貴陽市相對濕度及PM2.5濃度對大氣能見度的影響分析

張春輝 徐 鵬

(1．貴陽市環(huán)境信息中心，貴陽 550022;2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550025;3. 貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學觀測研究站，貴陽 550025)

能見度是反映大氣透明度的重要指標，受氣象條件和大氣污染過程共同影響，能夠很好表征大氣環(huán)境質(zhì)量狀況[1]，低能見度對公眾生活、社會生產(chǎn)、交通運輸均造成嚴重影響[2]。

近年來研究人員對大氣能見度變化特征及其影響因子進行了大量研究。研究表明，顆粒物濃度和相對濕度是影響大氣能見度的主要因子[3-5]，其中顆粒物的散射消光是影響能見度的重要因素[6-8]。氣溶膠顆粒物低濃度時，能見度對顆粒物濃度非常敏感，反之則不敏感[9]。低相對濕度條件下，顆粒物濃度是影響能見度的主要因子[10]，隨著相對濕度的逐漸上升，能見度與相對濕度的相關(guān)性更加顯著[11]。高相對濕度非常有利于顆粒物發(fā)生潮解而吸濕增長，進而增強消光性能使能見度降低[12-14]，因顆粒物中不同組分的性質(zhì)不同，相對濕度對其影響機制也存在差異[15-16]。能見度與細顆粒物濃度的非線性關(guān)系隨相對濕度的升高而減弱，當環(huán)境濕度達到80%～90%時，即便PM2.5濃度較低，其吸濕性增長也能導致能見度小于10 km[17]。

貴陽市是中國西南地區(qū)重要的中心城市之一，地處東部平原向西部高原過渡地帶，具有典型中低緯度的高原地形城市代表性，屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，有鮮明的區(qū)域性氣候及大氣環(huán)境特征而不同于中東部發(fā)達地區(qū)[18]。鄭小波等[19]通過分析云貴40年氣象資料發(fā)現(xiàn)貴陽消光系數(shù)增加、能見度呈下降趨勢。但不同相對濕度條件下氣溶膠顆粒物濃度變化對貴陽市能見度影響效果如何值得進一步深入研究。本文選取貴陽市2019年1月1日-12月31日能見度、PM2.5濃度及相對濕度等逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用線性和非線性回歸方法，研究了能見度與PM2.5濃度、大氣濕度的定量關(guān)系，為貴陽市大氣能見度改善及大氣污染防治提供依據(jù)。

1 資料及方法

貴陽大氣能見度、相對濕度和降水量數(shù)據(jù)由貴陽國家基本氣象站(57816)觀測，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，收集2019年1月1日-2019年12月31日逐小時相對濕度和能見度自動觀測數(shù)據(jù)。

PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，以貴陽市9個環(huán)境空氣質(zhì)量國控站監(jiān)測的PM2.5質(zhì)量濃度平均值代表全市濃度，資料長度為2019年1月1 日—2019年12月31日，時間分辨率為1h。分析能見度與相對濕度及PM2.5濃度關(guān)系時，統(tǒng)一使用同一時段內(nèi)資料?？紤]降水會造成分析結(jié)果失真，本文使用的均為去除降水時段后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，去除降水時段和異常值后，共計6517個有效樣本。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣能見度、相對濕度及PM2.5濃度概況

圖1為貴陽市能見度、相對濕度及PM2.5濃度的月變化曲線，貴陽市能見度月均值范圍在5.5～21.2 km，能見度在6-8月較好，7月為峰值，1月最低；相對濕度月均值范圍在72%～91%，1月最高，8月最低；PM2.5濃度月均值范圍在15～41 μg/m3，7月最低，12月最高。夏季貴陽偏南風為主，風速強，氣溫較高大氣垂直對流混合強，且夏季梅雨季節(jié)降水較多，利于污染物的清除和擴散，而冬季則靜穩(wěn)天氣較多，風速小，大氣垂直交換弱，濕度有所升高但降水量卻減少，不利于污染物的清除和擴散，高濕條件反而有利于細顆粒物的吸濕增長。當然，除了冬季顆粒物濃度增長對能見度影響，還有研究表明，冬季低能見度更多的是霧造成的[20]。

圖1 相對濕度、PM2.5濃度和能見度月變化

能見度日變化呈現(xiàn)較明顯的單峰型分布(圖2)，每日下午15:00-17:00能見度最大(平均值18.0 km)，隨后開始降低，在凌晨6:00-7:00降到最低(平均值8.6 km)，波動幅度超過50%。能見度日變化特征與PM2.5濃度及相對濕度小時變化存在密切相關(guān)。在6:00-7:00能見度最差時，對應相對濕度為最高值，PM2.5濃度較低；9:00后受早高峰影響PM2.5濃度開始升高，相對濕度逐漸下降，能見度逐時升高；下午14:00-17:00時，相對濕度基本處于日最低位，由于下午時段擴散條件比較好，PM2.5濃度也相應處于低值，此時段能見度最高；夜間19:00后，相對濕度開始升高，由于晚高峰污染排放增強，再加上逆溫影響，混合層降低，PM2.5濃度開始累積升高，PM2.5二次組分的吸濕增長，加上低溫高濕易起霧，消光系數(shù)增強，導致能見度出現(xiàn)下降[21]。

圖2 相對濕度、PM2.5濃度和能見度日變化

2.2 能見度與相對濕度及PM2.5濃度的關(guān)系

大氣相對濕度是影響能見度的重要因素之一[22]。當一個干粒子吸收水汽后，粒徑會顯著增大，其折射指數(shù)快速減小，前向散射明顯增強，進而改變單次散射反照率和后向散射比等氣溶膠輻射特性參數(shù)，影響能見度[23]。更重要的是，在高相對濕度條件下，大氣中形成的霧滴通過消光影響能見度變化。當相對濕度升高時，PM2.5中硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽等二次組分易吸收水汽后潮解成為鹽溶液，形成霧滴后體積和質(zhì)量明顯增大，對光輻射的吸收反射更強，大氣能見度大幅降低[24-25]。。

為研究不同大氣濕度(RH)條件下能見度與PM2.5濃度的變化趨勢，以RH為標準，以1%作為組間寬度，用線性分段擬合相對濕度與對應區(qū)間內(nèi)能見度和PM2.5濃度均值之間的相關(guān)關(guān)系。如圖3a所示，大氣相對濕度愈高而能見度愈低，在RH<40%、40%≤RH<60%、60%≤RH<80%、80%≤RH<90%、RH≥90%區(qū)間，相對濕度與平均能見度均呈顯著負相關(guān)(P<0.01、P<0.05、P<0.01、P<0.01、P<0.01)，能見度的降低速率分別為-0.284，-0.128，-0.202，-0.291，-1.104 km/1%。同時RH<40%區(qū)間內(nèi)，相對濕度與 PM2.5濃度呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(P<0.01)，RH增加1%，PM2.5濃度增加0.62 μg/m3(圖3b)；80%≤RH<90%、RH≥90%區(qū)間內(nèi)，相對濕度與 PM2.5濃度均呈現(xiàn)出顯著負相關(guān)(P<0.05、P<0.01)，RH增加 1%，PM2.5濃度分別降低0.51和0.63 μg/m3(圖3b)。通過分析對比不同相對濕度段下能見度降低速率與 PM2.5濃度升高速率的關(guān)系可知，在RH<40%氣溶膠顆粒物粒子處于干燥狀態(tài)時[22，26]，能見度降低主要是受PM2.5濃度升高的影響。此外，40%≤RH<80%時，相對濕度對PM2.5濃度變化的影響并不顯著，但 80%≤RH<90%時，相對濕度升高情況下 PM2.5濃度出現(xiàn)明顯下降(P<0.05)(圖3b)。在RH≥90%時 PM2.5濃度的下降速率為-0.627 (μg/m3)/1%(P<0.01)，而此濕度段內(nèi)能見度與相對濕度亦為顯著負相關(guān)，RH下降速率為 -1.104 km/1%。這說明在大氣相對濕度較高條件下，貴陽市能見度降低并非顆粒物消光作用造成，主要是大氣中水汽凝結(jié)物消光起了主導作用。

圖3 不同濕度區(qū)間相對濕度與平均能見度(a)、平均PM2.5濃度(b)的關(guān)系

顆粒物對能見度的影響有直接作用也有間接作用，顆粒物本身有消光作用從而影響能見度，然而在水汽充沛的南方地區(qū)，相對濕度高時，吸濕性凝結(jié)核在高濕低溫下吸收水汽成為液態(tài)微滴，大量微小液霧滴聚合成為云霧，云霧的質(zhì)量濃度比顆粒物氣溶膠組成的霾大得多(數(shù)萬倍)，因而霧的消光能力比干燥顆粒物霾強得多(數(shù)百倍)[27]。將RH分成不同區(qū)段，分別用最合適的冪函數(shù)對不同RH段的PM2.5濃度與能見度的散點進行擬合(圖4)。從圖4可看出：RH>60%以后，PM2.5的濃度對能見度沒有明顯影響。但是RH本身對能見度的影響卻很顯著，如圖上PM2.5濃度為75 μg/m3時，RH從40%上升至90%，能見度則從約19 km下降至2～3 km，主要考慮是相對濕度升高后，細顆粒物中可溶性無機鹽很快變成鹽的水溶液，霧滴形成后相比PM2.5體積明顯增大，消光能力更強，對能見度影響更顯著?？梢?，影響貴陽低能見度的最終還是水滴——霧滴。

圖4 貴陽不同相對濕度等級下能見度與PM2.5濃度分布特征及冪函數(shù)擬合曲線

3 結(jié)論

(1)夏季貴陽市相對濕度和PM2.5濃度較低，能見度較高，冬季則相反；能見度日變化呈單峰型分布：06:00時左右最低，16:00時左右最高，與相對濕度呈反向變化。

(2)大氣能見度與相對濕度為顯著負相關(guān)，能見度隨相對濕度增大而減小，當RH<40%，能見度降低主要受PM2.5濃度升高的影響；40%≤RH<90%，RH升高，PM2.5中的水溶性二次粒子吸收水汽后改變物理化學性質(zhì)，粒徑尺度明顯增大，致使其消光性能顯著增強，二者共同影響能見度；RH≥90%時，能見度驟降與PM2.5濃度之間相關(guān)性并不強，主要是大量水汽凝結(jié)物消光起了決定性作用。RH≥90% 時，能見度隨相對濕度升高而線性遞減，RH每增加1%，貴陽平均能見度減小1.104 km。