濟寧市能見度變化特征及影響因素分析

狄瑞彤 王希凱 孟憲棟 趙京峰 侯紅運

（濟寧市氣象局，山東 濟寧 272000）

0 引言

在氣象觀測中，能見度作為一項基本觀測內(nèi)容，也被作為空氣污染的最顯著標(biāo)志，用來反映空氣質(zhì)量和大氣透明度情況。能見度不僅應(yīng)用于氣象部門，而且廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、航空、航海、交通等領(lǐng)域，能見度的好壞直接影響交通效率和安全。據(jù)統(tǒng)計，在過去的十幾年，美國由天氣原因?qū)е碌乃泻桨嘌诱`中，低能見度天氣約占17%，且由于低能見度天氣造成的航空事故占比也是較高的，在中國該占比也高達(dá)29.2%［1］。

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者對能見度開展研究。其中，國內(nèi)學(xué)者范引琪等［2］研究了京津冀地區(qū)能見度的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)此地區(qū)近些年能見度下降趨勢明顯，其變化與機動車數(shù)量的增長和能源的消耗具有較大的相關(guān)性；黃健等［3］分別對廣州和珠江三角洲區(qū)域進(jìn)行了能見度變化特征分析，以及對相關(guān)的影響因子進(jìn)行了研究；張劍等［4］分析了蘇州市城區(qū)的能見度與氣象因子、環(huán)境因子之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)與黑炭的相關(guān)性最大；崔健等［5］使用科學(xué)的統(tǒng)計方法研究了江蘇省的能見度時空分布特征，通過分析發(fā)現(xiàn)，江蘇省受到地形和海陸分布的影響，在空間上呈現(xiàn)出東高西低，在時間上呈現(xiàn)夏季高、冬季低的特征，且其與風(fēng)速呈正相關(guān)，與相對濕度、氣溶膠粒子光學(xué)厚度呈負(fù)相關(guān)。

本研究利用2016—2021 年濟寧市地面觀測資料和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)資料對濟寧市能見度進(jìn)行相關(guān)研究，研究其日變化、季節(jié)變化以及年變化特征，分析與氣象因素氣壓、水汽壓、溫度、相對濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速，大氣污染物SO2濃度、NO2濃度、CO濃度、O3濃度、PM10濃度、PM2.5濃度之間的相關(guān)性，由于能見度具有小時周期性，因此，研究其與24 h能見度滯后項之間的相關(guān)性。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)兩部分。氣象數(shù)據(jù)來源于2016—2021 年濟寧國家氣象觀測站（54915，116.6014E，35.4411N）逐小時地面觀測資料（包括氣壓、水汽壓、溫度、相對濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度），且這些數(shù)據(jù)均經(jīng)過“臺站級-省級-國家級”三級嚴(yán)格的質(zhì)量控制，其中能見度數(shù)據(jù)是利用DNQ1 型前向散射式能見度儀進(jìn)行觀測所得，觀測范圍為1~35 000 m；空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于與此同期的濟寧市環(huán)境監(jiān)測站所屬的3個國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點（火炬城站、污水處理廠、圣地度假村站）的逐小時觀測資料（包括SO2濃度、NO2濃度、CO 濃度、O3濃度、PM10濃度、PM2.5濃度），采取這3 個站點各顆粒物濃度的平均值代表濟寧市。

2 數(shù)據(jù)分析

能見度在日、季節(jié)和年上存在周期性變化，本研究從這三個階段分別觀察其變化趨勢，并進(jìn)行時間特征分析。為更好地對時間特征進(jìn)行分析，參考《水平能見度等級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 33673—2017）將能見度劃分為4個等級，當(dāng)能見度小于500 m 時，劃分為等級0，定義為差；當(dāng)能見度大于等于500 m、小于2 000 m時，劃分為等級1，定義為較差；當(dāng)能見度大于等于2000 m、小于10 000 m 時，劃分為等級2，定義為較好；當(dāng)能見度大于等于10 000 m 時，劃分為等級3，定義為好。

2.1 能見度變化趨勢

2.1.1 能見度日變化特征。對能見度觀測數(shù)據(jù)按季節(jié)進(jìn)行分類，計算0—23 時各個季節(jié)的小時平均能見度，結(jié)果如圖1 所示。依據(jù)氣象學(xué)意義上的標(biāo)準(zhǔn)對季節(jié)進(jìn)行劃分，春季為3—5 月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

由圖1 可知，濟寧市能見度日平均變化特征顯著。一天中，能見度的最低值出現(xiàn)在6 時至8 時之間，最高值出現(xiàn)在15時至18時之間，能見度呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢。夜晚溫度、風(fēng)速相對較低，相對濕度較高，抑制了大氣污染物的輸送和擴散，導(dǎo)致大氣污染物堆積，且其吸收空氣中的水汽，進(jìn)一步擴大吸收和散射面積，能見度逐漸降低。清晨時，人類生活、交通等活動相對集中，大氣污染物排放增加，太陽出來后，溫度升高，水汽消散，相對濕度降低，污染物的輸送和擴散能力增強，能見度逐漸升高，所以能見度最低值出現(xiàn)在6 時至8 時之間。到了黃昏，溫度降低，相對濕度升高，且逐漸進(jìn)入晚高峰，車流量加大，污染物排放量增加，且不易擴散，能見度持續(xù)下降，所以最高值出現(xiàn)在15 時至18時之間。

圖1 能見度日平均變化特征

圖2 展示了能見度日等級變化特征，通過觀察發(fā)現(xiàn)，各小時為2 級和3 級能見度占比較高，中午、下午和傍晚為3 級（好）能見度占比最大，清晨、上午和夜間為2 級（較好）能見度占比較大，清晨和夜間1 級（較差）能見度占比相較于其他時間能見度占比明顯偏高，0 級（差）能見度占比在中午和下午趨向于0。整體來說，一天中，中午、下午和傍晚能見度優(yōu)于其他時間段，且低能見度天氣基本沒有。

圖2 能見度日等級變化特征

2.1.2 能見度年變化特征。由圖3 可知，濟寧市能見度年均變化特征顯著。2016—2021 年，能見度最小值為8 485 m，出現(xiàn)在2016 年，最大值為12 909 m，出現(xiàn)在2021年。通過年平均值線性回歸曲線可以發(fā)現(xiàn)，濟寧市能見度6 年來呈現(xiàn)明顯上升趨勢，一元線性回歸方程為y= 702.54x+ 8 393.9，能見度傾向率為7 025.2 m/10 a，且R2為0.829 6，R2最大值為1，其值越接近于1，說明一元線性回歸直線對能見度值的擬合程度越好，本回歸方程能解釋年均能見度82.96%的變化。這是由于2016 年4 月生態(tài)環(huán)境部因大氣污染問題約談了濟寧市政府主要負(fù)責(zé)人，約談后濟寧市政府采取了一系列措施，環(huán)境問題得到了有效的治理，但在2019 年出現(xiàn)了明顯的反彈。從圖3 可以看出，2019 年能見度也出現(xiàn)了明顯的降低，之后得到有效控制，年均能見度也再次逐步上升。

圖3 能見度年平均變化特征

圖4 展示了能見度年等級變化特征，通過觀察發(fā)現(xiàn)，2018 年和2021 年為3 級（好），能見度占比最大，其他年份為2 級（較好），能見度占比較大，1 級（較差）和0 級（差）能見度占比隨著年份的增加大致呈減少趨勢。整體來說，濟寧市能見度呈明顯上升趨勢，且低能見度天氣呈減少趨勢，這與上文中的年平均變化特征是一致的。

圖4 能見度年等級變化特征

2.2 大氣污染物與氣象特征對能見度的影響

本研究采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析大氣污染物與氣象特征對能見度的影響。Pearson 相關(guān)系數(shù)的計算公式如式（1）。

式中：k為樣本數(shù)量；i表示第i條樣本；xi和yi分別代表特征x和特征y的樣本值；xˉ和yˉ分別代表特征x和特征y的平均值；sx和sy分別代表特征x和特征y的標(biāo)準(zhǔn)差。r絕對值最大為1，其值越大，代表兩特征間的相關(guān)性越強，正值代表呈正相關(guān)，負(fù)值代表呈負(fù)相關(guān)。

圖5 為大氣污染物、氣象特征與能見度之間的相關(guān)性系數(shù)。從圖5 中可以看出，大氣污染物特征中，CO 濃度與能見度的相關(guān)性最強，且呈負(fù)相關(guān)，CO 濃度越大，能見度越差，CO 濃度越小，能見度越好；PM10、PM2.5、NO2、SO2與能見度的相關(guān)性較強，且均呈負(fù)相關(guān)；O3與能見度的相關(guān)性較弱，且呈正相關(guān)，O3濃度越大，能見度越好，O3濃度越小，能見度越差。在氣象特征中，相對濕度與能見度的相關(guān)性最強，且呈負(fù)相關(guān)；溫度、風(fēng)速、降水量、氣壓與能見度的相關(guān)性較強，溫度、風(fēng)速與能見度呈正相關(guān)，降水量、氣壓與能見度呈負(fù)相關(guān)；水汽壓、風(fēng)向與能見度的相關(guān)性較弱，均呈正相關(guān)。以上特征均通過了α= 0.05的顯著性檢驗。

圖5 大氣污染物、氣象特征與能見度相關(guān)性分析

能見度具有小時周期性，表1 展示了能見度原始序列與24~48 時的滯后項之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)。從表1 可以看出，能見度原始序列與其滯后項呈正相關(guān)，且其值為0.16~0.39，呈現(xiàn)出先變小后變大的變化趨勢，在36 h 滯后項時具有最小相關(guān)性0.15，在24 h滯后項時具有最大相關(guān)性0.39。

表1 滯后時間相關(guān)性分析

3 結(jié)論

①濟寧市日變化特征明顯，一天中能見度的最低值出現(xiàn)在清晨，最高值出現(xiàn)在下午，能見度呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢；中午、下午和傍晚能見度優(yōu)于其他時間段，且此時間段低能見度天氣基本沒有。

②濟寧市能見度年均變化特征顯著，其能見度傾向率為7 025.2 m/10 a，且R2為0.829 6，說明濟寧市能見度6 年來呈現(xiàn)明顯上升趨勢，且低能見度天氣呈減少趨勢。

③通過Pearson 相關(guān)系數(shù)分析，能見度與氣象因子溫度、水汽壓、風(fēng)向、風(fēng)速呈正相關(guān)，與氣壓、相對濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，且與相對濕度相關(guān)性最大；能見度與SO2濃度、NO2濃度、CO 濃度、PM10濃度、PM2.5濃度均呈負(fù)相關(guān)，與O3濃度呈正相關(guān)，且與CO 濃度相關(guān)性最大；與24 h、25 h、26 h、27h 和28 h能見度滯后項相關(guān)性較大。