南京市氣溶膠和相對濕度對能見度的影響

靳璐濱 周蘆燕

摘要利用2014年南京市9個環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點的氣溶膠資料和同期地面觀測站的能見度、相對濕度資料，對三者的關(guān)系進行量化分析，采用線性和非線性的方法對能見度進行一元和多元擬合。結(jié)果表明，2014年南京市日能見度大多數(shù)在1～3級（即2～10 km），PM2.5和PM10在入春、入夏、入冬時變化趨勢不同，其他月份趨勢相同；能見度和相對濕度的月際變化趨勢相反。隨著能見度的降低，PM2.5、PM10的平均濃度和相對濕度均增加，能見度與相對濕度的線性相關(guān)性最好，與PM2.5次之，與PM2.5～10的線性相關(guān)性最差。不同檔相對濕度范圍內(nèi)，大氣能見度和PM2.5、PM2.5～10的共同擬合的非線性關(guān)系好于單獨與PM2.5的擬合，擬合后的RMSE均在2.21 km以下。在相對濕度為40%～79%時的擬合效果高于相對濕度較大時的效果。不同季節(jié)能見度與PM2.5、PM2.5～10、相對濕度三者共同的非線性擬合，除夏季，R2均在0.72以上，好于以相對濕度分檔時的非線性擬合效果。

關(guān)鍵詞大氣能見度；氣溶膠；PM2.5；相對濕度；相關(guān)性

中圖分類號S16文獻標識碼A文章編號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

大氣能見度[1]與人們的日常生活息息相關(guān)，特別是低能見度對氣候、環(huán)境、交通、健康、農(nóng)業(yè)等方面造成顯著的負面影響，給人們帶來諸多不便和各種危害。近年來，隨著大氣污染的加重，氣溶膠造成的霧霾天氣也越來越多。其中，高濃度的顆粒物是造成能見度下降的重要原因[2]，而不同粒徑的顆粒物對能見度的影響有顯著的區(qū)別[3]；相對濕度也是影響大氣能見度的重要原因[4]。國外于20世紀60年代就開展了能見度與大氣顆粒物濃度的研究[5-6]，70～80年代以來我國開始有學(xué)者研究能見度與相對濕度、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度和細粒子質(zhì)量濃度的非線性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者存在負相關(guān)性，且夏季、冬季以指數(shù)關(guān)系為主，春季為乘冪關(guān)系，秋季呈對數(shù)關(guān)系；細粒子污染是造成大氣能見度降低的主要原因。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的大氣顆粒物對能見度影響最顯著，中值粒徑為0.17、0.26、0.40和0.65 μm的大氣顆粒物對顆粒物消光系數(shù)影響最大。宋明等[10]分析天津大氣能見度、相對濕度和顆粒物資料發(fā)現(xiàn)，不同相對濕度下大氣能見度與大氣顆粒物濃度相關(guān)性不同。研究能見度與顆粒物濃度、相對濕度之間的定量關(guān)系，對分析環(huán)境狀況、預(yù)報能見度、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個環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點的氣溶膠資料和同期地面觀測站的能見度、相對濕度資料，對三者的關(guān)系進行量化分析，采用線性和非線性的方法對能見度進行一元和多元擬合，嘗試利用顆粒物濃度，結(jié)合相對濕度對能見度進行推算，為空氣質(zhì)量反算和能見度的預(yù)報提供理論依據(jù)和參數(shù)化方案。

1資料和方法

1.1資料來源氣溶膠資料來自全國空氣質(zhì)量發(fā)布平臺的南京市2014年9個環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點資料，包括PM2.5、PM10、SO2等逐小時監(jiān)測。能見度和相對濕度資料來自南京站（118.54°E、31.56°N）地面觀測逐小時常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)。觀測時間為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個時次，總樣本數(shù)為2 727。能見度通常分為6個等級，在此用0～5級來表示，當(dāng)能見度X≥10 km，定為等級0；6 km≤X<10 km，等級為1；4 km≤X<6 km，等級為2；2 km≤X<4 km，等級為3；1 km≤X<2 km，等級為4；X<1 km，等級為5。

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

2結(jié)果與分析

2.12014年南京市能見度情況統(tǒng)計由圖1可見，2014年南京市全年能見度等級為0、4、5的天數(shù)均不超過20 d，而1級和2級的共有207 d，3級的有120 d。全年來看，南京市有2/3以上天數(shù)能見度均在2級以上，即能見度在6 km以下，說明南京市能見度并不是很好。同時2014年南京市能見度等級主要集中在1、2、3級，即能見度主要集中在4～10 km。

2.2能見度、氣溶膠和相對濕度的月際變化從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、入冬時趨勢不同；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，同時夏季降水多，增強了污染物的濕沉降，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)造成的揚沙或揚塵有關(guān)，PM2.5～10在春季的峰值更顯著，說明春季PM10的偏高主要來自大顆粒物的貢獻。相對濕度和能見度的月際變化（圖2b）顯示，能見度和相對濕度的趨勢基本上是相反的，能見度出現(xiàn)極大值時相對濕度則出現(xiàn)極小值；夏季相對濕度最大，冬季相對濕度最小，但能見度在1和6月份最低，約4 km左右，這其中的原因是不同的，1月份能見度低是由氣溶膠濃度大引起的，而6月份能見度低是由相對濕度大引起的，6月份正處夏季，水汽多，氣溶膠濃度低，但易吸濕增長。整個夏季的相對濕度均是比較高的，這就使得氣溶膠易吸濕增長，造成能見度降低；春季，相對濕度較偏低，PM2.5的濃度也不是太高，因此能見度較好；秋季能見度較好，可能與南京市秋季上空的副高有關(guān)，同時秋季的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，能見度得以提升。

2.3能見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）、能見度和相對濕度（b）的月際變化序列

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

為了驗證大氣能見度和氣溶膠、相對濕度之間的關(guān)系，現(xiàn)對能見度（VIS）分別與PM2.5、PM2.5～10、PM10、相對濕度（RH）進行線性擬合，計算相關(guān)系數(shù)（r），并給出擬合后擬合值與實際觀測值的均方根誤差（RMSE）。由表2可見，不論是全年還是四季，能見度和相對濕度的相關(guān)性最好，其次是與PM2.5、PM10，與PM2.5～10的相關(guān)性最差。大氣能見度與PM2.5～10在全年和春季的相關(guān)系數(shù)為正值；能見度與相對濕度的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。單個影響因子與能見度的相關(guān)性在不同季節(jié)是不一樣的。PM2.5與大氣能見度在冬季負相關(guān)最好，秋季次之，夏季最差；而PM2.5～10與大氣能見度在各個季節(jié)的相關(guān)性絕對值均小于0.12，是這幾個影響因子中相關(guān)性最差的；PM10與大氣能見度相關(guān)性大小按季節(jié)依別為冬季、秋季、夏季、春季；相對濕度與大氣能見度在春季相關(guān)性最強，秋季、冬季次之，夏季最弱。同一分組中，能見度與PM10的相關(guān)系數(shù)介于其與PM2.5和PM2.5～10，說明PM2.5比PM2.5～10與能見度的相關(guān)性更好，也就是說，在粒徑段為0～10 μm的顆粒物（PM10）中，對能見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）對能見度的影響作用不大。因此，下面將PM2.5～10作為一個變量，與PM2.5一樣，單獨分析其和能見度關(guān)系，而不再粗略地將PM10作為變量，以免重復(fù)分析PM2.5對能見度的影響。

2.4能見度和影響因子的非線性關(guān)系

為了能夠更準確地研究能見度和影響因子之間的關(guān)系，得到更精確的擬合，現(xiàn)將相對濕度分為7個檔次（表3），對應(yīng)樣本數(shù)分別為162、173、223、320、353、595、901，分別統(tǒng)計了不同檔相對濕度時能見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來說，相對濕度為60%～69%時，能見度與PM2.5的非線性相關(guān)性最大；隨著相對濕度的增大，能見度與PM2.5的相關(guān)性逐漸變?。欢鄬穸葹?0%～49%、50%～59%時能見度與PM2.5的相關(guān)性比相對濕度為80%～89%時的好。對PM2.5～10來說，能見度與其非線性相關(guān)性在相對濕度≤79%時比>79%時好；PM2.5也呈現(xiàn)出這樣的特點。說明在相對濕度較大的情況下，氣溶膠顆粒物對能見度的影響不再是首要因素。

為了在不同檔相對濕度時得出更好的擬合曲線，在此對與能見度進行非線性擬合，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），在相對濕度較大的情況下能見度和氣溶膠顆粒的非線性相關(guān)性比相對濕度在40%～79%的相關(guān)性差；在相對濕度≥60%時，R2逐漸降低，但均比表3中任一擬合曲線的R2高；同時RMSE也有所降低。說明將能見度與2種粒徑段氣溶膠顆粒物濃度同時非線性擬合的效果比與單個粒徑段氣溶膠顆粒物濃度好。

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

3結(jié)論

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

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

（2）隨著能見度的降低，PM2.5、PM10和相對濕度均增加，能見度與這些變量有明顯的負相關(guān)性。以季節(jié)為分組，將能見度與PM2.5、PM2.5～10、PM10和相對濕度分別進行線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)能見度與相對濕度的相關(guān)性最好，與PM2.5次之，與PM2.5～10的相關(guān)性最差；能見度與PM10的相關(guān)性介于能見度與PM2.5和PM2.5～10之間；無論哪種線性擬合，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）在不同相對濕度范圍內(nèi)，能見度與PM2.5和PM2.5～10的非線性擬合明顯好于能見度單獨與PM2.5的非線性擬合，且同檔相對濕度范圍的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。說明將2種顆粒物與能見度共同進行非線性擬合的效果好。同時，在相對濕度為40%～79%時的擬合效果高于相對濕度較大時的效果。

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

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