楊文峰,李星敏,陳　闖,劉瑞芳,杜川利（.陜西省氣象局,陜西 西安 7004；.陜西省氣象科學(xué)研究所,陜西 西安 7004；.陜西省氣象臺(tái),陜西 西安 7004）

西安市兩次霧霾期間氣象要素和氣溶膠特性分析

楊文峰1,李星敏2*,陳闖2,劉瑞芳3,杜川利2（1.陜西省氣象局,陜西 西安 710014；2.陜西省氣象科學(xué)研究所,陜西 西安 710014；3.陜西省氣象臺(tái),陜西 西安 710014）

利用氣象要素和氣溶膠觀測(cè)資料,分析了西安市2013年12月17～25日、2014年2月20～26日兩次霧霾過(guò)程的氣象要素風(fēng)、溫、濕變化,氣溶膠質(zhì)量濃度、粒子譜分布及散射系數(shù)的變化及其在霧霾天氣的形成、發(fā)展、維持與變化中的作用.結(jié)果表明：APS觀測(cè)的粒子譜變化表明,霧霾過(guò)程中,粒徑在0.5～0.835μm之間的粒子的數(shù)濃度增加最明顯,霧霾后,＜2μm和＞3.5μm粒子的數(shù)濃度下降顯著；SMPS觀測(cè)的粒子譜變化表明,霾過(guò)程中細(xì)粒子的數(shù)濃度主要集中在30～300nm,且具有明顯的日變化特征,08：00～14：00、18：00～02：00為數(shù)濃度的大值時(shí)段,細(xì)粒子段污染物濃度的增加主要是由粒徑大于140nm以上的粒子引起的.散射系數(shù)的增加與粒徑小于1.0μm粒子的數(shù)濃度增加有關(guān),也是霧霾期間能見(jiàn)度惡化的重要原因之一.

霧霾；氣溶膠；粒子譜

近年來(lái),我國(guó)頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了很大影響,僅2013年1月的霧霾事件造成的全國(guó)交通和健康的直接經(jīng)濟(jì)損失就約為230億元［1］.

霧霾發(fā)生的主要原因是嚴(yán)重的氣溶膠污染,氣象條件對(duì)霧霾的形成、分布、維持與消散起著顯著作用,當(dāng)氣象條件不利于污染物擴(kuò)散,污染物積聚到一定程度,就會(huì)引起霧霾［2-3］.近幾年有關(guān)氣象條件對(duì)霧霾的影響已有不少研究.張人禾等［4］分析了2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件,認(rèn)為熱力作用和動(dòng)力作用對(duì)這次霧霾天氣過(guò)程均具有重要貢獻(xiàn),并且貢獻(xiàn)程度大致相當(dāng).曹偉華等［5］對(duì)北京 2009年 11月3～8日的持續(xù)性霧霾過(guò)程的分析表明,邊界層逆溫、相對(duì)濕度和PM2.5濃度是霧霾形成的主要因子.馮靜［6］對(duì)鄭州2013年1～2月霧、霾出現(xiàn)與逆溫層的統(tǒng)計(jì)表明,當(dāng)有霧時(shí),高空一定有逆溫層存在；但有霾時(shí),不一定有逆溫層,有逆溫也不一定有霾.張小玲等［7］對(duì)2013年1月27～31日中國(guó)華北平原霧霾天氣的數(shù)值分析表明,高空以平直緯向環(huán)流為主,地面風(fēng)速小、相對(duì)濕度較大,不利于污染物擴(kuò)散和稀釋；邊界層內(nèi)穩(wěn)定、高濕的氣象條件對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的形成、積聚和維持較有利.張恒德等［8］從環(huán)流背景、垂直運(yùn)動(dòng)、相對(duì)濕度以及低層逆溫層等方面對(duì)華東地區(qū)一次大范圍霧過(guò)程進(jìn)行了診斷分析,在中高緯處于緯向型環(huán)流背景下,西風(fēng)氣流平直,不利于冷空氣南下影響我國(guó)中東部地區(qū),華東地區(qū)基本上處于地面高壓內(nèi)的均壓場(chǎng)中,氣壓梯度力小,近地面風(fēng)速小,有利于霧的形成和維持.

霧霾發(fā)生時(shí)氣溶膠的光學(xué)物理特性會(huì)有明顯變化.顏鵬等［9］分析了北京市上甸子秋冬季霧霾期間散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單次散射反照率的變化特征,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性受天氣過(guò)程的影響很大,霧霾天氣有利于氣溶膠的累積和生成；姚青等［10］分析了天津2013年1～2月霧霾天氣下顆粒物質(zhì)量濃度分布與散射、吸收以及光學(xué)厚度的變化特點(diǎn),表明氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)有助于降低能見(jiàn)度；袁亮等［11］等對(duì)黃山夏季氣溶膠光學(xué)特性開(kāi)展觀測(cè)分析,結(jié)果表明,黃山光明頂氣溶膠消光作用以散射為主,邊界層活動(dòng)是影響光明頂氣溶膠光學(xué)性質(zhì)日變化的主要因素；王靜等［12］分析了南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性,表明霧霾影響期間粗粒子模態(tài)的體積濃度是發(fā)生前的 2.5倍,細(xì)粒子濃度也比發(fā)生前增長(zhǎng)了90%.

陜西西安位于關(guān)中地區(qū)中部,關(guān)中北部是陜北黃土高原、南部為陜南秦巴山地,關(guān)中地區(qū)屬簸箕型盆地,不利于污染物擴(kuò)散,氣溶膠光學(xué)厚度值常年高于周邊地區(qū)［13］.以西安為中心的關(guān)中城市群是陜西省經(jīng)濟(jì)的核心區(qū)域,也是國(guó)家重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治規(guī)劃中的重點(diǎn)城市群.西安市是全國(guó)大氣污染重點(diǎn)監(jiān)測(cè)城市,對(duì)西安市及周邊霧霾也有不少研究［14-16］,這些研究多集中在霧霾的時(shí)空分布特征、影響因子及成因分析,而對(duì)氣溶膠特性的研究則較少.本文選取西安市近年來(lái)一次嚴(yán)重的霧霾過(guò)程（2013年12月17～25日）和一次典型的霧霾過(guò)程（2014年2月20～26日）為研究對(duì)象,主要分析了氣象要素的變化、氣溶膠粒子譜和散射系數(shù)的變化,來(lái)了解和揭示霧霾的產(chǎn)生、發(fā)展和維持機(jī)制,為霧霾綜合治理提供參考.

1　資料與方法

1.1觀測(cè)儀器及方法

觀測(cè)儀器均為美國(guó)TSI公司生產(chǎn),空氣動(dòng)力學(xué) 粒 徑 譜 儀 （Aerodynamic Particle Sizer Spectrometers,APS）,測(cè)量 0.5～20μm的顆粒物粒徑譜,包括質(zhì)量濃度、數(shù)濃度和體積濃度,設(shè)置每5min采樣1次；掃描電遷移率粒徑譜儀（Scanning Mobility Particle Sizer Model 3034,SMPS）,用于測(cè)量10～487nm的顆粒物粒徑譜,包括質(zhì)量濃度、數(shù)濃度和體積濃度,設(shè)置每5分鐘采樣1次；積分濁度儀（Integrating Nephelometer Model 3563）,測(cè)量顆粒物在紅（700nm）、綠（550nm）、藍(lán)（450nm）3個(gè)波長(zhǎng)的總散射系數(shù)和后向散射系數(shù),設(shè)置每 5分鐘采樣1次；以上觀測(cè)數(shù)據(jù)使用時(shí)均經(jīng)過(guò)采樣狀態(tài)、氣體流量等參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制.

最大混合層高度的計(jì)算采用文獻(xiàn)［17］的方法.

1.2資料的選取

為了使分析更有代表性,選取西安市近年來(lái)嚴(yán)重的霧霾過(guò)程2013年12月17～25日和秋冬季典型的霧霾過(guò)程2014年2月20～26日來(lái)進(jìn)行分析.兩次過(guò)程期間氣溶膠觀測(cè)資料取自位于西安市長(zhǎng)安區(qū)的秦嶺大氣科學(xué)試驗(yàn)基地；PM2.5和PM10質(zhì)量濃度使用西安市環(huán)境保護(hù)局13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的日平均值；能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、探空等氣象觀測(cè)資料,取自西安涇河氣象觀測(cè)站；西安市所轄周至、長(zhǎng)安、高陵、臨潼、戶縣、藍(lán)田各縣（區(qū)）風(fēng)速觀測(cè)資料來(lái)自當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)站.

1.3霧霾過(guò)程概況

2013年12月17～25日,西安市出現(xiàn)了嚴(yán)重的持續(xù)霧霾天氣, AQI指數(shù)連續(xù)8d都在400以上,其中19、22～25日達(dá)到500；PM2.5質(zhì)量濃度從12月15日的58.4μg/m3快速上升,17日達(dá)到212.2μg/m3,23～25日均超過(guò)500μg/m3；18～25日,西安市能見(jiàn)度都在2km以內(nèi).2014年2月20～26日西安市AQI指數(shù)均超過(guò) 200,是西安市秋冬季節(jié)典型的霧霾過(guò)程,23～25日 PM2.5質(zhì)量濃度維持在 250μg/m3左右,21～25日能見(jiàn)度為 5～7km；26日出現(xiàn)降水,霧霾過(guò)程結(jié)束.

2　結(jié)果與討論

2.1霧霾期間氣象要素變化特征

2.1.1最大混合層高度變化最大混合層高度反映了白天氣溶膠粒子的垂直擴(kuò)散能力,最大混合層高度高,氣溶膠粒子垂直擴(kuò)散的能力強(qiáng),有利于降低地面顆粒物的濃度［18］.2013年12月17～25日嚴(yán)重霧霾過(guò)程中最大混合層高度基本在650m以下,最嚴(yán)重的 24、25日最大混合層高度只有300m左右（圖1）.2014年2月19～26日的霧霾過(guò)程中,最大混合層高度大部分在 1000m以下（圖略）,2月24日最大混合層高度只有586m,最大混合層高度低且變化小,有利于霧霾天氣的加強(qiáng)或持續(xù). 2013年12月15～28日最大混合層高度與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.73,通過(guò)a=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明最大混合層高度的變化對(duì)霧霾的生消有較好指示作用,這與文獻(xiàn)［18］的研究結(jié)果是一致的.

圖1　2013年12月15～28日PM2.5、PM10與涇河最大混合層高度變化Fig.1　Change of PM2.5, PM10and maximum mixed height on 15th～28th December 2013 at Jinghe

2.1.2地面風(fēng)速變化2013年12月17～25日嚴(yán)重霧霾過(guò)程中,西安市區(qū)及其周邊氣象觀測(cè)站, 18～25日地面日平均風(fēng)速變化范圍為：周至 0.1～0.9m/s、長(zhǎng)安 0.7～1.8m/s、高陵 0.5～1.0m/s、臨潼 0.2～0.8m/s、藍(lán)田 0.5～1.3m/s、涇河 1.0～2.0m/s（圖2,其余圖略）、戶縣0.2～1.1m/s；2014年2月 19～26日典型霧霾過(guò)程中,西安及其周邊氣象觀測(cè)站地面風(fēng)速,除涇河站日平均風(fēng)速達(dá)到過(guò)2.7m/s,其余大部分都在1m/s左右（圖略）.這兩次霧霾過(guò)程,地面風(fēng)速小,空氣流動(dòng)緩慢,污染物不易擴(kuò)散,有利于氣溶膠粒子的堆積,有利于霧霾維持和發(fā)展.

圖2　2013年12月15～28涇河日平均風(fēng)速、能見(jiàn)度和相對(duì)濕度變化Fig.2　Change of wind speed , visibility and relative humidity on 15th～28th Dec. 2013 at Jinghe

2.1.3地面相對(duì)濕度變化2013年12月17～25日西安涇河日均相對(duì)濕度在 70%～83%之間（圖2）,2014年2月19～26日,日均相對(duì)濕度在66%～82%之間.兩次霧霾過(guò)程日均相對(duì)濕度較大.有研究表明［19］,當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí),親水性氣溶膠會(huì)通過(guò)吸濕增長(zhǎng),改變粒徑大小、形狀,從而改變粒子的消光性.相對(duì)濕度越大,氣溶膠粒子對(duì)能見(jiàn)度的影響越明顯［20-21］.

2.1.4地面至3000m高空溫度、濕度、風(fēng)的變化從2013年12月16～26日08：00、20：00地面探空3000m以下風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度隨高度的變化中可以看到（圖3給出了部分日期的變化,圖中高度為距離觀測(cè)地面高度,以下分析均指此高度）,16日 08：00近地面逆溫層厚度達(dá)300m,隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng),地面增溫加快,逆溫逐漸消失,20：00近地層已沒(méi)有逆溫,但近地層風(fēng)速小,770～1100m風(fēng)速只有 1m/s左右,相對(duì)濕度增大,PM2.5質(zhì)量濃度從15日的58.4μg/m3上升到了96.9μg/m3；同樣17日,18日08：00,近地層均存在逆溫,且風(fēng)速小,相對(duì)濕度逐步增大,有利于親水性氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)；19日08：00近地面仍有逆溫,厚度約 200m,高濕度層擴(kuò)展到 2200m左右,20：00近地面800m以下相對(duì)濕度維持75%左右,溫度隨高度的變化很小,2500m以下的溫度直減率為-0.26℃/100m,溫度層結(jié)穩(wěn)定,污染進(jìn)一步加重,PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到 423.7μg/m3；21日08：00,400m以下溫度層結(jié)穩(wěn)定,且在200～ 400m出現(xiàn)逆溫,但近地面風(fēng)速大,相對(duì)濕度減小,PM2.5質(zhì)量濃度比 20日略有減小,但污染持續(xù)； 23日08：00、20：00近地面均存在逆溫,溫度層結(jié)穩(wěn)定,距地面2000m以下相對(duì)濕度為60%～87%,500米以下風(fēng)速不到 2m/s,污染物累積,PM2.5質(zhì)量濃度增加到了512μg/m3；從25日20：00的探空廓線上可以看出,近地面濕度隨高度快速減小,距離地面200m以上,濕度已降到40%.26日隨著冷空氣的到來(lái),08：00地面風(fēng)速達(dá)3m/s以上,大氣層結(jié)變?yōu)椴环€(wěn)定,空氣垂直擴(kuò)散增強(qiáng),近地面相對(duì)濕度在30%以下,地面 PM2.5濃度降到了 110.6μg/m3；持續(xù)了近10d的霾天氣終于結(jié)束,地面能見(jiàn)度達(dá)到了15km.

圖3　2013年12月19、21、23、26日08：00、20：00涇河地面探空3000m以下風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度隨高度的變化Fig.3　Wind speed and direction, temperature and relative humidity variation under 3000m measured by sounding on 19th, 21th, 23th, 26th Dec. 2013 at Jinghe

2014年2月19～25日08：00、20：00地面探空3000m以下風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度隨高度的變化中可以看到（圖 4）,19日 20：00地面至2500m濕度在44%以下,20日08：00,1200m以下相對(duì)濕度增大到 60%以上,有利于親水性氣溶膠吸濕增長(zhǎng),700m以下出現(xiàn)弱的逆溫,污染物不易擴(kuò)散,20：00,700m以上相對(duì)濕度達(dá)到 65%～89%, 500m以內(nèi)風(fēng)速小于5m/s,近地層只有1～2m/s.21 日08：00地面至2500m相對(duì)濕度都在70%以上,而且溫度層結(jié)穩(wěn)定,20：00,1000以下風(fēng)速在1～3m/s,近地面風(fēng)速較小,地面污染加重.22日濕度依然較高,地面觀測(cè)顯示有霧,08：00,近地面有逆溫存在,700m以下風(fēng)速只有1～2m/s.23日08：00絕大部分高度相對(duì)濕度在 80%以上,有的高度達(dá)到90%,近地層溫度層結(jié)穩(wěn)定,20：00近地面相對(duì)濕度維持在60%以上,雖然1100m以下溫度直減率增大,溫度層結(jié)穩(wěn)定性減弱,但2000m以下溫度層結(jié)仍為穩(wěn)定,不利于垂直交換的發(fā)展.24日與23日相比變化不大,污染繼續(xù).25日20：00,1000m以下濕度開(kāi)始減小, 500m以下溫度直減率增大為-0.65℃/100m,溫度層結(jié)向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變,有利于污染物擴(kuò)散,污染開(kāi)始減小.26日08：00、20：00溫度層結(jié)總體為不穩(wěn)定,高層也沒(méi)有出現(xiàn)等溫層或逆溫層,空氣垂直擴(kuò)散增強(qiáng),地面 PM2.5濃度降到了150μg/m3.27日PM2.5質(zhì)量濃度降到74μg/m3,14：00地面能見(jiàn)度達(dá)到15km,霧霾過(guò)程結(jié)束.

圖4　2014年2月20、21、23、26日08：00、20：00涇河地面探空3000m以下風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度隨高度的變化Fig.4　Wind speed and direction, temperature and relative humidity variation under 3000m measured by sounding on 20th, 21th, 23th, 26th Feb. 2014 at Jinghe

上述兩次霧霾過(guò)程共同的特點(diǎn)是,近地面相對(duì)濕度都在 60%以上,有逆溫出現(xiàn)或溫度層結(jié)穩(wěn)定,風(fēng)速小等.相對(duì)濕度大,水汽多,使得大氣熱效率降低,不僅有利于穩(wěn)定層結(jié)的維持,而且有利于親水性氣溶膠吸濕增長(zhǎng)；有逆溫層或溫度層結(jié)穩(wěn)定,地面產(chǎn)生的氣溶膠被限制到低層,阻止了污染物的垂直擴(kuò)散,使能見(jiàn)度變差,空氣質(zhì)量惡化,這與相關(guān)研究［22］中溫度層結(jié)與氣溶膠堆積有很好的相關(guān)性是一致的；風(fēng)速小,空氣流動(dòng)性差,污染物難以擴(kuò)散,有利于霧霾的穩(wěn)定發(fā)展與維持.

2.2霧霾期間氣溶膠物理光學(xué)特性

統(tǒng)計(jì)分析表明,2013年12月17～25日的嚴(yán)重霧霾過(guò)程中,PM2.5占PM10的比例在57%～74%之間,尤其是污染嚴(yán)重的19～25日PM2.5占PM10的比例在70%以上；同樣2014年2月19～26日的典型霧霾過(guò)程中,在霧霾較重的 21～25日,PM2.5占PM10的比例在65%～74%之間.

2.2.1粒子譜變化（1）SMPS監(jiān)測(cè)的10～487nm的細(xì)粒子變化

圖5　2013年12月16、19、23、27日SMPS監(jiān)測(cè)的日平均粒子譜Fig.5　Daily mean aerosol number concentration as a function of particle size measured by the SMPS on16th, 19th, 23th, 27th Dec. 2013

2013年12月17～25日的嚴(yán)重霧霾過(guò)程中, 從SMPS監(jiān)測(cè)的10～487nm的細(xì)粒子在霧霾過(guò)程日平均粒子譜的變化發(fā)現(xiàn),霧霾過(guò)程中日平均粒子譜的拋物線形狀較霧霾前后有明顯變化,粒徑大于150nm的粒子的數(shù)目明顯大于霧霾前和霧霾后,圖5給出了霧霾前（16日）、發(fā)展（19日）、加重（23日）以及霧霾過(guò)程結(jié)束（27日）的日平均數(shù)濃度粒徑譜圖,可以看出：從16日到19日、23 日AQI從99增大到了500,但小于500nm的數(shù)濃度的峰值一直在 100nm附近,19日和 23日100～200nm的粒子的數(shù)濃度也明顯大于16日該粒徑段的粒子的數(shù)目；特別值得注意的是 27日,霾過(guò)程結(jié)束,小于500nm粒子的數(shù)濃度的峰值仍然在100nm附近,且峰值并沒(méi)有比污染較重的23日低很多,只是粒徑大于150nm的粒子明顯少于19和 23日.說(shuō)明霧霾過(guò)程中細(xì)粒子的增多主要與大于 150nm的粒子數(shù)濃度的增大有關(guān).從17～25日SMPS監(jiān)測(cè)的10～487nm的數(shù)濃度粒徑譜日變化的平均值圖來(lái)看（圖6）,100nm左右細(xì)粒子數(shù)濃度最大,大值時(shí)段主要出現(xiàn)在 08：00～13：00、18：00～02：00,而14：00～18：00、02：00～08：00細(xì)粒子數(shù)濃度相對(duì)較低,02：00～08：00可能與人類的活動(dòng)少有關(guān),14：00～18：00可能與午后空氣垂直對(duì)流增強(qiáng),有利于污染物擴(kuò)散有關(guān).

圖6　2013年12月17～25日SMPS監(jiān)測(cè)的數(shù)濃度粒徑譜日變化Fig.6　Daily variation of mean aerosol number concentration as a function of particle size measured by the SMPS on 17th～25th Dec. 2013

2014年2月19～25日的霧霾過(guò)程中,SMPS觀測(cè)的10～487nm的數(shù)濃度粒徑譜的變化來(lái)看,粒子的數(shù)濃度主要集中在 30～300nm；小于500nm的數(shù)濃度粒徑譜的日變化（圖略）中,細(xì)粒子數(shù)濃度的大值時(shí)段主要出現(xiàn)在 08：00～14：00、18：00～02：00,而 14：00～18：00和 02：00～08：00數(shù)濃度相對(duì)較低,這與2013年12月17～25日 SMPS的日變化相似,只是濃度遠(yuǎn)低于2013年12月的那次過(guò)程.

2014年2月19～27日SMPS監(jiān)測(cè)的日平均數(shù)濃度粒徑譜圖（圖7,圖中給出了25日霾嚴(yán)重時(shí)19日和27日的對(duì)比）的變化中可以看到,25日污染較重時(shí),大于140nm的粒子數(shù)濃度明顯高于19日和27日,但小于140nm粒子的數(shù)濃度低于污染較輕的27日的數(shù)濃度,說(shuō)明霧霾過(guò)程中細(xì)粒子段污染物濃度的增加主要是由粒徑大于140nm以上的粒子引起的.

圖7　2014年2月19、25、27日SMPS監(jiān)測(cè)的日平均數(shù)濃度粒徑譜Fig.7　Daily mean aerosol number concentration as a function of particle size measured by the SMPS on 19, 25 and 27 February 2014

（2）APS監(jiān)測(cè)的 0.5～20μm的粒徑譜變化2013年12月17～25日的嚴(yán)重霾過(guò)程中,APS儀器故障,沒(méi)有得到 0.5～20μm的粒徑譜的分布情況.

2014年2月19日12：00開(kāi)始至2月28日 APS監(jiān)測(cè)的0.5～20μm的粒子數(shù)濃度粒徑譜隨時(shí)間的演變圖見(jiàn)圖8.從20日開(kāi)始0.8μm以下粒子的數(shù)濃度逐漸增大,24～25日 0.8μm以下粒子的數(shù)濃度一直持續(xù)較大,據(jù)累計(jì)數(shù)濃度分析,在該霧霾過(guò)程中,粒徑在 0.5～0.835μm之間的粒子的數(shù)濃度占總數(shù)濃度的平均值達(dá)到 82.5%,該粒徑段粒子數(shù)濃度增加也最明顯；26日上午10：00以后由于降水的濕清除作用,各粒徑段粒子的數(shù)濃度迅速下降,圖中已無(wú)濃度較大的綠色和黃色.從 2 月20、25、27日APS日平均數(shù)濃度粒徑譜的比較圖（圖9）中可以看到,25日污染較20日嚴(yán)重,各粒徑段粒子的數(shù)濃度均大于 20日的數(shù)濃度,27日霧霾過(guò)程結(jié)束時(shí),小于2μm和大于3.5μm粒子的數(shù)濃度顯著下降,PM2.5質(zhì)量濃度從 25日的245μg/m3下降到74μg/m3,PM10質(zhì)量濃度從25日的363μg/m3下降到208μg/m3.

圖8　2014年2月19～28日APS粒子數(shù)濃度粒徑譜隨時(shí)間的演變Fig.8　Time series of aerosol particle number size distribution measured by the APS on 19～28 Febuary, 2014

2.2.2散射系數(shù)變化從2013年12月20～27日散射系數(shù)的變化來(lái)看（圖10,17～19日散射系數(shù)缺測(cè)）,隨著污染的逐步加重,紅、綠、藍(lán)散射系數(shù)由20日的943.7Mm-1、1106.8Mm-1、1283.7Mm-1逐步增大,24日污染最重時(shí)超過(guò)了1400Mm-1,能見(jiàn)度維持在2km左右,嚴(yán)重時(shí)降到2km以下.

2014年 2月 19～26日散射系數(shù)的變化與2013年12月17～25日的嚴(yán)重霾過(guò)程中散射系數(shù)的變化類似（圖11）,只是數(shù)值小得多.隨著污染的逐步加重,紅、綠、藍(lán)散射系數(shù)由 19日的235.9.7Mm-1、313.1Mm-1、401.7Mm-1逐步增大, 25日達(dá)到660Mm-1以上,能見(jiàn)度維持在6km左右,嚴(yán)重時(shí)降到6km以下.劉新罡等［23］分析了影響廣州市大氣能見(jiàn)度因子的貢獻(xiàn)比例,其中氣溶膠散射占 75.3%,姚青等［24］分析了天津城區(qū)春季大氣氣溶膠消光特性,表明觀測(cè)期間天津城區(qū)氣溶膠散射對(duì)大氣消光貢獻(xiàn)為 86.7%,徐政等［25］對(duì)濟(jì)南秋季霾與非霾天氣下氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的觀測(cè),表明霾天氣的氣溶膠散射系數(shù)為非霾天氣的2.8倍；有研究表明［26］,粒徑在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍（0.4～0.7μm）內(nèi)的氣溶膠粒子的消光作用最強(qiáng),在影響大氣能見(jiàn)度的粒子中,直徑為 0.1～1.0μm（積聚模態(tài)）粒子占有重要的地位.在上述粒徑譜的分析中看到,霧霾嚴(yán)重時(shí)粒徑＜1.0μm粒子的數(shù)濃度增加最明顯,散射系數(shù)的增加也很明顯,這就是這兩次霧霾期間能見(jiàn)度惡化的主要原因.

圖9　2014年2月20、25、27日APS監(jiān)測(cè)的日平均數(shù)濃度粒徑譜Fig.9　Daily mean aerosol number concentration as a function of particle size measured by the APS on 20, 25, 27 February 2014

圖10　2013年12月20～27日日平均散射系數(shù)變化Fig.10　The change of daily mean aerosol scattering coefficients on 20～27 December 2013

圖11　2014年2月19～26日日平均散射系數(shù)變化Fig.11　The change of daily mean aerosol scattering coefficients on 19～26 February 2014

3　結(jié)論

3.1西安市2013年12月17～25日和2014年2 月 20～26日霧霾過(guò)程中地面氣象要素的主要特點(diǎn)為,最大混合層高度低且變化小,有利于霧霾天氣的加強(qiáng)或持續(xù)；相對(duì)濕度高,有利于氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng),增加粒子的散射,降低能見(jiàn)度；地面風(fēng)速小,空氣流動(dòng)性差,污染物不易擴(kuò)散.

3.2霧霾發(fā)生時(shí)氣象要素的垂直變化特點(diǎn)為,近地層有逆溫或大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定,地面至3000m高空水汽多,相對(duì)濕度大,降低了大氣熱效率,有利于溫度層結(jié)穩(wěn)定的維持,不利于污染物的垂直擴(kuò)散,地面產(chǎn)生的氣溶膠被限制到低層；風(fēng)速小,加上關(guān)中盆地特殊地形的作用,污染物難以水平擴(kuò)散,有利于霧霾的穩(wěn)定發(fā)展與維持.

3.3APS觀測(cè)的 0.5～20μm的數(shù)濃度粒徑譜變化表明,霧霾過(guò)程中,粒徑在0.5～0.835μm之間的粒子的數(shù)濃度增加最明顯,霧霾后,小于 2μm和大于3.5μm粒子的數(shù)濃度下降顯著；SMPS觀測(cè)的 10～487nm的數(shù)濃度粒徑譜變化表明,霾過(guò)程中細(xì)粒子的數(shù)濃度主要集中在 30～300nm,且具有明顯的日變化特征,08：00～14：00、18：00～02：00為數(shù)濃度的大值時(shí)段,細(xì)粒子段污染物濃度的增加主要是由粒徑大于140nm以上的粒子引起的. 3.4嚴(yán)重霧霾時(shí),散射系數(shù)可以達(dá)到 1000Mm-1以上；散射系數(shù)的增加與小于1.0μm粒子的數(shù)濃度增加有關(guān),也是霧霾期間能見(jiàn)度惡化的重要原因之一.

［1］ 穆泉,張世秋.2013年1月中國(guó)大面積霧霾事件直接社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（11）：2087-2094.

［2］ 張小曳,孫俊英,王亞強(qiáng),等.我國(guó)霧～霾成因及其治理的思考 ［J］.科學(xué)通報(bào), 2013,58：1178-1187.

［3］ 朱佳雷,王體健,邢莉,等.江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機(jī)理分析 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31（12）：1943-1950.

［4］ 張人禾,李強(qiáng),張若楠.2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析 ［J］. 中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2014,44：27-36.

［5］ 曹偉華,梁旭東,李青春.北京一次持續(xù)性霧霾過(guò)程的階段性特征及影響因子分析 ［J］. 氣象學(xué)報(bào), 2013,71（5）：940-951.

［6］ 馮靜.高空逆溫層與鄭州地區(qū)霧霾天氣 ［J］. 能源與環(huán)境科學(xué), 2014,2：180-181.

［7］ 張小玲,唐宜西,熊亞軍,等.2014.華北平原一次嚴(yán)重區(qū)域霧霾天氣分析與數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn) ［J］. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào), 31（3）：337-344.

［8］ 張恒德,饒曉琴,喬林.一次華東地區(qū)大范圍持續(xù)霧過(guò)程的診斷分析 ［J］. 高原氣象, 2011,30（5）：1255-1261.

［9］ 顏鵬,劉桂清,周秀驥,等.上甸子秋冬季霧霆期間氣溶膠光學(xué)特性 ［J］. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2010,21（3）：257-265.

［10］ 姚青,蔡子穎,韓素芹,等.天津冬季霧霾天氣下顆粒物質(zhì)量濃度分布與光學(xué)特性 ［J］. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27（5）：462-469.

［11］ 袁亮,銀燕,于興娜,等.黃山夏季氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)分析［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（12）：2131-2139.

［12］ 王靜,牛生杰,許丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（2）：201-208.

［13］ Li Bengang, Yuan Huishi, Feng Nan, et al. Spatial and temporal variations of aerosol optical depth in China during the period from 2003 to 2006 ［J］. Inter. J. Remote Sensing, 2010,31（7）：1801-1817.

［14］ 王珊,修天陽(yáng),孫揚(yáng),等.1960～2012年西安地區(qū)霧霾日數(shù)與氣象因素變化規(guī)律分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34（1）：19-26.

［15］ 胡琳,蘇靜,陳建文,等.西安地區(qū)霾天氣特征及影響因素分析 ［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2014,V28,No.191（7）：41-45.

［16］ 張宏芳,張科翔,潘留杰,等.近51年陜西霧時(shí)空變化及大氣環(huán)流特征 ［J］. 氣象科技, 2013,41（4）：703-712.

［17］ 王式功,姜大膀,楊德保.蘭州市區(qū)最大混合層厚度變化特征分析 ［J］. 高原氣象, 2000,19（3）：363-370.

［18］ 饒曉琴,李峰,周寧芳,等.我國(guó)中東部一次大范圍霾天氣的分析 ［J］. 氣象, 2008,34（6）：89-96.

［19］ Liu Xingang, Zhang Yuanhang, Cheng Yafang, Hu Min, Han Tingting. Aerosol hygroscopicity and its impact on atmospheric visibility and radiative forcing in Guangzhou during the 2006PRIDE～PRD campaign ［J］. Atmos Environ, 2012,60：59-67, doi：10.1016/j.atmosenv.2012.0 6.016.

［20］ 李星敏,董自鵬,陳闖,等.陜西關(guān)中氣溶膠對(duì)大氣能見(jiàn)度的影響研究 ［J］. 高原氣象, 2014,3（5）：1289-1296.

［21］ 孫景群.能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的關(guān)系 ［J］. 氣象學(xué)報(bào), 1985,43（2）：230-234.

［22］ 賀千山,毛節(jié)泰.北京城市大氣混合層與氣溶膠垂直分布觀測(cè)研究 ［J］. 氣象學(xué)報(bào), 2005,6（3）：374-384.

［23］ 劉新罡,張遠(yuǎn)航,曾立民,等.廣州市大氣能見(jiàn)度影響因子的貢獻(xiàn)研究 ［J］. 氣候與環(huán)境研究, 2006,11（6）：733-738.

［24］ 姚青,韓素芹,蔡子穎,等.天津城區(qū)春季大氣氣溶膠消光特性研究 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32（5）：795-802.

［25］ 徐政,李衛(wèi)軍,于陽(yáng)春,等.濟(jì)南秋季霾與非霾天氣下氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的觀測(cè) ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31（4）：546-552.

［26］ 銀燕,陳晨,陳魁,等.黃山大氣氣溶膠微觀特性的觀測(cè)研究 ［J］. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2010,33（2）：129-136.

Meteorological factors and aerosol characteristics during two long-lasting fog/haze event in Xi′an.

YANG Wen-feng1, LI Xing-min2*, CHEN Chuang2, LIU Rui-fang3, DU Chuan-li2（1.Shaanxi Meteorological Bureau, Xi'an 710014, China；2.Meteorological Institute of Shaanxi Province, Xi'an 710014, China；3.Shaanxi Meteorological Observatory, Xi'an 710014, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2298～2306

Based on the meteorological and aerosol observed data, the change of wind, temperature ,humidity, aerosol mass concentration, particle size distribution and scatter coefficient had been analyzed in Xi`an on 17～25 December 2013 and 20～26 February 2014. These factors had an effect on the fog/Haze of formation, development and lasting. The results showed： By ASP observation, particle number concentration between 0.5μm and 0.835μm of aerodynamic diameter increased obviously during the formation and maintaining of fog/haze. After the process of fog/haze, the particle number concentration of aerodynamic diameter ＜2.0μm and ＞3.5μm decreased significantly. By SMPS observation, particle number concentration was mainly concentrated in 30nm～300nm of aerodynamic diameter and had obvious diurnal variation during the formation and maintaining of fog/haze, the time of large particle number concentration appeared from 8a.m. to 2p.m and from 6p.m to 2a.m. The increase of pollutant concentration was mainly related to the increase of number concentration of aerodynamic diameter＞140nm.The increase of scatter coefficient was related to the increase of number concentration of aerodynamic diameter＜1.0μm. This was one of the important factors which caused the visibility deterioration.

fog/haze；aerosol；particle number size distribution

X51

A

100-6923（2015）08-2298-09

2014-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（41375155）

* 責(zé)任作者, 正研級(jí)高級(jí)工程師, lixingmin803@163.com

楊文峰（1967-）,男,江西樟樹(shù)人,高級(jí)工程師,主要從事天氣氣候、環(huán)境氣象業(yè)務(wù)和科研工作.