陕西关中气溶胶对大气能见度的影响研究_李星敏

25． 3 km ，能见度最大值出现在海拔 1540 m 的太白 站，为 25． 3 km ； 能见度的相对高值区位于北部渭 北台塬区，大部分在 14 km 以上，其中麟游、旬邑、 淳化、铜川站能见度在 19． 0 22． 6 km 之间； 能见 度的相对低值区位于关中中部的渭河沿岸，兴平、 乾 县 、武 功 、扶 风 、礼 泉 站 能 见 度 在 10 km 左 右 ；
［13 ］
密切相关，能见度趋势能很好地反映空气质量变化 。气溶胶还能与臭氧等二次光化学氧化剂
［2 ］
发生非均相反应，加重了城市大气污染和灰霾
，
对人类健康产生不利影响。 对气溶胶光学特性 关注
［7 ］
［6 ］
分析了水平能
以及气Biblioteka Baidu胶的气候和环境效应已引起了人们的广泛 。
［8 ］
见度与 AOD 转换模型的适用性。 能见度下降是空气中颗粒物污染最显著的后果 之 一 ，一 些 研 究 表 明 能 见 度 的 变 化 与 大 气 中 的 PM 2． 5 污染有密切关系［14 － 15］； 王京丽等［16］分析了不 同季节北 京 市 PM 2． 5 质 量 浓 度 与 能 见 度 的 定 量 关
陕西关中气溶胶对大气能见度的影响研究
李星敏， 董自鹏， 陈 闯， 董 妍， 杜川利， 彭 艳
（ 陕西省气象科学研究所，西安 710014 ）
摘要： 为了研究大气污染对能见度的影响，利用 M ODIS 卫星气溶胶光学厚度（ Aerosol Optical Depth， AOD ） 产品、陕西关中地区 43 个气象观测站能见度资料 、西安泾河太阳光度计 CE318 气溶胶观测资料 以及泾河站风速、相对湿度、能见度观测资料，分别分析了卫星 M ODIS / AOD 和地基 CE318 / AOD 与 能见度、低能见度日数的关系以及在不同风速 、相对湿度时 AOD 与能见度的关系。结果表明，陕西关 中 M ODIS / AOD 的空间分布与能见度分布具有明显对应关系，冬、春季 AOD 与 08 ： 00 （ 北京时，下同） 能见度相关最好，夏、秋季 AOD 与 14 ： 00 能见度相关最好。去除降水因素后，空气中颗粒物污染是造 成秋、 冬季出现低能见度的主要原因 。地基观测的气溶胶波长指数在 0． 8 1． 2 之间时对能见度的影响 最大。空气中颗粒物造成的能见度下降与相对湿度密切相关，湿度越大，能见度下降越明显。风速小， 大气中的颗粒物容易聚集，使能见度变差； 风速大，有利于空气中颗粒物扩散，使能见度得到改善。用 AOD 估算能见度时，需要考虑大气相对湿度和风速的影响 。 关键词： 气溶胶光学厚度； 能见度； 相对湿度； 风速 0534 （ 2014 ） 05128908 文章编号： 1000doi： 10． 7522 / j． issn． 10000534． 2013． 00116 中图分类号： P427． 2 文献标志码： A
［25 － 27 ］
能见度的变化与气溶胶颗粒物污染密切相关 ， ［18 ］ 且受气象条件影响明显。 施红等 分析认为，上 海浦东地区大气能见度与相对湿度呈明显反相关 ， 与风速呈正相关，与气温的关系比较复杂； 张利娜 发现湿度与能见度呈乘幂关系，且负相关很 ［20 ］ 好，而风速与能见度的相关有点复杂 ； 陆辉等 研 等 究表明，水平能见度是各种气象因子和大气气溶胶 共同作用的结果，气象因子与 PM 10 对水平能见度 有一定的制约关系，但并非简单的线形关系，不同 时段、不同天气条件下，各因素的作用不同。 张玉 研究分析了风向和霾对 AOD 的影响，即： 风向不同时，AOD 不同； 霾与晴天相比，AOD 明 洁等 显增大，波长越小，差别越明显。 为了充分利用卫星遥感 AOD 产品监 测 范 围 大、空间分辨率较高的优势，弥补地面气溶胶观测 点空间密度上的不足，本文通过探讨 M ODIS 卫星、 地面 CE318 测得的 AOD 与能见度之间的关系，以 及不同气象条件下空气中颗粒物对能见度的影响 ， 从宏观的角度给出区域污染的相对程度 ，为精细化 的能见度和空气质量的预报提供参考 ，也为同类研 究提供借鉴。
［11 ］
。 同时，气溶胶可以造成
，大气能见度与空气颗粒物浓度
研究给出了北京不同季节气象站能见度和 M ODIS / AOD 的拟合关系。 韩 永 等［12］ 利 用 合 肥 地 区 2003 年全年的大气能见度观测资料，给出波长为 1． 06 ， 1． 536 ， 3． 75 μm 时， 0 2 km 气溶胶光学特性的年 变化特征和精度分析。 朱忠敏等
1
引言
大气气溶胶一般指悬浮在大气中直径在 10
2 －3
气溶胶光学厚度 AOD 与能见度之间存在着特定的 关系： 能见度大时，AOD 小； 而能见度小时，AOD 大。李 学 彬 等
［9 ］
使用气溶胶细粒子质量浓度
［10 ］
10 μm 的粒子，是地气系统的重要组成部分。 大 气气溶胶不仅可以通过散射和吸收太阳辐射冷却或 加热大气，直接改变地气系统的能量收支平衡，而 且可以作为云凝结核，改变云的光学特性和生命周 期，间接地影响气候 大气能见度下降 趋势
［21 ］ ［19 ］
泾河观测站 2008 年 5 月 1 日 － 2009 年 4 月 30 日和 2010 年 4 月 1 日 － 12 月 31 日的太阳光度计气溶胶 观测资料。泾河站是中国气象局大气成分观测站， 配有 CE318 极化型太阳光度计，光度计视场角为 1． 2ʎ ，在可见光至近红外波段设 8 个观测通道，各 通道中心波长分别为 1020 ，936 ，870 ，670 和 440 nm ，其中 870 nm 包含 1 个非极化通道和 3 个极化 通道（ 870P1 ，870P2 ，870P3 ） ，每个通道带宽均为 10 nm 。本文采用 Langley 法进行太阳光度计的标 ［28 ］ 定 ，计 算 反 演 得 到 这 两 个 时 段 的 AOD 和 ngstrom 波长指数 α。 所用气象观测资料选取关中 43 个气象观测站 2000 － 2011 年 08 ： 00 （ 北 京 时， 下 同 ） 、14 ： 00 、 20 ： 00 的能见度和 2012 年 1 月 4 日、4 月 26 日、7 月 13 日和 10 月 30 日 14 ： 00 能见度。 由于关中部 分气象站属一般测站，没有观测 02 ： 00 能见度，再 加上 AOD 是白天的观测值，所以分析能见度分布 时日平均值采用 08 ： 00 ，14 ： 00 ，20 ： 00 3 个时次的 平均值。选取泾河观测站与 CE318 / AOD 观测资料 时段相同的逐时能见度、相对湿度和风速资料。 分 析 AOD 与气象条件的关系时，能见度、相对湿度 和风速计算日平均值所选时次与计算 CE318 / AOD 日平均值所用时次一致。
［4 － 5 ］ ［3 ］ ［1 － 2 ］
PM 2． 5 ，结合实测的 Junge 指数确定 C （ ν ） ，定量描 述消光系数和 PM 2． 5 之间的关系。郑小波等 对云 贵高原大气能见度的研究表明，云贵高原 71% 的台 站 ＞ 19 km 能见度出现频率呈减少的趋势，与人为 排放的污染物浓度增加有密切关系。 李成才等
5期
李星敏等： 陕西关中气溶胶对大气能见度的影响研究
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关中东部 M ODIS / AOD 在 0． 7 0． 8 之间的次高值 区也是能见度的次低值区； 北部 M ODIS / AOD 在 0． 4 以下的低值区域也是能见度相对较好的区域， 长武、永寿一带 M ODIS / AOD 高于周围，其能见度 也明显低于周围地区。由上述分析可见，关中地区 M ODIS / AOD 平均值与能见度平均值的分布具有 明显对应关系。 3． 1． 2 MODIS / AOD 与关中地区能见度的关系
3
3． 1
结果分析
基于卫星观测的 AOD 与能见度的关系 3 ． 1 ． 1 关中地区 MODIS / AOD 和能见度分布 虽然 AOD 代表的是垂直整层气溶胶的消光效 果，而地面能见度代表的是近地面层气溶胶的水平 消光效果，但两者都与大气中气溶胶粒子的浓度有 关。从 2000 － 2011 年关中地区日平均能见度分布 （ 图 1 ） 可以看出，关中地区日平均能见度为 9． 2
有关气溶胶对能见度的影响国内外学者已进行 了大量研究，赵秀娟等 认为大气气溶胶光学厚度 反映了大气层中颗粒物含量多少或空气污染程度 ，
0304 ； 定稿日期： 20130823 收稿日期： 2013资助项目： 中国气象 局 气 候 变 化 专 项 （ CCSF201327 ） ； 公 益 性 行 业 （ 气 象） 科 研 专 项 （ GYHY201306005 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 41375155 ） mail： lixingmin803@ 163． com 作者简介： 李星敏（ 1968 － ） ，女，甘肃武威人，正研级高工，主要从事应用气象和大气环境研究． E-
第 33 卷 第 5 期 2014 年 10 月
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原
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PLATEAU METEOＲOLOGY
Vol． 33 No． 5 2014 October，
J］ ． 高原气象，2014 ，33 （ 5 ） ： 1289 － 1296 ，doi： 10． 李星敏，董自鹏，陈闯，等． 陕西关中气溶胶对大气能见度的影响研究［ 7522 / j． issn． 10000534． 2013． 00116．
图1 2000 － 2011 年关中地区日平均能见度分布 Distribution of daily average visibility in Guanzhong region from 2000 to 2011
表明，AOD 与能见度之间的关 系并不是简单的线性关系。 本文采用线性、对数、 一些研究 多项式、指数和幂函数关系，分不同季节将 2000 － 2011 年 M ODIS 卫星观测得到的站点 AOD 值与对 应日期关中地区气象站观测得到的 08 ： 00 、14 ： 00 和日平均能见度拟合，发现不论用哪种关系拟合， 都是冬、春季 08 ： 00 能见度与 M ODIS / AOD 的拟合 关系好于 14 ： 00 ，而夏、秋季 14 ： 00 的拟合关系好 于 08 ： 00 （ 表 1 ） ，这表明在夏、秋季 M ODIS / AOD 与 14 ： 00 能 见 度 的 关 系 好 于 08 ： 00 。 而 冬、春 季 M ODIS / AOD 与 08 ： 00 能见度的关系更密切，可能 是由于夏、秋季 14 ： 00 温度较高，气溶胶的光化学 效应明显，二次气溶胶的形成活跃，对能见度的影
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系，相对湿度不同，能见度与 PM 2． 5 质量浓度之间 的相关性也不同； 梁延刚等 研究指出香港 PM 2． 5 浓度与能见度呈较好的指数关系 。
［17 ］
10 月 30 日的 M ODIS / Terra C005 气溶胶产品 日、 资料 （ M ODIS / AOD ） ，水 平 分 辨 率 为 10 km ˑ 10 km 。以某气象站点为中心、以 20 km 为半径取区 域内 AOD 的平均值，作为该站点 AOD 的平均值。 已有研究 验证表明 M ODIS 气溶胶产品在陕 西地区具有良好的适用性。另一种是位于西安北部
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2． 1
研究区域概况和资料选取
研究区域概况
关中地区位于陕西省中部，其北部是陕北黄土 高原、南部为陕南秦巴山地，包括西安、渭南、咸 阳、宝鸡、铜川 5 市。 关中平原是中国北方重要的 小麦和玉米产区，也是陕西省经济的核心区域。 作 为中国西部大开发三大重点经济区之一 ，关中城市 群的建设和经济发展非常迅速，已成为全国重点城 市群。 随着陕西经济、能源、交通等方面的不断发 展，城市建设、工业化进程的加快，人类活动向大 气中排放了大量的污染物质，加之特殊的地形条 ［22 － 23 ］ ，受关中平原 件，关中地区具有很高的 AOD 周边地形的影响，气溶胶在这一区域难以进行水平 ［24 ］ 扩散，AOD 值常年高于周边地区 ，对当地环境、 气候造成了不可忽视的影响，因此有必要加强对该 地区的气候、环境监测和研究。 2． 2 资料选取 所用气溶胶观测资料分为两种。 一种是 2000 － 2011 年和 2012 年 1 月 4 日、4 月 26 日、7 月 13