重慶市能見(jiàn)度影響因子的研究

蔣 敏，吳 婷，周 雯，王 斌＊，黃 偉，余家燕，翟崇治

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065；2.重慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，重慶 401147）

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，大氣環(huán)境質(zhì)量形勢(shì)日益嚴(yán)峻，大氣能見(jiàn)度及相關(guān)的城市污染問(wèn)題逐漸引起人們廣泛的關(guān)注。造成能見(jiàn)度下降的主要因素是大氣中各種粒子對(duì)可見(jiàn)光的吸收和散射效應(yīng)，我國(guó)目前關(guān)于大氣能見(jiàn)度及其與大氣污染物之間關(guān)系的研究大多處于直接統(tǒng)計(jì)分析的層面。由于大氣能見(jiàn)度與大氣污染物濃度之間存在一定的非線(xiàn)性相關(guān)［1］，統(tǒng)計(jì)結(jié)果之間存在較大差異。從測(cè)定原理分析，能見(jiàn)度測(cè)定儀獲得的大氣消光系數(shù)與污染物濃度之間應(yīng)該符合線(xiàn)性加和性。因此本研究通過(guò)逐步回歸分析方法建立重慶市大氣消光系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并分析不同污染物消光作用的貢獻(xiàn)比重，本文通過(guò)大氣消光系數(shù)建立能見(jiàn)度與大氣污染物之間的關(guān)系，對(duì)影響大氣能見(jiàn)度變化的因素有更深入的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源：重慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供的大氣超級(jí)站（北部新區(qū)）2011年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)代表月份（1月、4月、7月、10月）的城市空氣污染物（PM10、PM2.5、NO2、NO、O3、CO、非甲烷總烴）日平均濃度資料以及對(duì)應(yīng)時(shí)段的能見(jiàn)度和常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)Koschmieder測(cè)量理論，并取ε＝0.02，能見(jiàn)度計(jì)算公式為式中V是大氣能見(jiàn)度，ε是視覺(jué)對(duì)比閥值，σ是大氣消光系數(shù)，采用上述公式可通過(guò)能見(jiàn)度計(jì)算獲得的大氣消光系數(shù)測(cè)量值［2］。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)大氣消光系數(shù)與大氣污染物、常規(guī)氣象觀測(cè)之間進(jìn)行逐步回歸分析。

2 大氣能見(jiàn)度影響因子分析

從能見(jiàn)度測(cè)定儀的原理分析，大氣消光系數(shù)與污染物濃度之間應(yīng)該符合線(xiàn)性加和性，而大氣消光系數(shù)與能見(jiàn)度之間的定量關(guān)系為Koschmieder公式。因此，本研究通過(guò)逐步回歸分析方法對(duì)大氣消光系數(shù)的影響因子進(jìn)行分析，從而分析大氣能見(jiàn)度影響因子。

2.1 模型因子的選取

大氣消光系數(shù)包括顆粒物散射消光、顆粒物吸收消光、分子散射消光和分子吸收消光。由于大氣中的氣體分子和氣溶膠粒子具有吸收和散射特性，因此氣溶膠粒子會(huì)對(duì)大氣消光系數(shù)產(chǎn)生影響，有研究表明，氣溶膠總消光系數(shù)的90%來(lái)自細(xì)粒子［3］。此外顆粒物的消光系數(shù)受到密度的較大影響，與大氣濕度密切相關(guān)［4］，尤其在某些高濕狀態(tài)下，氣溶膠粒子經(jīng)凝結(jié)、碰并和懸浮增長(zhǎng)，可使氣溶膠散射系數(shù)成倍增加。常規(guī)氣象參數(shù)（除相對(duì)濕度外）對(duì)大氣消光系數(shù)的影響最終表現(xiàn)為對(duì)大氣污染物濃度的影響，因此，選取除相對(duì)濕度外的氣象參數(shù)意義不大。因此，本文選取以下因子進(jìn)行回歸分析：X1：PM10；X2：PM2.5；X3：NO2；X4：NO；X5：O3；X6：CO；X7：NMHC（非甲烷總烴）；X8：RH （相對(duì)濕度）。

由于PM10中包括了PM2.5，兩個(gè)變量之間存在高度相關(guān)關(guān)系，為了避免回歸分析的時(shí)候產(chǎn)生很強(qiáng)共線(xiàn)性，使模型估計(jì)失真或難以估計(jì)準(zhǔn)確，本研究中選擇PM10－2.5進(jìn)行計(jì)算，即 PM10－2.5為 PM10中扣除PM2.5之后剩余的部分。

2.2 逐步回歸模型的建立

由于各個(gè)季度對(duì)大氣消光系數(shù)有顯著影響的因子可能有所不同，所以本文分別研究了春季、夏季、秋季、冬季4個(gè)季節(jié)以及全年大氣消光系數(shù)與大氣污染物、相對(duì)濕度之間的關(guān)系（表1）。

表1 大氣消光系數(shù)與各變量的相關(guān)系數(shù)

從分季節(jié)回歸系數(shù)來(lái)看，春季大氣消光系數(shù)與PM2.5、RH呈顯著的正相關(guān)，與O3呈顯著的負(fù)相關(guān)，其余因子相關(guān)性較弱。夏季消光系數(shù)與PM2.5、CO、RH的正相關(guān)性最顯著，其余因子相關(guān)性較弱。秋季消光系數(shù)與PM2.5、RH呈顯著的正相關(guān)，其余因子相關(guān)性較弱。冬季消光系數(shù)與PM2.5、NMHC、RH、NO呈顯著的正相關(guān)，其余因子相關(guān)較弱。從全年來(lái)看，大氣消光系數(shù)與PM2.5和RH顯著正相關(guān)，與 PM10－2.5、NO、NMHC呈正相關(guān)，與 NO2呈很弱正相關(guān)，與O3、CO呈較弱負(fù)相關(guān)。總體來(lái)說(shuō)大氣消光系數(shù)與PM2.5、RH的相關(guān)性最好，呈顯著正相關(guān)，因此，PM2.5和相對(duì)濕度是影響大氣消光系數(shù)和能見(jiàn)度的主要因素。

在不同季節(jié)建立的回歸模型中，所有的復(fù)相關(guān)系數(shù)R均在0.840以上，這表明模型所選因子與大氣消光系數(shù)的相關(guān)性較高，能夠反映大氣消光系數(shù)的變化規(guī)律。不同季節(jié)回歸模型中的R2均在0.700以上說(shuō)明模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度很好，能解釋不同程度的大氣消光系數(shù)變異（表2）。

表2 重慶市大氣消光系數(shù)及其影響因子的逐步回歸結(jié)果

本研究進(jìn)行了α＝0.01、α＝0.05、α＝0.10的顯著性檢驗(yàn)，從回歸系數(shù)的變化可以看出，回歸方程沒(méi)有因數(shù)據(jù)本身的波動(dòng)和自變量的選取而導(dǎo)致回歸方程的變量或回歸系數(shù)有很大變化。因此，模型具有較好的穩(wěn)健性，整體來(lái)說(shuō)以通過(guò)了α＝0.01的置信度檢驗(yàn)的逐步回歸方程來(lái)分析消光系數(shù)及其主要影響因子之間關(guān)系最好。

模型中的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)能很好的解釋各因子對(duì)大氣消光系數(shù)的貢獻(xiàn)大小。從表3中可以看出，春季以RH對(duì)大氣消光系數(shù)的貢獻(xiàn)最大，而夏、秋、冬及全年以PM2.5的貢獻(xiàn)最大，尤其是冬季，大氣消光系數(shù)的貢獻(xiàn)幾乎全是來(lái)自PM2.5。同時(shí)，本研究還將所有的影響因子強(qiáng)迫引入回歸方程中，對(duì)四個(gè)不同季節(jié)以及全年進(jìn)行分析，結(jié)果顯示所有回歸方程中以PM2.5和RH的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)最大，其余因子的均很小。通過(guò)上述分析可知，PM2.5和相對(duì)濕度是大氣消光系數(shù)的最大貢獻(xiàn)者。

表3 大氣消光系數(shù)主要影響因子的貢獻(xiàn)

2.3 大氣能見(jiàn)度實(shí)測(cè)值與逐步回歸模型計(jì)算值的比較

根據(jù)通過(guò)了α＝0.01的置信度檢驗(yàn)的逐步回歸模型，得出大氣消光系數(shù)的計(jì)算值，再通過(guò)消光系數(shù)計(jì)算值推導(dǎo)出大氣能見(jiàn)度的計(jì)算值。圖1是對(duì)2011年春、夏、秋、冬以及全年的大氣能見(jiàn)度的實(shí)測(cè)值與逐步回歸模型計(jì)算值進(jìn)行比較。

圖1 全年大氣能見(jiàn)度實(shí)測(cè)值與回歸模型計(jì)算值比較

圖1中1代表1月；2代表4月；3代表7月；4代表10月。可以看出，在秋季當(dāng)大氣能見(jiàn)度出現(xiàn)很高值時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)較大誤差，但總體趨勢(shì)吻合的較好，夏季模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合的較一般，而冬季和春季的模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合的很好。對(duì)于全年的大氣消光系數(shù)的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合的程度還是較好的，但是不同季節(jié)的之間的大氣能見(jiàn)度波動(dòng)比較大，大氣能見(jiàn)度季節(jié)性差異較大。

3 結(jié)論

本文根據(jù)重慶市大氣污染物、相對(duì)濕度及能見(jiàn)度的數(shù)據(jù)資料，分析了重慶市大氣消光系數(shù)貢獻(xiàn)因子的情況。主要結(jié)論如下：

（1）大氣消光系數(shù)與PM2.5、相對(duì)濕度的相關(guān)性最好，呈顯著的正相關(guān)，是大氣消光系數(shù)及大氣能見(jiàn)度的主要影響因子，這與現(xiàn)有的關(guān)于重慶市大氣消光系數(shù)研究結(jié)果是一致的。春季以濕度對(duì)大氣消光系數(shù)的貢獻(xiàn)最大，而夏、秋、冬及全年以PM2.5的貢獻(xiàn)最大。因此，PM2.5和濕度是大氣消光系數(shù)的最大貢獻(xiàn)因子。

（2）通過(guò)分季節(jié)以及全年的回歸模型計(jì)算獲得的大氣能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合良好，能準(zhǔn)確的反映大氣能見(jiàn)度的變化規(guī)律，且分季節(jié)的回歸模型的效果更好。

（3）由于大氣消光系數(shù)與能見(jiàn)度之間具有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，因此，可通過(guò)用PM2.5質(zhì)量濃度和相對(duì)濕度與消光系數(shù)的回歸方程方便快捷地估算出大氣能見(jiàn)度的近似值。

［1］宋 宇，唐孝炎，方 晨，等.北京市能見(jiàn)度下降與顆粒物污染的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（4）：468－471.

［2］Larson S M，Cass G R.Characteristics of summer middy lowvisibility events in the Los Angeles area［J］.Environmental Science ＆Technology，1989，23：281.

［3］Molnar A，Meszaros E.On the relation between the size and chemical composition of aerosol particles and their optical properties［J］.Atmospheric Environment，2001，35（30）：5 053－5 058.

［4］劉新民，邵 敏.北京市夏季大氣消光系數(shù)的來(lái)源分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2004，24（2）：185－189.