北京大氣能見度和消光特性變化規(guī)律及影響因素

王 英，李令軍，李成才（.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 北京 0008；2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心北京 00048；.北京大學(xué)物理學(xué)院 北京 0087）

北京大氣能見度和消光特性變化規(guī)律及影響因素

王 英1，李令軍2*，李成才3（1.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 北京 100081；2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心北京 100048；3.北京大學(xué)物理學(xué)院 北京 100871）

利用長時(shí)間序列的大氣能見度與濕度等氣象資料以及近年來大氣污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了北京大氣能見度及消光特性的變化規(guī)律及影響因素.結(jié)果顯示:近50年來北京大氣消光作用存在降-升-降的變化過程，1954～1967年以下降為主，20世紀(jì)60年代中期至70年代明顯上升，此后特別是20世紀(jì)90年代以來北京大氣消光作用基本呈緩慢下降趨勢(shì)，能見度變化過程與此相反.從區(qū)域分布看北京大氣消光作用北部及西部山區(qū)低于平原區(qū)，平原區(qū)存在由北向南逐漸升高的分布規(guī)律，即北部平原區(qū)低于中部市區(qū)，中部市區(qū)低于南部平原區(qū).近10年來北京大氣顆粒物消光作用區(qū)域差異逐漸減小，這與大氣污染區(qū)域分布變化趨勢(shì)基本一致.北京大氣消光作用20世紀(jì)80年代之前冬高夏低，之后轉(zhuǎn)為冬低夏高，對(duì)應(yīng)于大氣污染由煤煙型向綜合型的轉(zhuǎn)變.大氣消光作用平均日變化呈雙峰雙谷型，09:00和21:00形成雙峰，06:00和16:00處于雙谷，但月際差異明顯.大氣消光作用受顆粒物濃度與相對(duì)濕度影響顯著.高消光作用通常與高相對(duì)濕度和高顆粒物濃度有關(guān)；低消光作用出現(xiàn)在濕度和顆粒物質(zhì)量濃度同時(shí)較小情況.相對(duì)濕度低于70%時(shí)，大氣顆粒物消光作用會(huì)隨著PM2.5濃度的升高明顯增強(qiáng)，消光作用與PM2.5濃度存在線性關(guān)系；當(dāng)相對(duì)濕度大于70%時(shí)，消光作用對(duì)PM2.5濃度變化的響應(yīng)并不明顯.

北京；能見度；消光作用；顆粒物；相對(duì)濕度

大氣顆粒物通過散射和吸收對(duì)太陽短波輻射造成消光，大氣能見度是這種消光特性的直接反映.造成能見度下降的主要因素包括大氣顆粒物濃度與濕度的高低［1-4］.平均來說，83%左右的大氣消光是由細(xì)粒子造成的［5］.相對(duì)濕度小于70%時(shí)，能見度與大氣顆粒物濃度近似反相關(guān)關(guān)系［6］；相對(duì)濕度大于90%，能見度主要受大氣濕度制約［7］.大氣顆粒物濃度的高低決定了能見度的好壞；而濕度不僅直接影響能見度，還通過改變氣溶膠粒子的物理屬性對(duì)能見度產(chǎn)生間接影響.

空氣污染導(dǎo)致世界各地大氣能見度明顯降低，在人類活動(dòng)密集的城市地區(qū)，能見度主要受硫酸鹽、硝酸鹽以及元素碳等大氣顆粒物組分增加的影響［8］.1973～2007年全球大陸晴天能見度基本呈下降趨勢(shì)［9］，中國主要城市能見度下降明顯［10］.

近30年多年來，能源結(jié)構(gòu)的大規(guī)模調(diào)整使北京大氣污染特征發(fā)生了根本改變，逐漸由煤煙型向機(jī)動(dòng)車型以及綜合型過渡［11-12］，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣消光特性的變化，并影響能見度的時(shí)空分布.本研究試圖利用20個(gè)氣象站多年地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，車公莊環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的大氣污染監(jiān)測(cè)資料，分析北京市大氣能見度的變化趨勢(shì)、制約因素以及環(huán)境影響，特別是與顆粒物濃度、大氣濕度的相關(guān)關(guān)系，探討氣象因素與大氣污染對(duì)北京大氣能見度的影響，為污染治理提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)與方法

氣象資料包括1951年以來觀象臺(tái)氣象站的能見度、相對(duì)濕度以及日照總時(shí)數(shù)等逐年數(shù)據(jù)，2003～2012年北京20個(gè)氣象站的能見度、風(fēng)速、溫度等逐日數(shù)據(jù)，以及紫竹院和觀象臺(tái)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站逐時(shí)數(shù)據(jù).車公莊站的數(shù)據(jù)包括PM2.5以及能見度的逐時(shí)數(shù)據(jù).PM2.5采用美國R&P公司生產(chǎn)的RP1400a顆粒物檢測(cè)儀測(cè)定，最低檢出限為0.1μg/m3，可輸出5min數(shù)據(jù).采樣點(diǎn)位于北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心七樓頂.能見度資料來自北京觀象臺(tái)等20個(gè)氣象站的觀測(cè)員目測(cè)資料，日觀測(cè)4次；另外包括車公莊站的器測(cè)數(shù)據(jù)，采用的是FD12前向散射能見度儀，通過測(cè)量氣塊對(duì)近紅外線光束的散射得到氣象光學(xué)能見度，測(cè)量范圍是10～50000m，精度為±4%.相對(duì)濕度采用北京市氣象局紫竹院自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站逐時(shí)數(shù)據(jù)，該站與北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心僅隔一個(gè)街區(qū)，周邊環(huán)境差異不大，因此認(rèn)為紫竹院與北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心周邊大氣環(huán)境與氣象條件基本一致.

受儀器監(jiān)測(cè)原理影響，PM2.5數(shù)據(jù)在濕度下降過程中可能會(huì)出現(xiàn)的負(fù)值在數(shù)據(jù)處理過程中予以剔除.利用Bext=3.912/V （Bext為大氣消光系數(shù)，V為大氣能見度）［13］，計(jì)算北京大氣消光特性.為消除局地影響，氣象數(shù)據(jù)采用多個(gè)站點(diǎn)平均值代表不同區(qū)域能見度水平:海淀、朝陽和豐臺(tái)站點(diǎn)的平均值代表市區(qū)；房山、大興和通州站點(diǎn)的平均值代表南部平原區(qū)域；密云、懷柔、昌平和順義站點(diǎn)的平均值代表北部平原區(qū)域；背景區(qū)域選擇了北部的上甸子站和西部的霞云嶺站.

2 結(jié)果與討論

2.1 年際變化

20世紀(jì)50年代至今，北京大氣能見度存在升-降-升的變化過程. 20世紀(jì)50年代中期至60年代中期北京能見度逐漸升高，1967年能見度升至23km，達(dá)到歷史較高水平［14-15］，70年代下降非常迅速，1980年降至10.1km. 20世紀(jì)80年代，北京夏季大氣能見度持續(xù)轉(zhuǎn)差，由初期的12km下降至90年代末的8～9km；而冬季能見度由80年代初的9km上升到90年代末的14km［16］.與能見度轉(zhuǎn)差相對(duì)應(yīng)，北京大氣氣溶膠光學(xué)厚度1977～1994增長了約2/3［17］.從更大區(qū)域尺度看，京津冀1980～2003年大氣能見度整體呈下降趨勢(shì)［18］. 20世紀(jì)中期以來，北京日照總時(shí)數(shù)也出現(xiàn)了升降變化過程（圖1），與能見度存在明顯相關(guān)性. 1998年之后北京能見度逐步回升，至2009年達(dá)到歷史較高水平，首都機(jī)場(chǎng)與京津冀區(qū)域監(jiān)測(cè)結(jié)果也印證了這種變化趨勢(shì)［18-19］.

一般說來，能見度低表明大氣消光作用強(qiáng)，到達(dá)地面的太陽輻射相應(yīng)降低，日照時(shí)數(shù)也會(huì)受到間接影響.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，20世紀(jì)50～70年代北京日照總時(shí)數(shù)與大氣能見度先升高后下降的變化規(guī)律基本一致.90年代后期以來北京日照總時(shí)數(shù)呈持續(xù)下降趨勢(shì)，而大氣能見度逐漸升高，這可能與北京及周邊大氣光學(xué)厚度增加，削弱了到達(dá)地面的太陽輻射能量有關(guān).1998～2010年北京實(shí)施了16個(gè)階段的大氣污染措施，特別是奧運(yùn)前后進(jìn)行了大規(guī)模的污染治理，空氣質(zhì)量有所改善，大氣能見度逐步回升；與此同時(shí)，河北平原區(qū)大氣能見度卻在逐漸下降［18］.能見度是大氣污染的間接反映，說明華北平原區(qū)大氣污染整體加重，客觀上掩蓋了北京空氣質(zhì)量的局地改善.

圖1 1951～2009年北京觀象臺(tái)大氣能見度與日照總時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)Fig.1 Variations of visibility and total sunshine hours at Guanxiangtai station from 1951 to 2009

由圖2可見，與能見度變化相反， 北京大氣消光系數(shù)存在降-升-降的過程.20世紀(jì)50年代北京大氣消光系數(shù)與相對(duì)濕度都存在逐漸下降過程， 60～70年代兩者基本以上升為主，此后北京大氣消光系數(shù)與相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì).兩者變化的一致性說明大氣相對(duì)濕度與消光作用存在一定的因果關(guān)系.此外，近年來大氣污染治理的逐步加強(qiáng)客觀上也促進(jìn)了北京能見度的改善.2000年以來北京定陵大氣顆粒物濃度基本呈下降趨勢(shì)［20］，與大氣消光作用變化過程也基本一致.

在大氣總消光作用測(cè)算基礎(chǔ)上，基于文獻(xiàn)［21］提出的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系將大氣消光系數(shù)轉(zhuǎn)換為大氣顆粒物的消光特性.由圖3可見，北京大氣顆粒物消光系數(shù)北部和西部山區(qū)低于中、南部平原區(qū)，平原區(qū)存在由北向南逐漸升高的分布規(guī)律，即北部平原區(qū)低于中部市區(qū)，中部市區(qū)低于南部平原區(qū).2012年北部平原區(qū)、市區(qū)以及南部平原區(qū)顆粒物消光系數(shù)分別為0.18km-1、0.20km-1和0.21km-1.2003～2012年北京平原區(qū)顆粒物消光系數(shù)基本存在下降趨勢(shì)，而北部及西部清潔山區(qū)略有上升.從全市范圍看，顆粒物消光系數(shù)區(qū)域差異逐漸減小.北部平原區(qū)與南部平原區(qū)顆粒物消光系數(shù)的差距由2003年的0.068km-1降至2012年的0.033km-1；市區(qū)與清潔區(qū)上甸子的差距更是由0.119km-1降至2012年的0.076km-1.

圖2 1951～2009年北京觀象臺(tái)大氣消光系數(shù)與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)Fig.2 Variations of atmospheric extinction coefficient and relative humidity （RH） at Guanxiangtai station from 1951 to 2009

圖3 2003～2012年北京不同區(qū)域大氣顆粒物消光系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.3 Variations of aerosol extinction coefficient in different regions of Beijing from 2003 to 2012

消光系數(shù)的大小間接反映了大氣污染的程度，北京這兩者的變化趨勢(shì)基本一致.北京PM10平均濃度由2000年162μm/m3降至2010年121μm/m3；而背景點(diǎn)定陵P(guān)M10濃度2000年與2010年基本無差別，分別為95μm/m3與94μm/m3.市區(qū)與清潔背景區(qū)差距明顯縮小.但是，北京城市CO、NO2等污染物近地面質(zhì)量濃度的下降并沒有從根本上扭轉(zhuǎn)整個(gè)華北區(qū)域污染上升的趨勢(shì)，CO、NO2等污染物柱濃度越來越高，而且京津冀大氣污染的區(qū)域性越來越顯著［22-23］.

城市建設(shè)的快速發(fā)展使下墊面粗糙度增加，間接影響到風(fēng)速［24］，進(jìn)而使大氣擴(kuò)散能力降低，對(duì)大氣消光作用造成影響.如圖4所示，北京2003～2012年平原區(qū)特別是市區(qū)風(fēng)速明顯降低，污染擴(kuò)散能力在逐漸下降，北京市區(qū)平均風(fēng)速由2003年的2.09m/s降至2012年的1.59m/s.北部山區(qū)的上甸子略有下降，但變化不大，西部山區(qū)的霞云嶺風(fēng)速卻呈上升趨勢(shì).以上說明區(qū)域背景流場(chǎng)無顯著變化，只是由于城市大規(guī)模的建設(shè)增加了城市粗糙度，水平風(fēng)速下降.

圖4 2003～2012年北京不同區(qū)域風(fēng)速變化趨勢(shì)Fig.4 Variations of wind speed in different regions of Beijing from 2003 to 2012

2.2 季節(jié)變化

北京大氣消光系數(shù)季節(jié)變化表現(xiàn)為冬低夏高，1月前后為全年最低，7月升至全年最高（圖5）.上甸子顆粒物消光系數(shù)全市最低，2003～2012年平均0.122km-1，但月際變化低于平原區(qū)，1月與7月相差0.075km-1；霞云嶺顆粒物消光系數(shù)月際變化較為平緩， 1月與7月相差僅0.041km-1，為全市最低，除6～8月之外月際變化都在0.012km-1以內(nèi).北京平原區(qū)顆粒物消光系數(shù)月際差異較大且由北向南逐漸減小，北部平原區(qū)、市區(qū)和南部平原區(qū)顆粒物消光系數(shù)最大月際差異分別為0.136、0.124和0.078km-1.上甸子位于北京三大風(fēng)口之一的古北口附近，擴(kuò)散條件非常好，以偏北氣流為主的月份（10月至次年3月）能見度都在30km以上；但以南風(fēng)為主的夏季（6～9月）能見度都低于25km，主要原因一是夏季偏南風(fēng)帶來大量水汽，濕度明顯升高，二是偏南風(fēng)帶來了市區(qū)的污染輸送，進(jìn)一步加劇了顆粒物消光作用.霞云嶺處于西山之中，地形相對(duì)封閉，風(fēng)速在全市域處于極低水平（圖4），全年整體擴(kuò)散條件一般，月際差異較小.對(duì)于平原區(qū)來說，顆粒物消光作用由北向南逐漸加強(qiáng)，月際變化也是越來越小.夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，偏南風(fēng)帶來大量水汽以及華北甚至更大區(qū)域的污染排放，顆粒物消光作用較強(qiáng)；冬季盛行偏北氣流，北京上游污染排放輸送相對(duì)較少，大氣污染以局地排放和內(nèi)部傳輸為主，空氣質(zhì)量存在由北部山區(qū)、北部平原區(qū)、市區(qū)以及南部平原區(qū)依次轉(zhuǎn)差的分布特征.南部平原區(qū)是全市下風(fēng)向，局地排放疊加市區(qū)的污染輸送，空氣質(zhì)量最差，消光作用全市最強(qiáng)，季節(jié)變化幅度也最小.

多年平均狀況顯示北京顆粒物消光作用夏季強(qiáng)于冬季，但季節(jié)變化存在明顯的年際差異圖6）.1991～1996年北京顆粒物消光作用冬季以減弱為主，而夏季則逐年加強(qiáng)，致使冬夏季能見度比值存在明顯的上升過程.該段時(shí)期內(nèi)北京冬季濕度明顯降低，風(fēng)速逐漸增大；2月相對(duì)濕度由1991年的42%降至1996年的22%，風(fēng)速由1991年的2.2m/s升至1996年的3.1m/s.1991～ 1996年夏季云雨逐漸增多，太陽日照時(shí)數(shù)明顯減少，8月日照時(shí)數(shù)由1991年的2726h降至1996年的1183h，夏季顆粒物消光作用逐漸加強(qiáng).1996～1998年，顆粒物消光作用夏季維持在較低水平，冬季則明顯回落，冬夏差異明顯下降，該段時(shí)期內(nèi)北京大氣濕度明顯升高，年均相對(duì)濕度由1996年的51.2%升至1998年的62.1%.

1998年底至2010年北京先后實(shí)行了十六個(gè)階段的控制大氣污染措施，開始以燃煤污染治理為主，并逐漸向綜合污染治理過渡.經(jīng)過多年的治理大氣主要污染物濃度明顯下降，東四監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣PM10和SO2濃度分別由1999年的249、169μm/m3降至2010年的130、37μm/m3，空氣質(zhì)量改善顯著，特別是煤煙型污染出現(xiàn)根本好轉(zhuǎn).與此同時(shí)北京大氣顆粒物消光作用冬夏季都呈下降趨勢(shì)，冬季下降幅度尤其明顯，這主要是該段時(shí)間以燃煤污染治理為主的措施相關(guān)，冬季燃煤鍋爐的除塵脫硫措施以及煤改氣、煤改電的實(shí)施極大地改善了空氣質(zhì)量，大氣顆粒物消光作用持續(xù)減弱.

圖5 2003～2012年北京大氣顆粒物消光系數(shù)平均月際變化Fig.5 Monthly variations of aerosol extinction coefficient in different regions of Beijing from 2003 to 2012

圖6 1991～2009年觀象臺(tái)冬季（1、2月）與夏季（7、8月）大氣顆粒物消光系數(shù)變化Fig.6 Variations of aerosol extinction coefficient in winter and summer at Guanxiangtai station from 1991 to 2009

從更長時(shí)間尺度看，北京能見度季節(jié)分布存在由冬低夏高逐漸向冬高夏低的轉(zhuǎn)換，這對(duì)應(yīng)于大氣污染由煤煙型向綜合型的過渡.20世紀(jì)70年代春季能見度較好，冬季能見度最差［14］； 80年代，北京大氣能見度依然是夏季高于冬季［25］.此后，北京大氣能見度冬夏差異出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn).1990～2000年北京大氣能見度已表現(xiàn)為春季最高，冬季次高，夏季最低［26］.與此相對(duì)應(yīng)的是大氣顆粒物消光作用冬強(qiáng)夏弱向冬弱夏強(qiáng)的轉(zhuǎn)變.這與北京大氣污染類型的變化有關(guān).1990年代以前，北京能源消費(fèi)中煤炭占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，1980年煤炭占總能源消費(fèi)的76.9%，且能源消費(fèi)粗放，燃煤設(shè)施基本沒有脫硫除塵設(shè)施，污染排放嚴(yán)重；至1998年終端能源消費(fèi)中煤炭和焦炭所占比重已降至41.0%；2011年北京能源消費(fèi)構(gòu)成中，煤炭?jī)H占26.5%，大型燃煤設(shè)施中不僅脫硫除塵，還要求做脫硝處理.與此同時(shí)北京清潔能源比例越來越高，至2011年北京能源構(gòu)成中天然氣與外調(diào)電力等已占40.9%.

中國大陸特別是東部區(qū)域能見度季節(jié)分布普遍表現(xiàn)為冬低夏高［18，25，27］，這與歐美等國家甚至周邊的韓國以及中國香港地區(qū)冬季大于夏季的分布特征相反［3，28-30］.全國大部分區(qū)域特別是北方省市能見度冬低夏高的分布特征，除了與陸地邊界層冬季顯著低于夏季，還與地面污染排放在冬季加劇有關(guān)，冬季出現(xiàn)大范圍的燃煤采暖，許多農(nóng)村地區(qū)甚至存在大量秸稈燃燒采暖，加重了冬季空氣污染程度，使冬季污染明顯高于夏季，能見度明顯降低.能源消費(fèi)總量的居高不下以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的粗放型發(fā)展致使能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)難以在短時(shí)間內(nèi)得到根本調(diào)整，中國大氣污染治理任重而道遠(yuǎn).

2.3 日變化

從2009～2011年平均狀況看，北京大氣能見度日變化呈雙峰雙谷型（圖7）.06:00和16:00形成雙峰，09:00和21:00處于雙谷.日變化過程:00:00開始能見度逐漸好轉(zhuǎn)，至06:00達(dá)到次峰值后逐漸降低，09:00降至次谷值；此后一直升高，16:00達(dá)到全天最大值，這段時(shí)間大氣消光作用的降低主要與午后混合層的發(fā)展、垂直擴(kuò)散范圍增大、近地面空氣質(zhì)量改善有關(guān)，同時(shí)也受白天相對(duì)濕度下降的影響.17:00后，能見度迅速降低，20:00～24:00維持在全天最低水平.顆粒物消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度日變化相似，基本表現(xiàn)為白天低夜間高，早高峰相對(duì)平緩，而能見度09:00急劇升高與相對(duì)濕度的下降相對(duì)應(yīng).圖8顯示，北京大氣濕度日變化規(guī)律季節(jié)差異不大，無論夏季還是冬季相對(duì)濕度日變化都呈現(xiàn)單峰單谷型，06:00左右出現(xiàn)峰值，14:00左右降至谷底.大氣相對(duì)濕度日變化規(guī)律季節(jié)差異不明顯，但濕度絕對(duì)值夏季明顯高于冬季.濕度對(duì)大氣消光作用的影響由量變到質(zhì)變，相對(duì)濕度大于90%能見度主要受大氣濕度制約.

圖7 2009～2011年北京車公莊站大氣能見度與PM2.5質(zhì)量濃度平均日變化Fig.7 Diurnal variations of visibility and PM2.5mass concentrations at Chegongzhuang station from 2009 to 2011

圖8 2009～2011年北京紫竹院大氣平均相對(duì)濕度日變化Fig.8 Diurnal variations of averaged relative humidity（RH） at Zizhuyuan station of Beijing from 2009 to 2011

大氣顆粒物消光作用日變化存在明顯的月際差異.10月至次年4月北京大氣顆粒物消光系數(shù)日變化呈現(xiàn)雙峰雙谷，峰值出現(xiàn)在09:00和21:00左右，谷值時(shí)間為06:00和16:00左右；6～8月能見度為單峰單谷，峰值時(shí)間與谷值時(shí)間分別在07:00和16:00左右；5月與9月是單峰單谷與雙峰雙谷轉(zhuǎn)換的過渡月份，主峰值分別為09:00和00:00，主谷值則出現(xiàn)在16:00，次峰與次谷不顯著.

1月是北京大氣顆粒物消光作用最弱月份，1天中消光系數(shù)06:00出現(xiàn)最低值；此后2～7月消光系數(shù)呈逐月上升趨勢(shì)，7月消光系數(shù)升至全年最高；與此同時(shí)06:00谷值也逐漸減弱，6～8月06:00谷值已完全消失.7月之后消光系數(shù)逐月降低，并于10月再次出現(xiàn)06:00谷值，且谷值逐漸增強(qiáng)；至次年1月消光系數(shù)再次降至全年最小值.

顆粒物的消光作用主要由細(xì)粒子引起［5］，本研究以顆粒物消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的比值QPM表征顆粒物消光效率.QPM值越大說明單位顆粒物質(zhì)量濃度消光作用越顯著.QPM日變化如圖9所示，00:00開始基本呈上升趨勢(shì)，09:00升至全天最高；之后逐漸降低，17:00左右降至全天最低；此后QPM波動(dòng)上升，至次日09:00再次升至最高.整個(gè)日變化過程中包含次一級(jí)的峰谷值，但幅度不大.消光效率與PM2.5質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)時(shí)間相近，且對(duì)應(yīng)于低濕度時(shí)段；消光效率高值時(shí)段與PM2.5質(zhì)量濃度有明顯差異，而與高濕度時(shí)段相吻合.以上說明低濕度條件下，顆粒物消光作用與其質(zhì)量濃度密切相關(guān)；而高濕度時(shí)，顆粒物消光作用主要受大氣濕度制約.

圖9 2009～2011年北京車公莊站大氣顆粒物消光系數(shù)與消光效率日變化Fig.9 Diurnal variations of aerosol extinction coefficient and extinction efficiency factor at Chegongzhuang station of Beijing from 2009 to 2011

2.4 北京大氣能見度與顆粒物、大氣濕度相關(guān)關(guān)系

北京大氣顆粒物消光作用與PM2.5濃度呈顯著負(fù)相關(guān).平均來說，83%左右的大氣消光由PM2.5引起［5］，其他因素包括粗粒子的貢獻(xiàn)以及氣體分子的貢獻(xiàn).相對(duì)濕度小于70%的條件下，能見度與大氣氣溶膠的質(zhì)量濃度近似滿足反相關(guān)關(guān)系［6］.從2009～2011年平均日變化狀況看，PM2.5濃度與大氣顆粒物消光作用日變化呈正相關(guān):一天中16:00左右車公莊站PM2.5濃度與大氣顆粒物消光系數(shù)降至全天最低；20:00～23:00車公莊站PM2.5濃度全天最高時(shí)段對(duì)應(yīng)顆粒物消光系數(shù)的最大值大氣顆粒物消光系數(shù)與PM2.5濃度并不是在所有時(shí)間段呈完全正相關(guān)關(guān)系，夜間PM2.5的相對(duì)高值對(duì)應(yīng)于消光系數(shù)的相對(duì)低值說明大氣能見度不僅僅受PM2.5濃度的影響，可能還受其他因素的制約.

圖10 2010年北京車公莊站消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度Fig.10 Scatter diagram between extinction coefficient and PM2.5mass concentration at Chegongzhuang station in 2010

研究結(jié)果顯示大氣消光作用受濕度的影響也非常顯著，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到一定程度后，濕度是大氣能見度的主要制約因素［7］.7月和8月是北京濕度最大的兩個(gè)月份，2009～2011年平均相對(duì)濕度分別達(dá)到75.8%和74.8%.兩個(gè)月份內(nèi)大氣顆粒物消光作用與相對(duì)濕度日變化呈正相關(guān)，06:00前后北京相對(duì)濕度達(dá)到最高值，顆粒物消光系數(shù)也是全天最大；16:00前后北京相對(duì)濕度降至全天最低值，而消光系數(shù)也最小.天津武清8～9月能見度與大氣相對(duì)濕度有非常好的反相關(guān)關(guān)系，與北京較為相似［31］.

統(tǒng)計(jì)了2010年車公莊站逐時(shí)大氣顆粒物消光系數(shù)與PM2.5濃度、大氣相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖10所示.總體來看，大氣相對(duì)濕度低于70%時(shí)，消光系數(shù)與PM2.5濃度存在線性關(guān)系，ρ（PM2.5） =122.8×V （其中ρ（PM2.5） 表示PM2.5濃度，V表示能見度），統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示確定系數(shù)R2=0.611.相對(duì)濕度低于70%時(shí)，大氣顆粒物消光作用會(huì)隨著PM2.5濃度的升高明顯增強(qiáng)；但當(dāng)相對(duì)濕度大于70%時(shí)，大氣顆粒物消光作用對(duì)PM2.5濃度變化的響應(yīng)并不明顯，大部分維持在0.5km-1以上，平均為1.48km-1.高能見度對(duì)應(yīng)著低濕度，統(tǒng)計(jì)0.3km-1以下的大氣顆粒物消光系數(shù)對(duì)應(yīng)的平均相對(duì)濕度僅為30.5%.

硫酸鹽是大氣中重要的消光物質(zhì)和氣溶膠輻射強(qiáng)迫成分［32-34］.SO2排放決定著大氣顆粒物中硫酸鹽濃度的變化，間接影響到大氣消光作用和輻射強(qiáng)迫.SO2排放的減少可以改善大氣能見度［35］.統(tǒng)計(jì)1991～2010年顆粒物消光系數(shù)與SO2濃度發(fā)現(xiàn):兩者存在明顯正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.80（圖11）.

圖11 1991～2010年北京觀象臺(tái)大氣顆粒物消光系數(shù)與車公莊站SO2濃度Fig.11 Scatter diagram between yearly averaged aerosol extinction coefficient and SO2concentration in Beijing from 1991 to 2010

3 結(jié)論

3.1 20世紀(jì)50年代至今，北京大氣顆粒物消光系數(shù)存在降-升-降的變化過程.20世紀(jì)50～60年代初期降低，此后逐漸升高，90年代以來基本處于下降趨勢(shì).北京顆粒物消光作用的變化與大氣濕度呈顯著正相關(guān)；北京日照總時(shí)數(shù)前期與顆粒物消光作用變化規(guī)律基本一致，后期受華北平原整體能見度下降的影響，也呈減少趨勢(shì).近10年來北京城市大氣流場(chǎng)的減弱以及熱島強(qiáng)度的增強(qiáng)也沒有使大氣顆粒物消光作用升高，應(yīng)歸功于城市大氣污染治理的卓有成效.

3.2 北京大氣顆粒物消光作用季節(jié)變化由20世紀(jì)70年代的冬高夏低轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在的冬低夏高，對(duì)應(yīng)于大氣污染由煤煙型向綜合型的過渡.北京大氣顆粒物消光作用季節(jié)變化幅度由北向南逐漸降低，季節(jié)振幅由大到小分別是北部山區(qū)、北部平原區(qū)、市區(qū)以及南部平原區(qū).

3.3 北京大氣顆粒物消光作用年日變化呈雙峰雙谷型.09:00和21:00形成雙峰，06:00和16:00處于雙谷.這主要取決于顆粒物濃度的變化，同時(shí)也受大氣濕度的影響.

3.4 北京大氣顆粒物消光作用與PM2.5濃度呈顯著正相關(guān)，受濕度的影響也非常大.2010年的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示大氣相對(duì)濕度小于70%時(shí)，北京顆粒物消光系數(shù)與PM2.5濃度存在線性關(guān)系，顯示確定系數(shù)R2=0.611.大氣顆粒物消光作用會(huì)隨著PM2.5濃度的升高明顯增強(qiáng)；但當(dāng)相對(duì)濕度大于70%時(shí)，大氣顆粒物消光作用對(duì)PM2.5濃度變化的響應(yīng)并不明顯，大部分維持在0.5km-1以上，平均為1.48km-1.

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The variation characteristics and influence factors of atmospheric visibility and extinction effect in Beijing.

WANG Ying1， LI Ling-jun2*， LI Cheng-cai3（1.College of Life and Environmental Sciences， Minzu University of China， Beijing 100081， China；2.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center， Beijing 100048， China；3.School of Physics，Peking University ， Beijing 100871， China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1310～1318

To well understand the long-term variation characteristics and influence factors of atmospheric visibility and extinction characteristics， data of extinction effect， visibility， relative humidity， and PM2.5concentrations， had been analyzed in Beijing. It was found that the atmospheric extinction effect in Beijing showed a slow decreasing trend during 1954 to 1967， an increasing trend from the mid- 1960s to 1970s， and then especially since the 1990s a slow downward trend. The variation of visibility was opposite to that of extinction effect. Atmospheric extinction effect over the mountainous regions was lower than that over the plain. Within the plain area， the extinction coefficient in the south was higher than that in the north， but the gap was reduced in the last 10years. Summer was the season with the lowest visibility and winter with the highest in recent years. But it was the opposite before the 1980s. It might result from the change in pollution emission and aerosol chemical components. The visibility reached its peaks at 09:00and 21:00LT， and the valley value of visibility appeared at 06:00and 16:00LT. Atmospheric extinction was affected by both aerosol concentration and relative humidity. The strong atmospheric extinction was generally associated with high RH and high PM concentration，while small extinction effect occurred when RH and PM concentration were low. There was a linear relation between extinction coefficient and PM2.5mass concentration when RH was lower than 70%. When RH was higher than 70%， the response of extinction coefficient to PM2.5mass concentration was not observable.

Beijing；visibility；extinction effect；PM；relative humidity

X51

A

1000-6923（2015）05-1310-09

王 英（1972-），女，副教授，博士，主要從事大氣化學(xué)相關(guān)研究與教學(xué)工作.發(fā)表論文50余篇.

2014-03-16

中央民族大學(xué)一流大學(xué)一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（YLDX01013），高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（B08044）

* 責(zé)任作者， 高級(jí)工程師， lilj2000@126.com