不同霾識別方法對陜西霾判識的影響*

李星敏 董自鵬 趙奎鋒 陳 闖 彭 艷

1 陜西省氣象科學(xué)研究所，西安 710014 2 陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710014 3 陜西省氣象臺，西安 710014

提 要： 利用2016年3月至2020年2月逐時(shí)氣象和PM2.5質(zhì)量濃度觀測資料，依據(jù)《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級(QX/T 113—2010)》(以下簡稱2010行標(biāo))和《霾的觀測識別》(GB/T 36542—2018)(以下簡稱2018國標(biāo))兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的判識方法，分析了在不同標(biāo)準(zhǔn)下陜西省霾出現(xiàn)頻率的差異。結(jié)果表明：采用2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率明顯多于采用2010行標(biāo)的霾出現(xiàn)頻率，若均以霾現(xiàn)象持續(xù)6 h及以上作為判定標(biāo)準(zhǔn)，則兩者得到的霾日數(shù)相當(dāng)。在80%≤相對濕度<95%時(shí)，用2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率比采用2010行標(biāo)多，濕度越大，增加越明顯；氣溶膠吸濕性參數(shù)對吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)的計(jì)算影響較大，使用2018國標(biāo)時(shí)應(yīng)注意該參數(shù)在各地的差異。在PM2.5≤75 μg·m-3時(shí)，采用2018國標(biāo)仍能識別出霾，顯現(xiàn)出濕度對能見度的影響；在PM2.5>75 μg·m-3時(shí)，當(dāng)空氣污染達(dá)到中度及以上時(shí)，兩者差異縮小。陜西省各地市霾發(fā)生頻率的月變化均呈現(xiàn)出“冬高夏低”的“U型”分布，且以1月發(fā)生頻率最高。除陜北的榆林、延安，陜南的商洛霾發(fā)生頻率的日變化表現(xiàn)為單峰(09—11時(shí))外，其余地市霾發(fā)生頻率的日變化均表現(xiàn)為雙峰分布(09—11時(shí)和20—23時(shí))。

引 言

近年來，人們常常把由細(xì)顆粒物污染造成的低能見度天氣稱作“霧-霾”天氣，霧-霾天氣的頻繁出現(xiàn)，給人們的生產(chǎn)生活和健康帶來了很大影響，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。張小曳等(2013)研究指出，現(xiàn)今霧-霾的主要成因是嚴(yán)重的氣溶膠污染，氣象條件對霧-霾天氣的演變過程具有重要影響(Zhang R H et al,2014；周須文等,2020)，然而，氣象中的霧-霾與大氣顆粒物污染又不完全相同。在氣象學(xué)上，霧和霾是自然界中的兩種天氣現(xiàn)象，在QX/T48—2007(中國氣象局，2007)中，霧的定義為：大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1.0 km。霾的定義為：大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km的空氣普遍渾濁的現(xiàn)象；霾使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍(lán)色。氣象中霾的定義更多關(guān)注于能見度，大氣中的細(xì)顆粒物和水汽是影響能見度的重要因子(劉兆東等,2020)，霾的形成與大氣中的顆粒物污染密切相關(guān)(黃元龍和楊新，2013)，低能見度的出現(xiàn)，可能既有顆粒物的影響, 也有水汽的影響(姚青等,2014;李星敏等,2018)。

早期，霾作為一種天氣現(xiàn)象，氣象部門雖有清楚的定義，但缺乏定量判識的方法，給霾的統(tǒng)計(jì)和長期變化分析帶來困難，且早期的霾識別條件中沒有考慮相對濕度(RH)(吳兌等,2009)。吳兌(2008)提出了霧與霾區(qū)分的概念模型，給出了霧和霾長期氣候資料分析處理的3種方法，隨后吳兌等(2014)用這3種方法對京津冀晉霾日做統(tǒng)計(jì)，比較后發(fā)現(xiàn)，霾日數(shù)單次值法>日均值法>14時(shí)值法。隨著對霧-霾研究的不斷深入，霾的判識方法也在不斷完善(吳兌, 2012)，石春娥等(2017)探討并給出了安徽省利用逐時(shí)器測能見度、相對濕度、降水等資料確定霾天氣的客觀標(biāo)準(zhǔn)，Ma et al(2014)基于氣溶膠吸濕增長理論，提出了利用實(shí)測PM2.5、相對濕度和能見度分辨霧和霾的方法。

2010年中國氣象局發(fā)布了《霾的觀測和預(yù)報(bào)等級(QX/T 113—2010)》(以下簡稱2010行標(biāo))(中國氣象局,2010)，2018年國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了《霾的觀測識別》(GB/T 36542—2018)(以下簡稱2018國標(biāo))(國家市場監(jiān)督管理總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2018)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布使霾的判識有了定量化方法，對開展霾的長期變化研究和環(huán)境氣象服務(wù)具有重要意義。

陜西省地處西北地區(qū)東部，地形復(fù)雜、氣候類型多樣。北部為黃土高原、中部為關(guān)中平原、南部為秦巴山地，從北向南跨約9個(gè)緯度、4個(gè)氣候帶：陜北北部屬中溫帶，關(guān)中北部及陜北大部屬北暖溫帶，關(guān)中平原及秦嶺北部屬南暖溫帶，陜南南部(秦嶺南坡)屬北亞熱帶。根據(jù)干濕狀況又可分為干旱-半干旱氣候區(qū)、半干旱氣候區(qū)、半濕潤氣候區(qū)、濕潤氣候區(qū)和過濕潤氣候區(qū)(陜西省氣象局《陜西氣候》編寫組，2009)。同時(shí)中部的關(guān)中平原又是汾渭平原污染重點(diǎn)防治區(qū)域的主要組成部分，因此在陜西開展霾判識標(biāo)準(zhǔn)的適用性分析具有很強(qiáng)的代表性。

本文利用氣象站和空氣質(zhì)量監(jiān)測站觀測資料，分析比較了用不同霾判識標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得的陜西各地霾出現(xiàn)頻率的差異和分布變化，并分析了霾日數(shù)與細(xì)顆粒物濃度、相對濕度間的關(guān)系，為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用及環(huán)境氣象服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

選取陜西省西安涇河、咸陽秦都、渭南、寶雞、銅川、漢中、安康、商洛商縣、延安和榆林(市名與站名一致的站點(diǎn)僅給出了市名)的2016年3月1日至2020年2月29日氣象觀測站逐時(shí)能見度、相對濕度、日平均能見度、日平均相對濕度和逐日天氣現(xiàn)象記錄資料，及距離氣象觀測站最近(最大距離不超過3.8 km)的與氣象觀測資料同時(shí)段的西安草灘、咸陽市氣象站、渭南日報(bào)社、寶雞市監(jiān)測站等陜西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)廳的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)的逐時(shí)PM2.5濃度觀測資料；所選氣象站均為國家氣象站，觀測儀器均通過中國氣象局氣象探測中心考核測試，可用于氣象觀測業(yè)務(wù)，能見度觀測采用華云DNQ1型散射式能見度儀，該設(shè)備的工作原理是45°測量前向散射?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)均為國控點(diǎn)，由環(huán)保部門統(tǒng)一管理維護(hù)，所用PM2.5監(jiān)測儀器主要為賽默飛的5030型和美國MetOne的BAM1020型在線顆粒物監(jiān)測儀，均采用β射線衰減原理對空氣中的顆粒物進(jìn)行監(jiān)測。氣象資料來自陜西省氣象信息中心，空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)資料來自陜西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)廳網(wǎng)站。圖1為站點(diǎn)的空間分布并疊加地形高程。

圖1 陜西省地形(填色)及研究站點(diǎn)(圓圈、三角)分布Fig1 Topography (colored) and distribution of stations (circle, triangle) in Shaanxi Province

1.2 霾判識標(biāo)準(zhǔn)

本文使用的霾判識標(biāo)準(zhǔn)為2010行標(biāo)和2018國標(biāo)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)霾的判識條件為：在排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙后，(1)能見度<10.0 km，且RH<80%，判識為霾；(2)能見度<10.0 km，且80%≤RH<95%，2010行標(biāo)按照《地面氣象觀測規(guī)范》(中國氣象局，2007)規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)做進(jìn)一步判識(標(biāo)準(zhǔn)中的大氣成分指標(biāo)有3個(gè)：PM2.5>75 μg·m-3，或PM1.0>65 μg·m-3，或氣溶膠散射系數(shù)+吸收系數(shù)>480 Mm-1，則識別為霾)；2018國標(biāo)規(guī)定當(dāng)吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的比值達(dá)到或超過0.8時(shí)，則判識為霾。2018國標(biāo)一日內(nèi)霾現(xiàn)象持續(xù)6 h及以上時(shí)，計(jì)為一個(gè)霾日。

1.3 氣溶膠消光系數(shù)計(jì)算

在2018國標(biāo)中涉及到氣溶膠吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的計(jì)算，具體算法如下：

根據(jù)2018國標(biāo)，假定氣溶膠體積譜分布符合如下的對數(shù)正態(tài)分布：

(1)

式中:V為氣溶膠PM2.5總體積濃度，單位為μm3·m-3；D、Dg和σg分別為干氣溶膠粒子的粒徑、幾何平均粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為μm；M為PM2.5質(zhì)量濃度，單位為μg·m-3；ρ為氣溶膠粒子密度，單位為kg·m-3，取值為1 500 kg·m-3。在運(yùn)算過程中，Dg和σg分別取值0.4 μm和1.8 μm，并將0.001～30 μm范圍內(nèi)的1 000等分作為D的取值。

氣溶膠吸濕增長后的粒徑(Dw)由單參數(shù)κ-寇拉方程計(jì)算：

(2)

式中:S為水汽飽和比，在不飽和時(shí)等效于相對濕度；Dw為氣溶膠吸濕增長后的粒徑，單位為μm；κ為描述氣溶膠化學(xué)組分對吸濕特性影響的參量，取值為0.3；σs為水的表面張力系數(shù)，單位為N·m-1，取值為0.074 2 N·m-1；Mw為水的摩爾質(zhì)量，單位為g·mol-1，取值為18 g·mol-1；R為普適氣體常數(shù)，單位為J·mol-1·K-1，取值為8.314 5 J·mol-1·K-1；T為環(huán)境溫度，單位為K；ρw為水的密度，單位為kg·m-3，取值為1 000 kg·m-3。

氣溶膠吸濕增長后的消光系數(shù)(σex)為：

(3)

式中：σex為吸濕增長后的氣溶膠消光系數(shù)，單位為km-1；Qex(Dw,λ,Zw)是粒徑為Dw、復(fù)折射指數(shù)為Zw的粒子在波長λ處的消光效率，其值由米散射理論計(jì)算而得；ΔN(Dw)為由干氣溶膠粒子體積譜分布得到的粒徑為Dw分檔內(nèi)的氣溶膠數(shù)濃度，單位為個(gè)·m-3；氣溶膠粒子吸濕增長后的復(fù)折射指數(shù)Zw，由干氣溶膠復(fù)折射指數(shù)Zd和液態(tài)水的復(fù)折射指數(shù)Za按體積加權(quán)計(jì)算得到：

(4)

式中：Zd取值為1.55-0.04i，Za取值為1.33-0.0i。

(5)

式中Vm為氣象能見度，單位為km。

1.4 能見度限值的討論

1980年以前，氣象能見度是按照人眼觀測的能見度距離分為10個(gè)等級來記錄的，而1980年后改為直接記錄目測的能見度距離。2013年以來，能見度逐步由儀器觀測取代人工觀測，比較器測與人眼目測能見度發(fā)現(xiàn)，器測能見度普遍偏小(周國兵等,2017;王瑞等,2015)，當(dāng)大氣消光系數(shù)相同時(shí)，人工觀測約為自動(dòng)光學(xué)視程的1.3倍(薛箏箏等,2016)，器測能見度與目測能見度的差異使人工觀測的霧和霾與自動(dòng)觀測也產(chǎn)生了差異(司鵬和高潤祥,2015)，曾英等(2017)對陜西霾日的分析發(fā)現(xiàn)，2014年自動(dòng)觀測的霾日是人工或30年平均霾日的10～68倍，執(zhí)行2015年中國氣象局相關(guān)規(guī)定訂正后才使自動(dòng)觀測的霾記錄基本趨于合理。

在2010行標(biāo)和2018國標(biāo)中都沒有明確指明，標(biāo)準(zhǔn)中使用的能見度是器測能見度還是目測能見度，但2010行標(biāo)發(fā)布時(shí)能見度主要是人工觀測資料。由于器測與目測能見度存在差異，Pei et al(2018)、Zhang et al(2020)分析能見度的長期變化時(shí)，通過計(jì)算將目測能見度轉(zhuǎn)換成器測能見度。Gao et al(2020)在用不同霾判識方法評價(jià)中國霾的分布和變化特征中，使用了7.66 km作為能見度的判識閾值。本文選擇的2016年3月至2020年2月數(shù)據(jù)，全部為器測能見度(張紅娟和曾英,2017)，所以將霾判識標(biāo)準(zhǔn)中能見度閾值設(shè)為7.66 km(表1)。

表1 霾判識方法Table 1 Methods for distinguishing haze

1.5 霾日的定義

在以往氣象霾日數(shù)的分析中，主要使用三種方式來定義霾日(吳兌等,2010),第一種為按照觀測記錄訂正，只要在1日中某個(gè)時(shí)次符合出現(xiàn)霾的標(biāo)準(zhǔn)即統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日；第二種是用日均值，當(dāng)日均能見度和日均相對濕度符合霾判識標(biāo)準(zhǔn)即統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日；第三種是如果14時(shí)能見度和相對濕度符合霾判識標(biāo)準(zhǔn)，即統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日。在分析霾的長期變化時(shí)，以往研究主要采用日均值方法(吳兌等,2006;吳萍等,2016;蔣璐君等,2020)和14時(shí)值法(潘瑋等,2017;黃鑫等,2019;胡琳等,2019)統(tǒng)計(jì)霾日。

本文霾日是在2010行標(biāo)判識條件下，以三種方式判識并統(tǒng)計(jì)霾日數(shù)：若以14時(shí)觀測資料判識為霾，即統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日；若以日平均值判識為霾，即統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日；若以逐時(shí)資料判識霾且霾現(xiàn)象持續(xù)6 h及以上時(shí)，統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日(2018國標(biāo)按1日內(nèi)霾現(xiàn)象持續(xù)6 h及以上時(shí)計(jì)為一個(gè)霾日)。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)下霾日數(shù)的比較

2.1 不同判識方法識別的霾日數(shù)的比較

依據(jù)2010行標(biāo)分別用14時(shí)觀測值和日平均值判識霾并統(tǒng)計(jì)得到的霾日數(shù)，分別記為“行標(biāo)14T”和“行標(biāo)Day”；依據(jù)2010行標(biāo)和2018國標(biāo)，對逐時(shí)觀測資料進(jìn)行霾判識，將1日內(nèi)霾持續(xù)6 h及以上的霾日數(shù)分別記為“行標(biāo)6 h”和“國標(biāo)6 h”，以氣象觀測站記錄的霾日數(shù)作為“觀測霾”，將不同地市、不同類型霾日出現(xiàn)頻率對比分析表明(圖2)，“觀測霾”和“行標(biāo)14T”在五種判識方法中霾日出現(xiàn)頻率較低，“國標(biāo)6 h”判識出的霾出現(xiàn)頻率是五種方法中最多的。陜西關(guān)中地區(qū)采用2018國標(biāo)后霾日出現(xiàn)頻率比“行標(biāo)14T”多4.8%～16.1%，比“行標(biāo)Day”多7.1%～9.4%，比“行標(biāo)6 h”多3.1%～1.1%，比“觀測霾”多6.8%～15.5%；也就是說“行標(biāo)6 h”和“國標(biāo)6 h”得到的霾日數(shù)相當(dāng)，與“行標(biāo)14T”和“觀測霾”判識出的霾差異能達(dá)到10%以上；陜南的漢中、安康以2018國標(biāo)判識的霾日數(shù)比“行標(biāo)14T”和“行標(biāo)Day”多1.6%～7.6%，與“行標(biāo)6 h”相當(dāng)；陜北的榆林、延安，陜南的商洛本身霾出現(xiàn)的頻率就較少，五種方法判識的結(jié)果差異不大，“行標(biāo)6 h”和“國標(biāo)6 h”判識出的霾日數(shù)出現(xiàn)頻率基本相當(dāng)。

圖2 2016年3月1日至2020年2月29日陜西不同判識標(biāo)準(zhǔn)下霾日出現(xiàn)頻率Fig.2 Frequency of haze days identified with different distinguished methods in Shaanxi Provincefrom 1 March 2016 to 29 February 2020

2.2 2010行標(biāo)和2018國標(biāo)判識霾的差異

(1)80%≤RH<95%時(shí)的差異對比2010行標(biāo)和2018國標(biāo)霾判識條件，兩者在RH<80%時(shí)，霾判識條件是相同的。但在80%≤RH<95%時(shí)，2010行標(biāo)是按照PM2.5>75 μg·m-3判識為霾；而2018國標(biāo)是當(dāng)吸濕增長后，氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的比值≥0.8時(shí)，判識為霾。利用逐時(shí)觀測資料分析逐時(shí)霾出現(xiàn)頻率，當(dāng)80%≤RH<95%時(shí)(圖3a)，除了霾出現(xiàn)頻率本身就很低的陜北榆林和陜南商洛以外，2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率比用2010行標(biāo)判識的多8.1%～19.1%。將濕度分段來看(圖3)，在80%≤RH<90%時(shí)(圖3b)，2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率比2010行標(biāo)多6.1%～13.6%；當(dāng)90%≤RH<95%時(shí)(圖3c)，2018國標(biāo)比2010行標(biāo)多12.1%～30.7%；濕度越大，增加越明顯。因此，在應(yīng)用2018國標(biāo)時(shí)，濕度對霾判識的影響非常明顯。

圖3 2016年3月1日至2020年2月29日陜西使用2018國標(biāo)與2010行標(biāo)在不同相對濕度下判識逐時(shí)霾出現(xiàn)頻率(a)80%≤RH<95%,(b)80%≤RH<90%,(c)90%≤RH<95%Fig.3 Frequency of hourly haze occurrence over different relative humidity (RH) intervals identified with 2018GB and 2010QX in Shaanxi Province from 1 March 2016 to 29 February 2020(a) 80%≤RH<95%, (b) 80%≤RH<90%, (c) 90%≤RH<95%

(2)不同PM2.5濃度時(shí)的差異

圖4給出了利用逐時(shí)資料在不同PM2.5濃度下，使用2018國標(biāo)識別出的逐時(shí)霾出現(xiàn)頻率與2010行標(biāo)識別的差異，可以看出在PM2.5≤75 μg·m-3時(shí)，2018國標(biāo)識別出的霾出現(xiàn)頻率明顯多于2010行標(biāo)識別的霾頻率(這里2010行標(biāo)識別出的霾主要是能見度<7.66 km，RH<80%的霾)，但在PM2.5>75 μg·m-3時(shí)則反之。依據(jù)2010行標(biāo)，當(dāng)能見度<7.66 km,RH≥80%時(shí)，若PM2.5>75 μg·m-3，則判識為霾；而依據(jù)2018國標(biāo)，在能見度<7.66 km、RH≥80%的條件下，若計(jì)算得到的吸濕增長后的氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的比值低于0.8，不能判識為霾，甚至在PM2.5>115 μg·m-3發(fā)生中度污染時(shí)[細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度PM2.5的24 h平均值75 μg·m-3250 μg·m-3，分別對應(yīng)了空氣質(zhì)量的輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染(環(huán)境保護(hù)部，2012)]，還會(huì)出現(xiàn)這種情況，只不過出現(xiàn)頻率很低，除咸陽、安康外，其余各地在1%以下；但隨著PM2.5濃度的增加，這種情況減少，在RH≥80%且嚴(yán)重污染時(shí)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)判識為霾。

圖4 2016年3月1日至2020年2月29日不同PM2.5質(zhì)量濃度下陜西使用2018國標(biāo)與2010行標(biāo)識別的逐時(shí)霾出現(xiàn)頻率的差Fig.4 Difference of hourly haze occurrence frequency between 2018GB and 2010QX with different PM2.5 concentrations in Shaanxi Provincefrom 1 March 2016 to 29 February 2020

在RH≥80%，PM2.5<75 μg·m-3的情況下，2018國標(biāo)判識為霾的情況(表2，此時(shí)能見度<7.66 km,PM2.5<75 μg·m-3，2010行標(biāo)不判識為霾2018國標(biāo)吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的比值≥0.8時(shí)，判識為霾)。當(dāng)80%≤RH<85%時(shí)，這種霾的PM2.5質(zhì)量濃度主要在36～75 μg·m-3；當(dāng)85%≤RH<90%，這種霾中有91.7% 以上PM2.5質(zhì)量濃度為35～75 μg·m-3；而當(dāng)90%≤RH<95%時(shí)，除榆林、商洛霾出現(xiàn)頻率本身就少外(圖3)，此相對濕度下的霾樣本數(shù)較少的地區(qū)外，這種霾中有74.2%～89.5%的PM2.5在36～75 μg·m-3，也就是說，在此相對濕度下，2018國標(biāo)判識出的霾中有10.5%～25.8%對應(yīng)PM2.5<35 μg·m-3，這種霾顯然與污染無關(guān)，此時(shí)的低能見度應(yīng)該是由水汽以及氣溶膠粒子的吸濕增長效應(yīng)引起的。Zhang J et al(2014)統(tǒng)計(jì)了華北平原地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)、體積濃度、相對濕度、能見度的變化，發(fā)現(xiàn)RH<90%時(shí)，高氣溶膠體積濃度是引起能見度降低的主要因素，RH>90%時(shí)，能見度下降主要受RH增加的影響，與本文有相似的結(jié)論。

表2 不同相對濕度下，2016年3月1日至2020年2月29日陜西利用2018國標(biāo)識別出的霾在不同PM2.5質(zhì)量濃度下的占比(單位：%)Table 2 The Proportions of haze identified by 2018GB in different PM2.5 intervals with different relative humidity in Shaanxi Province from 1 March 2016 to 29 February 2020 (unit: %)

氣溶膠吸濕增長能力及其對相對濕度的依賴性與氣溶膠粒子大小、成分和混合狀態(tài)間有著復(fù)雜密切的聯(lián)系。分析2018國標(biāo)計(jì)算吸濕增長后的氣溶膠消光系數(shù)[式(1)～式(4)]中與氣溶膠相關(guān)的特性參數(shù)發(fā)現(xiàn)，氣溶膠吸濕性參數(shù)κ對消光系數(shù)的影響較大，當(dāng)κ增大(減小)10%，κ對消光系數(shù)的影響會(huì)隨相對濕度的增大(減小)而增大(減小)，在80%≤RH<95%時(shí)，消光系數(shù)會(huì)增大(減小)約5%～7.5%；氣溶膠復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部和虛部、幾何平均粒徑等參數(shù)的變化在高相對濕度時(shí)，對消光系數(shù)的影響很小。

在陜西，由于缺乏氣溶膠吸濕增長參數(shù)的觀測研究，文中κ值直接取自2018國標(biāo)的推薦值，實(shí)際上，該值在不同地區(qū)，甚至同一地區(qū)的不同時(shí)期都有較大變化。Wu et al(2016)采用粒子譜和化學(xué)成分兩種方法計(jì)算了北京地區(qū)的κ值，發(fā)現(xiàn)北京夏季250 nm粒子κ均值為0.28±0.10，與2018國標(biāo)推薦值0.30相當(dāng)。Wang et al(2016)研究表明，西安市氣溶膠的有機(jī)組分質(zhì)量占比(55%～67%)高于北京(40%～58%)，氣溶膠吸濕增長能力弱于北京。

因此，κ值采用0.3可能高估了氣溶膠的吸濕增長能力，造成當(dāng)80%≤RH<95%時(shí)，用2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率比2010行標(biāo)多，濕度越大，增加越明顯。

2.3 氣象標(biāo)準(zhǔn)下的霾與大氣污染

在2010行標(biāo)和2018國標(biāo)中，霾的判識是排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、吹雪、雪暴、煙幕等影響視程的天氣現(xiàn)象后進(jìn)一步判識的，有這些影響視程的天氣現(xiàn)象的記錄不被統(tǒng)計(jì)為霾，但這些記錄中關(guān)中有17%～24%的日平均PM2.5>75 μg·m-3；同樣在無影響視程的天氣現(xiàn)象情況下，能見度≥7.66 km時(shí)，不被判識為霾，但也出現(xiàn)了PM2.5>75 μg·m-3的情況，如西安涇河，樣本中無天氣現(xiàn)象且能見度≥7.66 km的非霾天氣中有13%的樣本PM2.5>75 μg·m-3。同樣，在前述分析中，存在能見度<7.66 km，依據(jù)2018國標(biāo)可判識為霾，但在環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中空氣質(zhì)量未達(dá)到輕度污染的情況。所以，氣象標(biāo)準(zhǔn)中定義的霾與空氣污染并不完全等同。

分析日平均PM2.5濃度與2018標(biāo)準(zhǔn)下日出現(xiàn)霾的小時(shí)數(shù)，其呈明顯正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)除陜北的榆林、延安較低(分別為0.422和0.59)外，關(guān)中及陜南的漢中均在0.80以上，氣象條件判識的霾與大氣中細(xì)顆粒物濃度密切相關(guān)，與大氣污染密切相關(guān)。

2018國標(biāo)充分考慮了水汽對大氣能見度的影響，將高相對濕度下顆粒物濃度未達(dá)到污染指標(biāo)的低能見度現(xiàn)象判識為霾；但出現(xiàn)了RH≥80%、能見度<7.66 km，且PM2.5>115 μg·m-3，但計(jì)算得到的吸濕增長后的氣溶膠消光系數(shù)與實(shí)際大氣消光系數(shù)的比值低于0.8，不能判定為霾的情況，這與實(shí)際人們對霾的認(rèn)識不符，需要將判識標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善。

3 不同霾標(biāo)準(zhǔn)下，陜西霾日分布特征

依據(jù)2010行標(biāo)和2018國標(biāo)，對陜西省各地氣象觀測和空氣質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行逐時(shí)霾識別，以滿足霾識別條件的總時(shí)次數(shù)作為基數(shù)，分析不同地區(qū)霾發(fā)生頻率的日變化和月變化。

3.1 陜西霾發(fā)生頻率的月變化

依據(jù)2010行標(biāo)，陜西各地霾發(fā)生頻率的月變化均呈現(xiàn)出“冬高夏低”的“U型”分布(圖5)，并且均以1月的發(fā)生頻率最高，其中，關(guān)中的西安、咸陽、渭南、寶雞1月霾發(fā)生頻率在50%以上，陜北的延安、榆林發(fā)生頻率最低，分別為11.43%和10.06%；各地5—9月霾發(fā)生頻率較低，不到15%，陜南的漢中、安康、商洛及陜北的榆林、延安4—10月霾的發(fā)生頻率在2.7%以下。與2010行標(biāo)相比，2018國標(biāo)除使咸陽和渭南的1月、寶雞的12月、榆林1—2月霾發(fā)生頻率出現(xiàn)幅度為-4.84%～-0.07%的下降以外，其余地區(qū)和月份霾的發(fā)生頻率均比2010行標(biāo)高，提高最明顯的是關(guān)中及陜南的漢中、安康9—11月霾發(fā)生頻率，提高幅度在4.26%～13.24%，其余時(shí)段提高幅度在3%以下；陜南的商洛、陜北的榆林霾出現(xiàn)頻率較低，采用2010行標(biāo)和2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率各月差異在0.0%～2.1%，變化不大。

3.2 陜西霾發(fā)生頻率的日變化

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)識別的霾日變化表明(圖6)，除陜北的榆林、延安，陜南的商洛霾發(fā)生頻率的日變化表現(xiàn)為早上的單峰外，其余各地霾發(fā)生頻率的日變化均表現(xiàn)為早上和夜間相對較高的雙峰分布；依據(jù)2010行標(biāo)，早間霾高發(fā)期主要集中在09—11時(shí)，發(fā)生頻率為12.6%(銅川)～33.8%(咸陽)；夜間霾高發(fā)期的時(shí)間跨度較大，集中在20—23時(shí)，發(fā)生頻率為13.3%(安康)～34.3%(咸陽)。關(guān)中霾發(fā)生頻率高于陜南的漢中、安康。陜北的榆林、延安，陜南的商洛霾發(fā)生頻率較低，峰值分別為2.68%、6.59%、4.83%，且出現(xiàn)在09—10時(shí)；此后下降，16時(shí)至次日07時(shí)，在波動(dòng)中維持在4.83%以下(榆林最低在2.13%以下)。

圖6 同圖5，但為日變化Fig.6 Same as Fig.5, but for diurnal variation

霾的出現(xiàn)主要與顆粒物濃度和氣象條件有關(guān)(蔡子穎等,2018;劉瑞翔等,2020;陳鐳等,2020),關(guān)中是汾渭平原大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域的主要組成部分，研究時(shí)段內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度均值在50.6 μg·m-3以上，漢中、安康盆地PM2.5質(zhì)量濃度分別為49.2 μg·m-3、40 μg·m-3，較高的顆粒物濃度為降低能見度、形成霾提供了有力條件。早晨邊界層高度低，人類活動(dòng)開始增多，顆粒物主要集中在低層，再加上相對濕度較高，易造成能見度降低，形成霾出現(xiàn)頻率的早間峰值；午后隨著太陽輻射增多，邊界層高度升高、擴(kuò)散條件好，近地面顆粒物濃度較低，能見度大，霾出現(xiàn)頻率較低；夜晚隨著太陽輻射減少邊界層高度降低，污染物被集中在底層，再加上風(fēng)速減小、濕度增大，成為一日內(nèi)霾出現(xiàn)的夜間峰值。陜北的榆林、延安，陜南的商洛這三個(gè)的地區(qū)顆粒物濃度較低，研究時(shí)段內(nèi)榆林、延安、商洛PM2.5質(zhì)量濃度均值分別為34.0、37.4和34.0 μg·m-3，再加上榆林、延安地勢較開闊，日平均風(fēng)速分別為2.8 m·s-1、2.1 m·s-1，大氣擴(kuò)散條件較好，霾出現(xiàn)的頻率較低，即使夜間邊界層高度下降，但由于白天擴(kuò)散條件好，顆粒物濃度較低，再加上陜北相對濕度較低(研究時(shí)段內(nèi)榆林、延安日平均相對濕度分別為45.6%、58.0%)，不易造成能見度下降形成霾；這三個(gè)地區(qū)霾出現(xiàn)頻率峰值與低值的差異分別為4.5%、2.1%、1.7%，日變化本身不是很顯著。

與2010行標(biāo)相比，除陜北榆林外，2018國標(biāo)使19時(shí)到次日10時(shí)霾發(fā)生頻率明顯提高，其中陜南的安康和關(guān)中北部的銅川20時(shí)至次日08時(shí)霾發(fā)生頻率提高較大(5%以上)，但霾的日變化一致。

4 結(jié)論與討論

陜西省各地采用“國標(biāo)6 h”判識的霾日發(fā)生頻率高于“行標(biāo)14T”“行標(biāo)Day”“觀測霾”，“國標(biāo)6 h”判識出的霾發(fā)生頻率是五種方法中最多的。關(guān)中地區(qū)“國標(biāo)6 h”與“行標(biāo)6 h”識別出的霾發(fā)生頻率相當(dāng)，“國標(biāo)6 h”與“行標(biāo)14T”和“觀測霾”判識出的霾發(fā)生頻率差異能達(dá)到10%以上；在霾發(fā)生頻率較少的地方五種方法判識的結(jié)果差異不大。建議在討論霾日時(shí)，在霾發(fā)生頻率較多的地區(qū)以逐時(shí)資料判識霾，并在霾現(xiàn)象持續(xù)6 h及以上時(shí)，統(tǒng)計(jì)為一個(gè)霾日。

2010行標(biāo)和2018國標(biāo)判識的霾，差異主要出現(xiàn)在80%≤RH<95%時(shí)，用2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)的頻率比用2010行標(biāo)判識的多8.1%～19.1%，尤其是當(dāng)90%≤RH<95%時(shí)，2018國標(biāo)判識的霾出現(xiàn)頻率比2010行標(biāo)多12.1%～30.7%；濕度越大，增加越明顯，濕度對用2018國標(biāo)判識霾的影響非常明顯。氣溶膠吸濕性參數(shù)對吸濕增長后氣溶膠消光系數(shù)的計(jì)算影響較大，在使用2018國標(biāo)時(shí)應(yīng)注意該參數(shù)在各地的差異，建議當(dāng)相對濕度較高時(shí)，霾判識時(shí)還應(yīng)參考PM2.5質(zhì)量濃度。

在能見度<7.66 km、PM2.5≤75 μg·m-3時(shí)，2018國標(biāo)識別出了霾，且識別出的霾中存在PM2.5<35 μg·m-3的情況，此時(shí)的霾顯然與污染無關(guān)，2018國標(biāo)能夠識別出主要由水汽以及氣溶膠粒子的吸濕增長效應(yīng)引起的低能見度霾。在PM2.5>75 μg·m-3時(shí)，出現(xiàn)了2010行標(biāo)識別的霾數(shù)多于2018國標(biāo)的情況，但是在中度及以上污染時(shí)，2010行標(biāo)和2018國標(biāo)識別出的霾差異不大。

陜西各地市霾發(fā)生頻率的月變化均呈現(xiàn)出冬高夏低的“U型”分布，并且1月霾發(fā)生頻率最高。2018國標(biāo)使關(guān)中及陜南的漢中、安康9—11月霾發(fā)生頻率明顯提高，提高幅度在4.26%～13.24%。

除陜北的榆林、延安，陜南的商洛霾發(fā)生頻率的日變化為早上的單峰外，其余地市霾發(fā)生頻率的日變化均表現(xiàn)為早上和夜間相對較高的雙峰分布，早間霾高發(fā)期主要集中在09—11時(shí)，夜間霾高發(fā)期集中在20—23時(shí)；關(guān)中霾發(fā)生頻率高于陜南的漢中、安康。使用2018國標(biāo)判識，除陜北榆林外，19時(shí)到次日10時(shí)霾發(fā)生頻率均明顯提高，其中陜南的安康和關(guān)中北部的銅川20時(shí)至次日08時(shí)霾發(fā)生頻率提高較大(5%以上)，但霾的日變化一致。