（环境工程专业论文）长三角区域秋季能见度特征及影响因子分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa u t u m n v i s i b i l i t yi n y a n g t z e d e l t aa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa n a l y s i s b ym a x i a o x i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ng u o l i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：忍坂 日期：如苔f i o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，j7i 东北大学硕士学位论文 摘要 长三角区域秋季能见度特征及影响因子分析 摘要 工业和经济的发展造成了空气质量的严重恶化，大气污染是2 1 世纪人类面临的最 严重的危机之一，而大气能见度的降低正是大气污染的综合现象。经初步调查结果表 明：长江三角洲浓雾事件是导致能见度降低的主要原因，但随着受全国灰霾天气的影 响和颗粒物污染的加剧，导致长三角地区成为了我国4 个明显大气棕色云区，即灰霾 严重的地区之一，这就造成了影响长江三角地区能见度的复杂性。 本文能见度的研究范畴，既涉及单纯气象条件对水平能见度产生的影响( 降雨或由 大范围环流背景导致的大雾) ，又考虑由于单纯城市大气污染或大气污染和气象条件的 共同作用下对城市能见度的影响。利用长江三角洲2 2 个城市2 0 0 6 年l o 月、1 1 月地 面实况资料，分析整个长三角地区秋季大气能见度的时间和空间分布；并利用加强观 测点的同期气象与污染物的数据资料，来分析能见度与气象因子和大气污染因子的相 关关系，得出以下结论：( 1 ) 长江三角洲秋季能见度在上午0 8 ：0 0 时最小，午后1 4 ：0 0 最大；东部地区比中西部地区的能见度要高；( 2 ) 相对湿度 5 0 的时候，就会有低能 见度出现，相对湿度 9 0 时，低能见度出现的频次最高，相对湿度越小高能见度出现 的频率越高；( 3 ) 不同类型天气下，各因子对能见度的影响程度不同；( 4 ) 整体看能 见度与p m 2 5 、n o x 、相对湿度都有很好的负相关性，并且受其他因子的影响很复杂。 希望能为长三角地区的大气污染治理和改善大气环境质量提供科学依据。 关键词：能见度；污染因子；气象因子；相关性 、j呵i 东北大学硕士学位论丈 c h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o ra n a l y s i so f j t u m n 厂i s i b i l i t y 。y a n g t z ed e l t a a u t u m nv i s i b i l i t y a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n de c o n o m yl e a d st oa t m o s p h e r eq u a l i t yd e p r a v a t i o n a i r p o l l u t i o nb e c o m eo n eo fm o s ts e r i o u sc r i s i st h a tp e o p l em u s tf a c e a n dt h a ti n t e g r a t i v e p h e n o m e n o no fa i rp o l l u t i o ni sa t m o s p h e r ev i s i b i l i t yr e d u c e d b ye l e m e n t a r ys u r v e ys h o w , f o ga f f a i ri sm o s t l yr e a s o nw h ya t m o s p h e r ev i s i b i l i t yo fy a n g t z ed e l t ar e d u c e d b u tw i t h i m p a c to fh a z ea n ds t u d d e dr u b b e rp r i c k i n gu p y a n g t z ed e l t ab e c o m eo n ea m o n go b v i o u s b r o w na r e a n a m e l ys e r i o u sh a z e s oi tr e s u l t si nc o m p l e x i t yt h a ta f f e c tv i s i b i l i t yo fy a n g t z e d e l t a 砀ep a p e ri n v e s t i g a t i o nc a t e g o r yo fv i s i b i l i t y i n f l u e n c ef a c t o r so fv i s i b i l i t ya r ea sw e l l r e f e r r i n gs i m p l i c i t yw e a t h e rc o n d i t i o n ( f a l l i n go rf o gt h a tl a r g e s c a l ee i r c u m f l u e n c el e a d e d t o ) a sc o n s i d e r i n gc i t ya i rp o l l u t i o no rc o l l e c t i v ef u n c t i o no f a i rp o l l u t i o na n dw e a t h e r u s e 2 2c i t ya t m o s p h e r ed a t ai ny a n g t z ed e l t ad i s t r i c to no c ta n dn o v2 0 0 6 a n a l y z i n gt e m p o r a l a n ds p a c i a ld i s t r i b u t i n go fy a n g t z ed e l t av i s i b i l i t ya n ds e t t i n gi n t e n s i f ye x p e r i m e n t a n a l y z e t oc o r r e l a t i o n so fv i s i b i l i t yw i t hp o l l u t i o nf a c t o r sa n dm e t e o r o l o g i c a lf a c t o r c o n c l u s i o n ：( 1 ) v i s i b i l i t yi sl o w e s ta t0 8 ：0 0a n dh i g h e s ta t1 4 ：0 0 e a s tv i s i b i l i t yi sh i g h e rt h a nc e n t r a l s e c t i o na n dw e s t ( 2 ) w h e nr h 5 0 ，l o wv i s i b i l i t yi sa p p e a r i n g w h e nr h 9 0 ， f r e q u e n c yo fl o wv i s i b i l i t yi sm o s t , r hi sl o w e r , f r e q u e n c yo fh i g hv i s i b i l i t yi s m o r e ( 3 ) d i f f e r e n tt y p e sw e a t h e r , d e g r e eo ff a c t o ra f f e c t i n gv i s i b i l i t yi sd i f f e r e n t ( 4 ) c o r r e c t i o n o fv i s i b i l i t yw i t hp m 2 5 、n o x 、r hi sv e r ym a r k e da n da f f e c to fo t h e rf a c t o r sw i t ht h e i r c o r r e c t i o ni sv e r yc o m p l e x a n do f f e rs c i e n t i f i cg i s tf o rf a t h e r i n ga n di m p r o v i n ga t m o s p h e r e q u a l i t yo f y a n g t z ed e l t a k e yw o r d s ：v i s i b i l i t y ；p o l l u t i o nf a c t o r s ；m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r , c o r r e c t i o n u l 一 ，rhhi r 东北大学硕士学位论文 目录 a b s t r a c t 第l 章绪论1 1 1 能见度研究的重要意义1 1 2 国内外对能见度研究的进展4 1 3 能见度观测技术及计算方式5 1 3 1 能见度观测仪器的介绍5 1 3 2 能见度的计算方式7 1 4 研究的目的和意义。8 1 4 1 研究目的8 1 4 2 研究的意义8 1 5 研究创新j 8 第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征1 1 2 1 长三角简介1 1 2 2 长江三角洲秋季能见度水平分布1 2 2 3 长江三角洲地区秋季污染气象条件分析1 4 第3 章长三角地区加强观测结果分析。 1 9 3 1 实验站介绍1 9 3 1 1 站点选择。1 9 3 1 2 站点布置2 0 3 1 3 数据质保质控2 1 3 2 加强观测点水平能见度的现状2 3 ，3 3 能见度的频数分析2 3 一，3 3 1 不同风速下能见度的频数统计2 3 3 3 2 各相对湿度下能见度的频数统计2 4 3 4 典型天气状况下的能见度特征2 5 3 5 低能见度的分析2 7 3 5 1 无降水时能见度分析2 7 3 5 2 降水过程能见度的分析一3 2 3 6d 、结3 7 第4 章影响能见度大气因子分析。3 9 4 1 方法介绍3 9 录 一 一 目 一 h 口 明 声 性 要 仓独 摘 东北大学硕士学位论文目录 4 1 1 相关分析3 9 4 1 2 因子分析4 0 4 1 3s p s s 实用统计软件介绍4 1 4 2 分析结果4 2 4 2 1 相关性分析4 2 4 4 2 因子分析4 4 4 3d 、结4 7 第5 章结论 参考文献。 致谢 4 9 5 1 ： _ _ v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 能见度研究的重要意义 大气能见度作为大气透明度程度的一种表示方式，不仅可以反映区域大气环境质 量，而且与城市居民日常生产生活息息相关。通常的能见度系指水平能见度，即指视力 正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出的目标物( 黑色、大小适 度) 最大水平距离，或夜间能看到和确定出的一定强度灯光的最大水平距离【l j 。 工业和经济的发展造成了空气质量的严重恶化，大气污染是2 1 世纪人类面临的最 严重的危机之一。我国大部分城市以煤为主要燃料，煤在能源结构中占了7 0 以上。 近年来机动车数量迅速增长，由于我国机动车排放的控制技术较为落后，单车排放是发 达国家的几倍，所以机动车尾气污染已变得相当突出。很多地区出现细粒子污染和光化 学污染的加重，综合现象为大气能见度降低。昔日那种“蓝天白云、西山如画 的景观， 如今已难得一见【5 l 。 国内外由于各种因素影响能见度降低案例也逐渐增多，以下介绍几宗低能见度出 现的案例。香港皇家观测所2 个城市站和2 个郊区站的同时期能见度观测资料分析表 明，1 年中3 月份低值能见度出现的频率最大，1 5 年中城区站的低值能见度出现频率逐年 皆大于郊区站【1 1 。印度孟买市随着城市工厂数的逐年增多，排放至空气中的颗粒状污 染物与年俱增，城市低值能见度 3 k m 出现次数在1 5 年内增加了5 0 倍，这是在冬季静 风有低层逆温时，并不是雾日增多的缘故。 曼彻斯特城中心的低值能见度出现日数各月皆比郊区多，全年要比郊区多2 1 2 d ，自 1 9 5 4 1 9 5 6 年伦敦实施空气净化措施后，伦敦商业区空气中的颗粒状污染物质有显著减 少现象。1 9 5 9 1 9 6 4 年空气中烟尘含量比一年要减低，能见度有明显的好转，能见度 5 0 0 m 天数显著减少。英国其他城市亦有类似情况。 在美国洛杉矶，二十世纪七十年代初的统计显示， 5 0 k m 的能见度比以前 明显减少，而5 1 0 k m 的能见度却显著增加。有人认为这和能源使用的情况有关，由于 洛杉矶过去使用能源以煤为主，燃煤所产生的烟尘往往导致能见度小于因改用石油为 主要能源，这种烟尘减少，的能见度出现频率乃大减。但因光化学烟雾增多，能见度亦锐 减。据研究，当洛杉矾飞机场风速小时，能见度的降低与每天石油消耗量具有线性关系， 估计消耗石油量每增多2 5 0 0 l d ，会导致能见度减低1 k m t 。 根据美国西南部十几个飞机场气象站连续年的能见度观测资料和美国国家大气监 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 测网的空气污染浓度资料，研究其能见度的历史变化，并着重分析大气污染对能见度的 影响，用大量观测事实证明城市能见度水平低于同时期的附近郊区。例如盐城湖、菲尼 克斯、塔克森和丹佛等几个城市机场站，能见度累积频率中值为4 8 2 7 8 8 4 9 5 k m ，而郊 区1 2 个站能见度累积频率中值为1 0 4 5 8 5 1 2 8 7 3 k m 。城市中良好能见度出现频率比 2 0 世纪5 0 - 7 0 年代下降了1 0 3 0 ，蓝天出现的频率减少了2 0 7 0 。这主要是由于 空气中二次污染物氮化物和硫酸盐的消光作用所产生的结果。特别值得提出的是 1 9 6 7 1 9 6 8 年期间，美国西南部大城市钢厂工人曾进行大罢工9 个月，在这9 个月间，空气 中这种二次污染物浓度大幅度下降( 下降4 0 7 0 ) ，从而使得该地区能见度水平显著 提高( 约5 2 5 ) 【1 1 。 一般出现雾、浮尘、霾、沙尘暴等天气现象的能见度都比较低。地球大气中一直 含有大量微小的灰尘、烟粒、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等颗粒物质，气象学上将这些悬浮 在空气中的微小的颗粒物质称为大气气溶胶，通常情况下，自然界能够较长时间悬浮在 空气中的气溶胶粒子，直径在1 0 微米以下，肉眼不能分辨，因此不会引起人们的注意。在 特定的气象条件下( 如静风、逆温等稳定大气状态下) ，如果人类社会向大气排放过多的 污染物质，使空气中的气溶胶不断在某一区域聚集致使其浓度过大，产生可见的光散射 作用，人们就能感觉到大气混浊，视野模糊。如果由于悬浮在空气中不可见的微小颗粒散 射作用出现水平能见度小于1 0 千米的天气现象时，就称霾【2 】。 雾、浮尘、霾、沙尘暴天气的实质是形成条件和所含颗粒物不同。起雾过程本质 上是由于空气中的水蒸气遇冷达到饱和，空气相对湿度达到1 0 0 ，就产生了凝结态的雾 滴( 能悬浮在空气中的微小水滴) ，因此，形成雾和轻雾现象的物质颗粒主要是水汽。霾和 浮尘天气一般相对湿度低于8 0 ，因此形成霾和浮尘的天气现象的物质颗粒主要是干 粒子。浮尘天气一般出现在大风，沙尘暴天气之后的无风或风较小的天气条件下。水平 能见度低于l 千米为雾，在1 1 0 千米之间为轻雾。霾和浮尘的水平能见度均在1 千米 内，从视觉上来说，雾和轻雾通常为乳白色，浮尘一般呈土黄色，而霾在不同的光线背景下 颜色有所变化，远处明亮的物体呈浅黄色或橙红色，暗的物体则呈蓝灰色 2 1 。 在我国北方一般风沙大，工业污染严重，出现沙尘灰霾天气想象比较多，据中国环 境监测总站监测，2 0 0 4 我国北方地区出现8 次较大范围沙尘天气过程，导致5 0 的重 点城市环境空气污染加重。而南方潮湿，出现雾的情况比较多，但随着大气污染的加重环 境的恶化，在我国南方出现的沙尘和灰霾天气频率也比以往要高 5 1 。 经初步调查结果表明：长江三角洲浓雾事件是导致能见度降低的主要原因。 1 9 5 4 2 0 0 5 年，长江三角洲地区总共出现5 6 4 例较为典型的浓雾事件；仲秋至仲春( 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 月一次年4 月) 为浓雾的多发季节，约占总数的8 9 9 ，夏季由于气温高、对流天气 多，浓雾的发生概率很小，只占总数的1 6 ；2 0 世纪6 0 年代浓雾事件少而弱，7 0 年代末至8 0 年代初经历由少到多的转变，且以1 9 7 8 年为序列的突变点，此后该地区 浓雾事件频次高，强度强，不确定性大，尤其以8 0 年代为最多，以9 0 年代为最强； 2 0 0 0 2 0 0 5 年浓雾事件的频次和强度有较明显的回落。但随着受全国灰霾天气的影响 和颗粒物污染的加剧，导致长三角地区成为了我国4 个明显大气棕色云区，即灰霾严 重的地区之一【3 0 】。 由以上几宗案例来看，导致低能见度出现主要有两大因素，一类是气象因素。当出现 大雾、灰霾等天气现象时，普遍会出现低能见度；另一类是污染因素，当大气污染严重情 况下，由于气体污染物本身具有吸收和消光作用，并有的污染物还会伴有光化学烟雾等 化学反应，这也会导致能见度降低。 低能见度的出现一般伴随着恶劣的气象环境或重污染过程，这对人们的身体和生 活带来了很大的伤害【2 3 1 。例如北京春季3 5 月间，因受沙尘暴天气影响，地面能见度 仅有几米，大白天汽车行驶也要打开大灯，交通事故、汽车追尾频频发生。当能见度较低 时，还会导致机场关闭，班机停飞；车辆、渡轮缓行，甚至停止运行，给旅客带来诸多不便， 也会给相应的运输公司造成巨额的经济损失【m 】。在我国1 9 5 1 1 9 9 8 年间所发生的飞 行事故中有2 4 5 次与气象因子有关，其中1 9 2 是低能见度所造成的 4 1 。北京2 0 0 2 年 l o 月中旬末入冬后能见度几乎近于零，颐和园内有两位晨练老人因看不清楚道路而跌 落昆明湖中，北京拉响空气质量5 级严重污染警报。 雾是当空气中水汽达到饱和时而发生水汽凝结成小水滴的现象，它本身无毒，但大 气中污染物质在浓雾存在时，发生物理化学反映形成的新物质，毒性比原有污染物大许 多，如二氧化硫在大气中被氧化与雾滴相结合成硫酸气溶胶，其毒性竟提高1 0 倍以上， 若再与光化学烟雾( 氮氧化合物与碳氢化合物共存的大气中经太阳紫外线照射就发生 光化学烟雾) 相遇，毒性变得更剧烈。二氧化硫和二氧化碳具有强吸水性，又利于形成 大雾。此种大雾经久不散，又利于病毒、病菌的生存和繁衍。又据重庆市环境科学研究 院大气自动监测中心监测，在浓雾高峰期时，二氧化硫和人体可吸入尘粒，分别为每立方 米o 6 5 毫克和o 4 2 毫克，比平时提高5 7 倍。呼吸道病人数量倍增，大、中医院呼吸 道、哮喘病人门诊量激增。儿童医院患者爆满【2 3 】。 可见能见度对人类的生产、生活、健康均有不同程度的影响。所以，为了保证交通 和人身安全和改善大气环境质量，开展大气能见度的研究尤为必要【8 】。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 城区能见度除受大气污染的影响外，还与湿度、风速、风向等气象条件及雾、降 水、浮尘等天气有密切关系。如对上海2 0 年的统计资料分析发现，能见度 1k m 时， 相对湿度没有 8 5 的；而相对湿度 2 k m 。这是由于相对湿度大时， 空气中水汽多，水汽能吸收一部分太阳辐射，且又易被吸湿性的颗粒污染物吸收，特别是 在硫酸盐粒的潮解中起着重要作用；风速对能见度的影响比较复杂，随着风速的加大，能 见度逐渐变好，但其影响主要表现在对污染物和水汽的输送上，不同背景下，具体表现可 有很大不同。 气象因素外，能见度的降低主要是由于大气中的污染气体尤其是气溶胶对可见光 的吸收和散射所产生的消光作用所致，其中以粒径小于2 5 u m 的颗粒物、硫酸盐、硝酸 和碳黑等最为重要，描述大气消光性质的参数称为消光系数。细小颗粒物( 尤其粒径 g u m 的粒子) 的相对表面积较大，为大气中的化学反应提供了良好的反应床。同时， 气溶胶中的某些化学成分，对大气中的许多化学反应有催化作用，且其本身也是某些化 学成分的终结产物。在大气颗粒物的各个尺度段里，次微米尺度段的粒子对人类健康、 太阳的消光及大气中的酸沉降等，都是非常重要的。大气中的二次气溶胶尤其是通过气 一粒转化生成的气溶胶，主要集中在这个尺度内。通过气粒转化形成的气溶胶中最主要 的是硫酸盐、硝酸盐、氨和水。探讨其怎样由气相h 2 s 、f 1 n 0 3 、n h 3 和h 2 0 而形成 二次气溶胶已成为研究的目标【l 】。多年的观测研究表明，气溶胶和气态污染物在浓度较 小时，则会改变天空颜色，使能见度增大。当浓度较大时，会使天空呈现棕褐色。在这样 的天气背景下，使分辨目标物发生困难，造成视程障碍【2 9 】。 综上所述，低能见度的出现不仅反映了大气环境质量，也反映了气候环境的变迁，开 展对能见度的研究，不仅能了解大气状况，改善大气环境，还能为研究气象、气候而做出 贡献。随着目前气象和污染物的相互作用影响日益严重，而能见度又受气象和大气污染 的共同影响，是非常值得我们重视和研究的。 1 2 国内外对能见度研究的进展 一些发达国家对城市能见度研究的热潮，主要起始于二十世纪七十年代到八十年 代，当时结合城市气候和城市大气环境的研究，主要借助于对资料的天气气候分析和数 理统计，得到一些十分有意义的结论，而对城市气溶胶化学、光化学烟雾和气一粒转化模 式等的探索，一直是持续不断。西欧和北美对燃煤产生的污染问题做了大量研究工作， 发现硫酸盐对大气能见度的影响和对人体健康的危害是大气污染的后果之一【l 】。苏维 瀚等【i 】曾对北京地区大气能见度与大气污染的关系进行了研究，指出北京地区平均大 气能见度在1 9 7 0 - 1 9 7 9 年1 0 年降低了6 1 0 k i n ，平均每年降低0 6 - - - l k m ；对两次大 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 气污染状况和大气能见度现场测量资料的分析结果表明，北京地区大气能见度的变化 受大气中硫酸根浓度、颗粒物浓度，相对湿度和小于1 0l am 颗粒物浓度的影响较大。 研究表明造成北京地区低能见度的主要天气现象是雾【2 4 1 。雾之所以影响能见度，是因 为形成雾的主要条件是空气相对湿度足够大，风速小，这两个条件也是不利于空气污染 物扩散，容易造成或加重空气污染的主要条件 4 1 。有关研究也表明，水汽、雾滴本身会 增强光的吸收和散射，因而会对大气能见度降低有贡献【l 】。总之，大气能见度与气象条 件和大气污染程度密切相关【1 2 1 。 这里所述城市能见度的研究范畴，不应过多涉及由单纯气象条件对水平和垂直能 见度产生的影响( 降雨或由大范围环流背景导致的大雾) ，主要应考虑由于单纯城市大 气污染或大气污染和气象条件的共同作用下的城市能见度降低。根据我国目前一般的 常规观测规定，这里的污染物主要包括空气中悬浮的各种粒径的气溶胶( 主要是粒径在 p m l o 和p m 2 5 以下的气溶胶) 、由大风和汽车驶过而卷起的扬尘、排放的足以影响能见 度的污染气体( 如s 0 2 和n 0 2 ) 等，而能见度主要是对水平能见度的观测。 1 3 能见度观测技术及计算方式 1 3 1 能见度观测仪器的介绍 目前，世界上普遍应用的能见度观测仪主要有透射式和散射式两种透射仪因需 要基线，占地范围大，不适用于海岸台站、灯塔自动气象站及船舶上但其具有自检能 力，低能见度下性能好等优点而适用于民航系统；散射仪以其体积小和低廉的价格而 广泛应用于码头、航空、高速公路等系统【2 6 】。 能见度观测仪的工作原理 透射仪 透射仪是一种通过测量大气透明度来计算能见度的仪器芬兰公司的v i s a l i am 1 2 透射仪是国际上机场气象自动观测系统中用得较多的一种能见度仪器下面就其原理 做简单介绍 式( 1 ) 给出光在大气中的衰减 i = i o e x p ( 一ob ) ( 1 ) 其中：i o 为发射光光强，i 为接受光光强，o 为消光系数，b 为发射器与接受器之间的 距离大气透射的光强由式( 1 ) 可以看出，透射仪测量公式为非线性 o 毛( 1 b ) i n ( i 1 0 ) ( 2 ) 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 测出两点间的透射率i i o ，即可算出消光系数o ，并根据k o s c h m i d e r 原理，能见 度l f 。i n 0 0 5 o 散射仪 透射仪测量的是衰减系数，而散射仪则直接测量来自一个小的采样容积的散射光 强通过散射光强来有效地计算小光系数是建立在以下3 个假设基础上的：假设大气 是均匀的，即大气势均匀分布的；0 假定大气消光系数o 等于大气中雾、霾、雪和雨 的散射，即假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零；0 假定散射仪测量 的散射光强正比于散射系数，在一般情况下，选择适当的角度，散射信号近似正比于 散射系数。 根据散射角度的不同，散射仪又可分为3 中：前向散射仪、后向散射仪和总散射。 以下只对本次监测使用的芬兰v i s a l i a 公司推出的f d l 2 p 做介绍。 芬兰v i s a l i a 公司推出的f d l 2 p 是一种单光路向前散射仪，广泛应用于航空、航海、 高速公路、气象等部门的能见度测量领域，图1 1 给出f d l 2 p 结构，f d l 2 p 以支架为 结构基础，支撑便交换器横梁、横梁包括光化学单元发射器f d t l 2 b 和接收器 f d r l 2 ，包括数据处理和接口单元的控制箱固定在支架上 图1 1f d l 2 p 结构 f i g1 is t r u c t u r ep i c t u r eo f f d l 2 p f d l 2 p 能见度仪的主要技术指标如下： 电子特性主电源：1 1 5 2 3 0 v a c 2 0 ，4 5 - - 6 5h z ；最大功耗：3 5 w + 1 0 0 w 除 霜加热器( 寒冷天气) ；输出：r s 2 3 2 、m o d e m ；输出数据：自动发送或查询方式； 时间间隔：1 5 s n 1 5 s ( 倍数 1 8 ) 。 光化学特性 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 发射器： 光源：近红外发射二极管；最大波长：8 7 5 n m ；调制频率2 3 k h z ；发射器透镜直径 7 1 r a m ；参考光敏管：控制光源；后向散射光敏管：污染和障碍测量； 接收器： 光敏管：p n 6 d i ；接收器透镜直径：7 1 m m ；后向散射光源：近红外发光二极管( l e d ) 测量污染和障碍。 能见度测量特性测量范围：1 0 - - - - 5 0 0 0 0 m 参照5 的对比临界值定义；准确度： 1 0 ( 1 0 1 0 0 0 0 m ) ；2 0 ( 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 m ) ；时间常数：6 0 s ；更新间隔1 5 s 。 环境特性工作温度：4 0 - - - + 5 5 c ；湿度0 - 1 0 0 r h ；抗阵风：6 0 m s 。 图1 2 给出f d l 2 p 的光学结构，它以3 3 。倾角测量散射光，在各种类型的自然雾 中，此角度产生稳定相应，f d l 2 p 采用高能量g a a s 红外l e d 作为光源，通过一闭环 电路稳定和监测光源，接收器采用灵敏的p n 来检测散射光，接收器采用了锁定技术 来减少杂散光对接收信号的影响，同时周期性地测量漂移，使接收器的输出仅与散射 光强成正比【2 8 】。 三二 芨孵褥z检测器2 图1 2 f d l 2 p 光路图 f i g1 2l i g h tp a t h w a yp i c t u r eo f f d l 2 p 1 3 2 能见度的计算方式 在气象领域，能见度y ( 单位：k m ) 通常用下述公式计算。 y - - 3 9 1 2 b c x t 其中，b 嘲为大气消光系数( 单位：k m1 ) ，b 嘲由4 部分组成： b a t t = b a g + b + b 鸩 其中，b a g ：气体分子瑞利散射系数；b 印：颗粒物的散射系数；b 印：颗粒物 的吸收系数；b a g ：气体的吸收系数：单位皆为k i n 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 纯空气的消光作用主要来源于空气的瑞利散射，标准状况下的空气的瑞利散射系 数为0 0 1 4 k m 。城市地区污染大气中，对可见光吸收最强的污染气体是二氧化氮， 其他污染气体对可见光的吸收能力相对于二氧化氮要弱得多，因此气态污染物中一般 只考虑二氧化氮的影响。二氧化氮吸收导致气体吸收系数b 。g 通常采用下式计算。 b a g = 3 3 n 0 2 】 其中，b 。g 为气体的吸收系数( 单位：1 0 j k m 1 ) 不同因素对大气总消光系数的贡献比重随着时间和空间的变化而遍化。在背景地 区，能见度的衰减很大程度上源于空气的瑞利散射作用，在城市地区颗粒物的散射作 用往往是能见度衰减的首要贡献者，但大气组分的吸光作用往往也不容忽视，在部分 城市的贡献会达到相当的比重，如美国丹佛市1 9 8 7 气体吸收贡献总消光系数的1 2 。 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 研究目的 1 通过对长江三角洲区域大气污染因子和气象因子的调查与研究，进行长江三角 洲区域能见度的统计分析，了解长三角区域能见度的时间和空间分布特征。 2 设置加强观测，分析能见度的日变化规律；典型天气下的能见度的日变化特征； 低能见度日的分析；分析导致低能见度出现的主要原因。 3 利用大型统计软件来分析能见度与大气污染因子的主要气象因子相关性分析， 探讨制约能见度变化的因素。 1 4 2 研究的意义 受全国乃至全球对低能见度研究热潮的影响，以及近年备受关注的长江三角洲低 能见度的出现频次增多的影响，展开对长三角区域能大气能见度的研究尤为必要。本 论文是首先开展对长三角地区能见度的研究，填补了国内研究的空白。而且能见度作 为气象和污染的交叉作用的结果，开展对其的研究，也能考察出长三角地区污染和气 象状况及影响作用。 1 5 研究创新 本文思路来源于近年来气溶胶大会上所讨论的能见度降低的问题，首先开展对长 三角地区进行能见度的分析，并采用国际先进的观测仪器进行加强观测，获得大量可 信真实的数据，更深入的对能见度进行研究。利用大型s p s s 统计软件，采用多种统计 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分析的方法来对能见度作更深刻的研究，并对影响能见度因子进行分类。既涉及单纯 气象条件对水平能见度产生的影响( 降雨或由大范围环流背景导致的大雾) ，又考虑由 于单纯城市大气污染或大气污染和气象条件的共同作用下对城市能见度的影响。希望 通过本实验的研究成果，能给将来的针对长三角地区能见度等方面的研究提供一些依 据和启示，为改善长三角大气污染和气候变化做出贡献。 东北大学硕士学位论文第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 2 1 长三角简介 长江三角洲北起通扬运河，南抵杭州湾，西至镇江，东到海边，包括上海市、江 苏省南部、浙江省北部以及邻近海域。面积约为9 9 6 0 0 平方公里，人口约7 5 0 0 万，是 一片坦荡的大平原。长江三角洲以上海为核心，其城市化水平整体较高，城市体系完 备。改革开放以来，长江三角洲的乡镇企业异军突起，小城镇建设加快，建制镇和县 级市( 小城市) 的数量急剧增加。近几年，这一地区开始由重点发展小城镇转向重点 发展大中城市，空间布局上再次由分散走向集中，各类开发区建设，成为原有城市外 延扩张的主要标志。这个都市群汇集了产业、金融、贸易、教育、科技、文化等雄厚 的实力，对于带动长江流域经济的发展，连接国内外市场，吸引海外投资，推动产业 与技术转移，参与国际竞争与区域重组具有重要作用【3 0 1 。长江三角洲地区工业发达， 工业污染是大气污染的主要来源。工业企业在生产过程中排放的废气和烟尘向大气中 提供了大量的二氧化硫( s 0 2 ) 、氮氧化物( n o x ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、总悬浮颗粒物( t s p ) 和降尘等污染物质。其中冶金、化工、建材、火力发电等行业为大气污染排放大户， 影响很大。且本地区人口密集，生活污染源如城乡居民在饮食、取暖、沐浴等燃烧煤、 气、秸杆等时排放到大气中的污染物，形成强面源，成为大气污染的一个重要方面 2 4 1 。 中国气象科学研究院研究员陈隆勋在长江三角洲气候变化研究中提出【3 0 】，长江三 角洲已经成为一个区域性热岛，形成降水和云量增多、地面土壤温度降低、能见度和 日照减少。热岛强度和当地的经济发展有关。提出该地区气候变化是由于人类生产过 程中加热、气候自然变化、气溶胶致冷和温室效应联合造成的，这对各种人类活动在 区域气候形成中起到的不同作用提供了新的认识。长江三角洲是平原地区，地势较低， 地表比较平坦，决定了该地区的气候总体差异不大。 东北大学硕士学位论文第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 图2 1 长三角主要城市地理位置 f i g 2 1g e o g r a p h yl o c a t i o no f y a n g t z ed e l t a 2 2 长江三角洲秋季能见度水平分布 通过提取m i d c a p s 提供的长江三角洲地区南京、上海、宁波、常州、镇江、南通 等2 2 个城市0 6 年秋季的能见度、风向风速、总云量、温度、海平面气压等1 2 种气象 数据资料，对长江三角洲能见度的分布及气象条件进行分析。 长江三角洲的日平均能见度为1 0 8 9 k m 。1 4 时平均能见度最大为1 4 k m ，8 时最 小为7 9 5 k m ，见表2 1 ；根据能见度出现的范围，把能见度分成5 个等级，分别是 3 0 k m 。发现8 时出现低能见度的比例最大，高能见 度比例最小，1 4 时反之。2 时与2 0 时能见度等级均以1 0 2 0 k i n 为主，其他各级能见 度出现比例在这两个时段也大致相同，详见图2 2 。 表2 1 平均能见度 t a b 2 1 a v e r a g ev i s i b i l i t y 一 东北大学硕士学位论文第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 1 0 8 o 6 0 4 o 2 o s k m一5 一l o k m口l o 一2 0 k m口2 0 3 0 k m 0 2 ：0 00 8 ：0 01 4 ：0 02 0 ：0 0 图2 2 长三角各时段能见度分布比率 f i g2 2r a t eo f v i s i b i l i t yd i s t r i b u t i n gi nl , e f i o oo f t i m o 长江三角洲各个城市日平均能见度水平比较来看，南京的日平均能见度最小在 6 k m 以下，上海最大，达1 6 k i n ，其它各城市日平均能见度详见图2 3 。 1 2 1 0 量8 趟6 硬 涩4 2 0 倏怛捂怛但倍捂怛悟悟幕怛 惺 系夏 目 医 斟器 哑*，目 鹫哪 耀鞋皿l 麟删祗缶瞎蟮攒 2 0 1 6 目 邑1 2 蜊 国8 疆 4 o 怛悟悟怪任4 吕悟球捂怛 鲻姐磊赠嫩剞与稍司嫩 伽长 媾证 兽 校枢婕束 图2 3 长三角各城市区能见度水平 f i g2 3v i s i b i l i t yl e , o lo f y a n g t z ed e l t ac i t y 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 图2 4 长三角地区能见度等直线图 f i g2 4v i s i b i l i t ye q u i v a l e n c ec h a r t 图2 4 是长江三角洲地区能见度的等直线图，结合图2 3 ，我们可知长三角东南部 的能见度明显比内陆能见度要好。 2 3 长江三角洲地区秋季污染气象条件分析 空气污染受气象条件的影响十分明显。一般来讲，人类日常生产活动和日常生活 向大气排放的污染物在一段时间内变化不大，因此空气质量的变化在很大程度上受气 象条件变化的影响，在特定的气象条件下，空气质量可能恶化。 采用2 0 0 6 年的1 0 月、1 1 月长江三角洲( 2 8 3 3 n ，1 1 8 1 2 3 e ) 2 2 个监测站点主要 气象数据，0 2 ：0 0 、0 8 ：0 0 、1 4 ：0 0 、2 0 ：0 0 的小时平均值。计算分析了长江三角洲地区风 场、大气稳定度参数的月平均分布特性。 1 长江三角洲地面风场变化特征 近地面层风的变化对大气污染物的传输和扩散影响显著，其作用表现在两个方面。 第一个作用是风的整体输送作用。污染物总是随风输送到下风向，所以风速对污染物 的移动速度影响很大，风速越大，污染物移动也越快。第二个作用是对大学污染物质 的稀释作用。污染物在被风吹走时不断地与周围干净的空气发生混，使得污染物得以 稀释。因此，在这里要分析一下长江三角洲地区的风速的月变化情况。 据数据分析，结果得1 0 月、11 月长三角地区的平均风速为2 0 4 m s 。各级风速 出现的频率不等，根据这期间日平均风速出现的范围，把风速分为5 个等级，分别是 7 m s 。由图2 5 可知，长三角地区以 1 5 m s 东北大学硕士学位论文 第2 章长江三角洲地区秋季能见度特征 的风速为主；每日8 时、2 0 时均以小风速为主，1 4 时、2 时的风速等级明显增大，大 风的频率也有所增加，其中1 4 时的风速是一日中最大，平均值为2 6 2 r r g s ，各时间段 的平均风速和风