南京地區相對濕度對氣溶膠含量的影響

宋秀瑜,曹念文,趙 成,楊思鵬

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南京地區相對濕度對氣溶膠含量的影響

宋秀瑜1,2,曹念文1*,趙 成3,楊思鵬1

(1.南京信息工程大學,氣象災害預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044；2.大連市氣象裝備保障中心,遼寧 大連 116001；3.南京市環境監測中心,江蘇 南京 210029)

為了研究南京地區相對濕度對氣溶膠的影響,利用位于南京信息工程大學的拉曼-瑞利-米氏激光雷達,分析濕度廓線對消光系數的影響;利用2014年3月~2015年2月國控點環境監測數據對可吸入顆粒物濃度特征進行統計,并與相對濕度進行逐月和四季對比分析,并計算各參數之間的相關系數,以期為南京市的城市布局與規劃、大氣污染治理等提供更多參考.結果表明,低空氣溶膠的消光系數廓線與相對濕度廓線變化趨勢高度一致,地面相對濕度與可吸入顆粒物濃度在一定濕度范圍(以不發生重力沉降為界限)內,相對濕度越大越有利于顆粒物的形成,超過這個范圍,相對濕度越大,顆粒物濃度越低,在南京地區,對于PM10來說,這個界限在40%~49%,對于PM2.5來說,這個界限在50%~59%.

氣溶膠；可吸入顆粒物；相對濕度；消光系數

隨著城市化的推進,大氣污染等諸多環境問題亟待解決.由于大氣氣溶膠可以通過吸收和反射地球和大氣之間的輻射,影響區域乃至全球的氣候生態環境[1].氣象條件的改變是造成氣溶膠濃度變化的重要原因[2],對氣象條件與氣溶膠之間的關系展開研究,有助于治理氣溶膠污染.此前,已有過很多相關研究,包括西藏地區干濕季節光學厚度與相對濕度的關系[3];北京地區氣溶膠數濃度及其譜分布特征與相對濕度的關系[4];上海地區不同粒徑大氣氣溶膠的數濃度和質量濃度與各氣象因素之間的關系[5];南京地區氣溶膠與云的互相影響[6];廣州地區使用干狀態下的濁度計和MAAP,以及環境狀態下的消光儀,假設吸收系數不隨濕度改變的情況下,計算得到環境濕度下的散射吸濕增長因子[7];天津地區不同氣象要素及粒子含量對氣溶膠含量的貢獻率[8].

20世紀80年代以來,中國經濟規模的快速發展,城市擴張和人口聚集,對能源的需求量越來越大,使得污染問題更為突出.通過對1980~2005年間中國31個省會城市的霧霾情況做過統計,發現南京作為長江三角地區的中心城市,近年來霧霾增長趨勢明顯[9].大氣中的可吸入顆粒物濃度的上升是導致灰霾現象的主要原因,它會對人類健康[10-12]和大氣能見度產生嚴重的負面影響.

本文對晴天激光雷達觀測資料進行反演,結合溫度廓線和相對濕度廓線,對垂直方向上的觀測數據進行分析,對2014年3月~2015年2月的PM10濃度和相對濕度數據進行地面觀測數據分析,研究南京地區相對濕度對氣溶膠含量的影響.

1 數據來源和方法

1.1 資料來源

地面相對濕度的逐日逐時數據監測資料來源于Weather Underground,南京監測點位于118.80°E, 32.00°N,垂直分辨率為100~1000m不等.

2010~2011年的溫度、相對濕度探空數據是從美國懷俄明大學工程學院大氣科學系網站查詢得到.

觀測點是位于南京信息工程大學內部的中國氣象局綜合觀測實驗基地(118.7°E,32.2°N),與Weather Underground的監測點距離24.1478km.觀測儀器采用中科院安徽光學精密機械研究所研制的拉曼-瑞利-米氏三通道激光雷達(RRML).

2014年3月~2015年2月PM10和PM2.5質量濃度的小時變化數據是由南京市環保監測站提供的9個站點(分別為浦口站、奧體中心站、草場門站、邁皋橋站、瑞金路站、山西路站、仙林大學站、玄武湖站和中華門站)小時變化數據處理得到.

1.2 消光系數

一次散射的激光雷達方程為[17]:

式中:r是參考高度,m;S為參考高度處的距離矯正信號的對數;為距離矯正信號的對數;為后向消光對數比;為參考高度處的消光系數.

2 典型探測結果與分析

2.1 相對濕度在垂直方向上對氣溶膠含量的影響

由于陰霾天氣下回波信號隨高度衰減嚴重,獲得的有效數據相對較少,因此Mie散射激光雷達對氣溶膠的觀測試驗主要選擇在晴天進行.處理激光雷達回波信號分3步進行:①扣除背景信號:從原始數據中分別扣除背景信號,從而得到實際的大氣后向散射回波信號,通常情況下,取13~15km回波信號的平均值作為背景信號;②平滑濾波:對大氣后向散射回波信號進行分區域、十一點三角平滑濾波處理,以降低大氣自身起伏帶來的隨機噪聲;③利用Klett方法,計算氣溶膠的消光系數.

有研究指出,南京地區晴好天氣的值取1[13].如圖1(a)~(h)為2011年3月17日、3月25日、5月13日、5月14日4天晴好天氣的觀測結果,其中藍線表示利用Klett方法對南京信息工程大學觀測實驗基地數據反演得到的消光系數廓線,紅色實線和黑色虛線分別表示對應的從美國懷俄明大學工程學院大氣科學系網站查詢得到的溫度廓線和濕度廓線.可以發現,這4天逆溫現象不明顯,逆溫的影響不予考慮.整體上,氣溶膠消光系數的垂直分布特征與相對濕度在垂直高度上的變化趨勢結果接近.圖1(a)(b)的消光系數與相對濕度均在從近地面開始增大,在1km左右出現一個小高峰后開始下降,在1.8km左右達到最低值并且一直趨于穩定,圖1(a)的消光系數從高度10km處開始增長,并在10~12km之間先后出現兩次波峰,且相對濕度保持在一個穩定的高值(接近80%),說明此處有云;圖1(c)(d)的消光系數與相對濕度均在3km左右出現了谷值,在6km左右出現了峰值,緊接著2個曲線都出現了次高峰,分別在6.8,8.8km附近,這種差異可能是由于相對濕度的觀測點和激光雷達的觀測點位置存在差異導致的,在6km附近消光系數出現峰值且相對濕度高達80%,說明6km附近有云;圖1(e)(f)的消光系數與相對濕度從近地面開始在2km附近出現一個小高峰,然后一直保持低值,在7km附近首次達到峰值后在8.5km附近達到了次波峰,在7km附近消光系數出現峰值且相對濕度高達80%,說明此處亦有云存在.圖1(g)(h)的消光系數與相對濕度均從近地面一直保持低值,在10km左右二者均出現了峰值,此處也是因為受到云的影響.

一些GCM的模擬表明[14-16],當云和氣溶膠共同存在于高相對濕度下,由于云區產生的輻射強迫要比晴空區小得多,這樣總輻射強迫將會減小,減小的幅度基本取決于云的光學厚度.當相對濕度達100%時,輻射強迫會減小50%.但相對濕度小于90%時,只減小5%~20%.所以僅對非云區域進行分析,分析產生現象的原因是,隨著濕度的增加,吸濕性和溶解性氣溶膠粒子的尺度將隨之增大.這種增大一方面依賴于大氣中水汽的含量;另一方面,它還依賴于氣溶膠粒子的物理特性和化學成分.在粒子與周圍空氣相互作用的過程中,氣溶膠粒子將會與水混合,粒子的尺度及其分布、形狀以及化學構成均將發生變化,從而其折射指數和粒子的眾數半徑也隨之改變,并引起粒子消光特性的變化.若溫度均勻變化,氣溶膠消光系數會隨著相對濕度的增大而增大[17-19].同時也說明了南京市大氣中水溶性粒子比較多[5].

(a)(c)(e)(g)分別為3.17,3.25, 5.13,5.14的氣溶膠消光系數廓線,(b)(d)(f)(h)分別為3.17,3.25,5.13,5.14的溫濕度廓線

2.2 相對濕度在近地面對氣溶膠PM10含量的影響

由于激光雷達有探測盲區,所以利用相對濕度和環保監測站的氣溶膠PM-10質量濃度對比分析相對濕度對近地面氣溶膠含量的影響.圖2是2014年12個月PM10月平均質量濃度和相對濕度的小時變化,從圖中可以看出,PM10質量濃度日變化的晝夜變化明顯,呈雙峰型結構,峰值分別出現在8:00~9:00和22:00~23:00,分析原因是此時間段多出現逆溫,阻礙了空氣的垂直對流運動,大氣相對穩定,不利于擴散,造成了包括PM10在內的時間段,氣溶膠濃度處于高值;從整體峰值高低來看,在7月達到最小值,在1月達到最大值,1月取暖設備的使用量增多,汽車冷啟動增加,再加上太陽輻射弱,大氣層結穩定,靜風、小風頻率高,逆溫易發,不利于大氣顆粒物的擴散,在10月和5月濃度值也較高,這是因為10月是旅游黃金期,人們出行增加,機動車的使用量增加,再加上10月降雨量偏低,使得二者濃度高, 5月為秸稈焚燒的高峰時期,導致大氣顆粒物濃度升高[20].冬季月份的峰值明顯高于夏季,分析原因,一是冬季取暖燒煤會產生大量的顆粒物,二是夏季由于雨水的沖刷和空氣濕度的增大,自然界中各成分的吸附性比較大,導致空氣中的顆粒物含量減少;從一天的小時變化中看,最小值出現在14:00左右,分析原因是此時是一天中對流最強烈的時間段.由此可見,人類生活對PM10質量濃度有較大影響.

表1 PM10濃度值與相對濕度的相關系數

注:**.在0.01水平(雙側)上顯著相關;*.在0.05水平(雙側)上顯著相關.

圖3是2014年3月~2015年2月PM10的平均質量濃度的每小時變化四季對比,從圖中可以看出該值的四季質量濃度值變化趨勢,冬季>春季>秋季>夏季,且相比于其他季節,夏季污染物質量濃度日變化比較平緩,這主要因為夏季氣候相對比較穩定,而冬季由于風速較大,冷空氣活動較強,造成局部揚塵,表現出質量濃度日變化的不規則;夏季是一年中相對濕度最大的季節,對應的PM10的平均質量濃度最低,冬季是一年中相對濕度最小的季節,對應的PM10的平均質量濃度最高.四季的質量濃度日變化呈雙峰型結構,峰值分別出現在 8:00和19:00,分析這2個時間點正好是上下班交通高峰期,加上冬季此時多出現逆溫,大氣相對穩定,不利于擴散,造成PM10的濃度高值,尤其是冬季的高濃度.可見交通、生活源對南京地區PM10濃度的變化也有較大的影響.

圖3 2014年四季PM10逐小時平均質量濃度

對南京市2014年3月~2015年2月每小時的PM10、PM2.5質量濃度和相對濕度數據進行統計,結果見表2.可以看出,南京市全年相對濕度維持在一個較高水平.從相對濕度為0%開始,隨著相對濕度增加,PM10質量濃度增大,當相對濕度達到40%~ 49%之間,PM10質量濃度達到峰值,此后,隨著相對濕度的增加,PM10質量濃度開始降低;從相對濕度為0%開始,隨著相對濕度增加,PM2.5質量濃度增大,當相對濕度達到50%~59%之間,PM2.5質量濃度達到峰值,此后,隨著相對濕度的增加,PM2.5質量濃度開始降低.圖1中在垂直方向上的非云區域,相對濕度范圍在59%內,氣溶膠含量隨著相對濕度增大而增大.

表2 不同相對濕度條件下PM10與PM2.5濃度值比較

圖4 2014年四季PM10平均質量濃度與相對濕度月變化

南京地區相對濕度對氣溶膠含量的影響很大,分析原因,一是由于南京市處于長江中下游中部,且是三面環山、一面臨水的盆地狀地形,因而形成了較差的大氣擴散條件,二是南京地區基礎制造業和輕工業發達,重化工業比重大,有研究表明,南京地區顆粒物最大的污染源是工業源,其次是各種來源的揚塵[23],這些污染源都會產生大量SO2和NO2,它們是形成二次氣溶膠的前體物,二次有機氣溶膠的轉化生成和積累老化是引起顆粒物(主要是細顆粒物)濃度升高的主要原因[24],所以,氣溶膠顆粒物中硫酸鹽、硝酸鹽等無機鹽的比例越高,顆粒物的親水能力越強,從而相對濕度對氣溶膠產生的影響也就越大[25].

3 結論

3.1 在1.2~12km高度范圍內非云區域,氣溶膠消光系數廓線與該時刻的相對濕度廓線變化趨勢保持高度一致,即消光系數會隨著相對濕度的增大而增大.

3.2 通過對2014年南京環境空氣國控點數據監測的PM10質量濃度數據和相應的相對濕度小時變化對比發現,在近地面,氣溶膠質量濃度有明顯的雙峰型日變化,在0:00~8:00期間,PM10質量濃度會隨著相對濕度的升高而降低,在8:00~23:00期間,PM10質量濃度會隨著相對濕度的降低而降低.

3.3 隨著相對濕度的上升,大氣顆粒物濃度表現出不完全一致的變化趨勢.在一定濕度范圍內(PM10是40%~49%以內,PM2.5是50%~59%以內)相對濕度越大越有利于顆粒物的形成,相對濕度是影響可吸入顆粒物污染的一個較為重要的因素,尤其是高濕度空氣容易造成顆粒物的較重污染.超過這個范圍,相對濕度越大,顆粒物濃度越低.

[1] 邱金桓,呂達仁,陳洪濱,等.現代大氣物理學研究進展[J]. 大氣科學, 2003,27(4):628-652.

[2] Wang K Y, Wang X M, Zhang R J, et al. Impact of meteorological factors on aerosol concentration diurnal variation in Beijing winter [J]. Research of Environmental Sciences, 2008.

[3] 張軍華,劉 莉,毛節泰.地基多波段遙感西藏當雄地區氣溶膠光學特性[J]. 大氣科學, 2000,24(4):549-558.

[4] 張仁健,王明星.北京地區氣溶膠粒度譜分析初步研究[J]. 氣候與環境研究, 2000,5(1):83-88.

[5] 林 俊,劉 衛,李 燕,等.大氣氣溶膠粒徑分布特征與氣象條件的相關性分析[J]. 氣象與環境學報, 2009,25(1):1-5.

[6] 李 琦,銀 燕,顧雪松,等.南京夏季氣溶膠吸濕增長因子和云凝結核的觀測研究[J]. 中國環境科學, 2015,35(2):337-346.

[7] Liu X, Zhang Y, Jung J, et al. Research on the hygroscopic properties of aerosols by measurement and modeling during CAREBeijing-2006 [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2009,114(16): 4723-4734.

[8] 邊 海,張裕芬,韓素芹,等.天津市大氣能見度與顆粒物污染的關系[J]. 中國環境科學, 2012,32(3):406-410.

[9] Che H Z, Zhang X Y, Yang Y, et al. Haze trends over the capital cities of 31provinces in China, 1981~2005. [J]. Theoretical & Applied Climatology, 2009,97(3/4):235-242.

[10] 殷永文,程金平,段玉森,等.上海市霾期間PM2.5、PM10污染與呼吸科、兒呼吸科門診人數的相關分析[J]. 環境科學, 2011,32(7): 1894-1898.

[11] 楊 維,趙文吉,宮兆寧,等.北京城區可吸入顆粒物分布與呼吸系統疾病相關分析[J]. 環境科學, 2013,34(1):237-243.

[12] 謝元博,陳 娟,李 巍.霧霾重污染期間北京居民對高濃度PM2.5持續暴露的健康風險及其損害價值評估[J]. 環境科學, 2014,35(1): 1-8.

[13] 孫海波,曹念文.激光雷達反演氣溶膠光學特性的k值準確度研究[J]. 激光與光電子學進展, 2017,(1):278-285.

[14] Haywood J M, Ramaswamy V. Global sensitivity studies of the direct radiative forcing due to anthropogenic sulfate and black carbon aerosols [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1998, 103(D6):6043–6058.

[15] Boucher O, Anderson T L. General circulation model assessment of the sensitivity of direct climate forcing by anthropogenic sulfate aerosols to aerosol size and chemistry [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1995,100(D12):26117–26134.

[16] Charlson R J, Langner J, Rodhe H, et al. Perturbation of the northern hemisphere radiative balance by backscattering from anthropogenic sulfate aerosols [J]. Tellus Ab, 1991,43(4):152-163.

[17] Zhang L S, Shi G Y. The impact of relative humidity on the radiative property and radiative forcing of sulfate aerosol [J]. 氣象學報英文版, 2001,15(4):465-476.

[18] Zhang R, Wang M, Fu J. Preliminary research on the size distribution of aerosols in Beijing [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2001, 18(2):225-230.

[19] Howell S G, Clarke A D, Shinozuka Y, et al. Influence of relative humidity upon pollution and dust during ACE-Asia: Size distributions and implications for optical properties [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2006,111(D6):925-946.

[20] Che H, Qi B, Zhao H, et al. Aerosol optical properties and direct radiative forcing based on measurements from the China Aerosol Remote Sensing Network (CARSNET) in eastern China [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2018,18(1):405-425.

[21] 徐 杰,匡漢祎,王國強,等.PM2.5與空氣相對濕度間關系淺析[J]. 農業與技術, 2017,37(9).

[22] 王明星.大氣化學[M]. 北京:氣象出版社, 1999.

[23] 安靜宇.長三角地區冬季大氣細顆粒物來源追蹤模擬研究[D]. 上海:東華大學, 2015.

[24] 東 梅,黃 茜,陳璞瓏,等.無錫市細顆粒物理化特征和來源解析研究[J]. 南京大學學報(自然科學), 2016,52(6):1029-1040.

[25] 潘小樂.相對濕度對氣溶膠散射特性影響的觀測研究[D]. 北京:中國氣象科學研究院, 2007.

[26] Ghan S J, Easter R C. Comments on A limited-area-model case study of the effects of sub-grid scale variations in relative humidity and cloud upon the direct radiative forcing of sulfate aerosol [J]. Geophysical Research Letters, 1998,25(7):143-146.

Effect of relative humidity on aerosol content in Nanjing.

SONG Xiu-yu1,2, CAO Nian-wen1*, ZHAO Cheng3, YANG Si-peng1

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Dalian Meteorological Equipment Support Center, Dalian 116001, China；3.Nanjing Environmental Monitoring Center, Nanjing 210029, China)., 2018,38(9)：3240~3246

In order to study the effect of humidity on the aerosol in Nanjing, the influence of the humidity profile on the extinction coefficient was studied and analyzed by using the Raman-Rayleigh-Mie Lidar in Nanjing University of Information Science and Technology;Based on the environmental monitoring data from March 2014 to February 2015, the concentration characteristics of respirable particulate matter were statistically analyzed and compared with the corresponding humidity to contrast monthly and four-season comparative analysis, and then the correlation coefficient between the parameters was calculated with the view of the city layout and planning of Nanjing and to provide more air pollution control reference. It was showed that the extinction coefficient profile was consistent with the trend of relative humidity profile at low altitude. In the range where gravity sedimentation did not occur, the greater the relative humidity, the more favorable the formation of particulate matter, beyond this range, the greater the relative humidity, the lower the concentration of particulate matter.The limit is between 40% and 49% for PM10and between 50% and 59% for PM2.5in Nanjing.

aerosol；inhalable particles；humidity；extinction coefficient

X513

A

1000-6923(2018)09-3240-07

宋秀瑜(1992-)女,遼寧大連人,南京信息工程大學碩士研究生,主要研究方向為激光大氣遙感與探測.

2018-03-02

國家自然科學基金資助項目(41375044/D0503,41175033/ D0503)

* 責任作者, 教授, nwcao@nuist.edu.cn