廣州市與北京市大氣能見度與顆粒物質(zhì)量濃度的關(guān)系

陳義珍,趙 丹,柴發(fā)合,梁桂雄,薛志鋼,王貝貝,梁永健,陳 瑜,張 萌 (.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 000；.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 5004；.廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 5000)

我國早在20世紀(jì)70～80年代就開始對大氣能見度的降低及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究[1-8].黃建等[9]指出,珠江三角洲的能見度未得到有效改善,可能是由于細(xì)粒子污染.宋宇等[10-11]、王京麗等[12]研究得出,高濃度的顆粒物是造成北京市能見度下降的主要原因.細(xì)粒子對能見度的影響主要源于散射和吸收[11,13].劉新民等[14]在研究北京市大氣消光系數(shù)時得出,顆粒物的消光系數(shù)是能見度下降最主要的貢獻(xiàn)者.另外,王淑英等[15]、張凱等[3]分別在京津地區(qū)的研究結(jié)果顯示,能見度與相對濕度在不同的季節(jié)下呈現(xiàn)明顯且規(guī)律不同的負(fù)相關(guān).

廣州市是珠江三角洲地區(qū)城市群的中心城市,近年來該地區(qū)灰霾天氣頻發(fā),能見度逐年下降[16-17],已嚴(yán)重地影響到城市景觀.而根據(jù)北京市 2007～2008年的空氣質(zhì)量月報,超標(biāo)日中首要的污染物基本為可吸入顆粒物.本文通過對廣州和北京能見度與不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度的觀測,研究南北方城市能見度與細(xì)粒子質(zhì)量濃度的關(guān)系,并進(jìn)行了分析和比較,旨在了解南北方能見度變化規(guī)律的差異.

1 材料與方法

1.1 儀器

能見度儀使用芬蘭 VAISALA生產(chǎn)的PWD20傳感器.量程為10～20000m,同時觀測風(fēng)、溫、濕、壓等氣象參數(shù).廣州市監(jiān)測PM2.5和PM10采用 Thermo RP1400a,其小時平均值精度為±1.5μg/m3.北京市跨奧運(yùn)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中PM2.5采用美國Thermo公司的FH62 C-14β射線顆粒物監(jiān)測儀,量程為0～5000μg/m3,檢出限為4μg/m3.

1.2 觀測時間及地點(diǎn)

廣州市實(shí)驗(yàn)觀測點(diǎn)位于廣州市監(jiān)測站樓頂平臺(23°07′N,113°14′E),觀測時間為2008 年 12月11日～2009年8月27日,2009年5月因儀器維修沒有監(jiān)測,共監(jiān)測209d.

北京市奧運(yùn)期間的數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)位于中國環(huán)境科學(xué)研究院大氣樓樓頂平臺(116°24′E,40°2′N).觀測時間為2008年7月14日～2008年9月17日,共計(jì)66d.

1.3 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

氣象參數(shù)觀測執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18-20],數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋、正態(tài)樣本異常值的判斷和處理采用標(biāo)準(zhǔn)方法[21].實(shí)驗(yàn)前對所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn),并定時標(biāo)定.

1.4 數(shù)據(jù)采集及分析

氣象數(shù)據(jù)采集頻率為1次/s,為避免降雨時雨滴對能見度的影響,剔除降雨時間段內(nèi)的數(shù)據(jù),同時剔除能見度超量程(20km)數(shù)據(jù),然后做小時平均.顆粒物(PM2.5和PM10)的采集頻率為1次/h.本研究數(shù)據(jù)分析均采用小時平均值.廣州市有效數(shù)據(jù)時數(shù)為3343h,北京市為1171h.

2 結(jié)果與討論

相關(guān)研究表明,RH＜80%影響能見度的天氣稱為霾,RH＞90%的為霧,介于二者之間的為霧和霾共存現(xiàn)象.當(dāng) RH＞90%無降水時,雖沒有降水,但空氣中仍有水滴,即霧的現(xiàn)象,故剔除RH＞90%的樣本.本研究針對無降水過程,將相對濕度劃分為3個區(qū)段,RH≤70%,70%＜RH≤80%,80%＜RH≤90%,分別對大氣能見度與不同粒徑的顆粒物濃度進(jìn)行了回歸統(tǒng)計(jì)分析.

2.1 廣州市能見度與顆粒物的相關(guān)性分析

RH≤70%,70%＜RH≤80%,80%＜RH≤90% 3個相對濕度區(qū)段條件下的有效樣本數(shù)分別為1933,819,591.

由表1,圖1可見,各種RH區(qū)段下,能見度與PM2.5均呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)不同.RH在70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,在 0.7以上,其次為RH≤70%和80%＜RH≤90%,相關(guān)系數(shù)在0.6以上.能見度與 PM2.5～10的相關(guān)性較 PM2.5較差,不具有明顯的相關(guān)性.能見度與 PM10均呈負(fù)相關(guān),RH 在 70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.68;其次為RH≤70%和80%＜RH≤90%,相關(guān)系數(shù)均在0.6以上.

綜上所述,3個 RH區(qū)段下,3種顆粒物中,PM2.5與能見度的相關(guān)性最好,70%＜RH≤80%時,能見度與顆粒物的相關(guān)性最大.

2.2 北京市奧運(yùn)期間能見度與顆粒物的相關(guān)性分析

跨奧運(yùn)期間,對北京市的PM2.5與大氣能見度的相關(guān)性做統(tǒng)計(jì)分析,3個相對濕度區(qū)段下的有效樣本數(shù)分別為670、268、233.

由圖2,表2可見,各種RH區(qū)段下,能見度與 PM2.5均呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)不同.RH在70%＜RH≤80%相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.90;RH≤70%和80%＜RH≤90%相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.81.

表1 廣州市不同相對濕度區(qū)段下能見度與顆粒物的相關(guān)關(guān)系Table 1 The correlation between the visibility and PM in different RH ranges in Guangzhou

表2 不同相對濕度區(qū)段下北京市能見度與顆粒物的相關(guān)關(guān)系Table2 The correlation between the visibility and PM in different RH ranges in Beijing

2.3 能見度、相對濕度和顆粒物的多元線性統(tǒng)計(jì)分析

北京市僅有PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù),故針對廣州市的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析,討論相對濕度及顆粒物對能見度的影響.

取廣州市所有有效樣本(3343h),進(jìn)行二元線性統(tǒng)計(jì)分析.定義能見度(Vis)為因變量,RH 與PM(PM2.5、PM2.5～10、PM10)作自變量.首先對因變量和自變量采用極值法[22]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將有量綱的參數(shù)轉(zhuǎn)化為無量綱的參數(shù);分別建立二元線性回歸模型(表3),置信度取95%.

由表3可知,置信度95%時,各變量的顯著性水平 P＜0.05)[23],具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;由各擬合方程的相關(guān)系數(shù)可知,顆粒物中,PM2.5與能見度的相關(guān)性最好,PM10次之,PM2.5～10最弱;由于PM的回歸參數(shù)大于 RH,表明顆粒物對能見度的影響大于相對濕度.

表3 廣州市能見度、相對濕度與顆粒物的多元線性回歸模型Table 3 The multiple linear regression model among the visibility and RH, PM in Guangzhou

2.4 廣州市和北京市對比

由表1,表2可見,相同RH下,廣州和北京的能見度與 PM2.5的相關(guān)方程式不同,這可能與 2個地區(qū)PM2.5的來源和其中的化學(xué)成分不同有關(guān).顆粒物中主要消光成分所占百分比不同可能是造成2個地區(qū)能見度與PM2.5方程式不同的主要原因.具體的機(jī)理應(yīng)分析樣品離子成分.

由圖1,圖2 可見,當(dāng) PM2.5＞0.05mg/m3時,能見度隨顆粒物濃度變化不明顯,而當(dāng) PM2.5＜0.05mg/m3時,能見度隨顆粒物濃度降低而迅速升高.在治理 PM2.5時帶來的啟示:治理起始階段,PM2.5下降對能見度的改善效果并不明顯;但當(dāng) PM2.5降低到一定程度后,能見度的改善效果會非常顯著.

3 結(jié)論

3.1 對廣州市大氣顆粒物數(shù)據(jù)分析表明,大氣能見度與 PM2.5呈良好的負(fù)相關(guān)性關(guān)系,細(xì)粒子污染是造成大氣能見度下降的主要原因,且顆粒物對能見度的影響大于相對濕度.

3.2 PM2.5和RH是影響能見度的主要因子.不同的相對濕度下,廣州市和北京市 PM2.5與能見度的相關(guān)性不同.70%＜RH≤80%時,能見度與顆粒物濃度的相關(guān)性最好.

3.3 能見度與 PM2.5的擬合曲線在大約0.05mg/m3處是一個分界:當(dāng) PM2.5＞0.05mg/m3時,隨著PM2.5濃度降低,能見度變化不明顯;當(dāng)PM2.5＜0.05mg/m3時,隨著PM2.5濃度降低,能見度迅速升高.因此,在顆粒物治理的起始階段PM2.5下降對能見度的改善效果不很明顯;但當(dāng)PM2.5降低到一定程度后,能見度的改善效果會非常顯著.

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