大气能见度是环境空气质量最直接的指标之一(吴兑等，2007)，直接影响人们的工作、生活以及交通活动的正常进行。因此，探讨和掌握大气能见度的变化特征及主要影响因素，是大气能见度预报预警的基础，对保证交通安全、提高人们生活质量和城市减灾都具有十分重要的意义。国际上从20世纪60年代就已展开对大气能见度的研究，从通过能见度来分析空气污染的变化规律，发展到目前从气象条件和不同污染物等多角度的细化分析(Craig et al，1979；Sloane，1982；Horvath，1995；Doyle et al，2002；Kim et al，2006；Singh et al，2008)。中国对大气能见度的研究开始于20世纪80年代，由最初的能见度大区域总体特征研究逐步发展为演变规律和影响因子的研究(Chang et al，1986；苏维瀚等，1986；王继志等，2002；于凤莲，2002；宋宇等，2003；王淑英等，2003；袁成松等，2003；范引琪等，2005；马雁军等，2005；刘新罡等，2006；王京丽等，2006；吴兑等，2006，2007)。上述研究有的利用气象台站长期历史资料的能见度日均值进行年、季、月的统计分析，有的利用能见度仪观测结果分析能见度的日变化规律及其与颗粒物浓度间的相互影响。事实上，能见度在一天内是不断变化的，气象台站粗线条的观测结果已经不能满足精细化研究的需要；同时，影响能见度的因素较为复杂(王淑英等，2003)，除了颗粒物以外，还包括一些相关的气象因子。此外，上述研究大多集中在京津冀和珠三角地区，但对大气污染同样比较严重的辽宁中部城市群，研究得却相对较少。

辽宁中部城市群(40°—43.5°N，122°—125.5°E)是 以沈阳为中心，包括鞍山、抚顺、本溪、辽阳、铁岭、营口6个城市的辽宁中部地区，人口密集，工业集中，对辽宁乃至东北的发展起着十分重要的作用，现已成为全国第4大城市群(王厚军等，2009)。然而，城市化的高速发展、人口增多、车辆增加和气候变迁等一系列原因，使城市群的大气环境质量受到严重影响。辽宁中部城市群的大气能见度在20世纪60、70年代就有过较低的记录(吴兑等，2010)，近20年又呈总体下降趋势(马雁军等，2005)。更值得注意的是，珠三角和京津冀地区常见的霾天气在辽宁中部城市群日益增多，甚至在夏季也时有出现^①。相关研究(马雁军，2005)也表明，辽宁中部城市群大气能见度冬、夏季低，春、秋季高。然而，辽宁中部城市群夏季能见度的恶化尚未得到公众的广泛认知。为此，本研究试图利用2009年6—8月辽宁中部4个城市的观测资料，在分析辽宁中部城市群夏季的季、月、日能见度分布的基础上，以小时为单位，重点探讨夏季能见度的日变化特征以及能见度与细颗粒物、气象因子的相关关系。

辽宁中部沈阳、鞍山、抚顺、本溪4个城市的大气成分站于2007年8月开始正式运行，目前站内设有德国GRIMM180颗粒物监测仪，美国热电反应气体监测仪，并已进行2年多的连续监测；2009年6月开始利用芬兰维萨拉FD12能见度仪，法国CE318太阳光度计和太阳辐射仪等进一步开展大气环境因子的连续在线观测。表 1给出本研究使用的FD12能见度仪和GRIMM180颗粒物仪的性能参数。

本研究以6—8月代表夏季，用沈阳、鞍山、抚顺、本溪4个城市代表辽宁中部城市群，对不同时间频率的大气成分观测数据，首先计算其小时平均值，进而计算其日、月、季的平均值。沈阳、鞍山、抚顺、本溪4个城市的相关气象要素(湿度、风速等)来自各城市常规气象台站的逐时自动观测资料，细粒子浓度与气象要素的小时平均值用以进行能见度的日变化及其影响因子分析。 3 夏季大气能见度的分布特征分析 3.1 目测与器测能见度的相关关系

为使本研究的结果更具说服力，首先将常规气象台站1日4次的能见度目测值(简称为“目测能见度”)与FD12观测仪的能见度值(简称为“器测能见度”)进行比对。通过同一时段(2009年6月1日—8月31日)能见度日平均值的对比分析，发现辽宁中部城市群夏季的目测与器测能见度具有较好的线性相关关系(图 1)。利用得到的相关方程对1987—2008年辽宁中部城市群夏季目测能见度的历史数据进行订正(图 2)，使其与器测能见度的标准一致，从而使两者之间具备了可比性。此外，各年夏季能见度的订正值均不同程度地低于相应的目测能见度。

图 1 夏季目测与器测能见度的散点分布Fig. 1 Visibility scatter diagram between judging and instrumental values

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图 2 订正后的1987—2008年夏季目测能见度Fig. 2 Revised judging visibility from 1987 to 2006

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对器测能见度的统计表明，辽宁中部城市群内各城市2009年夏季大气能见度平均值最高的是抚顺，沈阳、本溪次之，最低的是鞍山(图 3)。在能见度的月际变化方面，4个城市的变化趋势基本一致，均为6月最高，8月次之，7月最低(图 4)。辽宁中部4个城市大气能见度月际变化趋势较高的一致性表明，在夏季这样的时间尺度上，各城市大气能见度的影响因子基本相同；在辽宁中部城市群这样的空间 尺度上，天气系统和大气环境比较均一，具有明显的区域性特征。

图 3 夏季各城市大气能见度的平均值Fig. 3 Mean visibility for each city in summer

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图 4 各城市夏季大气能见度的月际变化Fig. 4 Monthly visibility in summer for each city

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2009年城市群夏季的平均大气器测能见度为11662 m，此值略低于订正后的1987—2008年辽宁中部城市群夏季目测能见度(4城市平均值为11706 m)。由图 2可以看出，1987—2008年辽宁中部城市群夏季的平均能见度变化范围为8880—15024 m；能见度在2000年之后直线下降，到2005年达到最低值，2006年之后缓慢回升，但2004—2008年均低于10 km。考虑到2009年城市群的夏季能见度，可以说近10年辽宁中部城市群的夏季大气能见度始终处于较低的水平。 3.3 日平均值分布

根据器测能见度的结果，2009年夏季辽宁中部4个城市日平均大气能见度的变化范围为2103—33548 m，低于1 km的日数在各城市均未出现。图 5给出各城市日平均能见度小于5、5—10 km以及大于10 km日数的出现频率。可以看出，日平均能见 度低于5 km出现频率最高的是抚顺，达到9.6%，出现频率最低的是本溪，仅为4.3%。 4个城市日平均能见度大于10 km的出现频率均超过或接近50%，这一比例高于张凯等(2008)2006年对天津武清的观测结果(20%)。

图 5 不同限值能见度的出现频率Fig. 5 Percent frequency of visibility in the different grades

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利用2009年夏季辽宁中部4个城市器测能见度的全部观测数据，统计得到各城市能见度的日变化特征(图 6a)。可以看出，能见度日变化明显，呈单周期谷、峰形分布，各城市的能见度均在06时(北京时，下同)达到最低，随后开始上升，沈阳、抚顺的能见度在16时达到最高，鞍山、本溪的能见度在15时达到最高，此后则逐渐下降。总体来看，辽宁中部城市群能见度最差时段在早上，最好时段在下午，这种日变化趋势与陈静等(2010)对广州地区的能见度研究结果近似，但能见度的值大于广州地区。

图 6 各城市大气能见度的日变化(a. 未剔除降水时段，b. 剔除降水时段)Fig. 6 Diurnal variations of visibility for each city(a)with the precipitation hours included，and (b)with the precipitation hours excluded

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另外，考虑到夏季的辽宁处于汛期，频繁的降水会对能见度产生一定的影响，统计剔除了降水时段的大气能见度日变化形势(图 6b)，能更准确地反映出辽宁中部城市群夏季的空气质量状况。可以看到，在无降水的情况下，各城市的大气能见度同样分别在下午和早晨达到最好和最差。有所不同的是，剔除降水时段后辽宁中部4个城市的能见度最大值均有所上升，最小值基本持平，日较差有所增大。由此可见，滤去降水导致的能见度低值主要影响一天中的高能见度时段，也就是说导致辽宁中部城市群夏季低能见度的主要天气过程并不是降水，而可能是雾、霾等。 4 大气能见度的影响因子分析

已有的研究结果表明，大气细粒子是影响能见度的主要因素(王淑英等，2003；刘新罡等，2006；王京丽等，2006；吴兑等，2007；王晓丽等，2008；杨凌霄，2008；张凯等，2008)，水汽对能见度有一定的制约关系(陆辉等，2008；王晓丽等，2008；张凯等，2008)。此外，风速也常被作为影响污染物扩散与输送的重要条件(马雁军等，2005；王淑英等，2003；张利娜等，2008)。因此，本研究将大气细粒子和相关气象要素作为影响能见度的主要因子，将辽宁中部4城市作为一个整体(取4个城市的平均值)，分别讨论城市群PM_2.5质量浓度、相对湿度、地面风速与能见度的关系。 4.1 能见度与大气细粒子的关系

夏季，辽宁中部城市群能见度和PM_2.5质量浓度小时值的总样本个数(N_A)均为2208，剔除降水时段的样本个数(N_B)为1796，选择相关系数最大的拟合曲线，分别给出两种情况下能见度与PM_2.5浓度的散点分布(图 7a、b)，两种情况下其相关分布特征均通过了置信度0.01的显著性水平检验。可以看出，能见度与PM_2.5浓度呈对数相关，细粒子浓度较大(高于50 μg/m³)时，大气能见度普遍较低(10 km以下)；细粒子浓度很小(低于30 μg/m³)时，大气能见度较高(20 km以上)。在剔除降水的情况下，能见度与细粒子相关系数增大。这是由于在夏季的降水时段，湿沉降对细粒子产生一定的冲涮作用，两者处于同时下降的状态；而在无降水时段，持续的高温会使大气中的光化学反应异常活跃，生成了更多以细粒子为主的二次气溶胶(宋宇等，2002)，因此相关性更为明显。

图 7 辽宁中部城市群能见度与PM2.5质量浓度小时值的散点分布(a. 未剔除降水，b. 剔除降水)Fig. 7 Scatter plots between the hourly visibility and mass concentrations of PM2.5 for the area of multi-cities in central Liaoning Province(a)with the precipitation hours included，and (b)with the precipitation hours excluded

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由图 7a、b还可以看出，当细粒子浓度高于50 μg/m³时，能见度随着细粒子浓度的降低在10 km限值内缓慢增大；而当细粒子浓度低于30 μg/m³时，能见度随着细粒子浓度的降低而迅速增大。这一现象的存在是由细粒子浓度与能见度的非线性关系造成的，即细粒子浓度较高时能见度对其响应不敏感，而细粒子浓度较低时能见度对其响应比较敏感。 4.2 能见度与相对湿度及地面风速的关系

图 8给出了剔除降水情况下辽宁中部城市群夏季大气能见度分别与相对湿度和地面风速小时值的散点分布。前者最佳拟合曲线的相关系数为0.004，后者最佳拟合曲线的相关系数不足0.001，均未通过相关的显著性检验，散点只在相对湿度大于80%或地面风速小于2 m/s的情况下分布得比较密集。因此可以说，从整体趋势上来看，夏季的低能见度与高湿、微风有一定的对应关系，但不存在明显的相关关系。

图 8 辽宁中部城市群能见度与相对湿度(a)、地面风速(b)小时值的散点分布Fig. 8 Scatter plots between the hourly visibility and humidity(a)/surface wind speed(b)for the area of multi-cities in central Liaoning Province

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将夏季剔除降水时段的所有数据做统计得到辽宁中部城市群能见度、细粒子、相对湿度和风速的日变化形势(图 9)。由图 9可见，相对湿度和细粒子浓度的日变化趋势基本一致，它们与能见度呈反相关关系，能见度的波谷和波峰分别对应它们的波峰与波谷；风速与能见度的日变化趋势较为一致，都分别在凌晨和午后达到波谷和波峰。这是由于从夜晚到日出前(20时—次日05时)大气不断降温，相对湿度不断增大，同时微风、静风导致扩散条件差，污染物浓度增大，大量的水汽自身和颗粒物中的吸湿性物质都会起到消光作用而降低能见度。从日出后到傍晚(06—19时)，相对湿度降低，风速增大，大气垂直湍流加强，污染物浓度降低，能见度逐渐升高。值得注意的是，在细粒子浓度下降、能见度升高的时段，相对湿度始终在80%以下；而在相对湿度高于80%的00—01时，虽然细粒子浓度也在下降，但能见度并没有升高。这表明在环境空气湿度较大的情况下，水汽对能见度的影响是不可忽略的，这也是夏季雾天造成低能见度的主要原因。

图 9 辽宁中部城市群能见度、PM2.5浓度、相对湿度和地面风速的日变化Fig. 9 Mean diurnal variations of visibility，mass concentration of PM2.5，humidity and surface wind speed for the area of multi-cities in central Liaoning Province

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利用剔除降水时段的小时数据得到能见度与细粒子浓度的线性相关系数为-0.6，说明线性相关不如非线性相关明显，但经过线性相关的显著性检验发现两者的相关关系高度显著，也就是说能见度与细粒子仍然有明显的线性负相关。能见度与相对湿度、风速的线性相关系数均小于0.01。结合前面的分析可以认为，大气细粒子、水汽和风速都对辽宁中部城市群的能见度有一定影响，但与大气细粒子相比，水汽和风速不是主要影响因子。 4.3 能见度与雾、霾的关系

2010年2月10日，中国国家气象行业标准《霾的观测和预报等级》(中国气象局，2010)正式颁布，其中规定：排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，凡是能见度小于10 km、相对湿度小于95％的就可记为霾。本研究按照上述标准，统计出2009年夏季辽宁中部城市群能见度小于10 km的时次有932个，其中有872个相对湿度小于95%的时次可以被判识为霾。

国际气象组织规定，雾的能见度低于1 km，轻雾的能见度在1—10 km(WMO，2005)。本研究定义在排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍后，相对湿度不小于95%，能见度小于1 km的记为雾，能见度在1—10 km 的记为轻雾。根据这一方法，统计得到2009年夏季辽宁中部城市群能见度小于10 km的932个时次中相对湿度不小于95%的时次有60 个，可以判识为雾或轻雾。同时，这60个时次的大气能见度均在1—10 km，因此应全部判识为轻雾，其出现的时次不及霾的1/14。 由此可见，在辽宁中部城市群夏季，小于10 km的低能见度时次仅有一小部分是由轻雾引发的，而大部分低能见度时次则是由霾天气造成的。5 结 论

(1)辽宁中部城市群内各城市夏季大气能见度月际变化趋势基本一致，城市群内天气系统和大气环境比较均一，具有区域性特征。综合考虑2009年城市群的夏季能见度，可以说近10年辽宁中部城市群的大气能见度始终处于较低的水平。

(2)辽宁中部城市群内各城市夏季大气能见度日变化呈明显的单周期谷、峰形分布，最差时段出现在06时，最好时段出现在15—16 时；相对湿度和细粒子浓度的日变化与能见度呈反相关关系，风速与能见度的日变化趋势较为一致。

(3)大气细粒子、水汽和风速都对能见度有一定的影响，其中大气细粒子是主要影响因子。此外，由于细粒子浓度与能见度存在非线性关系，使得细粒子浓度较高时能见度对其响应不敏感，而细粒子浓度较低时能见度对其响应比较敏感。

(4)在辽宁中部城市群夏季932个小于10 km的低能见度时次中，仅有一小部分是由轻雾引发的，而大部分低能见度时次则是由霾天气造成的，霾是导致城市群夏季大气污染的主要天气过程。