陳義珍,趙 丹,柴發(fā)合,梁桂雄,薛志鋼,王貝貝,梁永健,陳 瑜,張 萌 (.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 000；.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 5004；.廣州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,廣東 廣州 5000)

我國(guó)早在20世紀(jì)70～80年代就開始對(duì)大氣能見(jiàn)度的降低及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究[1-8].黃建等[9]指出,珠江三角洲的能見(jiàn)度未得到有效改善,可能是由于細(xì)粒子污染.宋宇等[10-11]、王京麗等[12]研究得出,高濃度的顆粒物是造成北京市能見(jiàn)度下降的主要原因.細(xì)粒子對(duì)能見(jiàn)度的影響主要源于散射和吸收[11,13].劉新民等[14]在研究北京市大氣消光系數(shù)時(shí)得出,顆粒物的消光系數(shù)是能見(jiàn)度下降最主要的貢獻(xiàn)者.另外,王淑英等[15]、張凱等[3]分別在京津地區(qū)的研究結(jié)果顯示,能見(jiàn)度與相對(duì)濕度在不同的季節(jié)下呈現(xiàn)明顯且規(guī)律不同的負(fù)相關(guān).

廣州市是珠江三角洲地區(qū)城市群的中心城市,近年來(lái)該地區(qū)灰霾天氣頻發(fā),能見(jiàn)度逐年下降[16-17],已嚴(yán)重地影響到城市景觀.而根據(jù)北京市 2007～2008年的空氣質(zhì)量月報(bào),超標(biāo)日中首要的污染物基本為可吸入顆粒物.本文通過(guò)對(duì)廣州和北京能見(jiàn)度與不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度的觀測(cè),研究南北方城市能見(jiàn)度與細(xì)粒子質(zhì)量濃度的關(guān)系,并進(jìn)行了分析和比較,旨在了解南北方能見(jiàn)度變化規(guī)律的差異.

1 材料與方法

1.1 儀器

能見(jiàn)度儀使用芬蘭 VAISALA生產(chǎn)的PWD20傳感器.量程為10～20000m,同時(shí)觀測(cè)風(fēng)、溫、濕、壓等氣象參數(shù).廣州市監(jiān)測(cè)PM2.5和PM10采用 Thermo RP1400a,其小時(shí)平均值精度為±1.5μg/m3.北京市跨奧運(yùn)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中PM2.5采用美國(guó)Thermo公司的FH62 C-14β射線顆粒物監(jiān)測(cè)儀,量程為0～5000μg/m3,檢出限為4μg/m3.

1.2 觀測(cè)時(shí)間及地點(diǎn)

廣州市實(shí)驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)位于廣州市監(jiān)測(cè)站樓頂平臺(tái)(23°07′N,113°14′E),觀測(cè)時(shí)間為2008 年 12月11日～2009年8月27日,2009年5月因儀器維修沒(méi)有監(jiān)測(cè),共監(jiān)測(cè)209d.

北京市奧運(yùn)期間的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣樓樓頂平臺(tái)(116°24′E,40°2′N).觀測(cè)時(shí)間為2008年7月14日～2008年9月17日,共計(jì)66d.

1.3 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

氣象參數(shù)觀測(cè)執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18-20],數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋、正態(tài)樣本異常值的判斷和處理采用標(biāo)準(zhǔn)方法[21].實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn),并定時(shí)標(biāo)定.

1.4 數(shù)據(jù)采集及分析

氣象數(shù)據(jù)采集頻率為1次/s,為避免降雨時(shí)雨滴對(duì)能見(jiàn)度的影響,剔除降雨時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù),同時(shí)剔除能見(jiàn)度超量程(20km)數(shù)據(jù),然后做小時(shí)平均.顆粒物(PM2.5和PM10)的采集頻率為1次/h.本研究數(shù)據(jù)分析均采用小時(shí)平均值.廣州市有效數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)為3343h,北京市為1171h.

2 結(jié)果與討論

相關(guān)研究表明,RH＜80%影響能見(jiàn)度的天氣稱為霾,RH＞90%的為霧,介于二者之間的為霧和霾共存現(xiàn)象.當(dāng) RH＞90%無(wú)降水時(shí),雖沒(méi)有降水,但空氣中仍有水滴,即霧的現(xiàn)象,故剔除RH＞90%的樣本.本研究針對(duì)無(wú)降水過(guò)程,將相對(duì)濕度劃分為3個(gè)區(qū)段,RH≤70%,70%＜RH≤80%,80%＜RH≤90%,分別對(duì)大氣能見(jiàn)度與不同粒徑的顆粒物濃度進(jìn)行了回歸統(tǒng)計(jì)分析.

2.1 廣州市能見(jiàn)度與顆粒物的相關(guān)性分析

RH≤70%,70%＜RH≤80%,80%＜RH≤90% 3個(gè)相對(duì)濕度區(qū)段條件下的有效樣本數(shù)分別為1933,819,591.

由表1,圖1可見(jiàn),各種RH區(qū)段下,能見(jiàn)度與PM2.5均呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)不同.RH在70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,在 0.7以上,其次為RH≤70%和80%＜RH≤90%,相關(guān)系數(shù)在0.6以上.能見(jiàn)度與 PM2.5～10的相關(guān)性較 PM2.5較差,不具有明顯的相關(guān)性.能見(jiàn)度與 PM10均呈負(fù)相關(guān),RH 在 70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.68;其次為RH≤70%和80%＜RH≤90%,相關(guān)系數(shù)均在0.6以上.

綜上所述,3個(gè) RH區(qū)段下,3種顆粒物中,PM2.5與能見(jiàn)度的相關(guān)性最好,70%＜RH≤80%時(shí),能見(jiàn)度與顆粒物的相關(guān)性最大.

2.2 北京市奧運(yùn)期間能見(jiàn)度與顆粒物的相關(guān)性分析

跨奧運(yùn)期間,對(duì)北京市的PM2.5與大氣能見(jiàn)度的相關(guān)性做統(tǒng)計(jì)分析,3個(gè)相對(duì)濕度區(qū)段下的有效樣本數(shù)分別為670、268、233.

由圖2,表2可見(jiàn),各種RH區(qū)段下,能見(jiàn)度與 PM2.5均呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)不同.RH在70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.90;RH≤70%和80%＜RH≤90%相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.81.

表1 廣州市不同相對(duì)濕度區(qū)段下能見(jiàn)度與顆粒物的相關(guān)關(guān)系Table 1 The correlation between the visibility and PM in different RH ranges in Guangzhou

表2 不同相對(duì)濕度區(qū)段下北京市能見(jiàn)度與顆粒物的相關(guān)關(guān)系Table2 The correlation between the visibility and PM in different RH ranges in Beijing

2.3 能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和顆粒物的多元線性統(tǒng)計(jì)分析

北京市僅有PM2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),故針對(duì)廣州市的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析,討論相對(duì)濕度及顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響.

取廣州市所有有效樣本(3343h),進(jìn)行二元線性統(tǒng)計(jì)分析.定義能見(jiàn)度(Vis)為因變量,RH 與PM(PM2.5、PM2.5～10、PM10)作自變量.首先對(duì)因變量和自變量采用極值法[22]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將有量綱的參數(shù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的參數(shù);分別建立二元線性回歸模型(表3),置信度取95%.

由表3可知,置信度95%時(shí),各變量的顯著性水平 P＜0.05)[23],具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;由各擬合方程的相關(guān)系數(shù)可知,顆粒物中,PM2.5與能見(jiàn)度的相關(guān)性最好,PM10次之,PM2.5～10最弱;由于PM的回歸參數(shù)大于 RH,表明顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響大于相對(duì)濕度.

表3 廣州市能見(jiàn)度、相對(duì)濕度與顆粒物的多元線性回歸模型Table 3 The multiple linear regression model among the visibility and RH, PM in Guangzhou

2.4 廣州市和北京市對(duì)比

由表1,表2可見(jiàn),相同RH下,廣州和北京的能見(jiàn)度與 PM2.5的相關(guān)方程式不同,這可能與 2個(gè)地區(qū)PM2.5的來(lái)源和其中的化學(xué)成分不同有關(guān).顆粒物中主要消光成分所占百分比不同可能是造成2個(gè)地區(qū)能見(jiàn)度與PM2.5方程式不同的主要原因.具體的機(jī)理應(yīng)分析樣品離子成分.

由圖1,圖2 可見(jiàn),當(dāng) PM2.5＞0.05mg/m3時(shí),能見(jiàn)度隨顆粒物濃度變化不明顯,而當(dāng) PM2.5＜0.05mg/m3時(shí),能見(jiàn)度隨顆粒物濃度降低而迅速升高.在治理 PM2.5時(shí)帶來(lái)的啟示:治理起始階段,PM2.5下降對(duì)能見(jiàn)度的改善效果并不明顯;但當(dāng) PM2.5降低到一定程度后,能見(jiàn)度的改善效果會(huì)非常顯著.

3 結(jié)論

3.1 對(duì)廣州市大氣顆粒物數(shù)據(jù)分析表明,大氣能見(jiàn)度與 PM2.5呈良好的負(fù)相關(guān)性關(guān)系,細(xì)粒子污染是造成大氣能見(jiàn)度下降的主要原因,且顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響大于相對(duì)濕度.

3.2 PM2.5和RH是影響能見(jiàn)度的主要因子.不同的相對(duì)濕度下,廣州市和北京市 PM2.5與能見(jiàn)度的相關(guān)性不同.70%＜RH≤80%時(shí),能見(jiàn)度與顆粒物濃度的相關(guān)性最好.

3.3 能見(jiàn)度與 PM2.5的擬合曲線在大約0.05mg/m3處是一個(gè)分界:當(dāng) PM2.5＞0.05mg/m3時(shí),隨著PM2.5濃度降低,能見(jiàn)度變化不明顯;當(dāng)PM2.5＜0.05mg/m3時(shí),隨著PM2.5濃度降低,能見(jiàn)度迅速升高.因此,在顆粒物治理的起始階段PM2.5下降對(duì)能見(jiàn)度的改善效果不很明顯;但當(dāng)PM2.5降低到一定程度后,能見(jiàn)度的改善效果會(huì)非常顯著.

[1]林盛群,林 莽,萬(wàn)軍明,等.香港大氣能見(jiàn)度與污染物長(zhǎng)期變化的特征和相互關(guān)系 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(4):351-356.

[2]韓 毓,白志鵬,孫 韌.顆粒物質(zhì)量濃度對(duì)大氣能見(jiàn)度水平影響分析 [J]. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2008,20(4):60-61.

[3]張 凱,柴發(fā)合,陳義珍,等.天津武清能見(jiàn)度特征分析 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2008,13(6):800-806.

[4]李學(xué)彬,宮純文,徐青山,等.氣溶膠細(xì)粒子與能見(jiàn)度的相關(guān)性[J]. 光學(xué)精密工程, 2008,16(7):1177-1180.

[5]張劍鳴,陶 俊,張仁健,等.2008年1月廣州大氣污染特征及能見(jiàn)度觀測(cè)研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2008,21(6):161-165.

[6]吳 兌,鄧雪嬌,畢學(xué)巖,等.細(xì)粒子污染形成灰霾天氣導(dǎo)致廣州地區(qū)能見(jiàn)度下降 [J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2007,23(1):1-6.

[7]Cheng M T, Tasi Y I. Characterization of visibility and atmospheric aerosols in urban,suburban,and remote areas [J]. The Science of the Total Environment, 2000,263(1-3):101-114.

[8]Qiu J H, Yang L Q. Variation characteristics of atmos-pheric aerosol optical depths and visibility in North China during 1980-1994 [J]. Atmos. Environ., 2000,34:603-609.

[9]黃 健,吳 兌,黃敏輝,等,1954-2004年珠江三角洲大氣能見(jiàn)度變化趨勢(shì) [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2008,19(1):61-70.

[10]宋 宇,唐孝炎,張遠(yuǎn)航,等.北京市大氣能見(jiàn)度規(guī)律及下降原因[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2003,16(2):10-12.

[11]宋 宇,唐孝炎,方 晨,等.北京市能見(jiàn)度下降與顆粒物污染的關(guān)系 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003,23(4):468-471.

[12]王京麗,劉旭林.北京市大氣細(xì)粒子質(zhì)量濃度與能見(jiàn)度定量關(guān)系初探 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 2006,64(2):221-227.

[13]馬雁軍,左洪超,張?jiān)坪?等.遼寧中部城市群大氣能見(jiàn)度變化趨勢(shì)及影響因子分析 [J]. 高原氣象, 2005,24(4):623-628.

[14]劉新民,邵 敏.北京市夏季大氣消光系數(shù)的來(lái)源分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004,24(2):185-189.

[15]王淑英,張小玲,徐曉峰.北京地區(qū)大氣能見(jiàn)度變化規(guī)律及影響因子統(tǒng)計(jì)分析 [J]. 氣象科技, 2003,31(2):109-114.

[16]沈家芬,馮建軍,謝 利,等.廣州市大氣能見(jiàn)度的特征及其影響因子分析 [J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007,16(4):1199-1204.

[17]譚吉華.廣州灰霾期間氣溶膠物化特性及其對(duì)能見(jiàn)度影響的初步研究 [D]. 廣州:中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 2007.

[18]QX/T 47-2007 地面氣象觀測(cè)規(guī)范:氣象能見(jiàn)度觀測(cè) [S].

[19]QX/T 50-2007 地面氣象觀測(cè)規(guī)范:空氣溫度和濕度觀測(cè) [S].

[20]QX/T 52-2007 地面氣象觀測(cè)規(guī)范:降水觀測(cè) [S].

[21]GB/T 4883-2008 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理 [S].

[22]馬立平.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化——無(wú)量綱化方法 [J]. 北京統(tǒng)計(jì),2000,(3):34-35.

[23]王 琨,王文帥,李宏偉,等.城市大氣可吸入顆粒物的時(shí)空分布分析 [J]. 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,26(2):220-223.