南京地區(qū)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(qū)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(xué),氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)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(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210029)

為了研究南京地區(qū)相對濕度對氣溶膠的影響,利用位于南京信息工程大學(xué)的拉曼-瑞利-米氏激光雷達(dá),分析濕度廓線對消光系數(shù)的影響;利用2014年3月~2015年2月國控點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)對可吸入顆粒物濃度特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與相對濕度進(jìn)行逐月和四季對比分析,并計(jì)算各參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù),以期為南京市的城市布局與規(guī)劃、大氣污染治理等提供更多參考.結(jié)果表明,低空氣溶膠的消光系數(shù)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(fā)生重力沉降為界限)內(nèi),相對濕度越大越有利于顆粒物的形成,超過這個(gè)范圍,相對濕度越大,顆粒物濃度越低,在南京地區(qū),對于PM10來說,這個(gè)界限在40%~49%,對于PM2.5來說,這個(gè)界限在50%~59%.

氣溶膠；可吸入顆粒物；相對濕度；消光系數(shù)

隨著城市化的推進(jìn),大氣污染等諸多環(huán)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(qū)域乃至全球的氣候生態(tài)環(huán)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(guān)系展開研究,有助于治理氣溶膠污染.此前,已有過很多相關(guān)研究,包括西藏地區(qū)干濕季節(jié)光學(xué)厚度與相對濕度的關(guān)系[3];北京地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度及其譜分布特征與相對濕度的關(guān)系[4];上海地區(qū)不同粒徑大氣氣溶膠的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度與各氣象因素之間的關(guān)系[5];南京地區(qū)氣溶膠與云的互相影響[6];廣州地區(qū)使用干狀態(tài)下的濁度計(jì)和MAAP,以及環(huán)境狀態(tài)下的消光儀,假設(shè)吸收系數(shù)不隨濕度改變的情況下,計(jì)算得到環(huán)境濕度下的散射吸濕增長因子[7];天津地區(qū)不同氣象要素及粒子含量對氣溶膠含量的貢獻(xiàn)率[8].

20世紀(jì)80年代以來,中國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的快速發(fā)展,城市擴(kuò)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(gè)省會(huì)城市的霧霾情況做過統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)南京作為長江三角地區(qū)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(dǎo)致灰霾現(xiàn)象的主要原因,它會(huì)對人類健康[10-12]和大氣能見度產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響.

本文對晴天激光雷達(dá)觀測資料進(jìn)行反演,結(jié)合溫度廓線和相對濕度廓線,對垂直方向上的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對2014年3月~2015年2月的PM10濃度和相對濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行地面觀測數(shù)據(jù)分析,研究南京地區(qū)相對濕度對氣溶膠含量的影響.

1 數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 資料來源

地面相對濕度的逐日逐時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測資料來源于Weather Underground,南京監(jiān)測點(diǎn)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(shù)據(jù)是從美國懷俄明大學(xué)工程學(xué)院大氣科學(xué)系網(wǎng)站查詢得到.

觀測點(diǎn)是位于南京信息工程大學(xué)內(nèi)部的中國氣象局綜合觀測實(shí)驗(yàn)基地(118.7°E,32.2°N),與Weather Underground的監(jiān)測點(diǎn)距離24.1478km.觀測儀器采用中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的拉曼-瑞利-米氏三通道激光雷達(dá)(RRML).

2014年3月~2015年2月PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的小時(shí)變化數(shù)據(jù)是由南京市環(huán)保監(jiān)測站提供的9個(gè)站點(diǎn)(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(xué)站、玄武湖站和中華門站)小時(shí)變化數(shù)據(jù)處理得到.

1.2 消光系數(shù)

一次散射的激光雷達(dá)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(hào)的對數(shù);為距離矯正信號(hào)的對數(shù);為后向消光對數(shù)比;為參考高度處的消光系數(shù).

2 典型探測結(jié)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(hào)隨高度衰減嚴(yán)重,獲得的有效數(shù)據(jù)相對較少,因此Mie散射激光雷達(dá)對氣溶膠的觀測試驗(yàn)主要選擇在晴天進(jìn)行.處理激光雷達(dá)回波信號(hào)分3步進(jìn)行:①扣除背景信號(hào):從原始數(shù)據(jù)中分別扣除背景信號(hào),從而得到實(shí)際的大氣后向散射回波信號(hào),通常情況下,取13~15km回波信號(hào)的平均值作為背景信號(hào);②平滑濾波:對大氣后向散射回波信號(hào)進(jìn)行分區(qū)域、十一點(diǎn)三角平滑濾波處理,以降低大氣自身起伏帶來的隨機(jī)噪聲;③利用Klett方法,計(jì)算氣溶膠的消光系數(shù).

有研究指出,南京地區(qū)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(jié)果,其中藍(lán)線表示利用Klett方法對南京信息工程大學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)基地?cái)?shù)據(jù)反演得到的消光系數(shù)廓線,紅色實(shí)線和黑色虛線分別表示對應(yīng)的從美國懷俄明大學(xué)工程學(xué)院大氣科學(xué)系網(wǎng)站查詢得到的溫度廓線和濕度廓線.可以發(fā)現(xiàn),這4天逆溫現(xiàn)象不明顯,逆溫的影響不予考慮.整體上,氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布特征與相對濕度在垂直高度上的變化趨勢結(jié)果接近.圖1(a)(b)的消光系數(shù)與相對濕度均在從近地面開始增大,在1km左右出現(xiàn)一個(gè)小高峰后開始下降,在1.8km左右達(dá)到最低值并且一直趨于穩(wěn)定,圖1(a)的消光系數(shù)從高度10km處開始增長,并在10~12km之間先后出現(xiàn)兩次波峰,且相對濕度保持在一個(gè)穩(wěn)定的高值(接近80%),說明此處有云;圖1(c)(d)的消光系數(shù)與相對濕度均在3km左右出現(xiàn)了谷值,在6km左右出現(xiàn)了峰值,緊接著2個(gè)曲線都出現(xiàn)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(diǎn)和激光雷達(dá)的觀測點(diǎn)位置存在差異導(dǎo)致的,在6km附近消光系數(shù)出現(xiàn)峰值且相對濕度高達(dá)80%,說明6km附近有云;圖1(e)(f)的消光系數(shù)與相對濕度從近地面開始在2km附近出現(xiàn)一個(gè)小高峰,然后一直保持低值,在7km附近首次達(dá)到峰值后在8.5km附近達(dá)到了次波峰,在7km附近消光系數(shù)出現(xiàn)峰值且相對濕度高達(dá)80%,說明此處亦有云存在.圖1(g)(h)的消光系數(shù)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(xiàn)了峰值,此處也是因?yàn)槭艿皆频挠绊?

一些GCM的模擬表明[14-16],當(dāng)云和氣溶膠共同存在于高相對濕度下,由于云區(qū)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫要比晴空區(qū)小得多,這樣總輻射強(qiáng)迫將會(huì)減小,減小的幅度基本取決于云的光學(xué)厚度.當(dāng)相對濕度達(dá)100%時(shí),輻射強(qiáng)迫會(huì)減小50%.但相對濕度小于90%時(shí),只減小5%~20%.所以僅對非云區(qū)域進(jìn)行分析,分析產(chǎn)生現(xiàn)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(xué)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(huì)與水混合,粒子的尺度及其分布、形狀以及化學(xué)構(gòu)成均將發(fā)生變化,從而其折射指數(shù)和粒子的眾數(shù)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(shù)會(huì)隨著相對濕度的增大而增大[17-19].同時(shí)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(shù)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(dá)有探測盲區(qū),所以利用相對濕度和環(huán)保監(jiān)測站的氣溶膠PM-10質(zhì)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(gè)月PM10月平均質(zhì)量濃度和相對濕度的小時(shí)變化,從圖中可以看出,PM10質(zhì)量濃度日變化的晝夜變化明顯,呈雙峰型結(jié)構(gòu),峰值分別出現(xiàn)在8:00~9:00和22:00~23:00,分析原因是此時(shí)間段多出現(xiàn)逆溫,阻礙了空氣的垂直對流運(yùn)動(dòng),大氣相對穩(wěn)定,不利于擴(kuò)散,造成了包括PM10在內(nèi)的時(shí)間段,氣溶膠濃度處于高值;從整體峰值高低來看,在7月達(dá)到最小值,在1月達(dá)到最大值,1月取暖設(shè)備的使用量增多,汽車?yán)鋯?dòng)增加,再加上太陽輻射弱,大氣層結(jié)穩(wěn)定,靜風(fēng)、小風(fēng)頻率高,逆溫易發(fā),不利于大氣顆粒物的擴(kuò)散,在10月和5月濃度值也較高,這是因?yàn)?0月是旅游黃金期,人們出行增加,機(jī)動(dòng)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(shí)期,導(dǎo)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(huì)產(chǎn)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(dǎo)致空氣中的顆粒物含量減少;從一天的小時(shí)變化中看,最小值出現(xiàn)在14:00左右,分析原因是此時(shí)是一天中對流最強(qiáng)烈的時(shí)間段.由此可見,人類生活對PM10質(zhì)量濃度有較大影響.

表1 PM10濃度值與相對濕度的相關(guān)系數(shù)

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

圖3是2014年3月~2015年2月PM10的平均質(zhì)量濃度的每小時(shí)變化四季對比,從圖中可以看出該值的四季質(zhì)量濃度值變化趨勢,冬季>春季>秋季>夏季,且相比于其他季節(jié),夏季污染物質(zhì)量濃度日變化比較平緩,這主要因?yàn)橄募練夂蛳鄬Ρ容^穩(wěn)定,而冬季由于風(fēng)速較大,冷空氣活動(dòng)較強(qiáng),造成局部揚(yáng)塵,表現(xiàn)出質(zhì)量濃度日變化的不規(guī)則;夏季是一年中相對濕度最大的季節(jié),對應(yīng)的PM10的平均質(zhì)量濃度最低,冬季是一年中相對濕度最小的季節(jié),對應(yīng)的PM10的平均質(zhì)量濃度最高.四季的質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型結(jié)構(gòu),峰值分別出現(xiàn)在 8:00和19:00,分析這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)正好是上下班交通高峰期,加上冬季此時(shí)多出現(xiàn)逆溫,大氣相對穩(wěn)定,不利于擴(kuò)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(qū)PM10濃度的變化也有較大的影響.

圖3 2014年四季PM10逐小時(shí)平均質(zhì)量濃度

對南京市2014年3月~2015年2月每小時(shí)的PM10、PM2.5質(zhì)量濃度和相對濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表2.可以看出,南京市全年相對濕度維持在一個(gè)較高水平.從相對濕度為0%開始,隨著相對濕度增加,PM10質(zhì)量濃度增大,當(dāng)相對濕度達(dá)到40%~ 49%之間,PM10質(zhì)量濃度達(dá)到峰值,此后,隨著相對濕度的增加,PM10質(zhì)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(zhì)量濃度增大,當(dāng)相對濕度達(dá)到50%~59%之間,PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到峰值,此后,隨著相對濕度的增加,PM2.5質(zhì)量濃度開始降低.圖1中在垂直方向上的非云區(qū)域,相對濕度范圍在59%內(nèi),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(zhì)量濃度與相對濕度月變化

南京地區(qū)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(huán)山、一面臨水的盆地狀地形,因而形成了較差的大氣擴(kuò)散條件,二是南京地區(qū)基礎(chǔ)制造業(yè)和輕工業(yè)發(fā)達(dá),重化工業(yè)比重大,有研究表明,南京地區(qū)顆粒物最大的污染源是工業(yè)源,其次是各種來源的揚(yáng)塵[23],這些污染源都會(huì)產(chǎn)生大量SO2和NO2,它們是形成二次氣溶膠的前體物,二次有機(jī)氣溶膠的轉(zhuǎn)化生成和積累老化是引起顆粒物(主要是細(xì)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(jī)鹽的比例越高,顆粒物的親水能力越強(qiáng),從而相對濕度對氣溶膠產(chǎn)生的影響也就越大[25].

3 結(jié)論

3.1 在1.2~12km高度范圍內(nèi)非云區(qū)域,氣溶膠消光系數(shù)廓線與該時(shí)刻的相對濕度廓線變化趨勢保持高度一致,即消光系數(shù)會(huì)隨著相對濕度的增大而增大.

3.2 通過對2014年南京環(huán)境空氣國控點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和相應(yīng)的相對濕度小時(shí)變化對比發(fā)現(xiàn),在近地面,氣溶膠質(zhì)量濃度有明顯的雙峰型日變化,在0:00~8:00期間,PM10質(zhì)量濃度會(huì)隨著相對濕度的升高而降低,在8:00~23:00期間,PM10質(zhì)量濃度會(huì)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(xiàn)出不完全一致的變化趨勢.在一定濕度范圍內(nèi)(PM10是40%~49%以內(nèi),PM2.5是50%~59%以內(nèi))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(gè)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(gè)范圍,相對濕度越大,顆粒物濃度越低.

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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(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榧す獯髿膺b感與探測.

2018-03-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375044/D0503,41175033/ D0503)

* 責(zé)任作者, 教授, nwcao@nuist.edu.cn