河北省大氣飽和度的時空變化

河北省大氣飽和度的時空變化

1大氣再壓縮效應(yīng)研究影響全球景觀的因素包括人類和自然。人為因素是指污染物排放引起的污染。自然因素是指影響全球景觀的自然現(xiàn)象，如降水、霧、風(fēng)暴、沙和揚(yáng)沙。在沒有污染的大氣中,能見度可達(dá)到250km。大氣受到污染后,由于顆粒狀污染物對光線的散射和吸收作用,所以有降低能見度的效應(yīng)。通常顆粒物濃度達(dá)0.1μg·m-3時,能見度開始下降,濃度達(dá)0.15μg·m-3時,陽光中的紫外線將減少7.5%,濃度達(dá)0.25μg·m-3時,大氣能見度下降52.7%,太陽輻射損失12%以上,濃度達(dá)0.50μg·m-3時,大氣能見度再下降80.8%。因此,大氣能見度的變化反映了環(huán)境空氣質(zhì)量的優(yōu)劣,是空氣中顆粒物污染的重要標(biāo)志。美國、英國等國家從20世紀(jì)60年代起就開始了大氣能見度變化趨勢的研究工作。他們將能見度變化趨勢進(jìn)行定量化分析,并以此作為衡量空氣污染的指標(biāo),分析空氣污染的變化規(guī)律。1979年,Craig等將Ridit分析法引入了大氣能見度的研究。1982年Sloane對累積百分率和Ridit這兩種能見度趨勢研究方法進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析,并采用這兩種分析法對美國中東部15個地面氣象觀測站1948~1978年的能見度觀測資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。1983和1984年Sloane又繼續(xù)研究了氣象因子對大氣能見度的影響以及有效提取這些因子的方法。Lee于1983、1988、1990和1994年分析了英國能見度的變化趨勢。2002年Doyle等用4種統(tǒng)計(jì)方法研究了英國1950~1997年大氣能見度的變化趨勢,以及40多年來英國空氣污染的變化情況。1990年以來,美國繼續(xù)對大氣能見度進(jìn)行研究,分析了美國大陸能見度降低的趨勢與空氣中顆粒物(PM2.5,硫酸鹽和硝酸鹽)濃度的關(guān)系,得出影響大氣能見度的因素除降水和水汽形成的霧外,大氣層中的氣溶膠(PM2.5,硫酸鹽和硝酸鹽)濃度與能見度密切相關(guān)。20世紀(jì)80年代我國開始了大氣能見度的研究。90年代以來,梁秀婷等對呼和浩特市區(qū)的能見度與大氣污染的關(guān)系進(jìn)行了分析,趙習(xí)方等對北京地區(qū)低能見度的區(qū)域分布進(jìn)行了初探,王淑英等又進(jìn)一步對北京地區(qū)大氣能見度的變化規(guī)律及影響因子作了統(tǒng)計(jì)分析,廖代強(qiáng)等對重慶市1954~1999年的能見度變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。總體上,我國目前關(guān)于大氣能見度的研究只是簡單的統(tǒng)計(jì)分析,能見度變化趨勢的研究很少。本文在借鑒國外研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)用累積百分率分析法、Ridit分析法和“非常好”能見度出現(xiàn)頻率分析法,對河北省11個城市(石家莊、張家口、承德、秦皇島、唐山、廊坊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲)的大氣能見度資料及相關(guān)的地面氣象常規(guī)資料(1960~2002年)進(jìn)行了分析,目的是研究43年來11個城市大氣能見度的變化趨勢,以及城市空氣污染的變化趨勢。2大氣再壓縮監(jiān)測結(jié)果本文使用河北省11個城市地面氣象站(見圖1)1960~2002年的常規(guī)觀測資料,分析的要素包括大氣能見度、天氣現(xiàn)象代碼和相對濕度。由于歷史原因,邢臺、邯鄲、廊坊和衡水4個站1960~1970年的地面氣象觀測資料缺測過多,資料不連續(xù)、代表性差,因此,這4個站的資料從1971年開始,其他7個站的資料從1960年開始(見表1)。我國的《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定,地面氣象站大氣能見度觀測分為9個級別,自近而遠(yuǎn)分布在觀測站各方向、各距離上的目標(biāo)物分別代表0.1km、0.2km、0.5km、1.0km、2.0km、5.0km、10.0km、20.0km、50.0km,最大的能見度觀測距離為50.0km,最小的距離為0.1km。每天進(jìn)行4次定時觀測,觀測時間為02時(北京時間,下同)、08時、14時和20時。1980年前,能見度的觀測值以m為單位記錄,1980年以后,能見度的觀測值以km為單位記錄,并保留一位小數(shù)。為統(tǒng)一起見,將1980年以前的能見度資料轉(zhuǎn)換為以km為單位,并保留一位小數(shù)。本文選14時的觀測資料進(jìn)行能見度趨勢分析,因?yàn)樵摃r刻的觀測值比其他時刻更能代表所在區(qū)域的大氣能見度水平。08時的能見度觀測值受兩方面的影響:一是早晨出現(xiàn)的輻射霧,二是由于夜間形成的接地逆溫未被破壞,導(dǎo)致此時大氣中顆粒物濃度升高。通常這些現(xiàn)象都會在中午消散,因此,08時的觀測值不能代表日間的能見度狀況。02時和20時分別屬夜間和傍晚觀測,這兩個觀測時刻所選的目標(biāo)物與白天目標(biāo)物不同,易造成觀測資料的不一致性。本文研究的重點(diǎn)是由于空氣污染對大氣能見度所造成的影響。然而,降水、霧、大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)沙和高濕(相對濕度≥90%)等氣象因素也可導(dǎo)致能見度下降。因此,首先對能見度資料進(jìn)行篩選,將氣象因素的影響從中剔除。用天氣現(xiàn)象代碼可將降水、霧、大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)沙等天氣事件篩選出來。代碼01~05表示沒有以上這些天氣現(xiàn)象出現(xiàn),代碼01表示露,02表示霜,03表示結(jié)冰;代碼04表示煙幕,與人類活動有關(guān);代碼05表示霾,與大氣中二次污染物的濃度有關(guān)。代碼10表示輕霧,輕霧與霾的觀測有時很難分辨。當(dāng)相對濕度小于90%時,霧很難形成,因此,本文要求相對濕度必須小于90%。這樣既可把輕霧中被誤報(bào)的霾分離出來,又可把霾中被誤報(bào)的輕霧分離出去。綜上所述,用于能見度趨勢分析的大氣能見度觀測資料必須同時滿足以下三個條件:時間為14時、相對濕度小于90%、天氣現(xiàn)象代碼為01、02、03、04、05、10。為了避免較大的季節(jié)波動對給定年份帶來影響,經(jīng)篩選后的能見度資料被分成重疊的三年一組進(jìn)行分析,其結(jié)果由中間年份作為代表年份表示出來。例如,1961年代表1960~1962三年的分析結(jié)果,若對1960~2002年的觀測資料進(jìn)行分析,則分析結(jié)果由1961~2001年表示出來。3從“風(fēng)速+頻率”分析方法看,中國—東盟再風(fēng)速模型依托于40km、1019km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、40km、40km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、2032km、4032km、2032km、2032km、2032km、2032323232323232323232323232323232323232323232km、2032km、4032km、2032km、4032km、2032km、4032km、4032km、2032km、4032km、4032km、2032km、4032km、2032km、4032km、4032km、2032km、4032km、2032km、4032km、4032km、2032km、4032km、2032km、4032km、4032km、20323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232km、2032323232km、40km、40323232323232km、20323232km、40km、40km、40km、40km、40km、32323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232323232本文將大氣能見度分為5個區(qū)間(分別為0~1.9km、2~9km、10~19km、20~39km、>40km),用三種統(tǒng)計(jì)方法對能見度變化趨勢進(jìn)行研究和分析,它們是累積百分率分析法、Ridit分析法和“非常好”能見度出現(xiàn)頻率分析法。3.1氣象站能效對比分析大氣能見度是觀測員在當(dāng)時天氣條件下和規(guī)定時間內(nèi),能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出的目標(biāo)物的最大水平距離,但實(shí)際能見度等于或超過觀測得到的能見度。第i段能見度累積百分率定義為所有觀測到的能見度等于或超過第i段區(qū)間能見度的百分率。因此,能見度資料很適合用累積百分率處理。能見度的累積頻率分布函數(shù)由下式給出:式中,f(v)表示能見度概率密度函數(shù),vi表示第i段的能見度,n表示能見度總的觀測次數(shù),ni表示在n次觀測中有ni次能見度等于或超過vi的值。因此,ni/n×100%表示第i段能見度的累積百分率。計(jì)算出各段能見度的累積百分率后,即可做出累積百分率分布圖。能見度趨勢就是與某一特定的累積百分率相對應(yīng)的能見度隨時間的變化。通常,這個代表趨勢的、特定的累積百分率為50%。如果能見度資料連續(xù)且其概率分布范圍大,則50%就是累積百分率的中值。但在實(shí)際應(yīng)用中,對于某些年代,50%的累積百分率只能由外推得到。由于實(shí)際的累積百分率曲線并不是線性的,外推困難,即便推出結(jié)果,其誤差也會很大。因此,這個外推結(jié)果既與累積百分率的中值沒有對應(yīng)關(guān)系,又不代表等于或超過50%的累積百分率所對應(yīng)的能見度。此時,用50%的累積百分率作趨勢分析就不能反映出真實(shí)的大氣光學(xué)質(zhì)量,應(yīng)根據(jù)能見度頻率分布的實(shí)際情況選擇作趨勢分析的特定的累積百分率。根據(jù)累積百分率的定義和本文對能見度的分段,對11個氣象站的能見度資料進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示:在1960~1970年期間,河北省11個城市的能見度水平普遍很高,能見度在50km以上的出現(xiàn)頻率占60%左右。因此,本文選60%累積百分率所對應(yīng)的能見度進(jìn)行“能見度中值”趨勢分析,90%累積百分率所對應(yīng)的能見度進(jìn)行“能見度低值”趨勢分析?！澳芤姸戎兄怠贝砟?季)平均的能見度水平。“能見度低值”代表年(季)較差的能見度水平。3.2ridit模型Ridit分析法是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,主要用來分析邊緣(序數(shù))變量。這些邊緣變量可被定性地劃分為三個等級,如:嚴(yán)重的、中度的、較輕的,也可用數(shù)值定量劃分。在該方法中,用于測量邊緣變量的觀測系統(tǒng)主要依賴于觀測方法、觀測中的技術(shù)要求和觀測人員的技術(shù)水平。人工觀測的大氣能見度就屬于邊緣變量,觀測員的技術(shù)水平是得到準(zhǔn)確、可靠的觀測值的關(guān)鍵。邊緣變量不適合用χ2檢驗(yàn)和t-檢驗(yàn)這些常用的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法分析,因?yàn)檫@些檢驗(yàn)是在假設(shè)觀測值相互獨(dú)立、互不相關(guān)的前提下對變量進(jìn)行的分析,而對能見度而言,由于觀測的時間間隔過短,這種假設(shè)通常是不成立的。Ridit值定義為某一給定時段的能見度好于總體能見度的概率。本文中,各氣象站1960~2002年的能見度觀測資料分別代表各站的總體能見度,它的概率分布稱為參考分布,可直接計(jì)算出來。令fA(v)為某一給定時段的能見度概率密度函數(shù)(簡稱A分布),fR(v′)為總體的(1960~2002年)能見度概率密度函數(shù)(簡稱參考分布或R分布),FR表示參考分布的累積百分率分布函數(shù)。則A分布中某一能見度觀測值(vA)大于R分布中某一能見度觀測值(v′R)的概率[P(vA>v′R)]由下式給出:式中,積分上下限的單位為km,上限(max)應(yīng)取最遠(yuǎn)目標(biāo)物的距離或最大的能見度(本文取50km)。如果用fAi和fRi分別代表各自分布中第i段能見度出現(xiàn)的頻率,則Ridit中值的計(jì)算公式為式中,R表示Ridit中值;對于A分布,fAi=nAi/nA,nAi是能見度出現(xiàn)在第i段區(qū)間的觀測次數(shù),nA是A分布中總的觀測次數(shù);同理,對于R分布而言,fRi=nRi/nR,nRi是能見度出現(xiàn)在第i段區(qū)間的觀測次數(shù),nR是R分布中總的觀測次數(shù);k表示能見度被分為k段進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)(本文k=5)。本文用Ridit分析法,分別對各站長期的能見度觀測資料進(jìn)行了年、夏季和冬季的趨勢分析。在計(jì)算各站年的Ridit中值時,參考分布用整個年的資料(1~12月),計(jì)算各季的Ridit中值時,參考分布分別用各季節(jié)的資料(夏季用6、7、8月的資料,冬季用12、1、2月的資料)。3.3再確定出“相當(dāng)好”的頻率這是一種比較簡單的分析方法,先計(jì)算出各段能見度出現(xiàn)頻率,再確定出“非常好”的能見度所占的頻率。本文將大于19km的能見度定義為“非常好”的能見度,因?yàn)?9km是判斷外來大氣污染物影響夏季能見度水平的一個非常好的標(biāo)志。4結(jié)果與分析4.1中值的時間和轉(zhuǎn)折期有關(guān)2年夏季至20km累積百分率法得出的計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)行不同站的比較,同一站還可進(jìn)行不同年代的比較。但在資料的使用上,累積百分率法去掉了觀測中低能見度資料,因此,該分析法對能見度觀測值的概率分布非常敏感。圖2表示11個站能見度中值的變化趨勢,表2表示11個站能見度低值的變化趨勢。將代表年份1961~2001分為4段,1961~1978年稱為“前期”,1979~1981年稱為“轉(zhuǎn)折期”,1982~1997年稱為“過渡期”,1998~2001年稱為“近期”。由圖2可見,在各個時期,各站代表年、夏季和冬季的三條能見度中值曲線的變化趨勢基本一致。前期,夏季中值大于年中值,年中值大于冬季中值;轉(zhuǎn)折期,三條曲線都下降了一個臺階;過渡期,三條曲線的差距逐漸縮小;近期,三條曲線基本趨于一致。這說明大氣能見度的季節(jié)差異在逐漸減小,夏季的大氣能見度下降最明顯。(1)前期,石家莊、保定、唐山、滄州、邢臺、邯鄲、廊坊和衡水8個站,年中值分別在42~48km、42~45km、49~59km、45~52km、33~39km、44~48km、48~49km、45~47km之間,冬季中值分別在36~45km、36~44km、45~50km、44~48km、30~31km、41~45km、45~46km、42~43km之間浮動。此間,張家口、承德和秦皇島3個站的能見度變化很大,1962~1964年,3個站的能見度水平非常高,年、夏季和冬季能見度等于及超過50km的頻率均大于70%,中值只能外推得到;1965~1978年3個站的中值變化較平穩(wěn),年中值分別在49~55km、60~68km、46~62km之間,冬季中值分別在45~51km、48~61km和45~56km之間浮動。由于當(dāng)時夏季能見度水平較高,除邢臺站(夏季中值在37~43km之間)外,其他10個站的夏季中值大部分需要外推得到,其準(zhǔn)確性很差,未給出數(shù)值。(2)轉(zhuǎn)折期,11個站的能見度中值均顯著下降。(3)過渡期,石家莊、保定、唐山、衡水4個站的中值上下波動明顯,其他7個站的中值變化較平穩(wěn)。石家莊、保定、唐山、衡水年中值在17~27km、23~40km、33~43km、29~39km之間上下波動,張家口、承德、秦皇島、滄州、邢臺、邯鄲、廊坊7個站的年中值分別在39~42km、40~43km、31~35km、27~28km、21~25km、22~28km、28~36km之間浮動。(4)近期,石家莊、承德兩個站的年中值呈上升趨勢,石家莊從20km上升至32km,承德從42km上升至44km。張家口、唐山、秦皇島、滄州、廊坊、邯鄲6個站的年中值基本維持不變,其年中值分別為41km、43km、31km、27km、28km、26km。邢臺的年中值呈波動趨勢,其值在24~26km之間波動。保定、衡水兩個站的年中值呈下降趨勢,保定從35km下降至32km,衡水從31km下降至28km。(5)代表年份2001年,11個站按能見度年中值從大到小的排列順序依次為:承德(44km)、唐山(43km)、張家口(41km)、石家莊(32km)、保定(32km)、秦皇島(31km)、廊坊(28km)、衡水(28km)、滄州(27km)、邯鄲(26km)、邢臺(25km)。由表2可見,43年中,11個站的能見度低值顯著下降。前期,11個站的年能見度低值在23~54km之間浮動。轉(zhuǎn)折期,11個站的能見度低值顯著下降。過渡期,11個站的能見度低值在11~30km之間浮動。近期,石家莊、張家口、承德、唐山、邯鄲5個站的能見度低值呈上升趨勢;秦皇島、滄州、邢臺、廊坊、衡水5個站的能見度低值呈平穩(wěn)趨勢;保定站的能見度低值呈下降趨勢。代表年份2001年,11個站按年能見度低值從大到小的排列順序依次為:承德(40km)、唐山(40km)、秦皇島(22km)、廊坊(22km)、衡水(22km)、石家莊(21km)、滄州(21km)、保定(20km)、張家口(18km)、邯鄲(17km)、邢臺(15km)。4.2u3000定均氣象站ridit中值的變化Ridit中值表示某一給定時段內(nèi)的能見度好于“總體平均能見度”(參考分布)的概率。當(dāng)某年份的Ridit中值大于0.5時,表示該年份的能見度要好于43年(32年)的平均能見度。當(dāng)某年份的Ridit中值小于0.5時,表示該年份的能見度要差于43年(32年)的平均能見度。Ridit中值曲線能反映出能見度上升或下降的趨勢。圖3是11個站年、夏季和冬季Ridit中值的變化曲線圖?？梢?各站Ridit中值曲線的變化趨勢與圖2中各站能見度中值曲線的變化趨勢基本一致,這說明用60%的累積百分率作為能見度中值是合適的。43年中11個站年、夏季和冬季的Ridit中值曲線都呈下降趨勢,且變化趨勢一致。前期,三條曲線值都在0.5以上;轉(zhuǎn)折期,三條曲線值先后降至0.5以下;過渡期,三條曲線值都在0.5以下波動;近期,各站的三條曲線值仍處于0.5以下(張家口站年的Ridit中值例外,它的曲線也呈下降趨勢,但始終在0.5以上)。1997年后,各站年、夏季和冬季的Ridit中值變化趨勢列于表3。4.3從“非常好”到“完全”的變化43年中,11個站“非常好”能見度年出現(xiàn)頻率均呈下降趨勢(見圖4)。前期,張家口、唐山、滄州、承德、秦皇島、邯鄲、廊坊、衡水8個站的“非常好”能見度年出現(xiàn)頻率都在80%以上,保定站在70%以上,石家莊站在60%以上,邢臺站在40%以上。轉(zhuǎn)折期和過渡期間,滄州、廊坊、邢臺、邯鄲、衡水、秦皇島6個站的下降趨勢明顯,其中滄州、廊坊分別于代表年份1992、1997年起不再出現(xiàn)“非常好”能見度;石家莊、保定呈波動趨勢;張家口站呈平穩(wěn)狀態(tài),其頻率在65%左右浮動;唐山、承德分別于代表年份1985、1990年達(dá)到最低點(diǎn),隨后開始上升。近期,石家莊、唐山、承德、張家口、秦皇島、邯鄲6個站“非常好”能見度的年出現(xiàn)頻率呈上升趨勢,衡水、邢臺、保定3個城市的年出現(xiàn)頻率呈下降趨勢,滄州、廊坊均未出現(xiàn)該頻率。代表年份2001年,11個站按“非常好”能見度出現(xiàn)頻率從大到小的排列順序依次為:承德(93.9%)、唐山(90.3%)、張家口(64.7%)、保定(40.4%)、石家莊(40.1%)、秦皇島(31.1%)、邯鄲(6.9%)、衡水(5.2%)、邢臺(1.2%)、滄州(0)、廊坊(0)。這說明:近年來,承德、唐山受區(qū)域性大氣污染的影響小,滄州、廊坊、邢臺、衡水、邯鄲5個城市受區(qū)域性大氣污染的影響非常大。5河北省各城市的空氣好于消極影響的原因(1)1960~2002年,由于空氣污染的影響,河北省11個城市的大氣能見度均呈下降趨勢。能見度的季節(jié)差異逐漸縮小,夏季能見度下降幅度最大。(2)河北省11個城市的大氣能見度有明顯的地區(qū)性差異,地理分布特征大致呈現(xiàn)為自北向南能見度由高到低的勢態(tài)。1979年前,張家口、承德、唐山、秦皇島的能見度年中值大都在50km或50km以上,廊坊、保定、滄州、石家莊、衡水、邯鄲的年中