于 超，張 蕾

（南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，南京 210044）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、人類活動的加劇以及城市化進程的加快，以資源消耗為主的經(jīng)濟增長方式帶來的霾污染等大氣環(huán)境問題越發(fā)突出（尤其是中東部地區(qū)）[1-3]。近二十年來我國大氣環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，空氣質(zhì)量下降，嚴(yán)重的視程障礙天氣出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，影響范圍越來越廣[4-5]?，F(xiàn)如今我國嚴(yán)重的大氣環(huán)境問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并且對人類生活產(chǎn)生了很大的影響[6-8]。低能見度事件的頻繁出現(xiàn)對國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，并且對人類的衣食住行產(chǎn)生深遠影響。各種交通工具對能見度的依賴日益增加，低能見度條件下高速公路上惡性交通事故時有發(fā)生[9]。大氣低能見度問題已經(jīng)成為我國甚至全球面臨的主要環(huán)境問題之一，對大氣能見度影響因子的研究也是現(xiàn)今一個科學(xué)研究熱點。

南京是長三角城市群最重要的城市之一，城市化、工業(yè)化進程很快，同時空氣質(zhì)量也日益惡化，低能見度事件更加頻繁發(fā)生?；谖覈髿猸h(huán)境現(xiàn)狀，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者都致力于能見度影響因子研究，并取得了大量的成果。吳兌[10]、陳靜等[5]就中國的能見度工作進行了概述，他們認為由于人類活動產(chǎn)生的氣溶膠污染尤其細粒子造成的能見度惡化事件不斷增加，灰霾天氣也迅速增加。大氣能見度的變化既受到氣象條件的制約[11-12]，也受到大氣中顆粒物消光的影響[13-15]。當(dāng)下對南京能見度的研究主要集中在其時空特征[16-18]，或者基于時間跨度較短的觀測實驗來分析其影響因子[19-21]，缺乏基于長時間序列資料的能見度影響因子的分析研究。針對南京當(dāng)下能見度問題研究的匱乏和必要性，筆者通過分析2013年5月至2014年5月的常規(guī)氣象資料和同期顆粒物采樣資料，研究南京能見度的影響因子并識別導(dǎo)致南京低能見度事件發(fā)生的主要化學(xué)組分，以期對南京的大氣環(huán)境治理與控制方案提供技術(shù)支持。

1 資料和方法

本研究所使用2013年5月1日至2014年5月31日的氣象要素數(shù)據(jù)均來源于中國氣象局綜合觀測培訓(xùn)實習(xí)基地（南京），位于南京信息工程大學(xué)校內(nèi)（118°E，32°N），數(shù)據(jù)主要包括能見度（VR）、溫度（T）、濕度（RH）、風(fēng)速（WS），時間分辨率為1 h；PM2.5各化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)來源于同一校區(qū)的氣象樓12樓頂Andersen－Ⅱ型9級撞擊采樣器的觀測結(jié)果，時間分辨率為1 d。

膜采樣實驗是在四個季節(jié)內(nèi)選取典型時間進行連續(xù)觀測，時間段為2013年5月18日至2013年7月17日、2013年10月15日至2013年11月13日、2013年12月30日至2014年1月23日和2014年4月17日至2014年5月15日。采樣器每次工作時間約為23 h（9：00至次日的8：00），樣品采集后均在冰箱冷凍避光保存至分析。用微量天平（Mettler Toledo MX5）稱取采樣前后膜的質(zhì)量，獲取顆粒物濃度數(shù)據(jù)。樣品中的 Na+，NH4+，Mg2＋，K+，Ca2+，F(xiàn)－，Cl－，SO42－，NO3－9種主要水溶性離子濃度的測量使用850 professional IC型色譜儀（瑞士萬通公司），測量原理詳見文獻[22]。樣品中的碳組分有機碳（OC）和元素碳（EC）的分析采用熱光反射法（TOR），分析儀器為Model 2001型熱光碳分析儀（美國沙漠研究所），測量原理見文獻[23]。所測數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，化學(xué)分析實驗均進行空白實驗，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 能見度季節(jié)變化與日變化特征

統(tǒng)計分析2013—2014年南京北郊能見度自動觀測數(shù)據(jù)，其年平均能見度僅為6.78 km。圖1是南京北郊能見度日均值時間序列圖，能見度主要集中于5 km左右，與侯靈等[18]分析南京歷史能見度數(shù)據(jù)資料相比較，能見度明顯處于下降趨勢，南京的空氣質(zhì)量狀況不容樂觀。能見度月均值在7—8月均超過10 km，分別為12.3 km和10.7 km，其中7月空氣質(zhì)量最好；而在12月能見度水平最差，僅為4.4 km。能見度低于5 km的事件在春夏秋冬4個季節(jié)發(fā)生的頻率分別為46.7%，14.1%，37.4%和62.2%，低能見度事件更容易在冬季發(fā)生。這可能與冬季大氣邊界層條件及大氣擴散能力有關(guān)。

圖1 觀測期間南京北郊平均能見度逐日變化Fig.1 Daily variation of average visibility in the northern suburb of Nanjing during the observation period

對自動站觀測氣象數(shù)據(jù)進行處理，得到觀測期間南京北郊能見度與溫度、相對濕度、風(fēng)速日變化，如圖2所示。南京北郊能見度日變化呈現(xiàn)出明顯單峰型分布，即在午后（約14：00時）出現(xiàn)峰值，清晨（約07：00時）出現(xiàn)谷值。從能見度變化幅度來看，夜間能見度變化范圍明顯比白天低，這可能與地氣系統(tǒng)輻射收支有關(guān)系。能見度日變化規(guī)律與溫度、風(fēng)速變化一致，與相對濕度變化相反。可能是由于夜間地面向上長波輻射冷卻作用使近地面降溫，容易出現(xiàn)穩(wěn)定逆溫層結(jié)，再加上風(fēng)速低濕度大，大氣顆粒物不容易擴散，導(dǎo)致低能見度出現(xiàn)[24]。

圖2 觀測期間南京北郊能見度與溫度、相對濕度、風(fēng)速日變化Fig.2 Daily variation in visibility,temperature,relative humidity,and wind speed in the northern suburb of Nanjing during the observation period

2.2 能見度影響因子

PM2.5質(zhì)量濃度和氣象條件的變化對能見度水平具有顯著的影響。對氣象資料、能見度數(shù)據(jù)以及PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進行異常值處理后，獲取有效數(shù)據(jù)共474 6組，進行相關(guān)分析后得到如表1的分析報告。研究表明能見度與PM2.5質(zhì)量濃度、相對濕度呈現(xiàn)負相關(guān)，與氣溫、風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，且通過99%的顯著性檢驗，這與西安[25]、北京[26]、廣州[27]、上海[28]等地研究結(jié)果一致。其中PM2.5質(zhì)量濃度、相對濕度、風(fēng)速與能見度的相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)性較其他氣象因子顯著，而溫度對能見度影響相對較小。

表1 2013年5月1日至2014年5月31日能見度與部分氣象要素、PM2.5相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between visibility and partial meteorologicalelements,PM2.5fromMay1,2013toMay31,2014

圖3的散點圖描述了能見度與相對濕度、風(fēng)速以及PM2.5質(zhì)量濃度三者間關(guān)系，顏色表征相對濕度，圖標(biāo)大小表示風(fēng)速大小的變化。能見度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出顯著負相關(guān)（r=-0.476），這種變化在20世紀(jì)60年代便總結(jié)出[29]，近年大量研究表明能見度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出負指數(shù)關(guān)系[25，30]，南京能見度與PM2.5質(zhì)量濃度擬合方程VR=9.69 · exp（-0.013PM2.5）+1.08滿足負指數(shù)關(guān)系，PM2.5質(zhì)量濃度的增加將直接導(dǎo)致能見度的降低。由于氣溶膠粒子的吸濕增長，相對濕度增大能加強氣溶膠消光進而使得能見度降低[29]。高相對濕度對低能見度天氣有很大的貢獻。當(dāng)相對濕度高于70%，研究期間絕大部分能見度小于5 km，這與表1相對濕度與能見度的相關(guān)性檢驗的結(jié)果（r=-0.628）相吻合。在低相對濕度期間能見度較好，但是隨著濕度增加能見度顯著減小。風(fēng)速呈現(xiàn)出左大右小、上大下小的變化特征，風(fēng)速與能見度變化具有一致性（r=0.338）。從圖3可以看出能見度低于5 km的天氣往往與低于3 m/s風(fēng)速同時出現(xiàn)。較大的風(fēng)速還與低的PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)，反映風(fēng)速影響細粒子的擴散，當(dāng)風(fēng)速增加時，由于懸浮在大氣中的顆粒物受到較強擴散和輸送作用而使其質(zhì)量濃度降低，導(dǎo)致能見度升高。高的相對濕度和低的風(fēng)速是南京低能見度事件發(fā)生的主要氣象條件。

圖3 觀測期間能見度、相對濕度、風(fēng)速、PM2.5質(zhì)量濃度散點圖Fig.3 Scatter plot of visibility,relative humidity,wind speed,and mass concentration of PM2.5during the observation period

2.3 PM2.5化學(xué)組分對能見度的影響

PM2.5質(zhì)量濃度的變化對能見度具有重要作用，而其不同化學(xué)組分對能見度的影響存在差異。其化學(xué)組分主要包括無機組分（可溶性的硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽以及不溶的地殼物質(zhì)和痕量元素等）和碳組分（主要指OC和EC）。深入分析采樣的各種化學(xué)組分質(zhì)量濃度與能見度的相關(guān)性。南京北郊主要無機鹽離子與能見度均呈現(xiàn)出負相關(guān)，其中NH4+（r=-0.684），SO42－（r=-0.639），NO3－（r=-0.590），Cl－（r=-0.388），K+（r=-0.205）與能見度相關(guān)性更為顯著（P＜0.01），而Na+（r=-0.075）、Mg2+（r=-0.084），Ca2+（r=-0.054），F(xiàn)-（r=-0.012）同能見度變化相關(guān)程度較低。從相關(guān)系數(shù)可以看出無機離子中對能見度影響較大的主要是NH4+，SO42－，NO3－（合稱SNA），其他離子貢獻相對較小。碳成分（OC、EC）與能見度也表現(xiàn)出明顯負相關(guān)關(guān)系（r=-0.316），相關(guān)性顯著（P＜0.01）。

本研究分析了不同能見度條件下化學(xué)組分的比例，發(fā)現(xiàn)顆粒物中二次無機鹽離子（SNA）占比為51.2%，碳組分（OC和EC）所占比例為28.3%，其余的陰離子（F－、Cl－和NO3－）和其余陽離子（Na+，K+，Mg2＋和Ca2+）所占比例分別為11.9%和8.6%。圖4為不同能見度條件下顆粒物中各化學(xué)組分占比情況。低能見度日SNA所占比例高達56.5%，隨著能見度增加，SNA的比例顯著下降。碳組分所占比例隨能見度變化較小，而其余的陰離子和陽離子所占比例隨能見度增加而增加，在能見度大于10 km后，其比例達到27.1%。提示SNA是顆粒物化學(xué)組分中對能見度影響最大的組分，其次為碳組分。大氣中SNA的增加是南京北郊能見度降低的重要原因。

圖4 不同能見度下細顆粒物中化學(xué)組分比例Fig.4 Proportion of chemical components in fine particles under different visibility condition

3 結(jié)論

筆者利用南京2013年5月至2014年5月的能見度、相對濕度、溫度等氣象要素數(shù)據(jù)、顆粒物濃度及其化學(xué)組分等觀測數(shù)據(jù)進行分析研究，得到以下結(jié)論：研究期間南京年平均能見度為6.78 km，其中7月空氣質(zhì)量最好，12月最差。低能見度事件在冬季發(fā)生得更頻繁。相對濕度和風(fēng)速是影響能見度的主要氣象因子，而大氣中細顆粒物的增加是能見度降低的主要原因。能見度與風(fēng)速具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與相對濕度和PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著的負相關(guān)。顆粒物中不同化學(xué)組分對能見度的影響不同，隨著能見度的降低SNA比例持續(xù)增加，大氣中SNA增加是南京北郊能見度降低的重要原因。