何佳寶，周 軍，江 琪，劉貴榮，冀建樹，孫 玉

1.寧波市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 寧波 315012 2.國(guó)家氣象中心，北京 100081 3.揚(yáng)州市氣象局，江蘇 揚(yáng)州 225009

能見度是氣象觀測(cè)的常規(guī)要素，氣象上一般定義為在白天，視力正常的人(對(duì)比感閾為0.05)在相應(yīng)的天氣條件下，能夠從天空背景下看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大水平距離；或者在夜間，視力正常的人能看到和確認(rèn)出一定強(qiáng)度燈光的最大水平距離[1]。它反映了大氣渾濁的程度，是表征近地表大氣污染程度的一個(gè)重要參量，因此在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的實(shí)際意義，且是判斷灰霾的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，為了改善灰霾，追蹤灰霾成因，分析能見度的影響因素很有必要。

氣溶膠顆粒物的消光作用被認(rèn)為是影響對(duì)流層大氣能見度的主要因素，此外，氣象條件(如濕度、風(fēng)速、溫度等)也是不可忽視的原因[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于能見度及相關(guān)的影響因素已進(jìn)行了大量的研究。王京麗等[3]分析了北京市的能見度與PM2.5質(zhì)量濃度在不同季節(jié)時(shí)的定量關(guān)系，相對(duì)濕度(RH)不同，PM2.5質(zhì)量濃度與能見度的相關(guān)性也不同。LI等[4]研究表明，大氣能見度的起伏變化是氣溶膠顆粒與氣象條件共同作用的結(jié)果，它們對(duì)于大氣能見度有制約關(guān)系也有促進(jìn)關(guān)系，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，不同天氣條件、不同時(shí)間段內(nèi)，各因素的作用效果不同。

筆者通過觀測(cè)分析，了解了寧波市秋冬季大氣能見度的特征及其與氣象要素、大氣顆粒物的關(guān)系，建立了大氣能見度與影響因子的回歸方程，分析了各項(xiàng)因子的影響權(quán)重，從而為寧波市環(huán)境空氣質(zhì)量及大氣能見度的改善提供一定參考。

1 儀器與設(shè)備

研究所用觀測(cè)儀器位于寧波市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂?shù)淖詣?dòng)監(jiān)測(cè)站，能見度觀測(cè)儀器為Model 6000型前向散射式能見度儀(美國(guó))，PM2.5觀測(cè)

儀器為SHARP 5030顆粒物同步混合監(jiān)測(cè)儀(美國(guó))，溫度、濕度、風(fēng)速等氣象參數(shù)來自WS 600一體式氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(德國(guó))。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣能見度與PM2.5濃度的一般特征

研究分析數(shù)據(jù)選取2014年11月4日—2015年2月6日的PM2.5濃度、溫度、濕度、風(fēng)速以及能見度的觀測(cè)結(jié)果，時(shí)間分辨率的單位為d和h。整個(gè)觀測(cè)期間大氣能見度、RH、溫度、風(fēng)速及PM2.5濃度的時(shí)間序列變化情況見圖1。該段時(shí)間寧波市大氣能見度的變化范圍為2.6～27.6 km，均值為11.6 km。最低值(2.6 km)出現(xiàn)在2015年1月26日，查看寧波市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)級(jí)別為五級(jí)，為重度污染，首要污染物為PM2.5。最高值(27.6 km)出現(xiàn)在2015年1月1日，該日AQI級(jí)別為二級(jí)，良，首要污染物為PM10。

圖1 觀測(cè)期間大氣能見度、RH、溫度、風(fēng)速及PM2.5濃度的日變化

能見度是判斷灰霾的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。一般認(rèn)為，RH小于80%時(shí)的大氣混濁導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的，RH大于95%時(shí)的大氣混濁導(dǎo)致的能見度惡化是霧造成的，RH介于80%～95%時(shí)，大氣混濁導(dǎo)致的能見度惡化是霧和霾共同作用造成的[6]。因此對(duì)于霾日的判斷一般是在能見度小于10 km的前提下，以RH來作為霾的判斷依據(jù)，不同的學(xué)者判定霾的RH有所不同，目前常用的4種霾日判別方法[7-8]在表1列出。按照表1中的方法二分析，觀測(cè)期間寧波市能見度低于10 km的天數(shù)有43 d(缺測(cè)3 d)，在這期間，RH低于80%的有30 d，故按方法二判斷出觀測(cè)期間的霾日共30 d，發(fā)生概率為31.6%。單獨(dú)對(duì)30個(gè)霾日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)霾日的能見度均值為6.6 km，比整個(gè)觀測(cè)期間的平均水平(11.6 km)低5 km。

表1 霾日判別標(biāo)準(zhǔn)

觀測(cè)期間，PM2.5質(zhì)量濃度變化范圍為19～199 μg/m3之間，均值為76 μg/m3，該平均水平比《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)所規(guī)定的PM2.5濃度限值標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)高出了1 μg/m3。霾日期間PM2.5的平均質(zhì)量濃度為111 μg/m3，達(dá)到了輕度污染級(jí)別，比整個(gè)觀測(cè)期間的平均水平(76 μg/m3)高出35 μg/m3。圖2為整個(gè)觀測(cè)期間PM2.5的濃度頻率分布圖。

圖2 整個(gè)觀測(cè)期間PM2.5濃度頻率分布

由圖2可見，PM2.5濃度出現(xiàn)在65～85 μg/m3范圍內(nèi)的頻率最高。濃度在85 μg/m3以下時(shí)，頻率隨濃度的增大整體呈上升趨勢(shì)；當(dāng)濃度超過85 μg/m3后，頻率整體呈下降趨勢(shì)，下降速率越來越緩慢，當(dāng)濃度達(dá)到155 μg/m3以上時(shí)，頻率基本維持在很低的水平。而根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)規(guī)定，PM2.5日均濃度為35 μg/m3以下為一級(jí)(優(yōu))，35～75 μg/m3為二級(jí)(良)，75～115 μg/m3為三級(jí)(輕度污染)，115～150 μg/m3為四級(jí)(中度污染)，150～250 μg/m3為五級(jí)(重度污染)，250～500 μg/m3為六級(jí)(嚴(yán)重污染)。圖2反映的環(huán)境意義即觀測(cè)期間寧波市的空氣質(zhì)量出現(xiàn)重度污染以上的概率很小，輕度污染的概率最大，且介于輕度污染與重度污染之間時(shí)，污染越重，發(fā)生的概率越??；而在輕度污染以下時(shí)，濃度越大，概率越大。

此外，圖3為霾日期間的PM2.5濃度分布情況，與整個(gè)觀測(cè)期間的PM2.5濃度分布情況(圖2)明顯不同，霾日PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)在100～120 μg/m3范圍內(nèi)的頻率最高，其次為120～140 μg/m3，濃度超過140 μg/m3的高值情況很少。

圖3 霾日期間PM2.5濃度頻率分布

2.2 能見度與PM2.5、氣象要素的關(guān)系

從圖1中各參數(shù)的時(shí)間序列變化情況看，能見度與濃度的逐日變化起伏明顯，呈現(xiàn)震蕩式變化。能見度高于20 km的情況一般不會(huì)持續(xù)2 d及以上，且兩者呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，能見度的高值一般對(duì)應(yīng)著PM2.5濃度的低值，這是因?yàn)榇髿釶M2.5對(duì)能見度起著主導(dǎo)的消光作用，一般PM2.5濃度越大，大氣消光作用越強(qiáng)，能見度越低。

進(jìn)一步通過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算出能見度、RH、溫度、風(fēng)速及PM2.5濃度的兩兩相關(guān)系數(shù)(表2)。能見度與PM2.5顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.72)；能見度與濕度也呈較明顯的負(fù)相關(guān)(r=-0.65)，濕度越大，氣溶膠吸濕增長(zhǎng)越明顯，對(duì)可見光的消光作用越強(qiáng)；而能見度與溫度、風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系不明顯；之所以風(fēng)速與PM2.5濃度的相關(guān)性不明顯，是由于風(fēng)對(duì)顆粒物的影響不僅與風(fēng)速有關(guān)，還需考慮風(fēng)向的因素，不同風(fēng)向帶來的氣團(tuán)可能起到稀釋作用也可能是污染疊加的作用，前者情況下，風(fēng)帶來潔凈氣流，風(fēng)速越大，對(duì)顆粒物的稀釋作用越強(qiáng)，風(fēng)速與濃度呈負(fù)相關(guān)，而后者，風(fēng)帶來外來污染物時(shí)，風(fēng)速越大，引起污染物的疊加越嚴(yán)重，此時(shí)風(fēng)速與濃度呈正相關(guān)關(guān)系，一般來說，某地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列情況下，風(fēng)速與濃度的關(guān)系同時(shí)存在以上2種情況。本研究由于對(duì)觀測(cè)期間的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)存在缺測(cè)情況，故此處未能對(duì)整個(gè)觀測(cè)期間寧波市受本地及外來污染的情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

表2 能見度、RH、溫度、風(fēng)速及PM2.5濃度的相關(guān)關(guān)系

注：“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

對(duì)于能見度的下降，污染物的排放是內(nèi)因，氣象條件是外因[9-10]。研究表明，除氣溶膠外的諸多氣象因素中，RH對(duì)能見度的影響較大[11]?？諝庵械乃龆鄷?huì)造成某些吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子長(zhǎng)大，不同的RH下，氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)的程度不同。高RH下，氣溶膠會(huì)因吸濕增長(zhǎng)而增強(qiáng)對(duì)能見度的消光作用[12-13]。因此，同樣的氣溶膠濃度，在不同的RH下，會(huì)對(duì)能見度造成不一樣的影響。圖4給出了觀測(cè)期間寧波市能見度、RH與PM2.5質(zhì)量濃度散點(diǎn)圖，以上結(jié)論在該圖中得以體現(xiàn)。

圖4 能見度、RH及PM2.5質(zhì)量濃度散點(diǎn)關(guān)系

圖4中，能見度為10 km的臨界點(diǎn)上，PM2.5的質(zhì)量濃度值對(duì)應(yīng)為67.5 μg/m3。針對(duì)不同濕度段分別進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，不同濕度段能見度為10 km對(duì)應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度臨界值不同(表3)。當(dāng)RH≤50%時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度臨界值為112.7 μg/m3；50%80%時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度臨界值為31.9μg/m3。因此，在秋冬季，為使寧波市的大氣能見度達(dá)到10 km以上，在不同濕度情況下需進(jìn)行不同程度的顆粒物減排控制，濕度越大，顆粒物減排控制力度需越大。

表3 不同RH范圍時(shí)能見度10 km對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度臨界值

2.3 大氣能見度回歸方程及影響因子權(quán)重分析

研究表明，氣溶膠粒子通常在RH大于35%左右時(shí)，就可以吸附水汽凝結(jié)增長(zhǎng)，當(dāng)RH大于60%時(shí)，氣溶膠粒子吸附水汽增長(zhǎng)更加明顯，具有吸濕性的氣溶膠粒子的粒徑和形狀會(huì)發(fā)生顯著的變化，增強(qiáng)了氣溶膠的消光能力[14]。RH為65%～95%之間時(shí)，其對(duì)氣溶膠粒子群體光學(xué)特性參數(shù)和太陽增溫率的影響在量級(jí)上可與氣溶膠粒子濃度成倍變化的影響相比擬。

為進(jìn)一步分析PM2.5及氣象因素對(duì)能見度的影響，依據(jù)氣溶膠的吸濕性，將RH分為3檔，0150 μg/m3。討論不同的RH下，能見度與PM2.5和氣象因素的關(guān)系(表4)。

表4 不同濕度、不同PM2.5濃度范圍的能見度回歸方程

注:表中y表示大氣能見度，x1表示PM2.5質(zhì)量濃度，x2表示RH，x3表示溫度。

表4采用標(biāo)準(zhǔn)化變量擬合方法得到了多組能見度的多元線性回歸方程，顯著性都通過了0.01置信檢驗(yàn)。表4顯示，PM2.5與RH的權(quán)重系數(shù)均為負(fù)，而溫度的權(quán)重系數(shù)有正有負(fù)，說明PM2.5濃度和RH總是與能見度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而溫度對(duì)能見度的影響存在不確定性。具體來說，RH≤30%時(shí)，PM2.5權(quán)重最大，PM2.5對(duì)能見度的影響起主要作用，且隨著PM2.5濃度的增加，RH的權(quán)重有所增加；當(dāng)30%60%時(shí)，總是RH權(quán)重最大，且與30%

綜上，不同RH、不同PM2.5濃度下能見度的影響因子貢獻(xiàn)權(quán)重明顯不同，且權(quán)重變化遵循一定的規(guī)律，基于以上分析，寧波市秋冬季改善霾日、提高能見度應(yīng)在不同情況下有針對(duì)性地控制權(quán)重大的影響因子。

3 結(jié)論

寧波市秋冬季大氣能見度均值為11.6 km，高于霾日標(biāo)準(zhǔn)值(10 km)，PM2.5質(zhì)量濃度均值為76 μg/m3，超出國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)，PM2.5質(zhì)量濃度為65～85 μg/m3時(shí)的頻率最高。觀測(cè)期間，霾發(fā)生概率為31.6%，霾日的能見度均值為6.6 km，霾日的PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)頻率最高的范圍是100～120 μg/m3，濃度超過140 μg/m3的霾日很少。

能見度隨著PM2.5質(zhì)量濃度增大呈指數(shù)下降，且在相同的PM2.5質(zhì)量濃度情況下，RH越大，能見度越低。能見度為10 km的臨界點(diǎn)上，PM2.5的質(zhì)量濃度值對(duì)應(yīng)為67.5 μg/m3。不同RH時(shí)，能見度為10 km對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度臨界值不同，濕度越高，臨界值越低。因此，為提高能見度，濕度越大，顆粒物減排控制力度需越大。

能見度的回歸方程進(jìn)一步表明，不同RH、不同PM2.5濃度下，能見度影響因子的權(quán)重分布明顯不同，且權(quán)重變化遵循一定的規(guī)律。低相對(duì)濕度(RH≤30%)時(shí)，PM2.5權(quán)重最大；高相對(duì)濕度(RH>60%)時(shí)，權(quán)重最大的總是RH；30%

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