基于能見度數(shù)據(jù)分析的氣溶膠吸濕增長特征研究

甘啟航，何南騰，沈子宣，鄒嘉南，3*

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心、中國氣象局氣溶膠—云—降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.貴港市氣象局，廣西 貴港 537100；3.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

引言

霧霾天氣不僅導(dǎo)致大氣能見度降低，還會對人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。大氣能見度的降低已成為當(dāng)前城市發(fā)展面臨的一個特別普遍的環(huán)境問題［1-2］。統(tǒng)計表明，我國大陸地區(qū)的低能見度事件頻繁出現(xiàn)在珠江三角洲、長江三角洲以及京津冀等地區(qū)［3-5］。除了氣象因素外，能見度降低的主要因素是由大氣中的氣溶膠和污染氣體對可見光的散射和吸收所產(chǎn)生的消光效應(yīng)［6］。

大氣氣溶膠是指懸浮在空氣中的固態(tài)粒子和液態(tài)物質(zhì)混合之后共同構(gòu)成的漂浮在大氣中的一種混合物質(zhì)。在相對濕度較高的條件下，氣溶膠中存在一部分能夠溶于水的物質(zhì)，包括含有硫酸根離子、硝酸根離子、銨根離子和部分可溶性有機(jī)物等，通過吸濕增長使自身的理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而使氣溶膠的消光能力顯著增強(qiáng)，大氣能見度降低，同時間接影響地球的大氣輻射收支平衡。因此，研究氣溶膠吸濕增長特征對于理解和防治霧霾天氣具有重要意義。

長江三角洲位于長江入?？诟浇?，由于過多的重工業(yè)發(fā)展以及汽車尾氣的排放，導(dǎo)致環(huán)境大氣遭受嚴(yán)重污染，因此也成為了我國出現(xiàn)霧和霾等空氣污染頻次較多的地區(qū)之一［7］。南京地處長江三角洲的西部邊緣，有著典型南方城市夏季高溫多雨的特點(diǎn)，尤其進(jìn)入梅雨季后，雨熱同期，空氣濕度較高。由于人為因素排放出的氣溶膠引起的諸多環(huán)境污染問題變得越來越嚴(yán)重。其中，直徑大于0.01μm 并小于1μm 的細(xì)顆粒物的含量在不斷增加［8］。

目前，普遍用于觀測氣溶膠吸濕性的儀器是H-TDMA（Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer）［9］。然而，在測量中還存在內(nèi)部相對濕度比較難控制［10］，觀測區(qū)域小和時間短等不足。目前，已有較多關(guān)于氣溶膠化學(xué)成分和光學(xué)特性的研究，但基于氣象因素分析氣溶膠粒子吸濕增長特性的研究仍較少［10-11］。因此，本文擬利用2016 年至2018 年南京北郊能見度觀測數(shù)據(jù)反演散射系數(shù)，研究影響氣溶膠光學(xué)吸濕增長的因素及其特征。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 觀測地點(diǎn)與儀器

研究的觀測地點(diǎn)位于江蘇省南京市北郊南京信息工程大學(xué)（32°03′N，118°46′E），該觀測點(diǎn)東面緊靠寧六公路，南面與龍王山接壤，西面和北面有部分聚集的住宅樓房和農(nóng)田，其東北方向3km 內(nèi)有多家工廠，是典型的大型城市站點(diǎn)。觀測時間為2016 年至2018 年，觀測的主要?dú)庀笠匕L(fēng)向、風(fēng)速和相對濕度等，氣象要素數(shù)據(jù)均來自CAWSD600 型自動氣象站，時間分辨率為1min。能見度數(shù)據(jù)來源于美國Belfort 儀器公司生產(chǎn)的Model 6000 前向散射能見度儀，觀測時間分辨率也為1min。

1.2 計算方法

當(dāng)以陸地與天空交界處的地平線作為背景的目標(biāo)物視亮度對比CL衰減使得其等于人眼對比視感閾（即人眼無法從地平線背景上分辨出目標(biāo)物時對應(yīng)的亮度對比的最小值）ε 時，此時觀測者與目標(biāo)物之間對應(yīng)的距離L 就稱為該目標(biāo)物的最大能見距離。

由（1）式可知，目標(biāo)物最大能見距離由大氣消光系數(shù)σ，目標(biāo)物固有亮度對比C0，人眼對比視感閾ε決定。若目標(biāo)物為黑體，則C0=1。若再取人眼對比視感閾ε=0.02，則此時的最大能見距離就稱為氣象能見度R，表達(dá)式為：

若當(dāng)時的氣象能見度已知，則大氣消光系數(shù)可由能見度計算得出：

可將大氣消光系數(shù)定義為電磁波輻射在大氣中傳播單位距離時的相對衰減率，單位為Mm-1。定義氣溶膠吸濕增長因子f（RH）為：

式中，σ（RH）代表在觀測時環(huán)境相對濕度對應(yīng)的氣溶膠消光系數(shù)，σ（dry）代表將干燥條件下（RH＜45%）對應(yīng)的氣溶膠消光系數(shù)求平均值。

此外，相對濕度和吸濕增長因子還可以通過方程（5）和（6）進(jìn)行擬合。式中a，γ，A1，A2，A3均為系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溶膠光學(xué)吸濕增長年變化特征

圖1 為2016 年的相對濕度RH 與吸濕增長因子f（RH）值的散點(diǎn)分布圖以及分別利用方程（5）和方程（6）做出的非線性擬合（圖中藍(lán)色方程式和紅色方程式分別為利用方程（6）和方程（5）擬合得出的結(jié)果，R2代表方程的相關(guān)系數(shù)）。由圖1 可知，方程（6）在絕大多數(shù)月份中的相關(guān)系數(shù)相對于方程（5）更趨近于1，說明方程（6）對于2016 年的數(shù)據(jù)的擬合效果更好。對于2017 年，方程（5）和方程（6）對2 月、3月、4 月、5 月的數(shù)據(jù)的擬合效果較好。對于2018 年，方程（5）和方程（6）在2 月和6 月的數(shù)據(jù)當(dāng)中更能體現(xiàn)出擬合效果。從圖1 可知，方程（5）和方程（6）均可以較好地反映出吸濕增長因子在相對濕度較低（＜80%）時，曲線增長程度比較緩慢，同時當(dāng)相對濕度較高（＞80%）時，曲線增長變得十分迅速。在同一月份不同相對濕度下，吸濕增長因子變化差異很大。在相同相對濕度下，不同月的吸濕增長趨向比較相似，說明環(huán)境條件的季節(jié)變化較為不明顯。在每個月當(dāng)中，有個別數(shù)據(jù)偏離擬合曲線較遠(yuǎn)，具體原因包括儀器觀測誤差、人為操作失誤等。

吸濕增長因子可用來表示某種氣溶膠粒子所具有的吸濕性能，當(dāng)相對濕度不斷發(fā)生變化時，氣溶膠粒子吸收空氣中的水分使自身粒徑增大后，復(fù)折射指數(shù)發(fā)生改變，從而使散射系數(shù)增大，使到達(dá)地表的熱通量降低，進(jìn)而影響大氣能見度［12］。方程式（7）和（8）是在其他研究工作當(dāng)中用的比較多的方程式［12］，它們同樣解釋了吸濕增長因子和相對濕度之間的聯(lián)系，但對于相同的散點(diǎn)圖，方程（8）的R2比方程（7）更接近1，即方程（8）的擬合效果更好。

圖1 2016 年1—12 月f（RH）與相對濕度擬合曲線圖（圖中曲線與方程對應(yīng)）

這兩條方程式也曾被科學(xué)工作者用于其他城市，比如，Yan 等［13］在北京進(jìn)行研究時，利用方程（8）擬合得出的方程方差為0.993。相比之下，Qi 等［14］在北京附近的郊區(qū)，利用方程（7）擬合得出的方程方差僅僅為0.42，低于本研究的實(shí)際觀測值。

圖2 分別繪出了2016 年1—12 月、2017 年2—12 月、2018 年1—8 月和12 月，不同相對濕度條件下，吸濕增長因子的變化趨勢。從圖2 可以看出，在2016 年，2 月份的曲線較陡，說明2 月份的f（RH）值的增長速率較其他月份更大；12 月份的曲線較平緩，說明12 月份的f（RH）值的增長速率較小。因此，在2 月份中，f（RH）值隨RH 的變化最大，可能與氣溶膠的濃度有關(guān)。在2017 年，4 月和12 月的f（RH）值的增長速率較快，而7 月和8 月的f（RH）值隨相對濕度的升高，增長并不明顯。在2018 年，1 月和12月的f（RH）值的增長速率較快，而3 月和7 月的f（RH）值隨相對濕度的升高，增長并不明顯。

圖2 不同相對濕度下f（RH）的變化趨勢

將相對濕度的變化分為4 個區(qū)間，即50%～60%、60%～70%、70%～80%和80%～90%，通過圖2計算可得出f（RH）值在各個月不同相對濕度區(qū)間的增長率，如表1 所示。從表1 可以看出，2016 年絕大多數(shù)月份的f（RH）值的增長率普遍隨著相對濕度的升高而增大；吸濕增長因子的增長率最大值出現(xiàn)在2 月份，為87.55%；增長率最小值出現(xiàn)在11 月份，為-23.31%。

表1 2016 年1—12 月f（RH）值在不同相對濕度區(qū)間的增長率（%）

同理，通過計算可知，在2017 年，每個月的f（RH）值的增長率均隨著相對濕度的增大而增大，其中最大值出現(xiàn)在12 月，為175.12%；最小值出現(xiàn)在7 月，為0.84%；7 月和8 月的f（RH）值增長率相對較小，并且增長速率較慢；在2018 年，絕大多數(shù)月份中，f（RH）值的增長率隨著相對濕度的增大而增大，最大值和最小值均出現(xiàn)在1 月份，分別為124.34%和-17.93%，負(fù)值表示在低相對濕度時期，氣溶膠濃度受其他因素的影響較大。

表2 列出了國內(nèi)其他城市不同觀測時間的觀測計算結(jié)果。南京f（RH=80%）的平均值為1.93±0.20，與2006 年廣州和2015 年溫州的觀測值最接近，與其他城市存在一些差異，可能受到以下因素影響：（1）觀測儀器不同。其他城市觀測時采用的儀器是濁度計，本次研究采用的儀器主要是前向散射能見度儀，儀器的誤差大小都會影響觀測結(jié)果；（2）觀測時長不同。其他城市的觀測時長大多為1—2 個月，本次研究觀測時長為2016—2018 年，數(shù)據(jù)包含全年不同季節(jié)；（3）觀測地區(qū)不同。由于不同的地理位置受到當(dāng)?shù)嘏欧旁吹挠绊?，粒子本身的物理性質(zhì)也會影響f（RH）值；（4）部分城市和地區(qū)對干燥條件的定義不同。本次南京地區(qū)的研究定義干燥條件為相對濕度小于等于45%，其他部分城市定義為相對濕度小于等于40%或30%。

表2 不同城市不同時間RH 取80%時對應(yīng)的f（RH）值

2.2 影響氣溶膠光學(xué)吸濕增長因子的氣象因素分析

2016 年每個月風(fēng)向?qū)ο鄬穸鹊挠绊懚疾煌?，? 統(tǒng)計了出現(xiàn)高RH 頻數(shù)風(fēng)向上對應(yīng)的RH 區(qū)間、相應(yīng)各個區(qū)間對應(yīng)的頻數(shù)值，以及對應(yīng)的頻數(shù)值占相對濕度≥60%的頻數(shù)值的比例。

表3 2016 年1－12 月在高RH 風(fēng)向上RH 的頻數(shù)及所占比例和能見度頻數(shù)值最大時對應(yīng)風(fēng)向上能見度≥10km 的頻次及所占該風(fēng)向總頻次的比例

由表3 可知，2016 年每個月的相對濕度頻數(shù)最大的區(qū)間對應(yīng)頻數(shù)值占相對濕度≥60%的頻數(shù)值的比例普遍在在20%～40%之間，只有5、6 和10 月的比例大于等于40%，其中10 月的比例為全年最高，達(dá)到77.55%。此外，表3 還統(tǒng)計了每個月能見度頻數(shù)值最大時對應(yīng)風(fēng)向上能見度≥10km 的頻數(shù)值，以及能見度≥10km 的頻數(shù)值占總頻數(shù)值的比例。可知1—12 月中，能見度≥10km 的頻數(shù)值超過10 次的月份包括1、2、3、7 和8 月，其中2 月份和8 月份能見度≥10km 的頻數(shù)值所占的比例均超過40%，相對于其他月份而言，2 月和8 月的總體空氣質(zhì)量都比較好。因此，在南京地區(qū)，夏季末期和冬季末期高能見度出現(xiàn)頻次及所占比例較高，當(dāng)能見度≤10km時，容易產(chǎn)生輕霧或者霾，說明南京地區(qū)在夏季末期和冬季末期的空氣質(zhì)量最好，春季和秋季則容易產(chǎn)生霧霾污染。

2.3 不同環(huán)境背景下氣溶膠光學(xué)吸濕增長因子的變化特征

以1 月為例，如圖3 為2016 年1 月1 日到1 月31 日吸濕增長因子f（RH）日平均值和AQI 的日變化情況。從圖中可以看出，f（RH）的日變化有明顯且不規(guī)則的波動，最大值出現(xiàn)在1 月4 日，為5.05；最小值出現(xiàn)在1 月25 日，為0.63。其中，4 日、22 日和28 日的f（RH）值均超過4.5。1 月份的AQI 數(shù)值日變化較大，其中1 月4 日的AQI 數(shù)值為1 月份最高值，達(dá)到了234，當(dāng)天的空氣質(zhì)量等級為“重度污染”，對應(yīng)的f（RH）值為5.05。

圖3 2016 年1 月1—31 日f（RH）日平均值和AQI 的日變化

從1 月1 日至31 日f（RH）隨PM2.5／PM10值的變化可以發(fā)現(xiàn)，兩者成正比關(guān)系，即PM2.5／PM10的值越高，對應(yīng)的f（RH）值往往會越高，相關(guān)系數(shù)為0.46。其中，4 日、22 日和28 日PM2.5／PM10的值均超過0.7，由此可知，細(xì)顆粒物的占比與氣溶膠吸濕增長具有正相關(guān)的聯(lián)系。

3 結(jié)論與討論

利用南京北郊2016 年1—12 月、2017 年2—12月、2018 年1—8 月及12 月的相對濕度、能見度等氣象要素，通過公式計算出吸濕增長因子，并將其與相對濕度進(jìn)行非線性擬合，發(fā)現(xiàn)：

（1）吸濕增長因子在低濕度（＜80%）平緩增加，高濕度（＞80%）快速增加。不同RH 值下，吸濕增長因子的變化有較大差異。部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離擬合曲線，說明氣溶膠吸濕增長特性還受到氣溶膠其它理化性質(zhì)的復(fù)雜影響；

（2）大氣中細(xì)顆粒物濃度與大氣光學(xué)吸濕增長特性具有正比關(guān)系，PM2.5／PM10的值越高，對應(yīng)的氣溶膠的光學(xué)吸濕增長因子往往會越高。

本文研究了相對濕度、季節(jié)和地理位置等因素的變化，對吸濕增長因子f（RH）值產(chǎn)生的變化和影響，結(jié)合當(dāng)時的實(shí)況AQI 指數(shù)和空氣質(zhì)量狀況，從而得出f（RH）值與外界影響因素相互之間的關(guān)系和結(jié)論，為今后城市的大氣污染防治、污染等級預(yù)報提供了參考依據(jù)，對空氣質(zhì)量的改善和發(fā)展具有重要意義。