杭州市大氣能見度與PM2.5濃度的關系

姜斌彤沈葉民

（1浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司 浙江杭州 310007 2浙江省環(huán)境監(jiān)測中心 浙江杭州 310015）

杭州市大氣能見度與PM2.5濃度的關系

姜斌彤1沈葉民2

（1浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司 浙江杭州 310007 2浙江省環(huán)境監(jiān)測中心 浙江杭州 310015）

為了研究杭州市大氣能見度與PM2.5質(zhì)量濃度之間的關系,選取杭州市區(qū)2013年冬季至2014年春季期間PM2.5濃度、相對濕度以及能見度有效觀測數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明：能見度與PM2.5的關系并不是直接的線性關系，而是與大氣濕度也有著密切關系。隨著相對濕度和PM2.5濃度的增長，能見度水平逐漸降低。而進一步量化相對濕度與PM2.5濃度對能見度的影響，將相對濕度分為40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%以及＞90%共六個區(qū)間，對PM2.5與能見度的關系用非線性冪函數(shù)來擬合，擬合曲線的R2均大于0.9，表明擬合曲線與真實情況符合程度較好。另外，能見度與PM2.5的擬合曲線均在PM2.5濃度為50μg/m3左右出現(xiàn)拐點，說明在杭州市只有將PM2.5濃度控制在50μg/m3內(nèi)，能見度才能得到顯著提升。

大氣能見度；PM2.5；相對濕度；非線性擬合；杭州市

能見度，是反映大氣透明度的一個指標，當出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時，大氣透明度較低，因此能見度較差。近些年來隨著我國工業(yè)化和城市化進程的加劇，因為霾的原因?qū)е履芤姸认陆档奶鞌?shù)日益增多。對于霾日的定義為，日均能見度低于10 km且相對濕度小于80%由于低能見度天氣給人們生活帶來的諸多不便，特別是因此頻頻引發(fā)的交通事故，讓大氣能見度的研究受到社會各階層的廣泛關注。

國外從上世紀初就開始了對能見度的研究，大量研究表明能見度與大氣中的細粒子（PM2.5）污染有著密切的關系[1-3]。近年來，我國的一些城市依托逐漸建立起來的監(jiān)測網(wǎng)絡所提供的數(shù)據(jù)，開展了一些對大氣能見度的影響研究，但是國內(nèi)的研究主要還是關于大氣能見度與氣象因素關系的研究，這些研究多以長期歷史資料的日平均值統(tǒng)計分析為主。對于細顆粒物對能見度的研究開展的較少。

在已經(jīng)開展的關于細顆粒物（PM2.5）與能見度關系的研究中得出了一些結(jié)論，如馬雁軍等[4]研究遼寧省部分城市的能見度影響因素，發(fā)現(xiàn)能見度與PM10和PM2.5濃度呈明顯負相關關系，宋宇等[5]總結(jié)出北京地區(qū)氣溶膠粒子散射消光占總消光約70%～80%的結(jié)論。俞新華等[6]分析比對杭州市區(qū)大氣能見度變化趨勢與主要污染物相關性得出，影響能見度的首要因子為相對濕度和PM2.5。本文旨在研究杭州市細顆粒物（PM2.5）以及大氣相對濕度對于能見度的影響，對其關系進行量化分析，并利用PM2.5數(shù)據(jù)、相對濕度數(shù)據(jù)對大氣能見度進行多元非線性擬合，分析結(jié)果有助于深入認識杭州市PM2.5濃度水平對于能見度的影響，為進一步預測、控制和治理大氣污染提供依據(jù)。

1 實驗部分

本論文選取杭州市朝暉五區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站開展研究，朝暉五區(qū)環(huán)境空氣自動站為東經(jīng)120.171°北緯30.288°；是杭州市10個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站之一，其代表杭州中心城區(qū)。PM2.5觀測設備為賽默飛公司SHARP 5030 PM2.5顆粒物同步混合監(jiān)測儀，測量方法為光散射法（光濁度計）和β射線吸收法，設備溫度控制58%，較熱效率20%，最高60℃；能見度觀測設備為美國Belfort Model 6000，測量方法為連續(xù)自動前向散射法；相對濕度采用德國Swarco-lufft WS500-UMB氣象無參數(shù)儀，測量方法為電容法。

圖1 觀測站點位置圖

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 杭州市細粒子（PM2.5）污染、能見度水平以及相對濕度分布狀況

2.1.1 PM2.5污染水平

在2013年冬季至2014年春季所選取的觀測時間段，杭州市PM2.5污染較為嚴重，日均濃度到達93.02±75.39μg/m3，是美國EPA日均標準（15μg/m3）的6倍多，同時也高于我國最新頒布的擬于2016年實施的《空氣質(zhì)量標準》中的日均值（35μg/m3）標準。圖2為PM2.5小時濃度的頻數(shù)分布，根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）分級標準（表1），一級空氣質(zhì)量達標率為20.6%，二級空氣質(zhì)量達標率為55.9%，六級嚴重污染達4%。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）分級標準

圖2 PM2.5小時濃度的頻數(shù)分布

2.1.2.能見度水平

2013 年冬季至2014年春季的觀測階段，杭州市日均能見度較差，僅為11.77±8.70km。能見度小時平均值的頻數(shù)分布圖為圖3。其中，能見度小于10km的百分比高達55.9%。

圖3 能見度小時平均值的頻數(shù)分布

2.1.3 相對濕度

所選取的觀測時間段（2013年冬季至14年春季），杭州市的平均相對濕度較高，為74.83±19.68%。圖4為相對濕度分布頻數(shù)圖。其中，相對濕度位于95%-100%之間的值最多，占28%。

圖4 相對濕度的頻數(shù)分布

2.2.能見度與PM2.5的關系

2.2.1.能見度與PM2.5濃度數(shù)據(jù)的直接擬合

如果不考慮大氣濕度的影響，將PM2.5質(zhì)量濃度與能見度做散點圖進行線性擬合，所得到的結(jié)果的相關性很差（圖5），R2僅為0.288。顯然，能見度與PM2.5質(zhì)量濃度的關系并不是直接的線性關系，而是有其它因素的影響。

圖5 PM2.5質(zhì)量濃度與能見度的相關性散點圖

古金霞等[7]的研究表明天津地區(qū)大氣氣溶膠的散射消光約占總消光的83.5%，而空氣中的水汽可使大氣氣溶膠粒子吸濕增長，還會使其光學特性發(fā)生改變，從而對大氣能見度產(chǎn)生非常明顯的影響。因為隨著相對濕度的升高，細粒子中處于愛根核膜態(tài)（0.005～0.05μm）的粒子會吸濕增長，粒徑變大向積聚模態(tài)（0.05～2.0μm）轉(zhuǎn)化，而大粒子的散射效率會高于小粒子，從而對能見度影響更顯著。因此在考慮PM2.5濃度對于能見度影響中，大氣濕度的影響不可忽略。

3.2.2.能見度和相對濕度與PM2.5的關系

為了加入對相對濕度的影響，將PM2.5質(zhì)量濃度和對應的能見度按照不同的相對濕度進行分類，表2為不同相對濕度條件下大氣能見度與PM2.5的小時均值比較。可以看到，隨著相對濕度和PM2.5濃度的增長，能見度水平逐漸降低。

表2 不同相對濕度條件下大氣能見度與PM2.5的小時均值比較

為了進一步量化相對濕度與PM2.5濃度對能見度的影響，將相對濕度分為40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%以及＞90%共六個區(qū)間，之所以沒有0～40%間的數(shù)據(jù)是因為該區(qū)間有效數(shù)據(jù)太少，沒有統(tǒng)計意義。一般來說，能見度可以利用Koschmieder’s公式[8]進行計算，其表達式為：

其中bext為總體消光系數(shù)，它包括顆粒物散射消光（bsp）和顆粒物吸收消光（bap），分子散射消光（bsg）和分子吸收消光（bag）。分子散射消光在空氣中可以近似認為常數(shù)0.13*10-4m-1,和其它三項相比,一般可以忽略。分子的吸收消光作用主要是NO2污染帶來的。根據(jù)以上分析，我們可以確定PM2.5與能見度的關系應該用一個冪函數(shù)來表達，因此我們將PM2.5與能見度進行冪函數(shù)擬合（圖6）。

圖6 不同濕度下能見度與PM2.5濃度的擬合曲線

如圖6示，在不同的相對濕度范圍內(nèi)，能見度（y）與PM2.5質(zhì)量濃度的關系均用一下冪函數(shù)表達：

式（2）中A、pow均為擬合參數(shù)，擬合結(jié)果見表3。從擬合結(jié)果可以看出，不同濕度下，能見度與PM2.5濃度的擬合程度較好，R2均大于0.9。

表3 不同濕度下能見度與PM2.5濃度擬合結(jié)果

表4所示為不同濕度下PM2.5濃度與能見度的對應值，我們選取的PM2.5的值分別是美國EPA空氣標準中的日平均標準（15μg/m3）以及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）分級標準給出的相應的PM2.5標準。從表中可以直觀的看到，當相對濕度小于80%，而要求能見度能大于10km時，那么PM2.5的濃度質(zhì)量應該小于75～115μg/m3，而超過這個范圍，則出現(xiàn)了霾天。