杭州G20会议期间空气质量管控对大气能见度的影响（黑碳仪、浊度仪数据）

论文总字数：13422字

目 录

一、背景介绍 5

1.1研究地点 5

1.2研究方向 5

1.3研究历史 6

二、使用仪器 6

2.1仪器发展历史 7

2.2仪器结构 7

2.3仪器原理 8

2.4仪器使用方法 9

三、分析与讨论 9

3.1杭州市在会议期间的能见度的概况 9

3.2能见度与相关影响因素的具体分析 11

3.2.1能见度与相对湿度之间的关系 11

3.2.2能见度与颗粒物之间的相关性 13

四、结论 18

五、讨论 18

参考文献 19

致谢 20

杭州G20会议期间空气质量管控对大气能见度的影响

邰子秋

Abstract：

During the 2016 Hangzhou G20 meeting, Hangzhou's air quality improved to a large extent. In order to understand the effect of air quality control on atmospheric extinction and visibility during the G20 period, the mass concentrations of aerosols in the atmosphere in August 1916 were measured. It was found that under a series of air quality control measures, PM2.5 concentration Compared with a decrease of 5%, visibility increased by 16% compared to the previous years, and the visibility was lower than before the start of the meeting was higher than the start of the meeting, possibly due to the larger traffic during the conference , And the correlation between the visibility and PM2.5 and PM10 was found, and the correlation coefficient decreased with the increase of relative humidity.

Keywords: visibility, RH, aerosol

一、背景介绍

1.1研究地点

随着整个世界的经济快速发展和城市化进程，中国一直遭受严重的烟雾污染。大部分雾霾等空气污染事件发生一些工厂或者人群密集居住的地方，如北京，天津，河北，珠江三角洲地区，三角洲和长三角。雾霾会严重影响区域能见度，对人们的日常生活带来很大影响。对于区域雾霾的形成机制，近年来众多科学家已经进行了广泛的调查研究。但是，区域雾霾的来源，如地方来源与区域运输，以及初级排放量与二次生产这些方面仍然很不确定。

杭州作为中国一个比较发达的城市，虽然从前有“日出江花红似火，春来江水绿如蓝”这样的古人的赞美，但随着现代工业的发展，现代人也只能隔着历史长河欣赏羡慕古时的美景蓝天。现在的杭州天空已远非古人诗中的杭州，随着整个世界工业化的急速发展，杭州的天空也不能免俗地染上了灰色。严重的大气污染使杭州市区的大气能见度逐年下降。

1.2研究方向

在当下的情况下，我们对于现在的空气质量的评价，除了可以用环保部制定的《环境空气质量标准》[1]外，不过也可以从另外一个角度用气象部门制定的《霾观测预报规范》[2]来评价，虽然这些方法都能够对于空气质量的评价有各种的现实意义[3]，但却与人们的切身感受之间存在着较大的差距，它们不能反应老百姓最关心最切身体会的感受和反应[4]，然而相对来说更加科学的评价方法[5]，应该落实到人们平时可以感受到的地方，比如大气能见度。

大气能见度用来反映整个大气的透明程度的，大气能见度它与整个大气的整个的空气质量和每一天不同的气象条件，天气状况等息息相关[6]。大气能见度也是各种各样的不同尺度的天气系统，与一些空气中的污染物经过大气化学反应过程后产生的污染现象一起共同作用的结果。它在气象中是一个很重要的观测要素 ,对于大气能见度的测量，不仅可以帮助气象部门进行一些天气分析，在更大的程度上，它还可以帮助一些交通运输的部门，还有一些军事的方面上，它还有更大的功用。

有许多的研究表明，一个地区的能见度降低，可能是由于大气中的一些气溶胶细粒子和 NO2等工业生活排放产生的污染性的气体等共同引起的[7]，不过能见度降低也有部分可能是由于气象状况的变化（如降水、大雾等）引起的。 随着整个世界不断地城市化工业化，各个城市各种工业排放生活排放等，产生了越来越严重的大气污染，杭州也是一样，杭州的大气能见度变得越来越差，大气能见度的下降可能大家在日常生活中没有特别大的感觉，但其实能见度下降会等大家的出行等方面带来不便，更重要的是，大气能见度下降会对人们的身体健康产生影响，不仅会因为一些气溶胶细粒子可能会进入人的鼻腔进而进入人的肺部对影响身体结构的健康运转，同时它也会在视觉方面对人产生一些潜在的心理影响。

在大气中，存在着各种具有吸收特效与散射特性的气体分子和一些粒子[7]。一般情况下，尺度比较小的大气分子的散射强度，可能会与入射进来的波长的4次方成反比,这其实也就是瑞利散射。不过气溶胶粒子的尺度相对来说较大,也因此它的散射强度对这个波长的依赖性也就比较小,这也就是米散射。一般来说，大气中的瑞利散射是仅仅随时间地点的变化而变化,是相对来说比较稳定的,而在气溶胶粒子方面，它所产生的是米散射，这个散射的变化是比较大的[7]。大气消光系数,既包括指大气中的各种颗粒对太阳辐射的的有无选择性的散射，也包括前文所说的米散射和瑞利散射。因此，大气的消光系数不仅包括气溶胶的消光系数，也指大气中的各种气体分子消光系数[7]。

在大气能见度与平均的大气消光系数之间，可以用公式R =3. 912 /b 来计算[7]，在这个公式中，R所代表的是水平地面上所能观测到的能见度,而b是指在白天，大气的总消光系数，其中包括大气中的颗粒物的散射所产生的消光，颗粒物吸收辐射所产生的消光、分子散射产生的消光和分子吸收的消光。

1.3研究历史

对霾的研究是研究大气能见度[9]的一个方面，大家对于霾[10]的定义各有不同，因为不仅在实际观测上，而且在学术范围上，大家对于相对湿度的界定都还存在较大的争议[11]。

有些科学家通过研究认为应该将界定定为90%[9]，但也有的人认为85%比较合适，大家的意见都不一样。然而在实际观测中，其实大多数人还是依靠自己的经验做判断，按认为界定值是80%，甚至更低，当然这样是很更加不合适的，因为这样做，大家会观测到更少的霾的现象。并且如果按照80%的界定值，那么当杭州的能见度10km以下时，这个时候出现霾的几率为60%，这就说明低能见度的天气中，大都有可能发生了污染，产生了霾。

当然众所周知，大气的能见度的高低水平，既会受到一些灰霾物质的消光作用，也会受到一些其他的物质，比如水汽这样的气象因素的影响，为了判别灰霾物质在能见度降低的过程中起到的作用，需要用计算来说明。用公式：ＲEsum=Esum/Evis* 100% [10]来计算，其中，ＲEsum指的是灰霾物质的消光系数在总的消光系数中所占的百分比，而Evis则指的是大气的总消光系数，它包既含大气中的一些污染物质所产生的消光作用，还包括一些气象条件因素所产生的消光作用，而这个值是由世界气象组织所测量研究得到的大气中的光学距离与消光系数的关系式得到的，所以转换因子则取4.8，即Evis = 4.8。

二、使用仪器

有资料[9]显示，杭州的大气能见度在逐年下降，在80年代时，大气能见度为10 5.3km，在90年代时，为9 5.5km，而进入20世纪后就为7 4.3km。从这可以看出，能见度的逐年降低十分显著，为了能使能见度可以更单纯地来反应大气透明度的特性，因此便在气象上作了进一步更加具体的规定，来对其作了更加详细的定义。要对气象能见度的测量，是在一个具有均匀照明的天空中，且要具有分布均匀的消光系数的大气的空间中。而在现在，仍然一般用目测的方法来测量能见度，但现在也可以使用仪器，比如能见度仪、能见度激光雷达等来测量。在能见度测量仪器方面,主要可以使用能见度仪和激光雷达来测量。其中，能见度仪的使用方法，则是需要通过一个透过两点之间的一个大气柱的光束，来直接地测量这个气柱的透射率，并且可以通过这个来评价估测能见度的值，而激光雷达的使用方法，则是通过用一束激光穿过去，来测量大气中的消光系数，以此来推测能见度。

2.1仪器发展历史

不过 ,在传统意义上，激光雷达的成本一般都比较昂贵，维护激光雷达是很昂贵的，同时它的操作又很复杂，因此这样的传统的激光雷达只能应用于很少的研究部门[10]，由于这些原因，于是需要改进这些激光雷达。在这样急需改进的情况下，有科学家研究出了微脉冲激光雷达。探测气溶胶可以用微脉冲激光雷达，同时它也可以探测能见度等数据， 它的性能稳定，并且它的结构组成相对来说比较简单，而且相比以前的传统雷达来说更加地便于移动，最重要的是它所探测的数据更加准确。

微脉冲激光雷达是一种新的使用起来更加主动更加方便的遥感工具，是从上世纪90年代开始就从国外发展的新技术[12]。随着微脉冲激光雷达在国内的不断地应用发展，气象部门便可以实时监测大气气溶胶的各种分布形式以及可以对云高、 云厚、 水平能见度和大雾天气进行更加准确和实时的观测，这些观测出来的数据，不仅对气象上的一些数据的分析有意义，而且还对大气的环境质量评估很重要。在这些前提下，体积较小，重量很轻的轻小型微脉冲激光雷达，不仅可以移动，最重要的是它的自动化程度还很高，就可以比较理想地来实现这种监测。这种雷达不仅可以被广泛地应用于大气科学，而且还可以用于环境保护以及气象与气候和大气遥感等领域。

2.2仪器结构

微脉冲激光雷达是由4个部分构成的[13]，其中包括：激光发射系统、光学收发天线 、探测器和数据采集系统。其中，在恒温室中放置了激光雷达中的一些用来发射和接收的处理器，而这个激光雷达的天线装置则是指的是一种卡塞格林的望远镜，它的直径为20cm，而在雷达的望远镜的下方安装了雷达的光电计数器。微脉冲激光雷达的发射激光的那部分仪器和它的计数器都连接到了其发射接收器上，它们的另一端则是连接在了旁边的计算机上。
雷达激光器的发射脉冲的基本上的发射波长基本上为1046 nm ，其经过倍频后增长成为了523 nm 的出射的脉冲波长。

在北京大学研究中心，他们所使用的是工作功率为1 W的激光雷达[13]。一般来说，可以根据所使用的雷达的系统的状态，6～8W的范围则是它的输出能量。这个雷达的信号经过Geiger型的雪崩光的电倍增管的放大后才会被记录下来。然而由于雷达系统的接收望远镜的焦点，是落在了在无穷远的地方[13]，所以对于接收到的信号来说不够严谨，这个测到的数据与真实数据之间的差值，就是大家所说的近端(近端：范围大约是0 ～2 km的地域范围)的填充误差[13]，这也就是说，随着雷达的望远镜所在的地点越近，它所能接收到的能量的偏差也就越大。在日常情况下，大气中比较大的部分的气溶胶，大多数都是存在在距离水平地面几公里的上方的大气中，所以对微脉冲激光雷达来探测气溶胶的进程来说，填充订正是一项很重要的任务。在这个订正实验中，最关键的其实是要选择一个时机，在这个时机大气的水平方向的比较均匀。

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