论文总字数：29410字

目 录

一．绪论 1

（一） 能见度相关知识 1

（二） 雾霾相关知识 6

二．气象数据的采集 8

（一）大气能见度数据的采集 8

（二） 雾霾指数的数据采集 10

三．雾霾指数与能见度之间的关系 12

（一） Origin数据处理软件 12

（二） 日雾霾指数与能见度之间的关系 12

（二） 日平均能见度与雾霾指数之间的关系 18

（三） 拟合结果的分析与选择 23

四 预测与结论 26

（一） 对日平均能见度的科学预测 26

（二） 结论 28

参考文献： 30

致谢 31

一．绪论

随着社会经济的发展，人们在享受日益增长的物质财富带来的满足的同时，也越来越对我们所生活的环境有着进一步的改善的渴望，现如今城市空气质量已经成为人们日益关注的焦点，其中PM2.5尤其引得人们注意，雾霾已然成为当今社会最关怀，谈论最多且最严重的环境问题之一，目前我国主要大城市大气污染严重，空气质量较差的主要问题来源于雾霾，各种化石燃料的燃烧，汽车尾气排放的污染物，以及燃烧产生的颗粒物等混杂在雾气中，则将更加严重影响人类健康和气候变化。并且由雾霾带来的一系列问题也日益成为危害公众安全的隐患。其中大气能见度受其影响较为严重。

大气能见度是表征大气透明程度的重要物理量，一方面区域大气环境质量好坏能够从其中反映出来，另一方面其也与城市居民日常生产活动，社会活动息息相关。在大气环境监测领域，可以说能见度是人们对大气污染状况的直接反映，也是描述大气污染程度的一个特征量。低大气能见度现象的出现会给人们的社会活动带来很大的负面影响，不仅能造成交通事故，严重阻碍飞机的正常飞行，耽误航班，而且由于导致能见度降低的首要因素——大气气溶胶，粒径小，绝大部分均可被人体吸入，很容易积聚于呼吸道中，可直接导致人们身心健康的损害^[1]。在军事上，军事行动都要以对能见度极为精确的预测作为前提，倘若在低能见度下开展活动，不仅严重耽误了效率，而且还会造成不必要的无意义的经费浪费。低能见度给人们工作、生活带来了诸多危害，常常是重大交通事故的诱因，这给国家财产和人民群众的身心健康造成重大损失，与此同时也造成了不良的社会影响^[2]。

能见度相关知识

1. 大气能见度定义

能见度是指视力正常的人，在当时天气条件下能够看清物体轮廓的最大距离，即指能够分辨大小适度，黑色目标物的最远距离，这种目测的方法不仅仅取决于当时的气候条件，而且对于不同的人也有着不同测量结果，故其既是一个物理问题也是一个心理问题，若是不能够准确分辨目标物的廓形，判断不清其形状，或者所见目标的光源模糊，都不能称得上“能见”^[3,4]。

目标物的能见度，与大气透明度和目标物同背景的亮度对比有关。在天气晴朗、空气质量良好时，能见度就好；若当空气质量较差，污染严重，大气中污染物颗粒浓度较高，甚至形成了雾霾天气，特别是下雨时空气中相对湿度比较高时，能见度受到的影响较大，就很差。在大气透明程度不变的条件下，假设背景的亮度为白色，若观察时目标物亮度越趋近与背景，即不能够很好的分辨出来，此时能见度就较低，若目标物的亮度与背景的亮度相差很大，很好分辨出目标物的具体轮廓，则此时能见度叫较高，即由目标物同背景的亮度对比来判断。

在目测能见度时不可避免的会受到观测者自身以及周围物理环境的影响，故与大气能见度位置相关的一个物理量—气象光学视程（MOR）就可以有效的表示大气能见度，并且其是一个可以具体测量得到的物理量。气象光学视程（MOR），就是指白炽灯发出的色温为 2700K 的准直平行光束的光通量在大气中削弱到初始值的 5%时所传播的距离^[5]。

气象能见距离也是对大气能见度的一种表示，它是观测者能分辨目标物的最大距离，根据《大气科学辞典》的解释，可以把这里的能见度定义成两种形式，一种是消失距离，即物体相对于观察者逐渐远离，在当时的天气条件下，观察者恰好不能分辨物体，即物体被恰好被淹没在背景中的最大距离；另外一种是发现距离，与消失距离对应，即物体恰好不被淹没在背景中，刚刚出现能被分辨的最大距离^[6]。能见距离表示能见度，其受多种因素的影响，根据有关学者研究，其中对能见度影响最主要的两个因素就是相对湿度与大气气溶胶浓度，本文主要讨论大气中的气溶胶主要是pm2.5，pm10对能见度的影响。

2. 能见度的计算方法

（1） 消光系数

我们知道大气中气溶胶粒子是影响大气能见度的重要因素，由于气溶胶粒子在大气中的物理化学过程，故天气原因也会引起粒子的一系列反应，从而影响能见度。其中最主要的原因是气溶胶粒子在大气中的消光作用。

消光系数是决定能见度的最重要因子。消光系数（σ ）是指白炽灯发出的色温为 2700K 的准直平行光束通过单位距离的大气时所损耗的比率。消光系数是测量由于吸收和散射所导致的光衰减的量^[6]。一般来说消光系数=气溶胶消光系数 气体分子消光系数。细化来分话，消光系数=空气分子散射系数（瑞利散射） 颗粒物散射系数 气体分子吸收系数 颗粒物吸收系数，即：

其中代表光在大气中传播的消光系数，是大气中气体和颗粒物的总消光；和分别代表气体对光的散射和吸收系数，和分别代表气溶胶颗粒物的对光的散射和吸收系数。一般在低层大气中气溶胶粒子的消光效果远远大于气体分子的消光作用，故只需考虑气溶胶粒子的消光作用。

（2）能见度具体测量方法

1924 年柯西米德提出了柯西米德定律，将能见度与大气消光系数联系起来，奠定了计算能见度的物理基础。谢泼德提出了按照能见度的定义来严格计算能见度的方法，这种方法是通过仪器测量，在两个不同的位置相隔一定的距离分别安装具有特定光谱特性的光发射器和探测器，光在这两台设备之间传输，通过大气会有衰减，透射的光强被探测器所接收放大，直到探测到的透射率为 2%的时候，这个距离便是气象光学视程（MOR） ^[7]。

通过国内外学者的多次试验测量，对其能见度测量主要包括两种方法：（一）通过测量一段距离大气的消光系数来得到气象光学视程MOR，然后通过MOR与光照度感阈（眼睛能分辨出某一特定背景亮度下点光源最小的光照度）以及对比感阈（一般为0.02）来计算得出能见度值；（二）通过测量目标物与视亮度对比来得出消光系数，从而来计算出能见度具体数值。

对于能见度的测量我们需要用到的最核心也是最基本的定律就是布格朗伯定律，是光吸收基本定律，适用于所有的电磁辐射与所有的吸光物质，其基本的表达式为

其中F为光传播x距离后的光通量，是初始光通量，为消光系数；

对上式进行变形可得

令；

则可以得到

我们根据Sheppard提出的能见度的严格测量可以知道，当透过率T=0.02时这个距离x便是气象光学视程MOR，我们便可以用此时的MOR具体表示能见度，令最大距离x=P则可以得到;便可以得到

联立上市可以得到

这就是大气透射来测量计算气象光学视程的理论计算公式。

（3）能见度测量仪

目前能见度的测量方法有两种方法，第一是将待观察的物体置于大气中让观察员你用自己的肉眼进行分辨，能在一定条件下看清物体轮廓所得到的最大距离即为能见度的数值，当然这会受到人体自身的局限性，人们的主观感受也会影响对具体目标物的判断，故其误差比较大，而且在夜间测量能见度判断时误差更加大，这不仅要耗费许多的人力，时间，而且最后得到的数据并不一定准确。故为了更加精确，更加方便的对能见度进行测量，能见度测量仪就显得尤为重要，它不仅可以对大气能见度的状况以及变化过程进行实时自动的观测，间歇或者连续的观察都可以调节，而且更加快速，只需要对大气中气溶胶粒子以及气体分子的消光系数进行测量最后利用上述理论计算公式就可以计算出气象光学视程，即大气能见度。

1. 透射式能见度仪

透射仪是一种通过测量大气透明程度来计算能见度的仪器，它通过测量一束平行的光束在大气中的传播损耗，来得到MOR的，由于光在空气中的吸收与散射会导致光强的衰减，而气象光学视程则是根据光通量衰减到初始值的0.05时的距离来定义的，故得到测量值其与MOR密切相关。因此正常工作状态下的高精确透射式能见度仪的测量结果与真实值非常接近。

1. 单终端透射能见度仪

图1 单终端透射能见度测量仪原理

由光源发出的强光分为两路，一路光通过大气或者说通过采样的固定体积气体经反射系统反射回被光电探测系统接收；另一路与上一路形成对比不经大气而直接进入光电探测系统。由于前一路光经大气衰减后光通量会减少，所以探测器接收到来自两路相对光的信号不同，及产生的电流不同，这就得到了明确的对比，得到了透射率，然后根据上述公式计算出能见度的值^[8]。

1. 双终端透射式能见度仪

与单终端相似，只不过接收器位于光源的另外一端，即光电探测器位于反射单元的一段。

则由上述理论计算公式可以得到

其中a为能见度仪的测量基线长度，是在发射器与接收器之间的光传播的距离，一般与气象光学视程有关。

1. 散射式能见度测量仪

由于光在大气中传播不仅有吸收衰减，而且还包括气溶胶粒子对光的散射效果，实际来说，光的衰减效果产生的原因中由于光的吸收这部分远远不及大气中颗粒物对光的折射，散射等作用，故可以忽略，因此可以用散射系数表示消光系数，从而就有了散射式能见度测量仪。

散射仪的工作原理与透射仪稍有不同，取一定体积的待测气体，让光束分别射向采样的空气，然后再另一端用接收器进行接收此方向上的散射光强。当然，此种方法计算呢大气消光系数是有一定的前提的，即满足三个假设: ①所取的采样大气中成分稳定，均匀，不会存在某一个地方稀薄而另外一个地方浓度高；②大气分子对光的作用忽略不计，大气中的消光仅仅取决于雾，霾，雨雪等粒子的散射作用；③假定散射仪测量的光通量与散射系数呈现一次关系。若选择适当的角度，测量的散射信号近似于散射系数成正比关系。根据散射角度的不同，散射仪又可分为3 种：前向散射仪、后向散射仪和总散射仪^[6]，下述就是此三种散射仪的原理图：

图2 前向散射仪原理图

图3 后向式能见度测量仪原理图

图4 总散射仪（积分浊度仪）原理图

（二） 雾霾相关知识

1. 雾霾的定义及区别

雾霾，顾名思义是雾和霾的结合体。但是雾和霾的区别很大。雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的原因，其实还包括PM10。随着阴霾天气现象出现增多，危害逐渐加重，空气质量变得越来越糟糕^[9]。

雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统（水汽凝结物），大气中水汽到达饱和的原因不外乎是两个，一个就是由于地面上各种水分的挥发，造成大气中水蒸气浓度的增多，即为空气的加湿；另一个大气中气体的冷却，冷却后就会形成一个个小水滴从而增加了大气中水汽的浓度。对于雾的形成来说，空气自身的冷凝更加重要。当空气中有凝结核时，达到饱和的空气中如果继续有水汽增加或者继续冷却，便会发生凝结，凝结的水滴会严重的影响能见度，雾就是能见度低于1KM时的现象^[10]。

霾，也称灰霾（烟雾），霾的大气定义是悬浮在大气中的大量微小尘粒，烟粒或者盐粒的几何体，使空气浑浊，水平能见度降到10km以下的一种天气现象。霾的组成成分很多很复杂，其颗粒物的物理化学特性也较难研究。其中有害健康的主要是直径小于10微米的气溶胶粒子（包括pm2.5，pm10），如矿物颗粒物、SO₂、NO₂、硝酸盐、各种有机气溶胶粒子、燃料和汽车废气等。由于霾的这种特殊组成成分，其颗粒物在空气中也能使大气混浊^[11]。

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