空氣濕度變化對PM2.5的影響

陳艷麗

（河南省三門峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南 三門峽 472000）

1 空大氣濕度與PM2.5的基本關(guān)系

在空氣中的顆粒物質(zhì)可以被看作是膠體，其組分較多，共同組成氣溶膠體系，其中的硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等都有非常好的吸濕性，所以在空氣中的濕度變大時，顆粒物也會隨著吸濕過程而不斷地增加，而細(xì)顆粒物的吸濕過程中其粒徑將會迅速增長，直到對可見光的散色更加有效的粒徑范圍內(nèi)，在這一個過程中干的顆粒物粒子將會在某一個臨界相對濕度之上突然增大，并且在相對濕度減小時并不會按照原來的路徑恢復(fù)，而是需要將濕度降低到臨界值以下某一個值才能夠達(dá)到干顆粒的狀態(tài)?？梢哉f，在這個過程中，氣溶膠將會發(fā)生輻射強(qiáng)迫等反應(yīng)，極大的影響到人們的身體健康。實際上，國內(nèi)外很多的學(xué)者都針對于氣溶膠和空氣濕度的關(guān)系進(jìn)行了分析，但是實際上相對濕度并不能夠精確地將空氣中的水汽含量反映出來，在實際的大氣科學(xué)對于空氣的絕對濕度與相對濕度與PM2.5的關(guān)系研究較少，本文就針對二者之間的聯(lián)系進(jìn)行簡單的探討[1]。

2 空氣濕度分布特征

本文針對某市的氣象站觀測到的在2015～2020年逐小時相對濕度、絕對濕度和該市2019年～2020年的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對該市地區(qū)的空氣濕度變化特征和相應(yīng)的顆粒物濃度進(jìn)行研究。下圖為該市在2015～2020年的相對濕度與絕對濕度的總體分布特征圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相對濕度的集中一般都在80%～95%的范圍之內(nèi)，這個范圍的樣本量占總樣本的50%。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，該市在近五年的相對濕度平均為77.10%，標(biāo)準(zhǔn)差為27%，中值為82%，最大值是100%，而最小值是16%。在絕對濕度的分布圖中，水汽的密度出現(xiàn)的頻率一般都在4.5～10.5 g/M3之間，該部分的樣本占總量的22%。該市在近五年來的絕對濕度平均為25.4，而最大值是25.41，最小值為1.54，標(biāo)準(zhǔn)差為5，而中值則是10.78。

圖1 空氣濕度的總體分布特征

值得注意的是，相對濕度的根本含義是空氣中的實際水汽和飽和水汽的比值，這個值越大，那么空氣也就越飽和，但是卻并不意味著空氣中的絕對濕度也很大。

表1 空氣濕度的統(tǒng)計參數(shù)特征

3 空氣濕度的統(tǒng)計參數(shù)特征

3.1 年際、年變化特征

相對濕度值的年際變化中，該市的相對濕度有著較大的波動，絕對濕度的年際變化中有著增加的趨勢。在該市空氣濕度的年變化中，其變化是以余弦函數(shù)的形式表現(xiàn)出來的，在絕對濕度的年變化中呈現(xiàn)出很明顯的N型單峰變化。由此可見，雖然相對濕度和絕對濕度同樣都是空氣濕度參數(shù)，但是其年變化有著非常明顯的差異，這其中主要是溫度發(fā)揮的作用。經(jīng)過調(diào)查和分析可以得到，在溫度越高的情況下，空氣中的相對濕度九月底，但是絕對濕度較大，因為絕對濕度只和水汽的質(zhì)量有關(guān)系。根據(jù)下列公式可進(jìn)行檢驗可以證明相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

檢驗公式：

3.2 濕度的季節(jié)、日變化特征

根據(jù)下圖可以得到該市的空氣濕度季節(jié)變化情況，對該圖進(jìn)行分析可得，兩者的空氣參數(shù)在季節(jié)變化過程中呈現(xiàn)出較大的差異，而在秋季中可以得到相對濕度的極值，該值為80.31%，而其次則是夏季、冬季，春季的相對濕度則是極小值，僅有71.88%。在絕對濕度中，絕對濕度的極值與夏季和冬季有很大的關(guān)聯(lián)，在夏季時達(dá)到最大值，該值為17.77 g/m3，春和秋是其次，而冬季則是達(dá)到最小值，該值為5.74 g/m3。

圖4 空氣濕度的季節(jié)變化特征

兩者的空氣濕度在日變化中也呈現(xiàn)出較大的差異。在相對濕度的日變化特征圖中進(jìn)行分析可以得到，相對濕度的日變化特征十分明顯，在日前后的七點(diǎn)左右的時間中，相對濕度逐漸達(dá)到最大值，該值為89.05%，而在溫度的不斷上升時相對濕度則會不斷降低，在下午三點(diǎn)左右將會迎來最小值，也就是58.42%。在達(dá)到最小值后直到零點(diǎn)，相對濕度將又開始逐漸上升，而在夜間則上升較慢。在絕對濕度的日變化特征圖中進(jìn)行分析可以得到，絕對濕度的日變化特征相較于相對濕度更加復(fù)雜，在下午四點(diǎn)左右絕對濕度達(dá)到了最小值10.72 g/m3，而在晚間九點(diǎn)左右的時間則達(dá)到了最大值11.86 g/m3。所以就這個情況來看，絕對濕度的峰值是出現(xiàn)在晚上，在夜間較大。當(dāng)然，出現(xiàn)該情況的主要原因可能是因為該市在夜間有著較大降雨概率[2]。

因為空氣濕度的年變化特征實際上并不是很復(fù)雜，所以其擬合過程較為簡單，但是空氣濕度的日變化過程則呈現(xiàn)出較大的波動情況，所以在擬合的過程中選用6階和8階多項式來進(jìn)行擬合，將絕對濕度和相對濕度中更加復(fù)雜的日變化特征來進(jìn)行擬合，確保其能夠更加精確。

與上述一樣，使用r和RMSE來對擬合公式進(jìn)行全面的檢驗，使用的相關(guān)系數(shù)分別是0.992和0.993，均方根誤差則分別是1.321和0.664。檢驗結(jié)果為趨近于1以及較小的RMSE，這也就表明了通過高階擬合公式可以較好地對該市的空氣濕度在日變化情況下的特征進(jìn)行擬合。

另外，濕度在四季中的日變化特征也可以作為空氣中濕度變化的重要參考，針對相對濕度和絕對濕度在春、夏、秋、冬四個季節(jié)的日變化特征進(jìn)行分析，相對濕度和絕對濕度在四季中的日變化趨勢大致與全年的日變化相同，但是不同季節(jié)的濕度變化的幅度與極值出現(xiàn)的時間則有很大的不同。

4 空氣濕度對PM2.5濃度的影響

針對該市地區(qū)的大氣顆粒物濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到，在2019～2020年終，該市的PM2.5的年平均濃度值為89.09 μg/m3，針對國家所頒布的GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對全年顆粒物濃度的二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行查閱可以得到，其PM2.5標(biāo)準(zhǔn)濃度為35 μg/m3，也就是說在該市的PM2.5值相對于二級標(biāo)準(zhǔn)來說是嚴(yán)重超標(biāo)的，超標(biāo)率達(dá)到了154.54%，這也就說明了在該市的空氣污染情況已經(jīng)達(dá)到了很嚴(yán)重的程度。通過研究可以證明，空氣中顆粒物可以通過在具有較高空氣濕度的條件環(huán)境下進(jìn)行吸濕增長，這也就導(dǎo)致了空氣質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。所以為了能夠更好地針對空氣中相對濕度和絕對濕度與顆粒物濃度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，需要分別針對濕度的參數(shù)來進(jìn)行劃分，并且分區(qū)間來對顆粒物的濃度進(jìn)行討論分析。

我們可以有效地對顆粒物濃度在不同的相對濕度區(qū)間中的分布進(jìn)行分析，將相對濕度分為多個區(qū)間，每一個區(qū)間的跨度為10%，共分為8個區(qū)間，對PM2.5在不同相對濕度區(qū)間中的濃度進(jìn)行分析可以得到，在空氣相對濕度越來越高的情況下，空氣中的水汽越來越趨近于飽和狀態(tài)，而水汽將會由此凝結(jié)為水滴，細(xì)顆粒物將會吸濕而增長，所以對于粒徑越小的PM2.5來說，其在高濕度的環(huán)境下濃度會越大。

如下圖，在絕對濕度為橫坐標(biāo)，將其以2～5/5～8為標(biāo)準(zhǔn)劃分區(qū)間，劃分出7個區(qū)間，針對PM2.5在不同絕對濕度區(qū)間的三點(diǎn)分布進(jìn)行分析，可以得到顆粒物的濃度可以在絕對濕度增加的情況下減少。當(dāng)然，這個結(jié)論看似與上述相對濃度中得到的結(jié)果相違背，但是實際上因為相對濕度大時絕對濕度不一定大，所以從該角度來看該結(jié)論成立。

當(dāng)然，在對絕對濕度的變化特征進(jìn)行分析的過程中可發(fā)現(xiàn)絕對濕度在夏季最大，這和該地區(qū)的降水氣候有著很緊密地聯(lián)系，經(jīng)常降水的夏季將會發(fā)生很明顯的大氣濕沉降情況，空氣中的顆粒物濃度較小。而在冬季因為降水不多，絕對濕度不高，而相對濕度卻很大，這就造成了顆粒物在空氣中的有利存留，導(dǎo)致其在空中累積，濃度增大。另外，空氣濕度并不是影響顆粒物濃度的唯一因素，在探討空氣濕度因素對顆粒物濃度的影響時還需要考慮到該地區(qū)的人類生產(chǎn)和生活、排放源、邊界層結(jié)構(gòu)、降水氣候等多方面的原因，是一項需要綜合考慮的問題。研究人員在探討相對濕度和絕對濕度對于空氣中顆粒物的影響情況時是需要按照既定條件來進(jìn)行的，就猶如本文選取的地區(qū)樣本中其本身就存在夜間降雨和夏季多降雨的氣候特點(diǎn)，所以其空氣中顆粒物濃度的變化必然也會有一定的影響，所以在對空氣濕度進(jìn)行研究時需要根據(jù)具體的實驗條件和目的。

5 結(jié)論

綜上所述，本文著重探討了空氣濕度對于PM2.5的影響，分析了空氣濕度中相對空氣濕度和絕對空氣濕度在年變化、年際變化、季節(jié)變化、日變化和季節(jié)日變化中的變化特征，并由此來引出在這種變化特征下導(dǎo)致的空氣中顆粒物的濃度變化，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員提供參考。