靳璐濱 周蘆燕

摘要利用2014年南京市9個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溶膠資料和同期地面觀測(cè)站的能見(jiàn)度、相對(duì)濕度資料，對(duì)三者的關(guān)系進(jìn)行量化分析，采用線性和非線性的方法對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行一元和多元擬合。結(jié)果表明，2014年南京市日能見(jiàn)度大多數(shù)在1～3級(jí)（即2～10 km），PM2.5和PM10在入春、入夏、入冬時(shí)變化趨勢(shì)不同，其他月份趨勢(shì)相同；能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的月際變化趨勢(shì)相反。隨著能見(jiàn)度的降低，PM2.5、PM10的平均濃度和相對(duì)濕度均增加，能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的線性相關(guān)性最好，與PM2.5次之，與PM2.5～10的線性相關(guān)性最差。不同檔相對(duì)濕度范圍內(nèi)，大氣能見(jiàn)度和PM2.5、PM2.5～10的共同擬合的非線性關(guān)系好于單獨(dú)與PM2.5的擬合，擬合后的RMSE均在2.21 km以下。在相對(duì)濕度為40%～79%時(shí)的擬合效果高于相對(duì)濕度較大時(shí)的效果。不同季節(jié)能見(jiàn)度與PM2.5、PM2.5～10、相對(duì)濕度三者共同的非線性擬合，除夏季，R2均在0.72以上，好于以相對(duì)濕度分檔時(shí)的非線性擬合效果。

關(guān)鍵詞大氣能見(jiàn)度；氣溶膠；PM2.5；相對(duì)濕度；相關(guān)性

中圖分類號(hào)S16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-241-04

Influence of Aerosol and Relative Humidity on the Atmospheric Visibility in Nanjing City

JIN Lubin， ZHOU Luyan （Institute of Meteorology and Oceanography， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 211101）

AbstractUsing aerosol data of 9 environment quality monitoring site and visibility， relative humidity in Nanjing City in 2014， quantitative analysis was conducted on relationship among them， single element and multielement fitting was carried out on visibility by using linear and nonlinear method. The results showed that the trend of concentration of PM2.5 and PM10 is different in early spring， early summer and early winter， but same during the other months. The trend of visibility and relative humidity is opposite monthly. With the decrease of the visibility， the average concentrations of PM2.5 and PM10， and relative humidity are increased. The factor that the largest linear correlation coefficient between atmospheric visibility and the three is atmospheric visibility， then is PM2.5. In different relative humidity range， atmospheric visibility with PM2.5 and PM2.5～10 common nonlinear fitting is better than with PM2.5 individually， and the RMSE after fitting is under 2.21 km. The effect of fitting is better when relative humidity is 40%-79% than higher relative humidity. Atmospheric visibility and PM2.5， PM2.5～10， relative humidity for nonlinear fitting together in different seasons， except for summer， R2 are more than 0.72.

Key wordsAtmospheric visibility； Aerosol； PM2.5； Relative humidity； Correlation

大氣能見(jiàn)度[1]與人們的日常生活息息相關(guān)，特別是低能見(jiàn)度對(duì)氣候、環(huán)境、交通、健康、農(nóng)業(yè)等方面造成顯著的負(fù)面影響，給人們帶來(lái)諸多不便和各種危害。近年來(lái)，隨著大氣污染的加重，氣溶膠造成的霧霾天氣也越來(lái)越多。其中，高濃度的顆粒物是造成能見(jiàn)度下降的重要原因[2]，而不同粒徑的顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響有顯著的區(qū)別[3]；相對(duì)濕度也是影響大氣能見(jiàn)度的重要原因[4]。國(guó)外于20世紀(jì)60年代就開(kāi)展了能見(jiàn)度與大氣顆粒物濃度的研究[5-6]，70～80年代以來(lái)我國(guó)開(kāi)始有學(xué)者研究能見(jiàn)度與相對(duì)濕度、氣溶膠粒子濃度的關(guān)系[4，7-9]，如王京麗等[8]研究北京市四季能見(jiàn)度和細(xì)粒子質(zhì)量濃度的非線性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者存在負(fù)相關(guān)性，且夏季、冬季以指數(shù)關(guān)系為主，春季為乘冪關(guān)系，秋季呈對(duì)數(shù)關(guān)系；細(xì)粒子污染是造成大氣能見(jiàn)度降低的主要原因。姚劍等[9]比較不同粒徑大氣顆粒物質(zhì)量濃度與空氣水平能見(jiàn)度和顆粒物消光系數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，中值粒徑為0.40和0.65 μm的大氣顆粒物對(duì)能見(jiàn)度影響最顯著，中值粒徑為0.17、0.26、0.40和0.65 μm的大氣顆粒物對(duì)顆粒物消光系數(shù)影響最大。宋明等[10]分析天津大氣能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和顆粒物資料發(fā)現(xiàn)，不同相對(duì)濕度下大氣能見(jiàn)度與大氣顆粒物濃度相關(guān)性不同。研究能見(jiàn)度與顆粒物濃度、相對(duì)濕度之間的定量關(guān)系，對(duì)分析環(huán)境狀況、預(yù)報(bào)能見(jiàn)度、制訂環(huán)保措施和改善空氣質(zhì)量均有重要意義。筆者利用2014年南京市9個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溶膠資料和同期地面觀測(cè)站的能見(jiàn)度、相對(duì)濕度資料，對(duì)三者的關(guān)系進(jìn)行量化分析，采用線性和非線性的方法對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行一元和多元擬合，嘗試?yán)妙w粒物濃度，結(jié)合相對(duì)濕度對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行推算，為空氣質(zhì)量反算和能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)和參數(shù)化方案。

1資料和方法

1.1資料來(lái)源氣溶膠資料來(lái)自全國(guó)空氣質(zhì)量發(fā)布平臺(tái)的南京市2014年9個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)資料，包括PM2.5、PM10、SO2等逐小時(shí)監(jiān)測(cè)。能見(jiàn)度和相對(duì)濕度資料來(lái)自南京站（118.54°E、31.56°N）地面觀測(cè)逐小時(shí)常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀測(cè)時(shí)間為2014年1月1日00：00～12月31日23：00。由于氣溶膠資料和部分氣象資料的缺失，造成數(shù)據(jù)不匹配，剔除不合理數(shù)據(jù)后，處理為逐3 h匹配的數(shù)據(jù)，分別為每日的00：00、03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00，共8個(gè)時(shí)次，總樣本數(shù)為2 727。能見(jiàn)度通常分為6個(gè)等級(jí)，在此用0～5級(jí)來(lái)表示，當(dāng)能見(jiàn)度X≥10 km，定為等級(jí)0；6 km≤X<10 km，等級(jí)為1；4 km≤X<6 km，等級(jí)為2；2 km≤X<4 km，等級(jí)為3；1 km≤X<2 km，等級(jí)為4；X<1 km，等級(jí)為5。

1.2分析方法利用上述資料統(tǒng)計(jì)南京市2014年能見(jiàn)度情況，研究能見(jiàn)度和氣溶膠、相對(duì)濕度的逐月變化，以及不同等級(jí)能見(jiàn)度情況下氣溶膠和相對(duì)濕度的變化，并利用線性和非線性回歸方法，分析了不同相對(duì)濕度情況下能見(jiàn)度和氣溶膠的相關(guān)性，以及不同季節(jié)和全年情況下能見(jiàn)度和氣溶膠、相對(duì)濕度的擬合關(guān)系。

2結(jié)果與分析

2.12014年南京市能見(jiàn)度情況統(tǒng)計(jì)由圖1可見(jiàn)，2014年南京市全年能見(jiàn)度等級(jí)為0、4、5的天數(shù)均不超過(guò)20 d，而1級(jí)和2級(jí)的共有207 d，3級(jí)的有120 d。全年來(lái)看，南京市有2/3以上天數(shù)能見(jiàn)度均在2級(jí)以上，即能見(jiàn)度在6 km以下，說(shuō)明南京市能見(jiàn)度并不是很好。同時(shí)2014年南京市能見(jiàn)度等級(jí)主要集中在1、2、3級(jí)，即能見(jiàn)度主要集中在4～10 km。

2.2能見(jiàn)度、氣溶膠和相對(duì)濕度的月際變化從PM2.5、PM10和PM2.5～10的月際變化（圖2a）可以看出，大部分月份PM10和PM2.5變化趨勢(shì)一致，均是在冬季的1月份最高、夏季的8月份最低，但在入春、入夏、入冬時(shí)趨勢(shì)不同；冬季的高值主要是由于冬季邊界層高度偏低、大量的污染物聚集在邊界層內(nèi)，故冬季也是霧霾的高發(fā)季節(jié)；而夏季邊界層高度偏高，同時(shí)夏季降水多，增強(qiáng)了污染物的濕沉降，另外8月份的最低值與2014年南京青奧會(huì)的減排也有一定關(guān)系。PM10在春季（3～5月）也存在明顯的峰值，這可能與春季大風(fēng)造成的揚(yáng)沙或揚(yáng)塵有關(guān)，PM2.5～10在春季的峰值更顯著，說(shuō)明春季PM10的偏高主要來(lái)自大顆粒物的貢獻(xiàn)。相對(duì)濕度和能見(jiàn)度的月際變化（圖2b）顯示，能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的趨勢(shì)基本上是相反的，能見(jiàn)度出現(xiàn)極大值時(shí)相對(duì)濕度則出現(xiàn)極小值；夏季相對(duì)濕度最大，冬季相對(duì)濕度最小，但能見(jiàn)度在1和6月份最低，約4 km左右，這其中的原因是不同的，1月份能見(jiàn)度低是由氣溶膠濃度大引起的，而6月份能見(jiàn)度低是由相對(duì)濕度大引起的，6月份正處夏季，水汽多，氣溶膠濃度低，但易吸濕增長(zhǎng)。整個(gè)夏季的相對(duì)濕度均是比較高的，這就使得氣溶膠易吸濕增長(zhǎng)，造成能見(jiàn)度降低；春季，相對(duì)濕度較偏低，PM2.5的濃度也不是太高，因此能見(jiàn)度較好；秋季能見(jiàn)度較好，可能與南京市秋季上空的副高有關(guān)，同時(shí)秋季的PM2.5并不高；冬季的12月份，干燥，常有冷空氣侵入，氣溶膠顆粒物易受影響消散，能見(jiàn)度得以提升。

2.3能見(jiàn)度和影響因子的線性關(guān)系由以上分析可知，大圖22014年南京市PM2.5和PM10（a）、能見(jiàn)度和相對(duì)濕度（b）的月際變化序列

2014氣能見(jiàn)度受空氣中水汽、氣溶膠顆粒物等影響明顯。由不同等級(jí)能見(jiàn)度下PM2.5、PM10和相對(duì)濕度的變化（表1）可知，氣溶膠與能見(jiàn)度呈負(fù)相關(guān)，隨著大氣能見(jiàn)度的降低，PM2.5的濃度平均值逐漸變大，同時(shí)PM10的濃度平均值也是逐漸變大的。但PM10在能見(jiàn)度≥4 km時(shí)，濃度變化不大；在能見(jiàn)度<4 km時(shí)，PM10濃度變化較大。同時(shí)，在能見(jiàn)度降低的同時(shí)，相對(duì)濕度的平均值是逐漸增大的?？梢?jiàn)隨著能見(jiàn)度的降低，氣溶膠的濃度和相對(duì)濕度是逐漸增大的，說(shuō)明它們之間存在負(fù)相關(guān)性。

為了驗(yàn)證大氣能見(jiàn)度和氣溶膠、相對(duì)濕度之間的關(guān)系，現(xiàn)對(duì)能見(jiàn)度（VIS）分別與PM2.5、PM2.5～10、PM10、相對(duì)濕度（RH）進(jìn)行線性擬合，計(jì)算相關(guān)系數(shù)（r），并給出擬合后擬合值與實(shí)際觀測(cè)值的均方根誤差（RMSE）。由表2可見(jiàn)，不論是全年還是四季，能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的相關(guān)性最好，其次是與PM2.5、PM10，與PM2.5～10的相關(guān)性最差。大氣能見(jiàn)度與PM2.5～10在全年和春季的相關(guān)系數(shù)為正值；能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的RMSE比較穩(wěn)定，一直在2.5 km左右，較其他影響因子也是最小的。單個(gè)影響因子與能見(jiàn)度的相關(guān)性在不同季節(jié)是不一樣的。PM2.5與大氣能見(jiàn)度在冬季負(fù)相關(guān)最好，秋季次之，夏季最差；而PM2.5～10與大氣能見(jiàn)度在各個(gè)季節(jié)的相關(guān)性絕對(duì)值均小于0.12，是這幾個(gè)影響因子中相關(guān)性最差的；PM10與大氣能見(jiàn)度相關(guān)性大小按季節(jié)依別為冬季、秋季、夏季、春季；相對(duì)濕度與大氣能見(jiàn)度在春季相關(guān)性最強(qiáng)，秋季、冬季次之，夏季最弱。同一分組中，能見(jiàn)度與PM10的相關(guān)系數(shù)介于其與PM2.5和PM2.5～10，說(shuō)明PM2.5比PM2.5～10與能見(jiàn)度的相關(guān)性更好，也就是說(shuō)，在粒徑段為0～10 μm的顆粒物（PM10）中，對(duì)能見(jiàn)度有明顯影響作用的是粒徑段<2.5 μm的顆粒物（PM2.5），而粒徑段在2.5～10 μm的顆粒物（PM2.5～10）對(duì)能見(jiàn)度的影響作用不大。因此，下面將PM2.5～10作為一個(gè)變量，與PM2.5一樣，單獨(dú)分析其和能見(jiàn)度關(guān)系，而不再粗略地將PM10作為變量，以免重復(fù)分析PM2.5對(duì)能見(jiàn)度的影響。

2.4能見(jiàn)度和影響因子的非線性關(guān)系

為了能夠更準(zhǔn)確地研究能見(jiàn)度和影響因子之間的關(guān)系，得到更精確的擬合，現(xiàn)將相對(duì)濕度分為7個(gè)檔次（表3），對(duì)應(yīng)樣本數(shù)分別為162、173、223、320、353、595、901，分別統(tǒng)計(jì)了不同檔相對(duì)濕度時(shí)能見(jiàn)度和不同粒徑段氣溶膠的非線性相關(guān)關(guān)系。擬合公式為VIS=aexp（PMx/b）+c，其中，PMx為PM2.5或PM2.5～10，方程參數(shù)、擬合優(yōu)度（R2）和RMSE已給出。從表3可看出，就PM2.5來(lái)說(shuō)，相對(duì)濕度為60%～69%時(shí)，能見(jiàn)度與PM2.5的非線性相關(guān)性最大；隨著相對(duì)濕度的增大，能見(jiàn)度與PM2.5的相關(guān)性逐漸變小；而相對(duì)濕度為40%～49%、50%～59%時(shí)能見(jiàn)度與PM2.5的相關(guān)性比相對(duì)濕度為80%～89%時(shí)的好。對(duì)PM2.5～10來(lái)說(shuō)，能見(jiàn)度與其非線性相關(guān)性在相對(duì)濕度≤79%時(shí)比>79%時(shí)好；PM2.5也呈現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)。說(shuō)明在相對(duì)濕度較大的情況下，氣溶膠顆粒物對(duì)能見(jiàn)度的影響不再是首要因素。

為了在不同檔相對(duì)濕度時(shí)得出更好的擬合曲線，在此對(duì)與能見(jiàn)度進(jìn)行非線性擬合，擬合方程為VIS=aexp（PM2.5/b）+cexp（PM2.5～10/d）+f，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表4），在相對(duì)濕度較大的情況下能見(jiàn)度和氣溶膠顆粒的非線性相關(guān)性比相對(duì)濕度在40%～79%的相關(guān)性差；在相對(duì)濕度≥60%時(shí)，R2逐漸降低，但均比表3中任一擬合曲線的R2高；同時(shí)RMSE也有所降低。說(shuō)明將能見(jiàn)度與2種粒徑段氣溶膠顆粒物濃度同時(shí)非線性擬合的效果比與單個(gè)粒徑段氣溶膠顆粒物濃度好。

考慮到季節(jié)性差異和相對(duì)濕度與能見(jiàn)度相關(guān)性較大，將相對(duì)濕度作為影響因子加入非線性擬合方程進(jìn)行擬合分析，擬合方程為VIS=aexp（PM2.5/b）+cexp（PM2.5～10/d）+f RHg+h，并給出R2和RMSE來(lái)作為擬合優(yōu)劣的指標(biāo)。由表5可見(jiàn)，除夏季外，R2均在0.7以上；全年和四季的RMSE均不超過(guò)1.9 km，說(shuō)明所用的擬合方程對(duì)大氣能見(jiàn)度的非線性擬合還是有一定效果的。

3結(jié)論

利用氣溶膠和能見(jiàn)度資料，研究了2014年南京市能見(jiàn)度和氣溶膠、相對(duì)濕度之間的關(guān)系，主要有以下結(jié)論：

（1）南京市2014年的日能見(jiàn)度大多數(shù)在1～3級(jí)（即2～10 km），PM2.5和PM10在1～2、3～5、6～11月的月際變化趨勢(shì)相同，在入春、入夏、入冬時(shí)趨勢(shì)不同。PM2.5～10與PM10的趨勢(shì)基本一致。能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的月際變化趨勢(shì)則相反，能見(jiàn)度在3、5、12月出現(xiàn)極大值，相對(duì)濕度則出現(xiàn)極小值。

（2）隨著能見(jiàn)度的降低，PM2.5、PM10和相對(duì)濕度均增加，能見(jiàn)度與這些變量有明顯的負(fù)相關(guān)性。以季節(jié)為分組，將能見(jiàn)度與PM2.5、PM2.5～10、PM10和相對(duì)濕度分別進(jìn)行線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度與相對(duì)濕度的相關(guān)性最好，與PM2.5次之，與PM2.5～10的相關(guān)性最差；能見(jiàn)度與PM10的相關(guān)性介于能見(jiàn)度與PM2.5和PM2.5～10之間；無(wú)論哪種線性擬合，線性擬合后的RMSE均在2.44 km以上，就季節(jié)看，在秋冬季節(jié)擬合好于春夏季。

（3）在不同相對(duì)濕度范圍內(nèi)，能見(jiàn)度與PM2.5和PM2.5～10的非線性擬合明顯好于能見(jiàn)度單獨(dú)與PM2.5的非線性擬合，且同檔相對(duì)濕度范圍的RMSE普遍也有降低；與PM2.5的RMSE均在2.21 km以下，與PM2.5～10的RMSE均在2.04 km以上。說(shuō)明將2種顆粒物與能見(jiàn)度共同進(jìn)行非線性擬合的效果好。同時(shí)，在相對(duì)濕度為40%～79%時(shí)的擬合效果高于相對(duì)濕度較大時(shí)的效果。

（4）不同季節(jié)時(shí)，將能見(jiàn)度與PM2.5、PM2.5～10、相對(duì)濕度三者共同進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除夏季，R2均在0.72以上，好于以相對(duì)濕度分檔時(shí)的非線性擬合效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國(guó).大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003：451.

[2] 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（4）：468-471.

[3] 吳兌，鄧雪嬌，畢雪巖，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（1）：1-6.

[4] 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（2）：230-234.

[5] NOLL K E，MUELLER P K，IMADA M. Visibility and aerosol concentration in urban air[J].Atmospheric environment，1968， 2（5）： 465-475.

[6] CHARLSON R J. Atmospheric visibility related to aerosol mass concentration： A review[J]. Environmental science & technology， 1969， 3（10）： 913-918.

[7] 蘇維瀚，張秋彭，沈濟(jì)，等.北京地區(qū)大氣能見(jiàn)度與大氣污染的關(guān)系初探[J].大氣科學(xué)，1986（2）：138-144.

[8] 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（2）：221-228.

[9] 姚劍，王廣華，林俊，等.上海市大氣顆粒物與能見(jiàn)度的關(guān)系[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010（4）：17-21.

[10] 宋明，韓素芹，張敏，等.天津大氣能見(jiàn)度與相對(duì)濕度和PM10及PM2.5的關(guān)系[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013（2）：34-41.