延吉市大气能见度变化特征及其气象影响因子研究

马文博 崔日权 刘兰芝 王 雪

（延吉市气象局，吉林延吉 133001）

1 引言

大气颗粒物能够通过散射和吸收太阳辐射改变地球和大气系统之间的能量平衡， 对区域大气环境和全球气候效应产生重要影响[1-2]。 PM2.5和PM10等大气细颗粒物是主要的空气污染物之一，对能见度下降和气候变化具有重要影响， 是反映空气质量的关键参数之一。 细颗粒物主要来源分为自然源和人为源，由一次和二次颗粒物组成，其中由于工业活动、 化石燃料燃烧和生物质燃烧产生的高浓度PM2.5已经进行了大量研究[3-5]。随着城市化迅速发展导致人类活动的增加， 人为排放的强度加剧了全球城市和特大城市的细颗粒物污染。

在过去的几十年里，随着人为源的快速增长，污染物的排放也大量增加， 煤炭燃烧和汽车尾气已经成为大气污染的主要驱动因素， 造成了我国大部分省份不同程度雾霾事件的发生， 成为影响我国区域性大气污染的重要问题[6-7]。 我国主要的雾霾地区是京津冀、珠江三角洲、长江三角洲和四川盆地， 相关研究指出这些地区一直面临着与空气和能见度下降相关的重大问题[8]。除了强烈的人为活动对排放源的影响， 在与盛行气象条件密切相关的重污染天气下， 局地气象条件和大气环流对大气污染事件的发生发展起着重要作用。 缪育聪等[9]和孙业乐[10]指出边界层内气象要素变化对雾霾污染具有显著影响。 赵胡笳等[11]研究表明，高温、 小风天气以及颗粒物质量浓度累积是造成沈阳能见度下降、引发雾霾天气的主要因素。张人禾等[12]分析表明，雾霾天气区域内的表面风速及其上空对流层中低层的水平风垂直切变对雾霾天气过程具有动力影响。因此，探讨大气污染状况与气象因素的相关性， 对深入了解区域雾霾事件的发生具有重要意义。

目前针对我国东北地区大气能见度与污染气象的相关研究多集中在辽宁中部城市群、 哈尔滨—长春城市群地区， 而关于城郊地区空气质量与气象要素影响机制的研究相对较少。 延吉市人口密集程度相对较小， 其地面常规观测气象数据能够代表我国东北地区清洁大气的能见度水平。本文利用2019—2021 年延吉市大气能见度、总辐射和气象要素观测数据， 探讨了该地区大气环境和空气质量的主要气象影响因子及能见度与气象要素之间的相关性，对合理利用台站观测数据、判断天气现象和大气污染状况提供参考。

2 资料与方法

2019—2021 年大气能见度、太阳总辐射以及相对湿度、风速、气温的小时值和日均值来源于延吉市地面气象站常规观测资料。 2019—2021 年大气颗粒物质量浓度采用延边州PM10和PM2.5质量浓度日均值数据值， 来源于真气网（https://www.aqistudy.cn/historydata）。

本研究采用美国国家海洋和大气管理局（NOAA） 开发的HYSPLIT （hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory）模式，用来分析大气污染物输送、来源以及扩散轨迹。根据美国环境预报中心（ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/Archives）发布的全球资料同化系统NCEP（National Centers for Environmental Prediction）GDAS （Global Data Assimilation System）0.5°×0.5°气象数据产品，利用Trajstat 后向轨迹分析软件模拟气流的实际路径。后向轨迹起始时间分别为每天00 时、06 时、12时、18 时，起始高度为500 m。

本文中季节按照春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11 月）、冬季（12 月—次年2 月）划分。

3 结果分析

3.1 延吉市大气能见度日变化特征

由延吉市大气能见度日变化特征的季节分布（图1）可知，延吉市大气能见度日变化在春季和秋季较为相似， 变化幅度较小。 夏季太阳高度角大、光照时间长，能见度日变化幅度较大。 与其他3 个季节相比，冬季能见度日变化幅度最小。

图1 2019—2021 年延吉市大气能见度日变化特征

春季和秋季大气能见度最低值出现在07 时左右，平均值分别为15.7 km 和15.4 km。随着白天环境温度升高， 能见度最大值出现在13—17 时，平均值为22.0 km。 当太阳辐射减弱，能见度进一步降低。 夏季北半球日照最长、太阳辐射最强，能见度最低值出现在03—05 时， 平均值为11.0 km左右。 随着太阳辐射逐渐增强，大气透明度转好、能见度显著增加，能见度最大值出现在午后14 时左右，平均值为22.0 km。 冬季大气能见度在夜间约为24.5 km 左右，由于辐射雾多出现在冬季，因此延吉冬季大气能见度在夜晚持续减小，08 时能见度减小至20.6 km。 随着太阳辐射逐渐增强，地面温度升高，晨雾慢慢散去，能见度在10 时后呈增加趋势，逐渐增加至25.0 km 左右。

太阳辐射变化可以导致地面与底层大气之间发生热量交换。 延吉地区不同季节太阳总辐射日最大值均出现在11—12 时（图2）。 其中春季和夏季太阳总辐射最大值为610 MJ·m-2；秋季次之，为470 MJ·m-2；冬季最小，为390 MJ·m-2。 午后太阳总辐射积累了较高的热量，大气湍流活动显著，通过影响气溶胶粒子浓度分布， 导致能见度到达最大值； 随着太阳辐射强度逐渐减小， 湍流活动减弱，并且随着夜间大气边界层高度的进一步压低，大气能见度在凌晨易出现最低值。 特别是冬季晴朗天气下导致的辐射雾会引起能见度显著降低，冬季太阳辐射与大气能见度呈显著反相关， 相关系数为-0.93。 春季、夏季和秋季大气能见度与辐射的相关性并不显著，能见度变化可能受到温度、湿度等其他气象因子的共同影响。

图2 2019—2021 年延吉市总辐射日变化特征

3.2 延吉市大气能见度和颗粒物质量浓度月变化特征

延吉地区大气能见度在1 月和2 月较高，平均值分别为23.5 km 和22.1 km； 较低值出现在6—9 月，能见度平均值减小至17.0 km（图3）。 自10 月开始， 大气能见度呈增加趋势，10 月平均值约为18.6 km；11 月、12 月分别增加至20.1 km 和22.7 km。 整体上看，延吉地区大气能见度属于良好状况，与国内京津冀、长三角、珠三角等几大雾霾严重区域相比，属于相对清洁地区。从大气颗粒物浓度分布特征来看，PM2.5和PM10质量浓度较低值出现在6—9 月， 最低值分别为10.0 μg·m-3和22.0 μg·m-3； 最高值均出现在1 月，PM2.5和PM10质量浓度分别为40.2 μg·m-3和56.3 μg·m-3。延吉PM2.5质量浓度略低于长三角临安本底站，PM10质量浓度与龙凤山、 临安和金沙等区域大气本底站相接近。 特别是延吉地区春季大气颗粒物质量浓度的增加可能与污染物输送有关。

图3 2019—2021 年延吉市大气能见度和PM2.5、PM10 月变化

延吉气象要素的月变化特征表明 （图4），平均气温最大值出现在7 月和8 月， 平均值分别为22.5 ℃和21.9 ℃。 相对湿度最大值也同样出现在7 月和8 月，平均值分别为81.2%和82.6%。 3—5月，平均风速较高，最大值出现在4 月，平均值为3.5 m·s-1；而6—9 月风速逐渐减小，最小值出现在9 月，平均风速减小至2.2 m·s-1。 上述研究结果指出，6-9 月延吉地区能见度的减小与环境湿度的增加存在一定相关性。 高温高湿对于清洁地区二次气溶胶生成的贡献并不显著， 但对延吉市等清洁地区大气能见度特征影响更为显著。

图4 2019—2021 年延吉市气温、相对湿度、风速月变化

3.3 延吉市大气颗粒物与气象要素的季节变化特征

从延吉大气颗粒物质量浓度和气象要素的季节变化特征（表1）可以看出，延吉地区大气相对湿度在夏季最高， 平均值为80.3%， 秋季减小至66.1%， 相对湿度在冬季进一步减小至54.4%，春季相对湿度达到全年最低值53.8%。春季和秋季延吉地区气温平均值分别为7.8 ℃和7.9 ℃， 夏季平均气温增加至20.9 ℃，冬季平均气温达到-9.1 ℃。延吉地区平均风速最大值出现在春季， 平均值为3.4 m·s-1；其次是冬季，风速为3.1 m·s-1；夏季和秋季平均风速均大于2.5 m·s-1。 延吉地区PM2.5和PM10平均值在冬季最高， 质量浓度分别为36.2 μg·m-3和50.6 μg·m-3； 其次是春季，PM2.5和PM10质量浓度分别为25.4 μg·m-3和45.3 μg·m-3。尽管延吉地区春季和冬季PM2.5和PM10质量浓度均高于其他季节，但由于风速较大的影响，有利于气溶胶扩散，导致该地区能见度状况良好。

表1 2019—2021 年延吉PM2.5、PM10 与风速、气温、相对湿度的季节平均值

以2019 年为例，计算给出了延吉地区不同季节气团轨迹特征（图5）。 72 h 气团后向轨迹统计结果指出，延吉地区春季、秋季和冬季气流轨迹主要集中在西北方向， 夏季气流轨迹主要分布在西南和东北方向。西北气流相对于其他方向的气流，整体比较干净、干燥，空气质量整体良好。

图5 2019 年延吉市春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）气团72 h 后向轨迹

3.4 延吉市大气颗粒物与气象要素的年变化特征

2019—2021 年延吉地区大气颗粒物浓度呈减小趋势。 2019 年PM2.5和PM10质量浓度平均值分别为25.5 μg·m-3和43.5 μg·m-3， 随后PM2.5和PM10质量浓度年均值在2020 年和2021 年分别减小至20.9 μg·m-3和35.0 μg·m-3以及20.7 μg·m-3和34.8 μg·m-3。

2019—2021 年延吉地区平均气温呈现波动变化趋势，平均值保持在4℃左右。 2019 年环境相对湿度平均值为68.8%，2020—2021 年增加至75%左右。 2019—2021 年延吉地区平均风速变化呈显著减少趋势。 2019 年风速平均值为3.08 m·s-1；2020 年平均风速减小， 平均值在2.8 m·s-1左右；2021 年延吉地区年平均风速显著降低，最小值达2.52 m·s-1。

上述研究结果指出， 与颗粒物浓度的逐年减小趋势相比较， 相对湿度的增加和平均风速的减小趋势对延吉地区空气质量的影响较为显著。 风速的减小不利于污染物的扩散以及清洁气团的输送， 而相对湿度的增加能够进一步导致大气清洁度下降。

3.5 延吉市大气能见度和颗粒物以及气象要素相关性

本节进一步讨论了延吉市能见度与颗粒物质量浓度和关键气象因子的相关性（表2）。 延吉地区大气能见度降低与颗粒物浓度呈负相关。 与其他季节相比， 冬季大气能见度与PM2.5和PM10质量浓度相关系数较高，分别为-0.68 和-0.62。 该结果指出延吉地区冬季大气颗粒物浓度的减小，有利于大气能见度的好转。

表2 2019—2021 年延吉风速、气温、相对湿度、PM2.5、PM10 与能见度的相关性

延吉地区大气能见度与相对湿度和风速的季节相关性指出， 干燥的大气环境具有较小的含水量，使得大气能见度较高。 春季和秋季能见度与相对湿度相关系数分别为-0.51 和-0.54。冬季由于降雪事件能够增加大气湿度，进而导致能见度减小，冬季大气湿度与能见度呈显著负相关， 相关系数为-0.79。 刘兆东等[13]通过分析京津冀及周边地区冬季低能见度事件指出，70%~85%的相对湿度和较高的PM2.5浓度共同导致能见度降低5~10 km。能见度与气温在秋季和冬季呈一定的负相关，相关系数分别为-0.35 和-0.51。 秋冬季节气温降低，使得大气中水汽含量减少，导致能见度增加。延吉地区大气能见度与平均风速呈正相关。 春季能见度与风速相关系数为0.21； 夏季能见度与风速的相关系数减小为0.15； 秋季和冬季能见度与风速的相关性增加，相关系数分别为0.29 和0.39。

4 结语

开展相对清洁背景地区大气能见度、 颗粒物质量浓度以及相关气象要素的研究工作， 能够为评价和预测区域空气质量和环境变化提供重要的数据支撑。本文通过2019—2021 年延吉市地面观测站获得的大气能见度、 总辐射以及台站气象要素资料， 结合环保平台颗粒物质量浓度的监测数据， 分析了延吉市大气能见度在不同时间尺度下的变化特征及其与气象要素的相关性， 得出以下结论：

（1） 延吉市大气能见度日变化夏季变化幅度最大，冬季最小。 夏季太阳辐射最强，能见度最大值出现在午后14 时，平均值为22.0 km。冬季大气能见度在夜晚持续减小，随着地面温度升高，能见度在10 时呈增加趋势， 逐渐增加至25.0 km 左右。

（2） 延吉地区PM2.5和PM10平均浓度冬季最高，其次是春季。 春季、秋季和冬季延吉地区气流轨迹主要集中在西北方向，有利于气溶胶扩散，导致该地区能见度状况良好。

（3）2019—2021 年延吉地区大气颗粒物浓度以及平均风速年变化呈减少趋势， 相对湿度呈增加趋势。 风速的减小不利于污染物的扩散以及清洁气团的输送， 而相对湿度的增加能够进一步导致大气清洁度下降。

（4） 冬季延吉大气能见度与PM2.5和PM10的相关系数分别为-0.68 和-0.62。 大气能见度与相对湿度和气温呈反相关， 大气能见度与平均风速呈正相关。