣增濕，使得可溶性氣溶膠更容易吸收水汽而長大，從而使散射系數(shù)升高。

4結(jié)論

東莞散射系數(shù)年平均值為163.7 M·m-1，散射系數(shù)分布最集中在50～100 M·m- 1，占樣本總量的20.2%。不同的月份散射系數(shù)波動非常大，1月份的散射系數(shù)最大，7月份最小，兩者相差達(dá)200 M·m-1以上。散射系數(shù)日變化特征表現(xiàn)為：早晨出現(xiàn)峰值，之后逐漸下降，下午出現(xiàn)谷值，然后再逐步震蕩上升直至次日出現(xiàn)峰值；白天散射系數(shù)的變化非常明顯，而夜間變化比較平緩；夜間散射系數(shù)值高于白天。

散射系數(shù)高低與氣象要素有很大的關(guān)系。受偏西風(fēng)的影響，東莞散射系數(shù)維持在較高的水平，南風(fēng)則有利于散射系數(shù)降低；風(fēng)速低，散射系數(shù)則高，隨著風(fēng)速增大，散射系數(shù)逐漸降低，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時，散射系數(shù)保持在較低的水平。正變溫或大幅度降溫，散射系數(shù)會明顯下降，而小幅降溫則呈上升趨勢。散射系數(shù)高值較少出現(xiàn)在濕度低的條件下，多出現(xiàn)在高濕度環(huán)境下。一般情況下，氣壓低，散射系數(shù)相對較低，不過受熱帶氣旋外圍的下沉氣流影響，可能會出現(xiàn)極端情況。降雨雖然能潔凈大氣，降低散射系數(shù)，但不是每次降雨過程后，散射系數(shù)都有所降低。

參考文獻(xiàn):

[1]盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[2]過宇飛，劉端陽，周彬，等.無錫市霾天氣特征及影響因子研究[J].氣象，2013，39(10)：1314-1324.

[3]劉漢衛(wèi)，臧增亮，首俊明，等.一次PM2.5化學(xué)污染過程的實況及氣象要素影響分析[J].廣東氣象，2013，35(4)：51-57.

[4]謝松元，凌良新，陳文鋒.潮州市大氣污染物與氣象要素的關(guān)系[J].廣東氣象，2010，32(5)：35-38.

[5]郭青，張達(dá)文.冬季梅州市空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系[J].廣東氣象，2011，33(6)：38-42.

[6]李麗云.廣州番禺區(qū)灰霾天氣的特征及氣象因子診斷[J].廣東氣象，2013，35(4)：43-46.

[7]吳燊先，吳鎧華，莫雨淳，等.桂林市空氣質(zhì)量特征分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2013，34(4)：38-41.

[8]王博，辜智慧.深圳市霾日分布特征與城市經(jīng)濟指標(biāo)關(guān)系[J].氣象研究與應(yīng)用，2011，32(1)：40-44.

[9]中國氣象局.大氣成分觀測業(yè)務(wù)規(guī)范(試行)[S].北京：氣象出版社，2012.

[10]唐孝炎，張遠(yuǎn)航，邵敏.大氣環(huán)境學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[11]黎潔儀，梁之彥，楊國杰.廣州市空氣污染影響因子與預(yù)報建模[J].廣東氣象，2013，35(4)：47-50.

[12]吳幸毓，何小寧，劉愛鳴.福州市霾天氣觀測及預(yù)警信號發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的初步探討[J].氣象研究與應(yīng)用，2013，34(3)：57-60.

[13]王開燕，鄧雪嬌，鄧濤.廣州南沙氣溶膠散射系數(shù)變化特征及影響因素分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38(8)：70-74.

[14]齊冰，杜榮光，徐宏輝，等.杭州市區(qū)大氣氣溶膠散射特性觀測分析[J].高原氣象，2014，33(1)：277-284.

[15]胡毅，李萍，楊建功，等.應(yīng)用氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2005.

[16]顏鵬，潘小樂，湯潔，等.北京市區(qū)大氣氣溶膠散射系數(shù)親水增長的觀測研究[J].氣象學(xué)報，2009，66(1)：111-119.

[17]夏冬，吳志權(quán)，莫偉強，等.一次熱帶氣旋外圍下沉氣流造成的珠三角地區(qū)連續(xù)灰霆天氣過程分析[J].氣象，2013，39(6)：759-767.

收稿日期：2015-07-03

作者簡介：袁志揚(1986年生)，男，助理工程師，大專，主要從事綜合氣象探測工作。E-mail：834541388@qq.com

中圖分類號：P427

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.009

袁志揚.東莞散射系數(shù)的特征及與地面氣象要素關(guān)系[J].廣東氣象，2016,38(2)：37-40.