《城市气象学》课件：07-3城市能见度.ppt

1、Ch7 水分、云、雾和降雨水分、云、雾和降雨一、水平衡一、水平衡二、湿度二、湿度三、云三、云四、雾四、雾五、降水五、降水六、能见度六、能见度六、能见度六、能见度1、吸收和散射基础、吸收和散射基础2、能见度、能见度3、澳门能见度和、澳门能见度和PM关系关系4、香港、香港1968-2004年能见度变化分析年能见度变化分析1、吸收和散射基础、吸收和散射基础吸收、散射、折射、反射、色散、衍射大气对辐射吸收的物理过程大气对辐射吸收的物理过程 吸收，就是指投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量。要用量子力学解释大气分子吸收光谱的形成单个分子内含的能量， E =Ee+Ev+E

2、rEe ：电子围绕原子核运动的能量；Ev ：原子在其分子平均位置周围的振动；Er ：分子绕其质量中心转动的能量。而且，都是量子化的。电子跃迁：玻尔模型氢光谱研究hfEEjk另外还有：振动跃迁、转动跃迁、振动和转动跃迁。都是量子化的。吸收系数 单个气体分子的吸收能力可用吸收截面a来描述。a：这个分子所吸收的辐射能相当于面积a从入射辐射场中所截获的辐射能。 如果，E ：表示入射辐射的辐射通量密度，则这个分子吸收的辐射能应为Ea。 若单位体积中吸收气体的分子数为N，则单位体积气体吸收的总辐射能为EaN。 体积吸收系数 ka=单位体积分子吸收总辐射EaN /入射辐射E = N a 其量纲为L-1，所以

3、也常称为距离吸收系数距离吸收系数，同样，有单色吸收系数ka,（或ka,）的概念。 某一波数处的吸收系数 大气的吸收带由许多紧密相连的谱线组成，而且每条谱线不是严格的几何直线，具有一定的宽度及分布。因此某一波数处的吸收系数，应该是所有谱线在该处的叠加作用的总和：ikk,a,a,电磁辐射在遇到大气中的气体分子以及悬浮的尘埃、云滴、雨滴和冰粒、雪花等粒子时，会产生散射现象。 散射散射多次散射散射现象的理解 分子、粒子内含多个分立的电子和质子，当电磁波照分子、粒子内含多个分立的电子和质子，当电磁波照射到粒子后，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子射到粒子后，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子，在

4、电磁波激发下作受迫振动，或多极子，在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发向各方向发射次生电磁波，就是散射辐射射次生电磁波，就是散射辐射，其波长和原始波相同，其波长和原始波相同，并且与原始波有固定的位相关系。并且与原始波有固定的位相关系。散射可以用经典麦散射可以用经典麦克斯韦电磁波理论求解克斯韦电磁波理论求解 。若入射光是严格的单色光，在。若入射光是严格的单色光，在散射光谱中入射光波长两边还可以观察到对称的弱谱线，即散散射光谱中入射光波长两边还可以观察到对称的弱谱线，即散射光中还包含有和入射光频率不同的光。这种频率的改变是由射光中还包含有和入射光频率不同的光。这种频率的改变是由于入射光频率与分子的

5、固有频率联合而引起的，故称为联合散于入射光频率与分子的固有频率联合而引起的，故称为联合散射（或射（或喇曼散射喇曼散射）。利用这种现象可以测量大气中各种气体的）。利用这种现象可以测量大气中各种气体的含量。含量。散射削弱系数散射削弱系数散射截面s ：这个分子所散射的辐射能相当于面积s从入射辐射场中截获的辐射能。ks=单位体积分子吸收EsN /入射辐射E = N sNiik1s,ss的量纲为L2，常用cm2，而ks的量纲则为L1，常用cm-1、m-1或km-1。 若粒子尺度不均匀，则要考虑粒子谱分布若粒子尺度不均匀，则要考虑粒子谱分布：对于不同大小的气溶胶散射粒子，如r为粒子半径，n(a)da表示单

6、位体积中半径为a到a+da范围中的粒子数，则散射削弱系数为：aanakd)(),(0ss散射过程的分类散射过程的分类尺度数x=2p a/ x10.1x50米散射比瑞利散射更复杂球形气溶胶粒子对0.5m光的散射a=10-4 ma=0.1 ma=1 m(1) 瑞利散射(分子散射 x1时即a 时) 散射削弱系数为：44223s,13)1(8CNmkrmr是介质折射率 ，N是单位体积散射质点数目。 对于空气分子，在标准情况下， 46, 0s,100563. 1k0, 0s,s,kk在空气密度为 的空气中 天色：蓝色天色：红色天色：白色天色：黑色没有大气，没有散射，天空黑色，太阳白色(2) 米散射 (大

7、颗粒散射，0.1 x 50即a 时 ) 散射效率因子Qs2ssaQ水滴(m=1.33)散射效率随尺度数变化当x=6时，此时半径约等于波长，Qs=4,最大，即散射效率最高；当x很大时，散射效率和波长逐渐无关，并趋于2，几何光学可解释。当x很小时，瑞利散射特征衍射衍射,强强虹虹霓霓强强介质球表面的反射、折射、衍射。总衍射光等于投射到介质球表面的反射、折射、衍射。总衍射光等于投射到粒子横截面上的总光通量，而与粒子的形状、性质无关。粒子横截面上的总光通量，而与粒子的形状、性质无关。当粒子没有吸收时，衍射光恰好占总散射光的一半。当粒子没有吸收时，衍射光恰好占总散射光的一半。大气气溶胶的散射削弱系数 实际

8、大气中 n(r) 的变化很大 对分子散射，取 b = 4 。对大颗粒的散射，b 50 时即a 时的散射 )服从几何光学规律 独立散射在一般情况下，要研究的是某一体积内众多粒子共同的散射。当粒子间的距离比几个半径（例如3倍半径）还大时，可以认为各粒子的散射是互相独立的，即每个粒子的散射和周围的粒子无关，称为独立散射。当独立散射的条件满足时，某一体积内所有粒子的总散射等于各个粒子散射的总和。 ),(),(20sRIRI这里这里 ( , )称为粒子的称为粒子的散散射函数，射函数， 4scd),(散射截面散射截面，一般来说，一般来说，散射截面和粒子真正散射截面和粒子真正的几何截面并不相等。的几何截面并

9、不相等。消光截面和散射截面相对应的还有吸收截面和散射截面相对应的还有吸收截面 ab和消光截面和消光截面 ex（也称削弱截面）。吸收截面反映粒子吸收的本（也称削弱截面）。吸收截面反映粒子吸收的本领，而消光截面表示粒子散射和吸收的总量，有领，而消光截面表示粒子散射和吸收的总量，有 abscex大气消光系数的测量大气消光系数的测量 大气消光系数是散射系数和吸收系数之和，大气消光系数是散射系数和吸收系数之和，其中每一项还可以区分为分子和气溶胶的作其中每一项还可以区分为分子和气溶胶的作用。一般认为在可见光和近红外波段，空气用。一般认为在可见光和近红外波段，空气分子的消光系数易从计算得到，故测量的重分子的

10、消光系数易从计算得到，故测量的重点常常是气溶胶的散射和吸收。点常常是气溶胶的散射和吸收。测量大气消光系数最基本的方法是：测量大气消光系数最基本的方法是：dexp0ex0RlkIIexpex0RkII)ln(10exIIRk对均匀大气对均匀大气2、能见度问题、能见度问题实践中常常遇到透过大气来看目标物能否看得实践中常常遇到透过大气来看目标物能否看得清晰，以及到底隔多远还可以把目标物从它的清晰，以及到底隔多远还可以把目标物从它的背景上分辨出来问题。这里所说的背景上分辨出来问题。这里所说的“看看”是广是广义的，可以是用眼睛直接看或通过仪器看，也义的，可以是用眼睛直接看或通过仪器看，也可以是摄影或其它

11、成象系统。和这类问题发生可以是摄影或其它成象系统。和这类问题发生关系的实践活动有航空、航海、陆上交通、高关系的实践活动有航空、航海、陆上交通、高空摄影和天文观测等等。由于这一问题纯粹是空摄影和天文观测等等。由于这一问题纯粹是大气中颗粒物对光散射所造成的，因此在大气大气中颗粒物对光散射所造成的，因此在大气环境问题中也受到广泛的关注。环境问题中也受到广泛的关注。上述问题的总和就是所谓能见度问题，它重点研究能见距上述问题的总和就是所谓能见度问题，它重点研究能见距离的大小。通过大气观察某一背景衬托的目标物，近看当离的大小。通过大气观察某一背景衬托的目标物，近看当然是清楚的；当距离越来越远时，就渐趋模糊

12、；最后从某然是清楚的；当距离越来越远时，就渐趋模糊；最后从某一距离开始，无论我们怎样用心去看，都无法把目标物从一距离开始，无论我们怎样用心去看，都无法把目标物从背景上识别出来。这一临界距离就叫做背景上识别出来。这一临界距离就叫做能见距能见距。根据经验我们知道影响能见度的因子很多，归纳起来有：根据经验我们知道影响能见度的因子很多，归纳起来有：目标物的物理特性，其大小、形状、色彩和亮度等；目标物的物理特性，其大小、形状、色彩和亮度等；背景的物理特性；背景的物理特性；照明的情况；照明的情况；大气的特性；大气的特性；观测器械的特性。观测器械的特性。在这些因子中最复杂多变而且影响最大的是大气这一因子，在

13、这些因子中最复杂多变而且影响最大的是大气这一因子，这正是大气物理所应该研究的。习惯上把透过大气能分辨这正是大气物理所应该研究的。习惯上把透过大气能分辨远处目标物的程度分为远处目标物的程度分为10个等级，称为能见度个等级，称为能见度。每一等级。每一等级都和一定的能见距相对应。都和一定的能见距相对应。各级能见度对应的能见距和大气散射系数各级能见度对应的能见距和大气散射系数能见度级能见度级天气状况天气状况气象能见距气象能见距（km）散射系数（散射系数（km-1）0极浓雾极浓雾78.21浓浓 雾雾0.050.2078.219.62中中 雾雾0.200.5019.67.823轻轻 雾雾0.501.007

14、.823.914薄薄 雾雾1.002.003.191.965霾霾2.004.001.960.9546轻轻 霾霾4.0010.000.9540.3917晴晴10.0020.000.3910.1968很很 晴晴20.0050.000.1960.0789十分晴十分晴50.000.078纯空气分子纯空气分子2770.0141补充：关于珠三角霾与能见度1999年欧美科学家发现年欧美科学家发现,在亚洲南部上空经常笼罩在亚洲南部上空经常笼罩着一层着一层3 km厚的棕色气溶胶云厚的棕色气溶胶云,并称其为亚洲棕色并称其为亚洲棕色云（云（Asian Brown Cloud, ABC）,也有学者将其称也有学者将其称

15、为灰霾天气为灰霾天气,其组成主要包括其组成主要包括:黑碳、粉尘、硫酸盐、黑碳、粉尘、硫酸盐、铵盐、硝酸盐等铵盐、硝酸盐等,后来发现各大洲都存在类似现象后来发现各大洲都存在类似现象,又将其称为大气棕色云。又将其称为大气棕色云。补充：续广东省气象局于广东省气象局于2006年年5月月30日发文日发文“粤气业粤气业200616号关于执行广东省观测雾、轻雾和霾号关于执行广东省观测雾、轻雾和霾发报标准的通知发报标准的通知”,制定了广东省观测霾、轻雾和制定了广东省观测霾、轻雾和雾的识别标准雾的识别标准,在国内第一次统一了省级气象部门在国内第一次统一了省级气象部门区别霾与雾的观测标准。区别霾与雾的观测标准。补

16、充：续相对湿度 (%)5080951000110能见度 (km)霾或轻雾轻雾霾或雾雾霾广东省气象局观测霾、轻雾和雾标准气态前体物及直排颗粒物 SO2, NO2, CO, EC, Soil dust, Ozone, VOC etc. 强日照 静小风 低湿度Sulfate, Nitrate, Organics, 大气中严重的“灰霾”广州 2003年 11月2日广州 2003年 11月3日严重的灰霾天气广州 2003年 11月3日2003年11月初重灰霾污染事件（ 10.27-30 ）连续4天珠三角光学厚度分布，MODIS卫星2003年11月初重灰霾污染事件（10.31-11.3）补充：续1954-

17、2006年广州每年灰霾出现日数统计补充：续广州1954-2004年能见度中值与低值变化趋势广州1951-2007年逐月灰霾日数补充：关于珠三角霾与能见度珠江三角洲1980-2004年能源消耗（万吨标准煤）、GDP（亿元）、人口（万人）、机动车（千辆）增长情况补充：续广州1961-2002年日照时数和太阳总辐射对比和对比感阈对比和对比感阈 日常经验告诉我们，当观察一个具有足够大视角的目标物日常经验告诉我们，当观察一个具有足够大视角的目标物时，只有当这个目标物和它的背景之间上有相当程度的亮时，只有当这个目标物和它的背景之间上有相当程度的亮度或色彩上的差异，才能把它从背景中识别出来。对观察度或色彩上

18、的差异，才能把它从背景中识别出来。对观察遥远目标物而言，具有决定意义的是亮度差异。遥远目标物而言，具有决定意义的是亮度差异。分别用分别用B和和Bb表示目标物和背景的光亮度，则表示目标物和背景的光亮度，则光亮度对比光亮度对比C定义为：定义为：bbBBBCC的数值就表示目标物和背景的亮度差异的相对比值。的数值就表示目标物和背景的亮度差异的相对比值。C大，目标物就看得清楚；当大，目标物就看得清楚；当C逐渐减小；我们就感觉到目逐渐减小；我们就感觉到目标物逐渐模糊。事实上在标物逐渐模糊。事实上在C减小到零之前，就已经不能把减小到零之前，就已经不能把目标物从背景中区分出来了，这个开始不能把目标物背景目标物

19、从背景中区分出来了，这个开始不能把目标物背景中区分出来的对比值称为中区分出来的对比值称为对比感阈对比感阈，用，用来表示。由此可来表示。由此可见，见，C = 是目标物由能见转化为不能见的条件。是目标物由能见转化为不能见的条件。对比感阈是一个复杂的物理量，就人眼而言，它既反映人眼对比感阈是一个复杂的物理量，就人眼而言，它既反映人眼的生理特性，也和外界条件有关。这里包括：的生理特性，也和外界条件有关。这里包括：1） 目标物的视角和视野亮度。随着目标物视角和视野亮度的目标物的视角和视野亮度。随着目标物视角和视野亮度的减小，对比感阈要加大（减小，对比感阈要加大（见图见图）。）。2）目标物的持续时间。若目

20、标物是时显时隐的，则对比感阈）目标物的持续时间。若目标物是时显时隐的，则对比感阈要加大。实验指出，识别目标物所费的时间大约是要加大。实验指出，识别目标物所费的时间大约是1/3秒，若秒，若目标物显示的时间比这个比值更短，目标物就难以被识别，目标物显示的时间比这个比值更短，目标物就难以被识别，除非对比度很大。除非对比度很大。3）目标物在视场中的位置。若目标在视场中央，对比感阈最）目标物在视场中的位置。若目标在视场中央，对比感阈最小，反之要加大。（小，反之要加大。（见图见图）给出的实验结果就反映了这一点。）给出的实验结果就反映了这一点。当我们搜索目标物时，并不知道目标物的确切位置，因此要当我们搜索目

21、标物时，并不知道目标物的确切位置，因此要求较大的对比度才能发现。求较大的对比度才能发现。4）个人精神上的因子，包括个人的健康、心理状态等等。）个人精神上的因子，包括个人的健康、心理状态等等。上述这些影响对比度的因子，在决定能见距时应当考虑。上述这些影响对比度的因子，在决定能见距时应当考虑。不同照度和视角下的对比感阈值不同照度和视角下的对比感阈值 当目标物处于视当目标物处于视场中不同位置时场中不同位置时对比感阈的变化对比感阈的变化 对比度传输系数对比度传输系数 以上讨论的亮度对比并没有考虑到大气的作用，它以上讨论的亮度对比并没有考虑到大气的作用，它只反映目标物和背景固有的亮度差异，称只反映目标物

22、和背景固有的亮度差异，称固有对比固有对比。当透过一段大气去观察目标物时，实际看到的是当透过一段大气去观察目标物时，实际看到的是视视亮度亮度。为了识别目标，视亮度对比应大于对比感阈。为了识别目标，视亮度对比应大于对比感阈。大气对视亮度的影响有两个方面：大气对视亮度的影响有两个方面： 大气的削弱作大气的削弱作用使固有亮度减小。设这段大气的透明度为用使固有亮度减小。设这段大气的透明度为 R，则，则视亮度应是固有亮度乘以视亮度应是固有亮度乘以 R。 由于大气对光的散由于大气对光的散射作用，气柱本身要发光。设射作用，气柱本身要发光。设这段气柱的亮度为这段气柱的亮度为DR ，则目标物和背景的视亮度则目标物

23、和背景的视亮度B*和和Bb*分别为分别为RRRRDBBDBBb*b*YCBDBBBBBBCRR1bbb*b*b*)1 (1b1BDYRRY称为对比度传输系数。它反映固有对比在大气中传输时变称为对比度传输系数。它反映固有对比在大气中传输时变化的情况。只要化的情况。只要DR不为零，不为零，Y就是一个小于就是一个小于1的正数，而且的正数，而且随着距离的增大，随着距离的增大，Y逐渐减小，即视亮度对比将减小。这是逐渐减小，即视亮度对比将减小。这是因为随着距离的增大，散射发光因为随着距离的增大，散射发光DR将越来越强，而从物体和将越来越强，而从物体和背景来的光越来越弱，最后，背景来的光越来越弱，最后，B*

24、和和Bb*无限逼近无限逼近DR的结果。的结果。引入对比度传输系数的好处在于把目标物的固有特性和大气引入对比度传输系数的好处在于把目标物的固有特性和大气的影响区分开来，以便专门讨论大气在能见度问题中的影响的影响区分开来，以便专门讨论大气在能见度问题中的影响。大气对目标物观察的影响大气对目标物观察的影响 RRllk0exd)(expRllkRllADl0d) (de)(0ex透过率透过率气柱发光强度气柱发光强度)e1 (exexRkRkADRkRexexp A(l)是观察角锥中单位长度的气柱向观察方向发送的散射光是观察角锥中单位长度的气柱向观察方向发送的散射光亮度。假设大气是水平均一的，则可简化成

25、亮度。假设大气是水平均一的，则可简化成 若把水平方向的天空作为观察背景，则背景的固有亮度为若把水平方向的天空作为观察背景，则背景的固有亮度为RllkllABlRxde)(d) (be在大气水平均一时有在大气水平均一时有DkABexb)1 ()e1 (exRRkRDDD得气柱亮度得气柱亮度利用以上关系，在水平均一的条件下，水平观察时，对比度传利用以上关系，在水平均一的条件下，水平观察时，对比度传输系数为输系数为1b)1 (1RRBDY111RRKK为天空背景为天空背景亮度比，若以天亮度比，若以天空为背景则空为背景则K=1若以天空为背景，则若以天空为背景，则K1RkRYexeYCBDBBBBBBC

26、RR1bbb*b*b*)1 (由以上两个公式，可以得到能见度和消光系数之间由以上两个公式，可以得到能见度和消光系数之间的关系的关系气象能见距离气象能见距离 按地面观测规范的规定，按地面观测规范的规定，气象能见距是指视力正常的人在气象能见距是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辩认出目标物当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辩认出目标物（黑色）的最大水平距离（黑色）的最大水平距离。在大气为水平均一情况下，可。在大气为水平均一情况下，可从得出气象能见距从得出气象能见距Rm和大气消光系数和大气消光系数kex有下述关系（有下述关系（ = 0.02）exexm912. 31ln1kk

27、R这便是这便是Koschmieder 能见度公式能见度公式 。在航空气象部门在航空气象部门，为，为了保证飞行的安全，在定义能见距时使用较高的对比感阈了保证飞行的安全，在定义能见距时使用较高的对比感阈值值 = 0.05,这时能见距和消光系数间有下列关系：这时能见距和消光系数间有下列关系：exex996. 205. 01ln1kkRaRm=1.306RaRa=0.766Rm在导出公式时包含有以下在导出公式时包含有以下4个假定：个假定：沿水平光路沿水平光路kex为常数；为常数；沿水平光路沿水平光路A(l)为常数；为常数；足够大的黑体目标物并以天空为背景，足够大的黑体目标物并以天空为背景，；视力正常的

28、观察员，视力正常的观察员， = 0.02虽然在实际工作中上述四个假定并不能全部满足，虽然在实际工作中上述四个假定并不能全部满足，但观测表明在一般条件下计算能见距的误差可控但观测表明在一般条件下计算能见距的误差可控制在制在10%以内。以内。夜间灯光能见度夜间灯光能见度 黑夜来到的时候，视野的亮度大大降低，眼睛的工作状况也黑夜来到的时候，视野的亮度大大降低，眼睛的工作状况也发生了根本变化。眼睛对亮度对比的感觉变得很迟钝，因而发生了根本变化。眼睛对亮度对比的感觉变得很迟钝，因而对比感阈值变得很大，这就使得夜间的能见距大大缩短。另对比感阈值变得很大，这就使得夜间的能见距大大缩短。另一方面眼睛对微弱光流

29、的刺激却很敏感，因此有利于识别远一方面眼睛对微弱光流的刺激却很敏感，因此有利于识别远处灯光信号。处灯光信号。夜间灯光能见度问题包括两个方面，夜间灯光能见度问题包括两个方面，一是黑夜中有一灯光信一是黑夜中有一灯光信号，在什么条件下能被观察到；二是用人工光源照明远处目号，在什么条件下能被观察到；二是用人工光源照明远处目标物，在什么条件下能被识别出来（参见盛裴轩等，大气物标物，在什么条件下能被识别出来（参见盛裴轩等，大气物理学，理学，p454）。）。灯光能见度灯光的视角一般很小，可以看成灯光的视角一般很小，可以看成点光源。光强为点光源。光强为I的点光源在距的点光源在距离离R处造成的照度处造成的照度(

30、Allard 定律定律)RkRIEexe42当眼睛观察到灯光的照度小于某一阈值当眼睛观察到灯光的照度小于某一阈值E 时，眼睛就不能感觉灯光的存在时，眼睛就不能感觉灯光的存在了，肉眼的灯光照度阈值了，肉眼的灯光照度阈值E 和许多因子有关：和许多因子有关： 当观察者从光亮中进入黑暗环境时，当观察者从光亮中进入黑暗环境时，E 值很大，约值很大，约1015min后，后， E 才恢复到正常值。才恢复到正常值。 当视野中有其它光源时，当视野中有其它光源时，E 值增大。值增大。 E值和灯光周围的背景亮度有关。如背景亮度大，值和灯光周围的背景亮度有关。如背景亮度大，E 值也加大。值也加大。由于由于E 的数值与

31、灯光的色彩有关，对人眼而言，黄光的的数值与灯光的色彩有关，对人眼而言，黄光的E 最大，红光的最大，红光的E最小，故夜间最易辨认的是红色的信号灯。最小，故夜间最易辨认的是红色的信号灯。 texe42tRkRIE2text4lnln1REIkR WMO对灯光照度阈值的规定 E 黄昏或者黎明：黄昏或者黎明： 10-6 lx(勒克斯勒克斯)月夜：月夜： 10-6.7 lx(勒克斯勒克斯)完全黑暗之夜或者仅有星光：完全黑暗之夜或者仅有星光：10-7.5 lx(勒克斯勒克斯)气象光学距离PWMOWMO建议采用气象光学距离作为能见度特征量，定义建议采用气象光学距离作为能见度特征量，定义为：为：色温色温为为2

32、700K2700K的白炽灯的白炽灯( (根据维恩位移定律：波长根据维恩位移定律：波长=2897/2700=1.07=2897/2700=1.07m)m)发出的平行光辐射通量，经发出的平行光辐射通量，经大气削弱，衰减至原值的大气削弱，衰减至原值的0.050.05时，在大气中所经历的时，在大气中所经历的水平距离。此时对比视感阈水平距离。此时对比视感阈=0.05=0.05，实际上表示观，实际上表示观测者从远处渐近于灯光，直至能辨别固定色温白炽灯测者从远处渐近于灯光，直至能辨别固定色温白炽灯的亮度对比阈值，此为发现阈值，相应于发现距离。的亮度对比阈值，此为发现阈值，相应于发现距离。而而0.020.02

33、为消失阈值。为消失阈值。LkexeFF0exexkkP996. 2)05. 0ln(PRRPmm30. 1766. 0根据根据Lambert 定律定律（即（即Beer定律）定律）气象光学距离气象光学距离气象光学距离气象光学距离和气象能见度和气象能见度之间的关系：之间的关系：exexm912. 31ln1kkR前述气象能见前述气象能见度计算式为：度计算式为：目测能见度RSP Remote Sensing using Micro Pulse Lidar in Macao(RSP: Respirable Suspended Particulates)3、澳门能见度和、澳门能见度和PM关系关系Lida

34、r on the roof of SMG main buildingLidar System in MacaoPM10,PM2.5 samplersGlance the Lidarvisibility sensorLaser beamLidar Measurement South direction Laser beam was directed to the power station in Ka Ho.North directionLaser beam was directed the metropolitan area in Macao.IncineratorMacao peninsul

35、aLidar Measurement NorthLaser beam was directed to the Power station in Ka Ho.Lidar Measurement SouthSchematic DiagramReceiverTelescope254mm Schmidt-Newtonian telescope f/4 Bandpass filter0.3 nm FWHMData acquisition20 MHz transient recorder with analogue and photon countingRange resolution7.5mEmissi

36、onLaserNd:YAG 532 nmRepetition rate1 kHzMaximum Pulse energy50 JBeam diameterExpanded to 90mm by a Maksutov-Cassegrain telescope Fernalds method11. F. G. Fernald, B. M. Herman, and J. A. Reagan, “Determination of aerosol height distribution by lidar”, Journal of Applied Meteorology 11, 482-489, 1972

37、. xSdxxTxxPCESCESxTxxPxRxSRSRPpp102432243221P(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 this ratio to be 502. R2. Ansman

38、n, 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 our measurements, the visual r

39、ange 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 by1:3/1)(585. 055. 091. 3mVmVwhere is the wavelength of the laser (0.532m).1. E. D. Hinkley, Laser Monit

40、oring of the Atmosphere, (Springer-Verlag, New York, 1976).Data InversioncRHbaRSP100 By putting the relative humidity and assuming the atmosphere to be horizontally homogeneous, RSP values can be calculated from the extinction profiles bywhere a = 0.0047, b = 0.036 and c = 12.92. Respirable suspende

41、d particulates (RSP) is the concentration of the aerosol particles of size smaller than 10 m in the air.Respirable suspended particulatesCalculationCorrelation between RSP and extinction coefficient The correlation established extends only as far as a relative humidity of 92%40506070809010000.010.02

42、0.030.040.050.060.070.080.090.1Relative humidity (%)Extinction /PM10 ratio (km-1/gm-3) /PM10 = a + b(RH/100)ca = 0.006159b = 0.06097 c = 12.23 R2 = 0.72 01002003004005006000.511.522.533.544.55Date: 11th January, 2006 RSP (g/m3)Range (km)21:41:3721:59:1623:00:05Lidar Measurement SouthTemperature: 16o

43、C Relative humidity:70%Northerly wind PM10 from SMG: 40g/m3 0501001502002500.511.522.533.544.555.5Date: 19th April,2006 RSP (g/m3)Range (km)21:27:3021:38:4621:50:03Lidar Measurement NorthTemperature: 25oC Relative humidity:77%Southeasterly wind PM10 from SMG: 30g/m3 12345102030405060708090100110120Y

44、ear: 2006MonthRSP (gm-3)0km - 1km1km - 2km2km - 3km3km - 4km4km - 5kmMean RSP at different rangesNorthCorrelation between mean RSP from Lidar and PM10 value from SMG050100150200050100150200Period: 1/2006 - 6/2006RSP derived from Lidar (gm-3)PM10 from SMG (gm-3)y = x R2 = 0.71rms = 20 Correlation bet

45、ween mean RSP from Lidar and PM2.5 value from SMG050100150200250020406080100120Period: 1/2006 - 6/2006RSP derived from Lidar (gm-3)PM2.5 from SMG (gm-3)y = 0.43xR2 = 0.76rms = 9.26PM2.5/PM10=0.43PM10, PM2.5 Samplers:PM2.5/PM10=0.55CASE: Diurnal evolution: North澳门细粒子污染特征及与气象条件关系澳门细粒子污染特征及与气象条件关系分析澳门细

46、粒子污染特征、吸湿增长效应及与气象因分析澳门细粒子污染特征、吸湿增长效应及与气象因子关系，利用定义的子关系，利用定义的PM2.5质量通量因子，定量给出质量通量因子，定量给出北部城市群向南传输通量是南海区域向北传输通量的北部城市群向南传输通量是南海区域向北传输通量的约约7.8倍。倍。PM2.5和和PM10特征特征 65PM2.5中国中国PM10二级标准：年平均二级标准：年平均100. 日平均日平均150；美国美国PM2.5标准：美国年平均标准：美国年平均 15，日平均，日平均65. 150PM10日变化：浓度白天高于夜日变化：浓度白天高于夜间。比值间。比值PM2.5/PM10白白天低于夜间。人为

47、活动天低于夜间。人为活动PM与其他城市比较与其他城市比较观测地点观测地点观测时段观测时段PM2.5gm-3PM10gm-3PM2.5/PM10%参考文献参考文献澳门澳门2007.1-1235.926.6 67.645.151.0本研究本研究广州广州2002.6-778.1 29.7124.7 55.564.1Cao 2003香港香港2002.6-731.0 16.941.4 14.270.9深圳深圳2002.6-747.1 16.775.1 23.062.6珠海珠海2002.6-731.0 20.044.0 24.868.9珠三角平均珠三角平均2002.6-749.1 30.674.6 51.

48、268.7广州广州2002.1-2105.9 71.4161.7 114.467.9Cao 2004香港香港2002.1-254.5 22.973.9 27.971.7深圳深圳2002.1-260.8 18.083.7 27.473.3珠海珠海2002.1-259.3 23.784.1 31.670.8珠三角平均珠三角平均2002.1-272.6 49.0111.5 83.570.4欧洲城市欧洲城市*1998-200220-3028-4240-50Querol 2004US PM2.5 年标准值年标准值 15，日均标准值，日均标准值65PM2.5 与风向与风向PM2.5通量通量niiPMiuu

49、F1)(5 . 2)(niiPMivvF1)(5 . 2)(东亚季风、低东亚季风、低纬东风纬东风( (信风信风) )特特征征向南传输通量向南传输通量是向北传输通是向北传输通量的量的7.87.8倍倍HYSPLIT backward trajectories HKDaily 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

50、 the other end showing the position 96 hours ago. Leung etal. 2008PM2.5 concentrations: gm-3Continental 62.3 higherCoastal Passing 41.4 Taiwan 36.5Maritime 19.5 lower 降雨对悬浮粒子的降雨对悬浮粒子的清除效率清除效率4.15-8.15, 4.15-8.15, 1100.6mm1100.6mm，占全年占全年75.1%.75.1%.有降水有降水PM2.5/PM10PM2.5/PM10（0.440.44）. .无降水比值无降水比值（0.