1994—2017年杭州能見度特征及其與PM2.5關(guān)系

劉熔熔

(浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

大氣能見度作為反映大氣環(huán)境質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo),與城市交通安全,人民生活質(zhì)量及軍事活動等方面息息相關(guān)[1-2]。研究表明,城市低能見度天氣不僅僅是自然現(xiàn)象,人為活動及排放的污染物在水汽、風(fēng)、溫度、氣壓等氣象因子共同作用下影響大氣能見度[3],其中水汽和顆粒物濃度是其中較為關(guān)鍵的兩個重要因子[4]。從20世紀(jì)60年代開始,國內(nèi)外學(xué)者分別從大氣污染物、氣象條件等不同角度開展城市能見度的演變規(guī)律和影響因子方面的研究[5-6],其中北京、上海、深圳、廣州、沈陽、西安、成都等大都市能見度年際變化及季節(jié)特征的研究文獻(xiàn)相對較多[4，7-9],針對杭州長序列能見度特征、能見度的人工觀測與儀器測量比對以及PM2.5質(zhì)量濃度對能見度的影響等方面的分析相對較少。

杭州地區(qū)能見度在2000—2015年期間總體呈降低趨勢[10],其中2011—2015年小于2 km的低能見度出現(xiàn)時次占總時次的17%左右。但據(jù)統(tǒng)計,2017年杭州的平均能見度明顯轉(zhuǎn)好,年均能見度及能見度大于10 km的出現(xiàn)頻率均為1994年以來最高值。能見度轉(zhuǎn)好的因素較多,但其中在相對濕度等氣象要素變化不明顯的情況下,PM2.5質(zhì)量濃度對能見度的影響程度值得進(jìn)一步分析。利用杭州國家基準(zhǔn)氣候站1994—2017年24 h觀測的環(huán)境氣象數(shù)據(jù),在統(tǒng)計分析長期能見度變化特征的基礎(chǔ)上,通過對相對濕度、PM2.5質(zhì)量濃度與能見度之間關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析,得出能見度較高時的PM2.5閾值范圍,為城市大氣污染控制提供一些科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

數(shù)據(jù)來源為杭州國家基準(zhǔn)氣候站觀測的環(huán)境氣象資料。杭州國家基準(zhǔn)氣候站(120°10′E,30°14′N),海拔41.7 m,位于西湖景區(qū)和杭州市區(qū)的結(jié)合部,周圍5 km之內(nèi)未有明顯的工業(yè)排放源。能見度資料為1994年1月1日—2017年12月31日每日24次正點(diǎn)觀測資料,以及同期觀測的風(fēng)速、氣溫、降水量和相對濕度等氣象要素小時值,PM2.5資料為2013年1月1日—2017年12月31日各時次平均質(zhì)量濃度。其中1994—2010年能見度為24 h人工觀測數(shù)據(jù),2011—2017年為24 h儀器自動觀測資料。能見度自動觀測儀器的傳感器為HY-35P,屬于前散式能見度儀。PM2.5監(jiān)測儀器采用5030型顆粒物同步混合檢測儀(SHARP),是一種β射線法加動態(tài)加熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射法對顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行連續(xù)實(shí)時測量的儀器,該儀器符合《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術(shù)要求及檢測方法》(HJ93—2013)。PM2.5自動監(jiān)測儀操作運(yùn)行過程符合《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范》(HJ655—2013)要求,日常運(yùn)維主要通過定期的流量檢查、標(biāo)準(zhǔn)膜校準(zhǔn)等來保證儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性和測量的準(zhǔn)確性。

此外,之所以選取1994年以來的觀測資料是因為90年代以前,一天只有4個時次能見度及地面氣象觀測資料,而從1993年以后,杭州國家基準(zhǔn)氣候站開始一天24時次的觀測,所積累的環(huán)境氣象資料更能反映一天中能見度的變化特征。

2 能見度人工觀測與儀器測量對比分析

能見度人工觀測方法是根據(jù)觀測員觀測目標(biāo)物與背景的亮度視覺對比感閾來確定的,當(dāng)能見度目標(biāo)物處于“模糊可見”光學(xué)狀態(tài)時的距離為發(fā)現(xiàn)距離,此時觀測員觀測目標(biāo)物與背景的亮度視覺對比感閾為0.05。能見度目標(biāo)物處于即將消失光學(xué)狀態(tài)時的距離為消失距離,此時觀測員觀測目標(biāo)物與背景的亮度視覺對比感閾為0.02。前向散射能見度儀測量方法,取前向散射角25°～45°之間。由接收器接收到的散射光的強(qiáng)度,計算被采樣大氣的消光系數(shù)σ,此時根據(jù)中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》(2003)對能見度的定義,對比閾值取0.05。

杭州國家基準(zhǔn)氣候站觀測員對能見度較好的天氣(能見度>10 km)時,一般采用比感閾為0.05,而能見度<10 km時比感閾為0.02,所以對于能見度<10 km時,利用理論公式(1)可以對人工能見度進(jìn)行修訂,兩者具有按比例系數(shù)相互換算的特點(diǎn)。

(1)

2011年,杭州國家基準(zhǔn)氣候站對能見度的人工觀測和儀器測量進(jìn)行了對比試驗,根據(jù)公式(1)對能見度<10 km的人工觀測數(shù)據(jù)訂正,其中能見度在20 km以上時,人工測量波動很大,故人工觀測能見度>20 km的數(shù)據(jù)不作對比分析。從圖1可見,人工觀測能見度隨著觀測距離的增加,同儀器測量偏差越大,能見度<6 km時,兩者的平均偏差137 m,其中1.6～1.8 m時出現(xiàn)負(fù)偏差;能見度≥10 km時,負(fù)偏差750～1500 m。從兩者的相對誤差來看(圖2),相對誤差絕對值<10%的出現(xiàn)樣本最多,為24%,相對誤差絕對值<30%的出現(xiàn)樣本為65.7%。白天人工觀測能見度比儀器測量平均高出14%,兩者差異的四分位數(shù)范圍大約是儀器測量值的30%;夜間人工能見度比能見度儀器測量值高出約30%,兩者相關(guān)的四分位數(shù)范圍比白天稍大一些,大約是儀器測量值的35%～40%。此外,在有降水的天氣現(xiàn)象時,儀器測量能見度偏小比較明顯,這與王瑞等研究基本一致[11-12]?？傮w來看,能見度的人工觀測和儀器測量的數(shù)據(jù)基本接近,且具有很高的線性相關(guān)(R2=0.853),作為連續(xù)數(shù)據(jù)能反映出一些變化特征。

圖1 能見度人工觀測與儀器觀測差值

圖2 能見度人工觀測與儀器觀測的相對誤差出現(xiàn)頻率

3 能見度基本特征

3.1 平均能見度

杭州主城區(qū)1994—2017年的平均能見度為7767±5952 m,最低為6474±5439 m(1999年),最高為11573±7398 m(2017年)。從圖3可見,1994—1999年均能見度呈逐年下降,2000—2015年均能見度在6781～8042 m之間波動,2016—2017年均能見度大幅提高,特別是2017年均能見度達(dá)到11.6 km,為1994年以來的最高值。1994—2017年均相對濕度在68%～77%之間,其中1994—2002年、2015—2016年均相對濕度較高一些,基本在75%以上。

圖3 1994—2017年年均能見度

圖4 1994—2017年月均能見度

根據(jù)年均能見度特征,分3個階段(1994—1998年、1999—2015年、2016—2017年)來看月均能見度(圖4),各階段的能見度都表現(xiàn)出以夏季較好,冬季較差的特征,其中7—8月能見度較好,1月、12月能見度較差。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究[10],出現(xiàn)這種現(xiàn)象與氣溶膠濃度的季節(jié)變化密切相關(guān),夏季氣溶膠濃度均較低,秋冬季氣溶膠濃度較高。

從各時次的能見度來看(圖5),一天中07:00—08:00能見度較低,在4.9～8.1 km之間;15:00左右能見度最好,比一天內(nèi)的最低能見度高出5 km左右。大量研究[13-14]認(rèn)為,能見度的日變化主要是因為早晨和夜間大氣層結(jié)較為穩(wěn)定,近地氣層內(nèi)常有逆溫出現(xiàn),抑制了低層空氣中氣溶膠粒子向上輸送,導(dǎo)致夜間和早晨能見度下降,從08:00開始太陽輻射和近地層對流逐漸增強(qiáng),大氣穩(wěn)定度減弱,擴(kuò)散能力增強(qiáng),14:00—15:00左右熱力對流達(dá)到旺盛時期,水平能見度也達(dá)到一天中最高時段。

圖5 1994—2017年小時平均能見度

3.2 能見度分級頻率

從圖6可見,1994—2017年的小時能見度(V)小于1 km的出現(xiàn)頻率均在4%以下,其中最大值出現(xiàn)在2013年(4.1%);1 km≤V<2 km的出現(xiàn)頻率在3%～15%之間;V≥10 km的出現(xiàn)頻率在19%～51%之間。1994—2010年期間較好能見度(V≥10 km)呈下降趨勢、2 km≤V<5 km的能見度出現(xiàn)頻率呈增加趨勢,2014年的能見度為自動觀測以來較低的年份,V≥10 km出現(xiàn)頻率僅為19%;2017年平均能見度大幅提升,V≥10 km首次超過50%,能見度<2 km的出現(xiàn)頻率下降到4.7%。

圖6 能見度分級出現(xiàn)頻率

2011—2015年低能見度(V<1 km)為1511時次,主要發(fā)生在夜間特別是后半夜到早晨時段,從圖7可見,低能見度日變化呈單峰型,對應(yīng)峰值時段為6:00(出現(xiàn)概率為8.7%),0—9時出現(xiàn)的概率占67.6%,而在白天時段(10:00—19:00)出現(xiàn)的概率在3%以下;1 km

圖7 低能見度出現(xiàn)頻率日變化

4 能見度與相對濕度、顆粒物的相關(guān)性分析

4.1 能見度與PM2.5相關(guān)性分析

根據(jù)能見度儀(HY-35P)和PM2.5顆粒物監(jiān)測儀(SHARP 5030)2015—2017年同步資料分析,排除降水影響,水平能見度與PM2.5質(zhì)量濃度有著顯著的相關(guān)性,呈冪函數(shù)關(guān)系(圖8)。

圖8 不同相對濕度下PM2.5與能見度散點(diǎn)圖

從不同相對濕度下的能見度與PM2.5質(zhì)量濃度的擬合曲線(圖8)可以看出:一是當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度從300 μg·m-3左右降到75 μg·m-3左右時,雖然PM2.5質(zhì)量濃度降低了225 μg·m-3,但對能見度改善不足2 km,此時對應(yīng)的能見度基本在3000 m以下,空氣質(zhì)量變好在感官上影響不大。二是當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度從75 μg·m-3左右降到50 μg·m-3左右時,雖然PM2.5質(zhì)量濃度降低了25 μg·m-3,但對能見度改善超過2 km,此時對應(yīng)的能見度已接近10 km左右,“藍(lán)天白云”的天數(shù)明顯增加;三是當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度在50 μg·m-3以下,每降低5 μg·m-3,能見度增加更加明顯;綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)[11]來看,PM2.5質(zhì)量濃度在50 μg·m-3可以作為能見度好轉(zhuǎn)的“拐點(diǎn)”。

4.2 不同相對濕度下PM2.5與能見度關(guān)系

由圖8可知,相對濕度(RH)小于60%時,能見度與PM2.5質(zhì)量濃度高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R2=0.90),當(dāng)相對濕度大于85%時,兩者的相關(guān)系數(shù)R2=0.84,說明相對濕度較大時,氣溶膠通過吸濕性增長增加散射截面和折射系數(shù)增大了消光作用,另一方面,在相對濕度相同條件下,隨著大氣顆粒物特別是細(xì)顆粒物濃度的上升,大氣能見度呈普遍下降的趨勢。從中也反映出當(dāng)相對濕度低于80%時,低能見度更多的是由于PM2.5等氣溶膠濃度變化引起;而相對濕度在90%以上,水汽往往是低能見度天氣的主要影響因子;相對濕度在80%～90%時,顆粒物濃度和相對濕度共同作用導(dǎo)致低能見度天氣,這與相關(guān)學(xué)者[15]的分析一致。從表1可見,在杭州年均相對濕度77%的情況下,PM2.5濃度在40 μg·m-3以下,水平能見度基本能達(dá)到10 km以上。

表1 2015—2017年不同濕度條件下能見度與PM2.5濃度關(guān)系

4.3 2017年能見度分析

2017年杭州市區(qū)大氣平均能見度11.6 km,同比2016年(8.4 km)上升3.2 km,且明顯高于歷年均值;低能見度(V<2 km)出現(xiàn)頻率為4.7%,較2016年(10.8%)明顯下降,為近5 a最低年份;較好能見度(V≥10 km)出現(xiàn)頻率為50.8%,較2016年(33.4%)明顯上升,為1994年以來同期最高。通過對比2013—2017年的環(huán)境氣象要素發(fā)現(xiàn)(表2),平均風(fēng)速、相對濕度、氣溫基本相同,降水量和降水時次2015—2016年相對多一些,但PM2.5逐年下降,且2017年均PM2.5降低到41.1 μg·m-3,已到達(dá)能見度能明顯改善的質(zhì)量濃度50 μg·m-3以下且接近40 μg·m-3,屬于能見度明顯增加區(qū)域,反映了在氣象要素基本接近的情況下,PM2.5質(zhì)量濃度的下降可能起到了關(guān)鍵性作用。

表2 2013—2017年環(huán)境氣象要素年均值

5 結(jié) 語

1)人工觀測能見度比儀器測量平均高出約14%～30%,當(dāng)能見度<6 km時,人工觀測能見度同儀器測量的平均偏差137 m,兩者的相對誤差<30%的出現(xiàn)樣本為65.7%,且具有很高的線性相關(guān)(R2=0.853)。

2)1994—1999年均能見度呈逐年下降,2000—2015年均能見度在6781～8042 m之間波動,2016—2017年均能見度大幅提高,特別是2017年均能見度達(dá)到11.6 km,為1994年以來的最高值。

3)PM2.5質(zhì)量濃度與能見度成明顯的冪函數(shù)關(guān)系,當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度在50 μg·m-3左右,每降低5 μg·m-3,能見度增加十分明顯;當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度在40 μg·m-3左右,水平能見度基本能達(dá)到10 km以上。

4)同一城市在相對濕度等氣象條件基本相同的情況下,PM2.5質(zhì)量濃度的降低是能見度改善的關(guān)鍵因子之一。