深圳市大氣能見(jiàn)度影響因子研究

梁永賢，尹魁浩，顏 敏，劉寶章

(1．深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518001;2．北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100871)

1 大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)［1］

大氣能見(jiàn)度是指大氣的清澈程度和清楚地看到遠(yuǎn)處目標(biāo)物的可能性，白天的能見(jiàn)度 (V)是在水平方向肉眼能看到的黑色目標(biāo)物的最遠(yuǎn)距離 (單位用m或km表示)。這個(gè)距離與大氣組分及其光學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系，普通大氣包含氣體、液態(tài)和固態(tài)顆粒物，稱(chēng)之為大氣氣溶膠。大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)由其中各組分的光吸收、光散射的物理性能所決定，也就是由消光系數(shù) (bext)所決定。

其中:bsg、bsp、bsw分別表示氣體、干粒子、水粒子的散射系數(shù);bag、bap分別表示氣體和粒子的吸收系數(shù)。

Koschmieder認(rèn)為消光系數(shù)與能見(jiàn)度的關(guān)系為:

R．penndorf提出清潔空氣分子氣溫在20℃、氣壓在1013.25hpa條件下，消光系數(shù)為:

則清潔空氣能見(jiàn)距離應(yīng)為343.16km。

在大氣中氣體對(duì)光的吸收主要發(fā)生在紅外及微波波段，大氣中對(duì)可見(jiàn)光的的吸收主要是NO2，其吸收系數(shù):

氣溶膠粒子對(duì)光的吸收主要是碳黑 ［CB］，其吸收系數(shù):

式中碳黑和二氧化氮的濃度單位為μg/m3。

用多元回歸分析法可得出氣溶膠粒子和光散射系數(shù)之間的關(guān)系為:

其中:［S］代表 (NH4)2SO4，

［C］代表有機(jī)碳和元素碳 (基碳)，

［R］代表顆粒物中扣除上述

(NH4)2SO4和有機(jī)碳和元素碳 (基碳)后的其他剩余的顆粒物。

根據(jù)上述方程和1984年某地實(shí)測(cè)氣體和氣溶膠濃度可以計(jì)算出每種成分對(duì)消光系數(shù)的貢獻(xiàn)［1］。

表1 1984年6月監(jiān)測(cè)的顆粒物與氣體對(duì)消光系數(shù)的貢獻(xiàn)率

表2 1984年12月監(jiān)測(cè)的顆粒物與氣體對(duì)消光系數(shù)的貢獻(xiàn)率

從圖1可以看出，硫酸鹽+水對(duì)消光系數(shù)貢獻(xiàn)最大，含炭化合物次之，兩者之和占到80%。近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為影響大氣能見(jiàn)度的主要物質(zhì)是:顆粒物、硫酸鹽、硝酸鹽和碳黑。各組分的貢獻(xiàn)大小與當(dāng)?shù)匚廴绢?lèi)型有關(guān)，近年有不少研究針對(duì)不同城市的污染特征對(duì)能見(jiàn)度和大氣污染的關(guān)系進(jìn)行了有益探討［2～9］。有研究指出，硫酸鹽對(duì)能見(jiàn)度降低貢獻(xiàn)的百分比是它在顆粒物中重量百分比的兩倍。若它的重量占整個(gè)顆粒物的10%，則它對(duì)消光系數(shù)貢獻(xiàn)為20%，說(shuō)明硫酸鹽對(duì)能見(jiàn)度影響較為突出;氣溶膠中的含炭化合物對(duì)能見(jiàn)度降低的貢獻(xiàn)僅次于硫酸鹽，居第二位。

2 深圳市近年來(lái)大氣污染物濃度及能見(jiàn)度變化狀況［10］

大氣能見(jiàn)度作為大氣透明度程度的一種表示方式，不僅可以反映區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量，而且與城市居民日常生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。隨著深圳經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口迅速增加，隨之而來(lái)的機(jī)動(dòng)車(chē)也急速增加，近十年來(lái)深圳市大型企業(yè)的生產(chǎn)方式和能源結(jié)構(gòu)有非常大的調(diào)整，三項(xiàng)主要污染物排放量得到了有效控制，尤其是大電廠的脫硫、除塵力度較大，SO2排放量大幅下降，但機(jī)動(dòng)車(chē)每年以30萬(wàn)輛速度遞增，汽車(chē)尾氣污染物排放量在逐年增加，使得深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量在改善中仍存在憂患。影響大氣能見(jiàn)度的物質(zhì)主要是NO2、顆粒物和水汽，顆粒物中主要是硫酸鹽和有機(jī)碳，圖2～圖6是深圳市2007年和2009年NO2、PM10、O3等污染物監(jiān)測(cè)濃度的月變化。

由圖2～圖6中可以看出:

(1)深圳市3種污染物濃度自9月至次年3月濃度較高，環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差;4月至8月污染物濃度較低，大氣環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好;

(2)NO2、PM10濃度2009年各月份普遍低于2007年，而 O3濃度2009年各月份普遍高于2007年;

(3)近幾年能見(jiàn)度普遍比20世紀(jì)1970～2000年平均水平為低，除了2007年6、7月和2009年7月好于歷史同期以外，其他月份均不如歷史同期。近3年來(lái)除了夏天6、7、8三個(gè)月能見(jiàn)距離在15km以上外，其他月份在10km或低于10km。總體講，近3年能見(jiàn)距離比常年下降2～3km;

(4)臭氧平均濃度逐年有所上升，若以小時(shí)濃度計(jì)，有時(shí)偶爾最高濃度可達(dá)500μg/m3，超過(guò)小時(shí)濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2.5倍。平均濃度雖然不高，但小時(shí)最高濃度卻不能忽視，臭氧是光化學(xué)煙霧污染的指示物，而光化學(xué)煙霧由粒徑大小0.3～1.0μm的氣溶膠組成，這種氣溶膠，處在可見(jiàn)光與紅外波段，與人視覺(jué)波長(zhǎng)相一致，且能散射太陽(yáng)光，從而明顯地降低了大氣的能見(jiàn)度。另外，這樣大小的顆粒實(shí)際上不易因重力作用而沉降，能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，可以長(zhǎng)距離遷移，并影響區(qū)域環(huán)境;

(5)深圳市全年相對(duì)濕度較大，歷年平均為77%，2007年以后比歷年有所減少，平均只有70%。但4～9月＞70%，有時(shí)可達(dá)90%以上。相對(duì)濕度大時(shí)水溶性有機(jī)物即成為水滴的凝結(jié)核，直接降低能見(jiàn)距離。

3 深圳市細(xì)粒子元素組成及消光作用

影響大氣光學(xué)能見(jiàn)度的除了水汽與空氣中的二氧化氮以外，主要是含有硫酸鹽、硝酸鹽和碳黑的細(xì)粒子 (PM2.5)，特別是粒徑在1μm以下的小粒子和光化學(xué)煙霧氣溶膠顆粒。

據(jù)北京大學(xué)深圳研究生院相關(guān)論文報(bào)道［11］，深圳市PM2.5中主要組分為有機(jī)物和，其次有元素碳、，上述幾項(xiàng)合計(jì)占82.6%。顆粒物的消光以有機(jī)物的散射為主，吸收較少，并以元素碳為主，有機(jī)物粒子也有一定貢獻(xiàn)。因此，深圳市要改善大氣能見(jiàn)度，控制顆粒物中有機(jī)物是第一位的。

顆粒物的消光能力與空氣中的相對(duì)濕度直接有關(guān)，尤其是水溶性有機(jī)物，它可以作為水汽的凝結(jié)核，深圳市當(dāng)相對(duì)濕度為77%時(shí)，顆粒物散射系數(shù)為187Mm－1，當(dāng)相對(duì)濕度增加為95%時(shí)，顆粒物散射系數(shù)為230Mm－1。對(duì)應(yīng)能見(jiàn)距離分別為16km和13km．

顆粒物對(duì)消光系數(shù)的影響，最重要的是顆粒物濃度，QX/T113－2010霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)［12］指出:PM2.5質(zhì)量濃度限值為75μg/m3，PM10質(zhì)量濃度限值為65μg/m3，顆粒物散射系數(shù)為400 Mm－1，顆粒物吸收系數(shù)為80 Mm－1，只要有上述4項(xiàng)指標(biāo)任何1項(xiàng)超標(biāo)，即使能見(jiàn)距離＞10km，也定義為灰霾天氣。根據(jù)2009年深圳市PM10觀測(cè)資料［10］，以可吸入顆粒物的65%折合成PM2.5，以日平均濃度折合，則不會(huì)超過(guò)75μg/m3，若以日最高濃度折合，則只有7、9兩個(gè)月不超過(guò)75μg/m3，而其他月份均有可能超過(guò)75μg/m3。

4 小結(jié)

(1)影響大氣光學(xué)能見(jiàn)度的主要因子為水汽和固體氣溶膠，水汽的霧粒子是水滴 (不考慮冰晶霧)，半徑為幾個(gè)微米，譜比較窄，它是凝結(jié)增長(zhǎng)的結(jié)果。如果水汽中含有許多固體氣溶膠，則可形成潮解了的氣溶膠粒子，它會(huì)吸濕增長(zhǎng)，半徑在0.01～0.5mm，譜比較寬，這種粒子的消光系數(shù)隨著粒子半徑的增大成平方速率增加。

(2)深圳市雖然PM10、NO2平均濃度在逐年下降，但O3平均濃度在逐年增加，這就意味著光化學(xué)煙霧的細(xì)粒子也在增加。深圳地處熱帶和海陸交界，水汽充足，相對(duì)濕度較高，大氣中的有機(jī)物和、元素碳、和容易潮解，成為影響能見(jiàn)度的主要因子。

(3)深圳市四季中冬、春季 PM10、NO2、O3濃度較高，能見(jiàn)度相對(duì)較差，出現(xiàn)灰霾天氣的比例較大。夏季因降水較多，空氣中的顆粒物被雨水沖洗，空氣比較干凈，質(zhì)量較好，能見(jiàn)度也較好。

［1］張秀寶．大氣環(huán)境污染概論［M］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1989．

［2］劉和平，代佩玲，張青珍，等．鄭州市大氣能見(jiàn)度變化特征及與空氣污染的關(guān)系 ［J］．氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31(4):44－46．

［3］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．

［4］林楊，胡琳，鄧小麗，等．西安市大氣能見(jiàn)度變化規(guī)律及與空氣污染關(guān)系［J］．陜西氣象，2007，(6):29－31．

［5］姚青，張長(zhǎng)春，樊文雁，等．天津冬季大氣能見(jiàn)度與空氣污染的相互關(guān)系［J］．氣象科技，2010，38(6):704－708．

［6］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)，2010，27(4):17－21．

［7］俞新華，焦荔，包貞，等．杭州市區(qū)大氣能見(jiàn)度變化趨勢(shì)及其與主要污染物相關(guān)性分析 ［J］．環(huán)境污染與防治，2008，30(12):106－108．

［8］玉蘇甫·阿布都拉，熱依汗古麗，買(mǎi)買(mǎi)提阿布都拉，等．和田市能見(jiàn)度變化趨勢(shì)及其與空氣質(zhì)量的關(guān)系［J］．新疆氣象，2006，29(1):24－25，29．

［9］楊青，楊蓮梅，張廣興，等．能見(jiàn)度與空氣質(zhì)量的關(guān)系研究［J］．中國(guó)沙漠，2006，26(2):278－282．

［10］深圳市環(huán)境科學(xué)研究院．2011年第26屆世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及保障措施研究［R］．深圳:深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，2011．

［11］北京大學(xué)．深圳市灰霾與大氣污染的機(jī)理關(guān)系［R］．北京:北京大學(xué)，2010．

［12］QX/T113－2010．霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí) ［S］．