广东省能见度仪观测网优化设计

张芷言 邓雪娇* 王宝民 李 菲 谭浩波 邓 涛

1)(中国气象局广州热带海洋气象研究所，广州 510080)2)(中山大学大气科学系，广州 510275) 3)(广东省生态气象中心，广州 510080)



广东省能见度仪观测网优化设计

张芷言1)邓雪娇1)*王宝民2)李 菲1)谭浩波3)邓 涛1)

1)(中国气象局广州热带海洋气象研究所，广州 510080)2)(中山大学大气科学系，广州 510275)3)(广东省生态气象中心，广州 510080)

针对广东省的能见度观测展开研究，提出了适用于能见度观测布局适应性分布研究的新方案，旨在为器测替代目测的能见度监测网提供建议。研究表明:利用广东省86个地面气象观测站的2009—2011年能见度和相对湿度日平均值资料，计算得到了品质因数(figure of merit，FOM指数)和空间影响范围因数(sphere of influence，SOI指数)，并以此为依据对现有的能见度站点进行排名和分类。再根据确定的标准遴选所需站点，筛选时，如果排名低的站点影响的范围内超过50%的区域被排名高的站点影响范围所覆盖，则剔除此排名低的站点。筛选得到广东省能见度仪观测站网需要的最少站点数为43个。考虑到地形以及增加背景站等因素，最后综合考虑广东省能见度仪观测站网所需要的站点数为51个，该结果可为器测能见度观测站网建设提供参考。

能见度； 相对湿度； 能见度仪观测网； FOM指数； SOI指数

引 言

为了在目前能见度条件下，跟踪能见度变化，并研究能见度降低的机制，建立区域能见度观测站网，进行连续长期监测至关重要。美国较早开展能见度网的建设与观测工作，自1985年开始了为期65年的观测计划——IMPROVE(Interagency Monitoring of Protected Visual Environment)计划，目标是还原这些地区的自然能见度条件，至今在156个国家公园和荒野地区设立站点[1]。我国对于能见度的研究大多基于气象局地面观测站网的人工观测资料[2-3]，这些资料观测时次有限，空间代表性有待评估。近年来，国内各地已逐步开展能见度仪的观测研究[4-6]，但目前暂时还未建立系统的能见度仪观测站网。

自1946年，Drozdov等[7]首先引用结构函数法开展气象站网的合理分布研究以来，不少国家的学者相继在天气、气候、高空、蒸发和雨量站网的设计上做了大量工作，形成了多种气象站网布局与优化方法，如线性内插法、区域内插法(正三角形内插法、正方形内插法)、最优内插法、信息论方法、特征矢量内插法和气象观测代表性评定法、因子分析法和经验模式法等[8-11]。目前尚无针对能见度仪观测网布局优化方法的研究，本文将尝试借鉴已有的空气质量监测站网布局方案，提出适用于能见度仪观测网布局研究的方法。

Liu等[12]在1986年建立了一种客观方法确定空气质量监测网中站点的数量和位置。这个方法分为两步：第1步用品质因素(figure of merit，FOM指数)确定站点的排序，第2步用空间影响范围因数(sphere of influence，SOI指数)确定所需最少站点数。McElroy等[13]将文献[12]的方法应用于美国内华达州的拉斯维加斯地区建立一氧化碳监测站，利用空气质量模拟模型，以产生在时间上变化的空气质量型态的每一个有限数量的气象情景的区域代表，在这些数据的基础上得到拉斯维加斯最少设立22个一氧化碳监测站，包括排名较高的19个监测站和3个背景浓度站。Abdullah等[14]参考文献[12]提出的方法，并考虑混合污染物浓度、人口暴露度以及建筑物密度等社会因素的影响，采用多重准则论证站点建立的可行性，在沙特阿拉伯利雅得市监测网络作为一个案例研究。本文将文献[12]建立方案进行合理修改，提出能见度观测布局适用性分布研究的新方案，利用86个站的人工观测资料，对广东省的能见度仪观测网布局进行优化，旨在建立一个科学的、具有代表性和准确性的能见度仪观测网，可替代人工的能见度观测网。

1 资料与方法

1.1 资 料

本文使用的能见度和相对湿度资料为广东省86个站2009—2011年的日平均能见度和相对湿度资料。

1.2 方 法

McElroy等[13]将文献[12]的方法应用于美国内华达州的拉斯维加斯地区建立一氧化碳的监测站点。本文考虑到能见度的主要影响因子，以及广东地区能见度的观测情况，将该方法改进，利用相对湿度对天气情况分型，进而提出适用于广东省能见度仪观测网优化的新方案。

第1步：大量的科学观测试验证实了硫酸盐、硝酸盐等吸湿性颗粒物的散射特性对能见度下降有重要贡献，在大气相对湿度较高时，这些强吸湿性气溶胶散射能力激增，导致局地能见度锐减[15-19]；同时根据文献[20](图1)珠江三角洲(简称珠三角)地区当环境的相对湿度小于40%时，气溶胶颗粒物的散射能力随相对湿度增加基本不变，当环境相对湿度大于80%时，随着相对湿度的增加，气溶胶颗粒物的消光特性显著增加。所以本方法首先根据广东省86个站2009—2011年相对湿度资料，将广东省天气情况分型，当相对湿度小于40%时，视作干天气状况；当相对湿度大于80%时，视作高相对湿度的天气状况，得到了广东省天气状况的3种类型：0≤HR<40%，40%≤HR<80%，HR≥80%。对单站可以求得相应的能见度FOM指数

(1)

图1 珠江三角洲地区气溶胶吸湿增长曲线随相对湿度的变化图[20]Fig.1 The fitting chart of aerosol growth factor in PRD region(from reference [20])

式(1)中，IFOM(x,y)是站点(x，y)在分类情形k下的代表性能见度，是站点(x，y)在3种分型情况下分别统计出能见度出现最大频率的范围，然后对此范围内的能见度求平均值，该平均值代表这种天气类型下的能见度。p(k)是指分类情形k发生的概率。

第2步：确定最少数量的观测站，由每个站空间可代表范围(sphere of influence，以下简称SOI指数)决定。对应每对站点，可求得相应的SOI指数，它是指这两个站点观测数据间的空间相关程度：

(2)

式(2)中，C1i，C2i是指其中两个站的连续时间序列能见度。根据以上公式，某个站将有相应其他站的SOI指数集。通过设置阈值，可挑选出该站观测数据可代表的空间范围，其中SOI指数超过给定阈值的对应站，可被该站观测数据所代表。

第3步：筛选过程。能见度仪观测网应能反映当地能见度最低值，因此，筛选过程中能见度FOM指数按从低到高排序。根据前两步计算得到的能见度FOM指数和SOI指数对86个站进行筛选，用于筛选的标准：如果FOM指数排名低的站可代表的空间范围超过50%的区域被FOM指数排名高的站可代表的空间范围所覆盖，则剔除该FOM指数排名低的站。同时考虑到能见度的极大值作为广东省能见度的背景值，应该予以保留。最后根据实际情况对比确定能见度仪观测网中站数及其分布情况。

2 广东省能见度空间分布状况

目前，广东省能见度观测有人工观测和能见度仪观测网。能见度是气象观测的常规气象要素之一，广东省86个站每日进行能见度人工观测。广东省的能见度仪观测网现有39个陆续建设的能见度仪观测站，这些站点空间分布不均匀，在广州市布设较为密集。人工观测站和能见度仪观测站分布如图2所示，部分人工观测站点与能见度仪观测站点位置重合。

图2 广东省能见度观测站点分布图Fig.2 The distribution of visibility monitoring stations in Guangdong

广东省2009—2011年平均能见度的空间分布如图3所示。由图3可知，广东省年平均能见度呈带状分布。从西到东，能见度的空间分布是高值区-低值区-高值区-低值区相间分布的特点。其中，珠三角中部(佛岗—从化—花都—四会—开平—台山)、粤北(乐昌、始兴)能见度较差，年平均能见度在12.0 km以下，能见度最低值出现在佛岗站，3年平均能见度为10.4 km。粤西南(阳春—信宜—高州)、雷州半岛、粤东地区能见度较好，年平均能见度在15.0 km以上，最高值出现在饶平站，3年平均能见度为22.7 km。

图3 广东省2009—2011年平均能见度空间分布Fig.3 The spatial distribution of mean visibility from 2009 to 2011 in Guangdong

2009—2011年广东省年平均能见度分别为15.2 km，14.9 km，15.3 km，3年的年平均能见度空间分布大致相似(图4)，均为珠三角中部(佛岗—从化—花都—三水一带)、粤北(乐昌)、潮汕地区较差，年平均能见度大都在12 km以下；而粤西南(阳春—信宜—高州一带)、雷州半岛、粤西北(阳山—广宁)、粤东地区(梅县—龙川—紫金一带)等地能见度较好，年平均能见度大都在15 km以上。2010年与2009年相比，在河源—紫金一带、肇庆—阳春一带、潮汕、四会、封开等地能见度有所恶化，而珠三角部分城市能见度明显好转。2011年与2010年相比，始兴—翁源—龙川一带、惠阳—惠东—海丰—陆丰一带、阳春—高州一带、徐闻能见度有所下降，而珠三角大部分城市，能见度恶化的趋势有所减缓，但能见度小于12 km区域范围有所扩大。

图4 广东省2009—2011年逐年平均能见度空间分布(a)2009年，(b)2010年，(c)2011年Fig.4 The spatial distribution of mean annual visibility in Guangdong (a)2009，(b)2010，(c)2011

根据广东省能见度空间分布的逐月变化图(图5)可以看出，广东省能见度季节差异较大，在冬季(12月—次年2月)能见度较差，其中2月是能见度最差的时候，除粤东地区(梅县—龙川—紫金一带)、仁化、阳山、粤西南(阳春—信宜—高州一带)外，其余地区能见度均较差，特别是在珠江口以西的珠三角西部地区月平均能见度在10 km以下，月平均能见度最低值为8.0 km，出现在顺德站点。春季(3—5月)能见度在珠三角中部(佛岗—从化—花都—四会—开平—台山)以及潮汕地区较差，在雷州半岛、粤东地区能见度较好。夏季(6—8月)广东省整体能见度较好，广东省能见度均在10 km以上，除清远—佛岗—英德等地外，能见度均在15 km以上。秋季(9—11月)能见度状况一般，在珠江口西岸能见度较差。

图5 2009—2011年逐月平均能见度空间分布Fig.5 The spatial distribution of monthly average visibility in Guangdong from 2009 to 2011

续图5

3 广东省能见度仪观测网布局优化方案

广东省能见度FOM指数如图6所示。通过多站计算得到的能见度FOM指数，可用于排名和挑选得到最可取观测站。由图6可知，珠三角地区、潮汕地区是能见度FOM指数的低值区，其中，珠三角中部(佛岗—从化—花都—四会—开平—台山)是能见度FOM指数的最低值区，粤西南(阳春—信宜—高州)、雷州半岛、粤东地区(梅县—龙川—紫金—海丰)是能见度FOM指数的高值区，其中，粤西南(阳春—信宜—高州)是FOM指数最高值区。FOM指数低值代表当地能见度状况相对较差，高值代表当地能见度状况相对较好。

考虑到近年来能见度逐渐下降的趋势，为了使能见度更具代表性，将FOM指数按从低到高排序，作为后续综合分析的判断依据。参考方案中的第2步，利用广东省86个站2009—2011年日平均能见度，得到3655个SOI指数。通过设置阈值，可挑选出该站点观测数据可代表的空间范围，即其中SOI指数超过给定阈值的对应站，可被该站观测数据所代表。参考文献[12]中，样本量为86，显著性水平为0.05，解释方差最小值为0.5时，得到的相关系数的阈值为0.7。将SOI指数的阈值设为0.7，即两个站的SOI指数大于0.7时，代表这两个站数据具有显著空间相关。根据阈值，得到86个站分别可以代表的站，结果如表1所示。

图6 广东省能见度FOM指数分布(单位:km)Fig.6 The spatial distribution of FOM in Guangdong(unit:km)

根据前两步计算得到的能见度FOM指数和SOI指数对86个站数据进行筛选，如果FOM指数排名低的站可代表的空间范围超过50%的区域被FOM指数排名高的站可代表的空间范围所覆盖，则剔除该FOM指数排名低的站。通过这个筛选过程最后得到38个站：四会、斗门、新会、湛江、阳江、台山、珠海、从化、佛岗、中山、乐昌、开平、汕头、高要、广宁、增城、顺德、深圳、始兴、广州、茂名、曲江、汕尾、清远、英德、五华、大埔、潮州、连平、惠东、兴宁、丰顺、河源、平远、海丰、龙川、紫金、信宜。考虑到上川岛和南澳是海岛站，具有一定特殊性，增加两个站。且高州、阳春、化州是FOM指数最大值点，作为背景站，保留下来，得到能见度仪观测网所需要的最少的站点数为43个。

表1 广东省86个站FOM指数及其代表站点Table 1 The FOM value of 86 stations in Guangdong and their representative stations

注：*按FOM指数从小到大排序。

续表1

挑选出43个站的能见度资料，将得到的广东省的能见度空间分布与原始的86个站得到的广东省能见度空间分布比较(如图7所示)。图7a是筛选得到的43个站组成的能见度观测网得到的能见度空间分布，图7b是原始的86个站能见度资料得到的能见度空间分布,图7c是两者差值。由图7可知，筛选后的站形成的能见度观测网可较好地反映广东省能见度的分布情况，特别是粤西南部、粤东地区两种布站方案得到的能见度分布高低值区吻合度较高。但还存在以下问题：在珠三角中部能见度较差地区的极低值不明显，在粤西北地区能见度高值区未反映。为解决以上两个问题，考虑在能见度低的珠三角中部地区增加站点的分布密度，增设站点，增加三水、花都、南海、番禺、东莞5个站，同时在粤西北地区增加FOM指数的高值站：阳山和仁化站。

从两种布站方案广东省能见度空间分布逐月变化(图8，以1月、4月、7月、10月作为代表月)可知，由筛选出的43个站得到的能见度分布情况与86个站得到的能见度分布接近一致，在珠江口以西的珠三角西侧地区(月平均能见度在10 km以下)、珠三角中部地区、粤东地区(梅县—龙川—紫金一带)、潮汕地区两种布站方案下能见度分布吻合度极高。但在雷州半岛地区筛选后的站不能准确反映当地能见度分布情况，建议加设徐闻站。

图7 2009—2011年广东省能见度空间分布对比(a)43个站组成的能见度观测网得到的能见度空间分布，(b)86个站得到的能见度空间分布，(c)两者差值Fig.7 The comparison diagram of visibility spatial distribution in Guangdong from 2009-2011(a)the visibility spatial distribution of the selected 43 stations，(b)the visibility spatial distribution of pristine 86 stations，(c)the difference value

图8 广东省逐月能见度空间分布对比Fig.8 The comparison diagram of monthly visibility spatial distribution in Guangdong

续图8

最后得到广东省能见度仪观测网中所需的最少的站数量为51(如图9所示)。由图9可知，有些地区建议设站和已设站完全重合或者接近重合，但在广州地区已设站分布密度大于建议设站分布密度，在粤北、粤东、珠三角西部、雷州半岛等地区已设站过于稀疏，因此，建议广州地区减少2～3个站，除广州以外的地区增设能见度仪观测站。

图9 建议设立的能见度仪观测站点分布Fig.9 The distribution of suggested visibility meter stations

筛选出51个站能见度资料，将得到的广东省的能见度空间分布与原始的86个站能见度空间分布比较(如图10所示)。由图10可知，由51个站组成的能见度仪观测网得到的能见度分布(图10a)与原始的86个站得到的能见度分布(图10b)，除个别区域外较为一致。因此，由51个站组成的能见度观测网能具有代表性，可准确地反映广东省能见度的空间分布状况。

图10 2009—2011年广东省改进后与原始的能见度观测网能见度空间分布对比(a)改进后，(b)原始，(c)两者差值Fig.10 The comparison of visibility spatial distribution in Guangdong from 2009 to 2011(a)the visibility spatial distribution of the improved 51 stations, (b)the visibility spatial distribution of pristine 86 stations,(c)the difference value

4 小 结

本文将空气质量站网设定方法加以改进，提出了适用于广东省能见度仪观测网分布优化的新方案，旨在为器测替代目测的能见度监测网建设提供参考，得到了以下结论：

1) 利用广东省86个站的2009—2011年日平均能见度资料，计算得到FOM指数和SOI指数对现有的能见度观测站进行排名和分类。根据FOM指数得到广东省各站能见度代表值及所有站的能见度代表值的排名情况。

2) 计算SOI值，得到每个站的空间覆盖范围，最后筛选得到所需要的最少的站点数为43个。

3) 考虑地形等因素，广东省能见度仪观测网所需要的站点数为51个。

利用FOM指数和SOI指数筛选所需的站点数和位置分布确定与取舍还受到主观因素的影响，需要进一步讨论得到更加客观的筛选方案。

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The Optimization of Visibility Monitoring Network in Guangdong

Zhang Zhiyan1)Deng Xuejiao1)Wang Baomin2)Li Fei1)Tan Haobo3)Deng Tao1)

1)(InstituteofTropicalandMarineMeteorologyofCMA,Guangzhou510080)2)(DepartmentofAtmosphericSciences,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275)3)(EcologicalMeteorologicalCenterofGuangdongProvince,Guangzhou510080)

Visibility is an important indicator to measure the atmospheric transparency conditions, which not only reflects the regional air quality conditions, but also closely relates to human life. Under current visibility conditions, it is crucial to implement an extensive long term stations for visibility monitoring network to track changes in visibility and determine causal mechanism for the visibility impairment in the region. The visibility observation network in Guangdong includes artificial monitoring network and the visibility sensor network. Artificial visibility observation is carried out at 86 meteorological stations every day, instrument observation is carried out at 39 stations, and the spatial distribution of stations is intensive but quite uneven. Therefore, a new method is carried out aiming at the optimization the overall arrangement of visibility monitoring network.

Based on the dataset (daily visibility and relative humidity from the 86 meteorological stations in Guangdong), the method can be applied to optimization of the overall arrangement of the establishing operational visibility sensor network in Guangdong, which will substitute the artificial monitoring network. The figure-of-merit (FOM) and the spheres of influence (SOI) are calculated, and the most desirable location is ranked and identified using the resultant FOM field. The spatial coverage for each of stations is determined by the SOI. The determination of the minimum number of stations required is carried out by deleting lower ranking stations if more than 50% of its effecting area is covered by higher ranking stations. Besides, taking the local terrain, background stations, and other factors into account, it’s suggested 51 stations are required.

Above results can be applied in establishing operational visibility sensor network in Guangdong, which will substitute the artificial monitoring network. The related methods are also applicable to the overall arrangement for monitoring network of other variables.

visibility; relative humidity; the network of visibility monitoring; the figure-of-merit(FOM); the spheres of influence(SOI)

10.11898/1001-7313.20150608

国家科技支撑计划(2014BAC16B06)，公益性行业(气象)科研项目(GYHY201106050，GYHY201306042),广东省科技计划项目(2010A030200012，2012A061400012)，广东省气象局科技创新团队计划项目(201103)

张芷言,邓雪娇,王宝民,等. 广东省能见度仪观测网优化设计. 应用气象学报，2015，26(6)：714-724.

2015-03-13收到， 2015-07-23收到再改稿。

* 通信作者， email： dxj@grmc.gov.cn