袁志揚(yáng)

(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(yáng)

(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(cè)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(shí)，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(huì)明顯下降，而小幅降溫則呈上升趨勢(shì)；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(duì)較低，不過受熱帶氣旋外圍的下沉氣流影響，可能會(huì)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(guó)的工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，由人類活動(dòng)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(cè)中氣溶膠類的重要一項(xiàng)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(shí)氣溶膠層吸收了太陽輻射的能量而增溫，并通過大氣運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jì)活動(dòng)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(bào)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(cè)站作為本次氣溶膠的散射系數(shù)的觀測(cè)點(diǎn)，從2013年1月1日—12月31日為期1年的連續(xù)觀測(cè)， 對(duì)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(cè)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(jì)來進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的， 儀器安裝在東莞市大氣成分觀測(cè)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(jì)設(shè)定每日自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)零點(diǎn)檢查，定期進(jìn)行跨度檢查，當(dāng)零點(diǎn)或跨度檢查值超出允許范圍時(shí)，對(duì)儀器進(jìn)行全校準(zhǔn)，儀器自帶加熱系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量樣品濕度控制在60%以下。本研究基于2013年1—12月觀測(cè)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(cè)、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(shí)不作統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算得到有效數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)為8 735 h。

地面氣象資料是由同一地點(diǎn)的東莞國(guó)家基本氣象站觀測(cè)所得。風(fēng)向?yàn)樵撔r(shí)分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)平均處理。本研究主要利用小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所用時(shí)間均為北京時(shí)。

2散射系數(shù)特征

2.1散射系數(shù)分布統(tǒng)計(jì)

2013年東莞散射系數(shù)年平均值為163.7 M·m-1，全年小時(shí)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(jì)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(shí)值主要出現(xiàn)在250 M·m-1內(nèi)，每個(gè)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(dòng)非常大。全年有3個(gè)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(shí)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(duì)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(shí)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?yàn)槠珫|、東南和偏南風(fēng)時(shí)，來自海洋的清潔空氣對(duì)污染物起到顯著的擴(kuò)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(jì)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(duì)散射系數(shù)的影響，當(dāng)風(fēng)速≤1.0 m/s時(shí)，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(shì)；當(dāng)風(fēng)速>5.5 m/s時(shí)，散射系數(shù)一直在低位小幅波動(dòng)。總體來說，風(fēng)速低，不利于污染物擴(kuò)散，散射系數(shù)就大；隨著風(fēng)速增大，氣流加快了對(duì)污染物的輸送，能迅速將污染物擴(kuò)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(shí)，風(fēng)對(duì)污染物的輸送和稀釋作用非常強(qiáng)，遠(yuǎn)強(qiáng)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?？梢钥闯?，1與3 h變化趨勢(shì)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(duì)流湍流開始發(fā)展[1]，而湍流有利于污染物的擴(kuò)散[15]，因此氣溫大幅升高，湍流發(fā)展則加快，擴(kuò)散也強(qiáng)烈，加速散射系數(shù)下降；而降溫會(huì)抑制湍流，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散，散射系數(shù)呈上升趨勢(shì)。不過大幅度降溫一般是由強(qiáng)冷空氣影響，而強(qiáng)冷空氣過境時(shí)帶來強(qiáng)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(duì)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(huì)吸濕長(zhǎng)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(duì)濕度較大的區(qū)域。相對(duì)濕度>40%時(shí)，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(duì)濕度為80%～90%；相對(duì)濕度<40%時(shí)，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。總的來說，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(jì)對(duì)樣品的濕度有控制，而且加熱系統(tǒng)會(huì)造成半揮發(fā)性氣溶膠的損失[16]，因此統(tǒng)計(jì)上可能跟大氣的實(shí)際情況會(huì)存在一定的偏差。

3.4氣壓

氣壓的變化必然對(duì)應(yīng)著天氣系統(tǒng)的變化，而不同天氣系統(tǒng)對(duì)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(gè)高位。總體來說，氣壓高情況下，散射系數(shù)相對(duì)較高，氣壓低時(shí)則較低，不過低氣壓有時(shí)會(huì)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(shí)氣壓雖然低，不過外圍的下沉氣流會(huì)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(jī)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(shí)散射系數(shù)與降雨量實(shí)況。

圖5　4月2日散射系數(shù)與降雨實(shí)況

根據(jù)觀測(cè)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(duì)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(jí)小沒有足夠的水對(duì)污染物沖洗和溶解，短時(shí)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)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(shí)，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(huì)明顯下降，而小幅降溫則呈上升趨勢(shì)。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(duì)較低，不過受熱帶氣旋外圍的下沉氣流影響，可能會(huì)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。

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收稿日期：2015-07-03

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

中圖分類號(hào)：P427

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.009

袁志揚(yáng).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.