城市氣象學課件：07_3城市能見度

1、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+Er Ee ：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

2、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 = N a,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

3、線不是嚴格的幾何直線，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

4、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 = N s,s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=2p a/l,x1,0.1x

5、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 m,a=0.1 m,a=1 m,(1) 瑞利散射(分子散射 x1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，在標準情況下，,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x=6時，此時半徑約等于波長，Qs=4,最大，即散射效率最高；當x很大時，散射效率和波長逐漸無關(guān)，并趨于2

6、，幾何光學可解釋。當x很小時，瑞利散射特征,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 (x 50 時即a l 時的散射 ),服從幾何光學規(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

7、獨立散射。當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

8、到透過大氣來看目標物能否看得清晰，以及到底隔多遠還可以把目標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物，近看當然是清楚的；當距離越來越遠時，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

9、響能見度的因子很多，歸納起來有： 目標物的物理特性，其大小、形狀、色彩和亮度等； 背景的物理特性； 照明的情況； 大氣的特性； 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。習慣上把透過大氣能分辨遠處目標物的程度分為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),補充：關(guān)于珠三角霾與能見度,1999年歐美科學家發(fā)現(xiàn),在亞洲南部上空經(jīng)?；\罩著一層3 km厚的棕色氣溶膠云,并稱其為亞洲棕色云（Asian Brown Cloud, ABC）,也有學者將其稱為灰霾天氣,其組成主要包括:黑碳、粉塵、硫酸鹽

10、、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)200616號關(guān)于執(zhí)行廣東省觀測霧、輕霧和霾發(fā)報標準的通知”,制定了廣東省觀測霾、輕霧和霧的識別標準,在國內(nèi)第一次統(tǒng)一了省級氣象部門區(qū)別霾與霧的觀測標準。,補充：續(xù),廣東省氣象局觀測霾、輕霧和霧標準,氣態(tài)前體物及直排顆粒物 SO2, NO2, CO, EC, Soil dust, Ozone, VOC etc.,大氣中嚴重的“灰霾”,廣州 2003年 11月2日,廣州 2003年 11月3日,嚴重的灰霾天氣,廣州 2003年 11月3日,2003年11月初重灰霾污染事

11、件（ 10.27-30 ）,連續(xù)4天珠三角光學厚度分布，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（萬噸標準煤）、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，當觀察一個具有足夠大視角的目標物時，只有當這個目標物和它的背景之間上有相當程度的亮度或色

12、彩上的差異，才能把它從背景中識別出來。對觀察遙遠目標物而言，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)值就表示目標物和背景的亮度差異的相對比值。C大，目標物就看得清楚；當C逐漸減小；我們就感覺到目標物逐漸模糊。事實上在C減小到零之前，就已經(jīng)不能把目標物從背景中區(qū)分出來了，這個開始不能把目標物背景中區(qū)分出來的對比值稱為對比感閾，用來表示。由此可見，C = 是目標物由能見轉(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） 目標物的視角和視野亮度。隨著目標物視角和視野亮度的減小

13、，對比感閾要加大（見圖）。 2）目標物的持續(xù)時間。若目標物是時顯時隱的，則對比感閾要加大。實驗指出，識別目標物所費的時間大約是1/3秒，若目標物顯示的時間比這個比值更短，目標物就難以被識別，除非對比度很大。 3）目標物在視場中的位置。若目標在視場中央，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。當我們搜索目標物時，并不知道目標物的確切位置，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)當考慮。,不同照度和視角下的對比感閾值,當目標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

14、亮度對比并沒有考慮到大氣的作用，它只反映目標物和背景固有的亮度差異，稱固有對比。當透過一段大氣去觀察目標物時，實際看到的是視亮度。為了識別目標，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： 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。 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

15、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K1,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

16、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時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辯認出目標物（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=1.306Ra Ra=0.766Rm,在導(dǎo)出公式時包含有以下4個假定： 沿水平光路kex為常數(shù)； 沿水平光路A(l)為常數(shù)； 足夠大的黑體目標物并以天空為背景，； 視力正常的觀察員， = 0.02 雖然在實際工

17、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物，在什么條件下能被識別出來（參見盛裴軒等，大氣物理學，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(Alla

18、rd 定律),當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)： 當觀察者從光亮中進入黑暗環(huán)境時，E值很大，約1015min后， E才恢復(fù)到正常值。 當視野中有其它光源時，E值增大。 E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E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： 10-6 lx(勒克斯) 月夜： 10-6.7 lx(勒克斯) 完全黑暗之夜或者僅有星光：10-7.5 lx(勒克斯),氣象光學距離P,WMO建議采用氣

19、象光學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=2897/2700=1.07m)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=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0.02為消失閾值。,根據(jù)Lambert 定律（即Beer定律）,氣象光學距離,氣象光學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,RSP Remote Sensing using Micro Pulse Lidar in Macao(RSP

20、: Respirable Suspended Particulates),3、澳門能見度和PM關(guān)系,Lidar on the roof of SMG main building,Lidar System in Macao,PM10,PM2.5 samplers,Glance the Lidar,visibility sensor,Laser beam,LIDAR System,Lidar Measurement,South direction Laser beam was directed to the power station in Ka Ho. North direction Laser

21、 beam was directed the metropolitan area in Macao.,Incinerator,Macao peninsula,Lidar Measurement North,Laser beam was directed to the Power station in Ka Ho.,Lidar Measurement South,Schematic Diagram,Fernalds method1,1. F. G. Fernald, B. M. Herman, and J. A. Reagan, “Determination of aerosol height

22、distribution by lidar”, Journal of Applied Meteorology 11, 482-489, 1972.,P(x) is the signal received at range x, TR(x) and TP(x) are the transmission for Rayleigh scattering and atmospheric aerosols at range x respectively. is the Mie backscattering coefficient. S1 is the lidar ratio. We assumed th

23、is ratio to be 502.,2. Ansmann, A., et al., High aerosol load over the Pearl River Delta, South China, observed with Raman lidar and Sun photometer, Geophysical Research Letters, 32, Art. No. L13815, 2005.,Data Inversion,By imposing some boundary conditions, the constant S/CE can be calculated.,In o

24、ur measurements, the visual range measured by a forward scattering visibility sensor (Vaisala model FD12) in SMG is used for calculating the boundary value and the reference extinction was then calculated from the visibility by1:,where is the wavelength of the laser (0.532m).,1. E. D. Hinkley, Laser

25、 Monitoring of the Atmosphere, (Springer-Verlag, New York, 1976).,Data Inversion,By putting the relative humidity and assuming the atmosphere to be horizontally homogeneous, RSP values can be calculated from the extinction profiles by,where a = 0.0047, b = 0.036 and c = 12.92.,Respirable suspended p

26、articulates (RSP) is the concentration of the aerosol particles of size smaller than 10 m in the air.,Respirable suspended particulates,Calculation,Correlation between RSP and extinction coefficient,The correlation established extends only as far as a relative humidity of 92%,Relative humidity (%),E

27、xtinction /PM,1,0,ratio (km,-,1,/,gm,-,3,),/PM,1,0,= a + b(RH/100),c,a = 0.006159,b = 0.06097,c = 12.23,R,2,= 0.72,Lidar Measurement South,Temperature: 16oC Relative humidity: 70%,Northerly wind,PM10 from SMG: 40g/m3,Lidar Measurement North,Temperature: 25oC Relative humidity: 77%,Southeasterly wind

28、,PM10 from SMG: 30g/m3,Mean RSP at different ranges,North,Correlation between mean RSP from Lidar and PM10 value from SMG,Correlation between mean RSP from Lidar and PM2.5 value from SMG,PM2.5/PM10=0.43,PM10, PM2.5 Samplers: PM2.5/PM10=0.55,CASE: Diurnal evolution: 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

29、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PM10二級標準：年平均100. 日平均150； 美國PM2.5標準：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,US PM2.5 年標準值 15，日均標準值65,PM2.5 與風向,PM2.5通量,東亞季風、低緯東風(信風)特征,向南傳輸通量是向北傳輸通量的7.8倍,HYSPLIT backward trajecto

30、ries HK,Daily HYSPLIT 96-hour backward trajectories over HK for year 2005. each curve represents a daily backward trajectory, which ends at a height of 10m above HK at 20:00 with the other end showing the position 96 hours ago. Leung etal. 2008,PM2.5 concentrations: gm-3 Continental 62.3 higherCoastal Passing 41.4 Taiwan 36.5Maritime 19.5 lower,降雨對懸浮粒子的清除效率,4.15-8.15, 1100.6mm，占全年75.1%.有降水PM2.5/PM10（0.44）.無降水比值（0.49）；降水對PM2.5的清除效率（38.0%）高于對PM10的清除效率（31.1%）