深圳市大氣能見度影響因子研究

梁永賢，尹魁浩，顏 敏，劉寶章

(1．深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001;2．北京大學環境科學與環境工程學院，北京 100871)

1 大氣氣溶膠的光學性質［1］

大氣能見度是指大氣的清澈程度和清楚地看到遠處目標物的可能性，白天的能見度 (V)是在水平方向肉眼能看到的黑色目標物的最遠距離 (單位用m或km表示)。這個距離與大氣組分及其光學性質有密切關系，普通大氣包含氣體、液態和固態顆粒物，稱之為大氣氣溶膠。大氣氣溶膠的光學性質由其中各組分的光吸收、光散射的物理性能所決定，也就是由消光系數 (bext)所決定。

其中:bsg、bsp、bsw分別表示氣體、干粒子、水粒子的散射系數;bag、bap分別表示氣體和粒子的吸收系數。

Koschmieder認為消光系數與能見度的關系為:

R．penndorf提出清潔空氣分子氣溫在20℃、氣壓在1013.25hpa條件下，消光系數為:

則清潔空氣能見距離應為343.16km。

在大氣中氣體對光的吸收主要發生在紅外及微波波段，大氣中對可見光的的吸收主要是NO2，其吸收系數:

氣溶膠粒子對光的吸收主要是碳黑 ［CB］，其吸收系數:

式中碳黑和二氧化氮的濃度單位為μg/m3。

用多元回歸分析法可得出氣溶膠粒子和光散射系數之間的關系為:

其中:［S］代表 (NH4)2SO4，

［C］代表有機碳和元素碳 (基碳)，

［R］代表顆粒物中扣除上述

(NH4)2SO4和有機碳和元素碳 (基碳)后的其他剩余的顆粒物。

根據上述方程和1984年某地實測氣體和氣溶膠濃度可以計算出每種成分對消光系數的貢獻［1］。

表1 1984年6月監測的顆粒物與氣體對消光系數的貢獻率

表2 1984年12月監測的顆粒物與氣體對消光系數的貢獻率

從圖1可以看出，硫酸鹽+水對消光系數貢獻最大，含炭化合物次之，兩者之和占到80%。近幾十年來國內外一些學者進行了大量研究，認為影響大氣能見度的主要物質是:顆粒物、硫酸鹽、硝酸鹽和碳黑。各組分的貢獻大小與當地污染類型有關，近年有不少研究針對不同城市的污染特征對能見度和大氣污染的關系進行了有益探討［2～9］。有研究指出，硫酸鹽對能見度降低貢獻的百分比是它在顆粒物中重量百分比的兩倍。若它的重量占整個顆粒物的10%，則它對消光系數貢獻為20%，說明硫酸鹽對能見度影響較為突出;氣溶膠中的含炭化合物對能見度降低的貢獻僅次于硫酸鹽，居第二位。

2 深圳市近年來大氣污染物濃度及能見度變化狀況［10］

大氣能見度作為大氣透明度程度的一種表示方式，不僅可以反映區域大氣環境質量，而且與城市居民日常生產、生活息息相關。隨著深圳經濟的快速發展和人口迅速增加，隨之而來的機動車也急速增加，近十年來深圳市大型企業的生產方式和能源結構有非常大的調整，三項主要污染物排放量得到了有效控制，尤其是大電廠的脫硫、除塵力度較大，SO2排放量大幅下降，但機動車每年以30萬輛速度遞增，汽車尾氣污染物排放量在逐年增加，使得深圳市大氣環境質量在改善中仍存在憂患。影響大氣能見度的物質主要是NO2、顆粒物和水汽，顆粒物中主要是硫酸鹽和有機碳，圖2～圖6是深圳市2007年和2009年NO2、PM10、O3等污染物監測濃度的月變化。

由圖2～圖6中可以看出:

(1)深圳市3種污染物濃度自9月至次年3月濃度較高，環境質量相對較差;4月至8月污染物濃度較低，大氣環境質量相對較好;

(2)NO2、PM10濃度2009年各月份普遍低于2007年，而 O3濃度2009年各月份普遍高于2007年;

(3)近幾年能見度普遍比20世紀1970～2000年平均水平為低，除了2007年6、7月和2009年7月好于歷史同期以外，其他月份均不如歷史同期。近3年來除了夏天6、7、8三個月能見距離在15km以上外，其他月份在10km或低于10km。總體講，近3年能見距離比常年下降2～3km;

(4)臭氧平均濃度逐年有所上升，若以小時濃度計，有時偶爾最高濃度可達500μg/m3，超過小時濃度二級標準2.5倍。平均濃度雖然不高，但小時最高濃度卻不能忽視，臭氧是光化學煙霧污染的指示物，而光化學煙霧由粒徑大小0.3～1.0μm的氣溶膠組成，這種氣溶膠，處在可見光與紅外波段，與人視覺波長相一致，且能散射太陽光，從而明顯地降低了大氣的能見度。另外，這樣大小的顆粒實際上不易因重力作用而沉降，能較長時間懸浮于空氣中，可以長距離遷移，并影響區域環境;

(5)深圳市全年相對濕度較大，歷年平均為77%，2007年以后比歷年有所減少，平均只有70%。但4～9月＞70%，有時可達90%以上。相對濕度大時水溶性有機物即成為水滴的凝結核，直接降低能見距離。

3 深圳市細粒子元素組成及消光作用

影響大氣光學能見度的除了水汽與空氣中的二氧化氮以外，主要是含有硫酸鹽、硝酸鹽和碳黑的細粒子 (PM2.5)，特別是粒徑在1μm以下的小粒子和光化學煙霧氣溶膠顆粒。

據北京大學深圳研究生院相關論文報道［11］，深圳市PM2.5中主要組分為有機物和，其次有元素碳、，上述幾項合計占82.6%。顆粒物的消光以有機物的散射為主，吸收較少，并以元素碳為主，有機物粒子也有一定貢獻。因此，深圳市要改善大氣能見度，控制顆粒物中有機物是第一位的。

顆粒物的消光能力與空氣中的相對濕度直接有關，尤其是水溶性有機物，它可以作為水汽的凝結核，深圳市當相對濕度為77%時，顆粒物散射系數為187Mm－1，當相對濕度增加為95%時，顆粒物散射系數為230Mm－1。對應能見距離分別為16km和13km．

顆粒物對消光系數的影響，最重要的是顆粒物濃度，QX/T113－2010霾的觀測和預報等級［12］指出:PM2.5質量濃度限值為75μg/m3，PM10質量濃度限值為65μg/m3，顆粒物散射系數為400 Mm－1，顆粒物吸收系數為80 Mm－1，只要有上述4項指標任何1項超標，即使能見距離＞10km，也定義為灰霾天氣。根據2009年深圳市PM10觀測資料［10］，以可吸入顆粒物的65%折合成PM2.5，以日平均濃度折合，則不會超過75μg/m3，若以日最高濃度折合，則只有7、9兩個月不超過75μg/m3，而其他月份均有可能超過75μg/m3。

4 小結

(1)影響大氣光學能見度的主要因子為水汽和固體氣溶膠，水汽的霧粒子是水滴 (不考慮冰晶霧)，半徑為幾個微米，譜比較窄，它是凝結增長的結果。如果水汽中含有許多固體氣溶膠，則可形成潮解了的氣溶膠粒子，它會吸濕增長，半徑在0.01～0.5mm，譜比較寬，這種粒子的消光系數隨著粒子半徑的增大成平方速率增加。

(2)深圳市雖然PM10、NO2平均濃度在逐年下降，但O3平均濃度在逐年增加，這就意味著光化學煙霧的細粒子也在增加。深圳地處熱帶和海陸交界，水汽充足，相對濕度較高，大氣中的有機物和、元素碳、和容易潮解，成為影響能見度的主要因子。

(3)深圳市四季中冬、春季 PM10、NO2、O3濃度較高，能見度相對較差，出現灰霾天氣的比例較大。夏季因降水較多，空氣中的顆粒物被雨水沖洗，空氣比較干凈，質量較好，能見度也較好。

［1］張秀寶．大氣環境污染概論［M］．北京:中國環境科學出版社，1989．

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［9］楊青，楊蓮梅，張廣興，等．能見度與空氣質量的關系研究［J］．中國沙漠，2006，26(2):278－282．

［10］深圳市環境科學研究院．2011年第26屆世界大學生夏季運動會環境空氣質量預測預報及保障措施研究［R］．深圳:深圳市環境科學研究院，2011．

［11］北京大學．深圳市灰霾與大氣污染的機理關系［R］．北京:北京大學，2010．

［12］QX/T113－2010．霾的觀測和預報等級 ［S］．