城市氣象學(xué)（杭建）ppt課件 07-3城市能見度

Ch7水分、云、霧和降雨一、水平衡二、濕度三、云四、霧五、降水六、能見度六、能見度1、吸收和散射基礎(chǔ)2、能見度3、澳門能見度和PM關(guān)系4、香港1968-2004年能見度變化分析1、吸收和散射基礎(chǔ)

吸收、散射、折射、反射、色散、衍射大氣對輻射吸收的物理過程

吸收，就是指投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量。要用量子力學(xué)解釋大氣分子吸收光譜的形成單個分子內(nèi)含的能量，

E=Ee+Ev+ErEe：電子圍繞原子核運動的能量；Ev：原子在其分子平均位置周圍的振動；Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動的能量。而且，都是量子化的。電子躍遷：玻爾模型氫光譜研究另外還有：

振動躍遷、轉(zhuǎn)動躍遷、振動和轉(zhuǎn)動躍遷。都是量子化的。吸收系數(shù)單個氣體分子的吸收能力可用吸收截面a來描述。a：這個分子所吸收的輻射能相當(dāng)于面積a從入射輻射場中所截獲的輻射能。如果，E

：表示入射輻射的輻射通量密度，則這個分子吸收的輻射能應(yīng)為Ea。若單位體積中吸收氣體的分子數(shù)為N，則單位體積氣體吸收的總輻射能為EaN。

體積吸收系數(shù)

ka=單位體積分子吸收總輻射EaN/入射輻射E

=Na

其量綱為L-1，所以也常稱為距離吸收系數(shù)，同樣，有單色吸收系數(shù)ka,（或ka,）的概念。某一波數(shù)處的吸收系數(shù)

大氣的吸收帶由許多緊密相連的譜線組成，而且每條譜線不是嚴(yán)格的幾何直線，具有一定的寬度及分布。因此某一波數(shù)處的吸收系數(shù)，應(yīng)該是所有譜線在該處的疊加作用的總和：電磁輻射在遇到大氣中的氣體分子以及懸浮的塵埃、云滴、雨滴和冰粒、雪花等粒子時，會產(chǎn)生散射現(xiàn)象。

散射多次散射散射現(xiàn)象的理解

分子、粒子內(nèi)含多個分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子后，正負電荷中心產(chǎn)生偏移而構(gòu)成電偶極子或多極子，在電磁波激發(fā)下作受迫振動，向各方向發(fā)射次生電磁波，就是散射輻射，其波長和原始波相同，并且與原始波有固定的位相關(guān)系。散射可以用經(jīng)典麥克斯韋電磁波理論求解。若入射光是嚴(yán)格的單色光，在散射光譜中入射光波長兩邊還可以觀察到對稱的弱譜線，即散射光中還包含有和入射光頻率不同的光。這種頻率的改變是由于入射光頻率與分子的固有頻率聯(lián)合而引起的，故稱為聯(lián)合散射（或喇曼散射）。利用這種現(xiàn)象可以測量大氣中各種氣體的含量。散射削弱系數(shù)散射截面ss

：這個分子所散射的輻射能相當(dāng)于面積ss從入射輻射場中截獲的輻射能。ks=單位體積分子吸收EsN/入射輻射E

=Nss的量綱為L2，常用cm2，而ks的量綱則為L1，，常用cm-1、m-1或km-1。

若粒子尺度不均勻，則要考慮粒子譜分布：對于不同大小的氣溶膠散射粒子，如r為粒子半徑，n(a)da表示單位體積中半徑為a到a+da范圍中的粒子數(shù)，則散射削弱系數(shù)為：散射過程的分類尺度數(shù)x=2pa/l

x<<10.1<x<50米散射比瑞利散射更復(fù)雜球形氣溶膠粒子對0.5m光的散射a=10-4

ma=0.1ma=1m(1)瑞利散射(分子散射

x<<1時即a<<l

時)

散射削弱系數(shù)為：mr是介質(zhì)折射率

，N是單位體積散射質(zhì)點數(shù)目。對于空氣分子，在標(biāo)準(zhǔn)情況下，

在空氣密度為

的空氣中

天色：藍色天色：紅色天色：白色天色：黑色沒有大氣，沒有散射，天空黑色，太陽白色(2)米散射(大顆粒散射，0.1<x<50即a~l

時)

散射效率因子Qs水滴(m=1.33)散射效率隨尺度數(shù)變化當(dāng)x=6時，此時半徑約等于波長，Qs=4,最大，即散射效率最高；

當(dāng)x很大時，散射效率和波長逐漸無關(guān)，并趨于2，幾何光學(xué)可解釋。

當(dāng)x很小時，瑞利散射特征衍射,強虹霓強介質(zhì)球表面的反射、折射、衍射?？傃苌涔獾扔谕渡涞搅Ｗ訖M截面上的總光通量，而與粒子的形狀、性質(zhì)無關(guān)。當(dāng)粒子沒有吸收時，衍射光恰好占總散射光的一半。大氣氣溶膠的散射削弱系數(shù)

實際大氣中

n(r)的變化很大

對分子散射，取

b=4。對大顆粒的散射，b<4，其數(shù)值根據(jù)大氣氣溶膠或云滴半徑而變。

(3)幾何光學(xué)

(x>50時即a>>l

時的散射

)服從幾何光學(xué)規(guī)律

獨立散射在一般情況下，要研究的是某一體積內(nèi)眾多粒子共同的散射。當(dāng)粒子間的距離比幾個半徑（例如3倍半徑）還大時，可以認為各粒子的散射是互相獨立的，即每個粒子的散射和周圍的粒子無關(guān)，稱為獨立散射。當(dāng)獨立散射的條件滿足時，某一體積內(nèi)所有粒子的總散射等于各個粒子散射的總和。這里

(,)稱為粒子的散射函數(shù)，散射截面，一般來說，散射截面和粒子真正的幾何截面并不相等。消光截面和散射截面相對應(yīng)的還有吸收截面ab和消光截面ex（也稱削弱截面）。吸收截面反映粒子吸收的本領(lǐng)，而消光截面表示粒子散射和吸收的總量，有大氣消光系數(shù)的測量

大氣消光系數(shù)是散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和，其中每一項還可以區(qū)分為分子和氣溶膠的作用。一般認為在可見光和近紅外波段，空氣分子的消光系數(shù)易從計算得到，故測量的重點常常是氣溶膠的散射和吸收。測量大氣消光系數(shù)最基本的方法是：對均勻大氣2、能見度問題實踐中常常遇到透過大氣來看目標(biāo)物能否看得清晰，以及到底隔多遠還可以把目標(biāo)物從它的背景上分辨出來問題。這里所說的“看”是廣義的，可以是用眼睛直接看或通過儀器看，也可以是攝影或其它成象系統(tǒng)。和這類問題發(fā)生關(guān)系的實踐活動有航空、航海、陸上交通、高空攝影和天文觀測等等。由于這一問題純粹是大氣中顆粒物對光散射所造成的，因此在大氣環(huán)境問題中也受到廣泛的關(guān)注。上述問題的總和就是所謂能見度問題，它重點研究能見距離的大小。通過大氣觀察某一背景襯托的目標(biāo)物，近看當(dāng)然是清楚的；當(dāng)距離越來越遠時，就漸趨模糊；最后從某一距離開始，無論我們怎樣用心去看，都無法把目標(biāo)物從背景上識別出來。這一臨界距離就叫做能見距。根據(jù)經(jīng)驗我們知道影響能見度的因子很多，歸納起來有：①目標(biāo)物的物理特性，其大小、形狀、色彩和亮度等；②背景的物理特性；③照明的情況；④大氣的特性；⑤觀測器械的特性。在這些因子中最復(fù)雜多變而且影響最大的是大氣這一因子，這正是大氣物理所應(yīng)該研究的。習(xí)慣上把透過大氣能分辨遠處目標(biāo)物的程度分為10個等級，稱為能見度。每一等級都和一定的能見距相對應(yīng)。各級能見度對應(yīng)的能見距和大氣散射系數(shù)能見度級天氣狀況氣象能見距（km）散射系數(shù)（km-1）0極濃霧<0.05>78.21濃霧0.05~0.2078.2~19.62中霧0.20~0.5019.6~7.823輕霧0.50~1.007.82~3.914薄霧1.00~2.003.19~1.965霾2.00~4.001.96~0.9546輕霾4.00~10.000.954~0.3917晴10.00~20.000.391~0.1968很晴20.00~50.000.196~0.0789十分晴>50.00<0.078—純空氣分子2770.0141補充：關(guān)于珠三角霾與能見度1999年歐美科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在亞洲南部上空經(jīng)?；\罩著一層3km厚的棕色氣溶膠云,并稱其為亞洲棕色云（AsianBrownCloud,ABC）,也有學(xué)者將其稱為灰霾天氣,其組成主要包括:黑碳、粉塵、硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽等,后來發(fā)現(xiàn)各大洲都存在類似現(xiàn)象,又將其稱為大氣棕色云。補充：續(xù)廣東省氣象局于2006年5月30日發(fā)文“粵氣業(yè)〔2006〕16號關(guān)于執(zhí)行廣東省觀測霧、輕霧和霾發(fā)報標(biāo)準(zhǔn)的通知”,制定了廣東省觀測霾、輕霧和霧的識別標(biāo)準(zhǔn),在國內(nèi)第一次統(tǒng)一了省級氣象部門區(qū)別霾與霧的觀測標(biāo)準(zhǔn)。補充：續(xù)相對濕度(%)5080951000110能見度(km)霾或輕霧輕霧霾或霧霧霾廣東省氣象局觀測霾、輕霧和霧標(biāo)準(zhǔn)氣態(tài)前體物及直排顆粒物

SO2,

NO2,CO,

EC,Soildust,Ozone,VOCetc.

強日照靜小風(fēng)低濕度Sulfate,Nitrate,Organics,大氣中嚴(yán)重的“灰霾”廣州2003年11月2日廣州2003年11月3日嚴(yán)重的灰霾天氣廣州2003年11月3日2003年11月初重灰霾污染事件（10.27-30）連續(xù)4天珠三角光學(xué)厚度分布，MODIS衛(wèi)星2003年11月初重灰霾污染事件（10.31-11.3）補充：續(xù)1954-2006年廣州每年灰霾出現(xiàn)日數(shù)統(tǒng)計補充：續(xù)廣州1954-2004年能見度中值與低值變化趨勢廣州1951-2007年逐月灰霾日數(shù)補充：關(guān)于珠三角霾與能見度珠江三角洲1980-2004年能源消耗（萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤）、GDP（億元）、人口（萬人）、機動車（千輛）增長情況補充：續(xù)廣州1961-2002年日照時數(shù)和太陽總輻射對比和對比感閾

日常經(jīng)驗告訴我們，當(dāng)觀察一個具有足夠大視角的目標(biāo)物時，只有當(dāng)這個目標(biāo)物和它的背景之間上有相當(dāng)程度的亮度或色彩上的差異，才能把它從背景中識別出來。對觀察遙遠目標(biāo)物而言，具有決定意義的是亮度差異。

分別用B和Bb表示目標(biāo)物和背景的光亮度，則光亮度對比C定義為：C的數(shù)值就表示目標(biāo)物和背景的亮度差異的相對比值。C大，目標(biāo)物就看得清楚；當(dāng)C逐漸減?。晃覀兙透杏X到目標(biāo)物逐漸模糊。事實上在C減小到零之前，就已經(jīng)不能把目標(biāo)物從背景中區(qū)分出來了，這個開始不能把目標(biāo)物背景中區(qū)分出來的對比值稱為對比感閾，用ε來表示。由此可見，C=ε是目標(biāo)物由能見轉(zhuǎn)化為不能見的條件。對比感閾是一個復(fù)雜的物理量，就人眼而言，它既反映人眼的生理特性，也和外界條件有關(guān)。這里包括：1）目標(biāo)物的視角和視野亮度。隨著目標(biāo)物視角和視野亮度的減小，對比感閾要加大（見圖）。2）目標(biāo)物的持續(xù)時間。若目標(biāo)物是時顯時隱的，則對比感閾要加大。實驗指出，識別目標(biāo)物所費的時間大約是1/3秒，若目標(biāo)物顯示的時間比這個比值更短，目標(biāo)物就難以被識別，除非對比度很大。3）目標(biāo)物在視場中的位置。若目標(biāo)在視場中央，對比感閾最小，反之要加大。（見圖）給出的實驗結(jié)果就反映了這一點。當(dāng)我們搜索目標(biāo)物時，并不知道目標(biāo)物的確切位置，因此要求較大的對比度才能發(fā)現(xiàn)。4）個人精神上的因子，包括個人的健康、心理狀態(tài)等等。上述這些影響對比度的因子，在決定能見距時應(yīng)當(dāng)考慮。不同照度和視角下的對比感閾值當(dāng)目標(biāo)物處于視場中不同位置時對比感閾的變化對比度傳輸系數(shù)

以上討論的亮度對比并沒有考慮到大氣的作用，它只反映目標(biāo)物和背景固有的亮度差異，稱固有對比。當(dāng)透過一段大氣去觀察目標(biāo)物時，實際看到的是視亮度。為了識別目標(biāo)，視亮度對比應(yīng)大于對比感閾。大氣對視亮度的影響有兩個方面：①大氣的削弱作用使固有亮度減小。設(shè)這段大氣的透明度為R，則視亮度應(yīng)是固有亮度乘以R。②由于大氣對光的散射作用，氣柱本身要發(fā)光。設(shè)這段氣柱的亮度為DR

，則目標(biāo)物和背景的視亮度B*和Bb*分別為Y稱為對比度傳輸系數(shù)。它反映固有對比在大氣中傳輸時變化的情況。只要DR不為零，Y就是一個小于1的正數(shù)，而且隨著距離的增大，Y逐漸減小，即視亮度對比將減小。這是因為隨著距離的增大，散射發(fā)光DR將越來越強，而從物體和背景來的光越來越弱，最后，B*和Bb*無限逼近DR的結(jié)果。引入對比度傳輸系數(shù)的好處在于把目標(biāo)物的固有特性和大氣的影響區(qū)分開來，以便專門討論大氣在能見度問題中的影響。大氣對目標(biāo)物觀察的影響透過率氣柱發(fā)光強度A(l)是觀察角錐中單位長度的氣柱向觀察方向發(fā)送的散射光亮度。假設(shè)大氣是水平均一的，則可簡化成若把水平方向的天空作為觀察背景，則背景的固有亮度為在大氣水平均一時有得氣柱亮度利用以上關(guān)系，在水平均一的條件下，水平觀察時，對比度傳輸系數(shù)為K為天空－背景亮度比，若以天空為背景則K=1若以天空為背景，則K＝1由以上兩個公式，可以得到能見度和消光系數(shù)之間的關(guān)系氣象能見距離

按地面觀測規(guī)范的規(guī)定，氣象能見距是指視力正常的人在當(dāng)時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辯認出目標(biāo)物（黑色）的最大水平距離。在大氣為水平均一情況下，可從得出氣象能見距Rm和大氣消光系數(shù)kex有下述關(guān)系（

=0.02）這便是Koschmieder能見度公式。在航空氣象部門，為了保證飛行的安全，在定義能見距時使用較高的對比感閾值

=0.05,這時能見距和消光系數(shù)間有下列關(guān)系：Rm=1.306RaRa=0.766Rm在導(dǎo)出公式時包含有以下4個假定：①沿水平光路kex為常數(shù)；②沿水平光路A(l)為常數(shù)；③足夠大的黑體目標(biāo)物并以天空為背景，Ｃ＝１；④視力正常的觀察員，

=0.02 雖然在實際工作中上述四個假定并不能全部滿足，但觀測表明在一般條件下計算能見距的誤差可控制在±10%以內(nèi)。夜間燈光能見度

黑夜來到的時候，視野的亮度大大降低，眼睛的工作狀況也發(fā)生了根本變化。眼睛對亮度對比的感覺變得很遲鈍，因而對比感閾值變得很大，這就使得夜間的能見距大大縮短。另一方面眼睛對微弱光流的刺激卻很敏感，因此有利于識別遠處燈光信號。夜間燈光能見度問題包括兩個方面，一是黑夜中有一燈光信號，在什么條件下能被觀察到；二是用人工光源照明遠處目標(biāo)物，在什么條件下能被識別出來（參見盛裴軒等，大氣物理學(xué)，p454）。燈光能見度燈光的視角一般很小，可以看成點光源。光強為I的點光源在距離R處造成的照度(Allard定律)當(dāng)眼睛觀察到燈光的照度小于某一閾值E時，眼睛就不能感覺燈光的存在了，肉眼的燈光照度閾值E和許多因子有關(guān)：①當(dāng)觀察者從光亮中進入黑暗環(huán)境時，E值很大，約10~15min后，E才恢復(fù)到正常值。②當(dāng)視野中有其它光源時，E值增大。③Eε值和燈光周圍的背景亮度有關(guān)。如背景亮度大，E值也加大。由于E的數(shù)值與燈光的色彩有關(guān)，對人眼而言，黃光的E最大，紅光的Eε最小，故夜間最易辨認的是紅色的信號燈。

WMO對燈光照度閾值的規(guī)定E黃昏或者黎明：10-6lx(勒克斯)月夜：10-6.7lx(勒克斯)完全黑暗之夜或者僅有星光：10-7.5lx(勒克斯)氣象光學(xué)距離PWMO建議采用氣象光學(xué)距離作為能見度特征量，定義為：色溫為2700K的白熾燈(根據(jù)維恩位移定律：波長λ=2897/2700=1.07μm)發(fā)出的平行光輻射通量，經(jīng)大氣削弱，衰減至原值的0.05時，在大氣中所經(jīng)歷的水平距離。此時對比視感閾ε=0.05，實際上表示觀測者從遠處漸近于燈光，直至能辨別固定色溫白熾燈的亮度對比閾值，此為發(fā)現(xiàn)閾值，相應(yīng)于發(fā)現(xiàn)距離。而ε＝0.02為消失閾值。根據(jù)Lambert定律（即Beer定律）氣象光學(xué)距離氣象光學(xué)距離和氣象能見度之間的關(guān)系：前述氣象能見度計算式為：目測能見度RSPRemoteSensingusingMicroPulseLidarinMacao

(RSP:RespirableSuspendedParticulates)

3、澳門能見度和PM關(guān)系LidarontheroofofSMGmainbuildingLidarSysteminMacaoPM10,PM2.5samplersGlancetheLidarvisibilitysensorLaserbeamLIDARSystemLidarMeasurementSouthdirectionLaserbeamwasdirectedtothepowerstationinKaHo.NorthdirectionLaserbeamwasdirectedthemetropolitanareainMacao.IncineratorMacaopeninsulaLidarMeasurement–NorthLaserbeamwasdirectedtothePowerstationinKaHo.LidarMeasurement–SouthSchematicDiagramReceiverTelescope254mmSchmidt-Newtoniantelescopef/4

Bandpassfilter0.3nmFWHMDataacquisition20MHztransientrecorderwithanalogueandphotoncountingRangeresolution7.5mEmissionLaserNd:YAG532nmRepetitionrate1kHzMaximumPulseenergy50JBeamdiameterExpandedto90mmbyaMaksutov-Cassegraintelescope

Fernald’smethod[1]1.F.G.Fernald,B.M.Herman,andJ.A.Reagan,“Determinationofaerosolheightdistributionbylidar”,JournalofAppliedMeteorology11,482-489,1972.P(x)isthesignalreceivedatrangex,TR(x)andTP(x)arethetransmissionforRayleighscatteringandatmosphericaerosolsatrangexrespectively.istheMiebackscatteringcoefficient.S1isthelidarratio.Weassumedthisratiotobe50[2].

2.Ansmann,A.,etal.,HighaerosolloadoverthePearlRiverDelta,SouthChina,observedwithRamanlidarandSunphotometer,GeophysicalResearchLetters,32,Art.No.L13815,2005.DataInversionByimposingsomeboundaryconditions,theconstantS/CEcanbecalculated.

Inourmeasurements,thevisualrangemeasuredbyaforwardscatteringvisibilitysensor(VaisalamodelFD12)inSMGisusedforcalculatingtheboundaryvalueandthereferenceextinctionwasthencalculatedfromthevisibilityby[1]:whereλisthewavelengthofthelaser(0.532μm).1.E.D.Hinkley,LaserMonitoringoftheAtmosphere,(Springer-Verlag,NewYork,1976).DataInversionByputtingtherelativehumidityandassumingtheatmospheretobehorizontallyhomogeneous,RSPvaluescanbecalculatedfromtheextinctionprofilesbywherea=0.0047,b=0.036andc=12.92.Respirablesuspendedparticulates(RSP)istheconcentrationoftheaerosolparticlesofsizesmallerthan10μmintheair.RespirablesuspendedparticulatesCalculationCorrelationbetweenRSPandextinctioncoefficientThecorrelationestablishedextendsonlyasfarasarelativehumidityof92%40506070809010000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1Relativehumidity(%)Extinction/PM10ratio(km-1/gm-3)

/PM10=a+b(RH/100)ca=0.006159b=0.06097c=12.23

R2=0.72

LidarMeasurement–SouthTemperature:16oC

Relativehumidity:70%NortherlywindPM10fromSMG:~40μg/m3

LidarMeasurement–NorthTemperature:25oC

Relativehumidity:77%SoutheasterlywindPM10fromSMG:~30μg/m3

MeanRSPatdifferentrangesNorthCorrelationbetweenmeanRSPfromLidarandPM10valuefromSMGCorrelationbetweenmeanRSPfromLidarandPM2.5valuefromSMGPM2.5/PM10=0.43PM10,PM2.5Samplers:PM2.5/PM10=0.55CASE:Diurnalevolution:North澳門細粒子污染特征及與氣象條件關(guān)系分析澳門細粒子污染特征、吸濕增長效應(yīng)及與氣象因子關(guān)系，利用定義的PM2.5質(zhì)量通量因子，定量給出北部城市群向南傳輸通量是南海區(qū)域向北傳輸通量的約7.8倍。

PM2.5和PM10特征

65PM2.5中國PM10二級標(biāo)準(zhǔn)：年平均100.日平均150；美國PM2.5標(biāo)準(zhǔn)：美國年平均15，日平均65.

150PM10日變化：濃度白天高于夜間。比值PM2.5/PM10白天低于夜間。人為活動PM與其他城市比較觀測地點觀測時段PM2.5μgm-3PM10μgm-3PM2.5/PM10%參考文獻澳門2007.1-1235.9±26.667.6±45.151.0本研究廣州2002.6-778.129.7124.755.564.1Cao2003香港2002.6-731.016.941.414.270.9深圳2002.6-747.116.775.123.062.6珠海2002.6-731.020.044.024.868.9珠三角平均2002.6-749.130.674.651.268.7廣州2002.1-2105.971.4161.7114.467.9Cao2004香港2002.1-254.522.973.927.971.7深圳2002.1-260.818.083.727.473.3珠海2002.1-259.323.784.131.670.8珠三角平均2002.1-272.649.0111.583.570.4歐洲城市*1998-200220-3028-4240-50Querol2004USPM2.5年標(biāo)準(zhǔn)值15，日均標(biāo)準(zhǔn)值65PM2.5

與風(fēng)向PM2.5通量東亞季風(fēng)、低緯東風(fēng)(信風(fēng))特征向南傳輸通量是向北傳輸通量的7.8倍HYSPLITbackwardtrajectoriesHKDailyHYSPLIT96-hourbackwardtrajectoriesoverHKforyear2005.eachcurverepresentsadailybackwardtrajectory,whichendsataheightof10maboveHKat20:00withtheotherendshowingtheposition96hoursago.Leungetal.2008PM2.5concentrations:μgm-3Continental62.3higher

CoastalPassing41.4

Taiwan36.5

Maritime19.5low