廣州地區(qū)大氣能見(jiàn)度與顆粒物關(guān)系的初探

潘洪密，吳兌,2,*，李菲， 劉健

(1．中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院大氣科學(xué)系，廣東 廣州 510275；2.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所，廣東 廣州 510632；3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510080)

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·解析評(píng)價(jià)·

廣州地區(qū)大氣能見(jiàn)度與顆粒物關(guān)系的初探

潘洪密1，吳兌1,2,3*，李菲3， 劉健1

(1．中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院大氣科學(xué)系，廣東 廣州 510275；2.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所，廣東 廣州 510632；3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510080)

采用番禺大氣成分站2007—2013年的能見(jiàn)度、顆粒物(PM1、PM2.5、PM10)及番禺氣象局站的相對(duì)濕度(RH)資料，對(duì)顆粒物7年來(lái)的變化狀況進(jìn)行了分析。以RH為標(biāo)準(zhǔn)，將能見(jiàn)度和顆粒物數(shù)據(jù)分為RH≥90%、80%

空氣污染；顆粒物；能見(jiàn)度；相對(duì)濕度；相關(guān)性；廣州

氣溶膠是地球大氣的重要組成部分，雖然質(zhì)量相對(duì)極低，但其對(duì)全球氣候、區(qū)域空氣污染、能見(jiàn)度及人體健康有很大影響。大氣能見(jiàn)度是表征大氣透明程度的重要物理量，也是判斷霾發(fā)生的主要依據(jù)，顆粒物對(duì)光的散射和吸收作用是引起大氣能見(jiàn)度降低的主要原因，在廣州地區(qū)的氣溶膠污染中，主要是細(xì)粒子污染[1-5]。

文獻(xiàn)[1-10]表明，自20世紀(jì)80 年代初開(kāi)始，廣州地區(qū)的能見(jiàn)度明顯下降，其中有3 次大的波動(dòng)，第一次是80 年代中后期，廣州實(shí)施改革開(kāi)放，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，直接排放的粉塵導(dǎo)致能見(jiàn)度下降，至80 年代末，由于采取了消煙除塵措施有效地改善了能見(jiàn)度；1990—1997 年， SO2氧化的硫酸鹽粒子與直接排放的粉塵粒子疊加形成了第二次能見(jiàn)度惡化時(shí)段，1998—2000 年，我國(guó)開(kāi)展了以酸雨控制和SO2控制為主的大氣污染治理，廣州地區(qū)是兩控區(qū)，能見(jiàn)度出現(xiàn)了明顯好轉(zhuǎn)；自2001開(kāi)始，由于運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放引發(fā)的光化學(xué)污染，再疊加上直接排放的粉塵和硫酸鹽粒子，能見(jiàn)度出現(xiàn)了第三次惡化周期，廣州進(jìn)入了復(fù)合大氣污染的時(shí)代。因此，研究能見(jiàn)度與氣溶膠粒子質(zhì)量濃度之間的定量關(guān)系，對(duì)于深入了解造成能見(jiàn)度惡化的原因具有重要意義，可為治理空氣污染、改善空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究方法

現(xiàn)采用番禺大氣成分站2007—2013年的能見(jiàn)度、顆粒物(PM1、PM2.5、PM10)及番禺氣象局站的相對(duì)濕度(RH)資料，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對(duì)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，60 km及以下的按原值處理，60 km以上的按60 km處理，研究能見(jiàn)度與氣溶膠粒子質(zhì)量濃度之間的定量關(guān)系。

采用美國(guó)Belfort公司的Model 6000型(簡(jiǎn)稱(chēng)M 6000)前向散射式能見(jiàn)度儀，散射角為42°，量程是6～80 km，精度為±3 m；德國(guó)GRIMM公司的GRIMM 180顆粒物監(jiān)測(cè)儀，在線(xiàn)測(cè)量氣溶膠濃度，實(shí)時(shí)測(cè)量31個(gè)粒徑段的氣溶膠數(shù)和顆粒物(PM10、PM2.5、PM1)質(zhì)量濃度，采樣流量為1.2 L/min±5%，測(cè)量粒徑范圍是0.25～32 μm，精度為±2%，測(cè)量質(zhì)量濃度范圍為1～1 500μg/m3；RH的測(cè)量是自動(dòng)站的溫濕傳感器。

2 結(jié)果分析

2.1 顆粒物年度變化

2007—2013年，番禺大氣成分站ρ(PM10)、ρ(PM2.5)和ρ(PM1)日變化見(jiàn)圖1。

圖1 2007—2013年ρ(PM10)、ρ(PM2.5)和ρ(PM1)日變化

由圖1可見(jiàn)，ρ(PM10)、ρ(PM2.5)和ρ(PM1)平均值分別為56.6、43.0、38.5 μg/m3，其中PM2.5占PM10比例為76%，PM1占PM2.5比例為達(dá)90%。3種顆粒物的日均最高值出現(xiàn)在2008年1月6日，分別為206.4、161.6、148.0 μg/m3，最低值出現(xiàn)在2010年7月13日，分別為8.8、6.5、5.2 μg/m3。顆粒物日均值有明顯的年際變化，且變化趨勢(shì)一致，變化幅度非常大。月均最低值是7月份，分別為31.0、22.7、19.7 μg/m3；月均最高值都出現(xiàn)在12月，分別為79.6、60.2、54.8 μg/m3。

PM10超標(biāo)(日均值>150 μg/m3)天數(shù)為22 d，PM2.5超標(biāo)(日均值>75 μg/m3)天數(shù)為211 d，PM1超標(biāo)(日均值>60 μg/m3)天數(shù)為258 d。可見(jiàn)，細(xì)粒子污染狀況的嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)大于粗粒子。超標(biāo)天數(shù)12月份最多，1月次之；5月份最少，7月份次之，超標(biāo)天數(shù)集中在旱季(10月至次年4月)，反映了當(dāng)時(shí)氣象條件對(duì)顆粒物濃度的重要影響。顆粒物的各年平均值見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，各年度 PM10的值均高于WHO(World Health Organization)的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值(20μg/m3)，也高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(40 μg/m3)。PM2.5則為《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)(10 μg/m3)的4倍左右，也高于(GB 3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)。

表1 顆粒物的年平均值 μg/m3

本工作提出了一種在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用單向廣播機(jī)制的時(shí)間同步算法CB-Sync.在CB-Sync算法中,以Chirp導(dǎo)頻信號(hào)在節(jié)點(diǎn)未被同步狀態(tài)下來(lái)估計(jì)多普勒規(guī)模因子,減少了時(shí)間同步誤差帶來(lái)的多普勒規(guī)模因子估計(jì)誤差.同時(shí),CB-Sync算法提出了只利用單向廣播機(jī)制同步網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),這樣的機(jī)制可以很好地減少信道阻塞.從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,CB-Sync算法在同步精度與能量利用效率上都優(yōu)于其他算法.因?yàn)镃B-Sync算法是一種集中式的同步算法,隨著跳數(shù)的增加會(huì)有同步誤差的積累,所以在今后的研究中,將主要利用分布式的思想解決水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問(wèn)題.

2.2 RH≤80%時(shí)能見(jiàn)度與顆粒物的關(guān)系

在RH<80%時(shí)，對(duì)顆粒物和能見(jiàn)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，顆粒物與能見(jiàn)度大致呈冪函數(shù)關(guān)系，3種顆粒物的擬合方程形式一樣。3種顆粒物與能見(jiàn)度擬合圖見(jiàn)圖2(a)(b)(c)。

表2 能見(jiàn)度和顆粒物的擬合公式(RH≤80%)①

①Y，Y≥0，km；X，μg/m3。

圖2 PM1 、PM2.5 、PM10 與能見(jiàn)度擬合圖

由圖2可見(jiàn)，3種顆粒物和能見(jiàn)度的關(guān)系具有內(nèi)在一致性，能見(jiàn)度與顆粒物濃度大致呈冪函數(shù)形式的負(fù)相關(guān)，隨著顆粒物濃度的增加而降低。PM2.5、PM1與能見(jiàn)度的R2分別為0.57和0.58，非常接近，PM10與能見(jiàn)度的R2是0.47，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，PM2.5、PM1與能見(jiàn)度的相關(guān)性要大于PM10，能見(jiàn)度的變化與細(xì)粒子更加密切。

2.3 80%

表3是80%

表3 能見(jiàn)度和顆粒物的擬合公式(80%

①Y，km；Y≥0，X，μg/m3。

圖3 PM1、PM2.5、PM10與能見(jiàn)度擬合圖

由圖3可見(jiàn)，與RH≤80%時(shí)的情況大致相同。80%

2.4 RH≥90%時(shí)能見(jiàn)度與顆粒物的關(guān)系

RH≥90%，顆粒物和能見(jiàn)度之間的變化趨勢(shì)已沒(méi)有一致性，R2也非常小(<0.2)，無(wú)法得出較好的擬合公式，依據(jù)R2的標(biāo)準(zhǔn)和之前的對(duì)比，它們之間的相關(guān)性非常小。由于RH變化范圍較小，如果使用原始數(shù)據(jù)，很難定量分析它與能見(jiàn)度之間的關(guān)系，也無(wú)法使用單純的R2來(lái)表征其和能見(jiàn)度之間的相關(guān)性大小，因此，以RH為標(biāo)準(zhǔn)，從90%～100%，以1%為間隔，將各RH數(shù)值段內(nèi)的顆粒物和能見(jiàn)度數(shù)據(jù)相加求平均，將5×7 462個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為5×11個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)其作圖并求擬合公式。

表4是數(shù)據(jù)求平均后RH和能見(jiàn)度的擬合公式，數(shù)據(jù)處理之后，RH和能見(jiàn)度之間的擬合公式也是冪函數(shù)形式，呈負(fù)相關(guān)，且R2值非常高，說(shuō)明具有較好的相關(guān)性。顆粒物、能見(jiàn)度和RH變化見(jiàn)圖4。

表4 能見(jiàn)度和RH的擬合公式(RH≥90%)①

①Y，km,Y≥0；X，%。

圖4 顆粒物、能見(jiàn)度和RH變化

圖5是PM1、能見(jiàn)度、RH的變化趨勢(shì)圖。由圖5可見(jiàn)，如果只考慮PM1、能見(jiàn)度的趨勢(shì)性變化，在RH較低時(shí)(大致為RH<90%)，2者有較好的反相關(guān)變化。當(dāng)PM1濃度升高時(shí)，能見(jiàn)度便相應(yīng)的下降，當(dāng)PM1降低時(shí)，能見(jiàn)度又相應(yīng)的上升；PM1的峰值往往對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度的低谷值，而PM1的低谷值又往往對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度的峰值，這種變化趨勢(shì)一直持續(xù)到RH為90%附近。而當(dāng)RH≥90%時(shí)，能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)是一直在降低，而PM1則有很大的起伏變化，其無(wú)相關(guān)性，對(duì)PM2.5、PM10的分析(圖略)結(jié)果也大致如此。而對(duì)RH(橫軸)和能見(jiàn)度來(lái)說(shuō)，在RH<90%時(shí)，隨著RH的線(xiàn)性增加，能見(jiàn)度是起伏變化的，2者沒(méi)有明顯的相關(guān)性；但當(dāng)RH≥90%，隨著RH的增加，能見(jiàn)度呈整體下降趨勢(shì)，對(duì)比顆粒物來(lái)說(shuō)，其之間有較好的相關(guān)性。

圖5 PM1、能見(jiàn)度、RH變化

圖6是不同RH下能見(jiàn)度和PM1關(guān)系。由圖6可見(jiàn)，在相同的PM1值下，RH越高，對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度值就越小，如ρ(PM1)為30 μg/m3，RH=90%、85%、75%、65%、50%、35%時(shí)對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度分別為9、13、16、21、24、26 km。以能見(jiàn)度為例，當(dāng)能見(jiàn)度都為10 km時(shí)，RH=90%、85%、75%、65%、50%、35%時(shí)對(duì)應(yīng)的ρ(PM1)分別為28、36、47、60、85、95 μg/m3，最高值是最低值的近4倍。說(shuō)明即使在ρ(PM1)較低時(shí)，如果RH值較高，也會(huì)發(fā)生低能見(jiàn)度狀況(排除霧和輕霧的情況)。

圖6 不同RH下能見(jiàn)度和PM1關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在廣州地區(qū)顆粒物分布中， PM2.5占PM10平均為76%，PM1占PM2.5則高達(dá)90%，總體是旱季高于雨季(5—9月)。顆粒物質(zhì)量濃度不僅與排放源有關(guān)，還與當(dāng)時(shí)的氣象條件有密切關(guān)系。

(2)顆粒物與能見(jiàn)度大致呈冪函數(shù)形式的負(fù)相關(guān)，RH≤80%時(shí)，顆粒物與能見(jiàn)度的相關(guān)性為：PM10(0.47)

(3)在RH≥90%時(shí)，以RH為標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均處理，能見(jiàn)度與RH有較好的相關(guān)性(R2= 0.96)，如果只和顆粒物進(jìn)行對(duì)比，剔除其他因素，在該RH下，能見(jiàn)度與RH的相關(guān)性要大于其與顆粒物的相關(guān)性。

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The Relationship between Atmospheric Visibility and Particulate Matter in Guangzhou

PAN Hong-mi1,WU Dui1,2,3*,LI Fei3, LIU Jian1

(1DepartmentofAtmosphericScience,SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYai-senUniversity,Guangzhou;Guangdong510275,China;2InstituteofAtmosphericEnvironmentSafetyandPollutionControl,JinanUniversity,Guangzhou,Guangdong510632,China;3InstituteofTropicalandMarineMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Guangzhou,Guangdong510080,China)

Base on the data from 2007 to 2013 of particulate matter and atmospheric visibility of Panyu atmospheric composition station in Guangzhou city ,and the relative humidity(RH) data of Panyu meteorological administration station ,the variation of particulate matter for 7 years were analyzed .The data were divided into three clusters according to RH, RH ≥90%,80%0.57(PM2.5)>0.47(PM10) .When 80%0.46(PM2.5)>0.4(PM10) .While RH≥90%, the correlation was very weak, and no consistent correlation was evident.

Air pollution;Particulate matter; Visibility; Relative humidity; Correlation; Guangzhou

2014-08-11；

2014-10-11

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011CB403403)。

潘洪密(1989—)，男，本科生，大氣科學(xué)專(zhuān)業(yè)。

*通訊作者：吳兌 E-mail:wuduigz@gmail.com

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B

1674-6732(2015)01-0032-05