1994—2017年杭州能見度特征及其與PM2.5關系

劉熔熔

(浙江省氣象信息網絡中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

大氣能見度作為反映大氣環境質量好壞的一個重要指標,與城市交通安全,人民生活質量及軍事活動等方面息息相關[1-2]。研究表明,城市低能見度天氣不僅僅是自然現象,人為活動及排放的污染物在水汽、風、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鍵的兩個重要因子[4]。從20世紀60年代開始,國內外學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特征的研究文獻相對較多[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質量濃度對能見度的影響等方面的分析相對較少。

杭州地區能見度在2000—2015年期間總體呈降低趨勢[10],其中2011—2015年小于2 km的低能見度出現時次占總時次的17%左右。但據統計,2017年杭州的平均能見度明顯轉好,年均能見度及能見度大于10 km的出現頻率均為1994年以來最高值。能見度轉好的因素較多,但其中在相對濕度等氣象要素變化不明顯的情況下,PM2.5質量濃度對能見度的影響程度值得進一步分析。利用杭州國家基準氣候站1994—2017年24 h觀測的環境氣象數據,在統計分析長期能見度變化特征的基礎上,通過對相對濕度、PM2.5質量濃度與能見度之間關系進行統計分析,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參考。

1 數據與方法

數據來源為杭州國家基準氣候站觀測的環境氣象資料。杭州國家基準氣候站(120°10′E,30°14′N),海拔41.7 m,位于西湖景區和杭州市區的結合部,周圍5 km之內未有明顯的工業排放源。能見度資料為1994年1月1日—2017年12月31日每日24次正點觀測資料,以及同期觀測的風速、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日各時次平均質量濃度。其中1994—2010年能見度為24 h人工觀測數據,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射線法加動態加熱系統聯用光散射法對顆粒物質量濃度進行連續實時測量的儀器,該儀器符合《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術要求及檢測方法》(HJ93—2013)。PM2.5自動監測儀操作運行過程符合《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統安裝和驗收技術規范》(HJ655—2013)要求,日常運維主要通過定期的流量檢查、標準膜校準等來保證儀器運行的穩定性和測量的準確性。

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,杭州國家基準氣候站開始一天24時次的觀測,所積累的環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觀測員觀測目標物與背景的亮度視覺對比感閾來確定的,當能見度目標物處于“模糊可見”光學狀態時的距離為發現距離,此時觀測員觀測目標物與背景的亮度視覺對比感閾為0.05。能見度目標物處于即將消失光學狀態時的距離為消失距離,此時觀測員觀測目標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度,計算被采樣大氣的消光系數σ,此時根據中國氣象局《地面氣象觀測規范》(2003)對能見度的定義,對比閾值取0.05。

杭州國家基準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行修訂,兩者具有按比例系數相互換算的特點。

(1)

2011年,杭州國家基準氣候站對能見度的人工觀測和儀器測量進行了對比試驗,根據公式(1)對能見度<10 km的人工觀測數據訂正,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的數據不作對比分析。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時出現負偏差;能見度≥10 km時,負偏差750～1500 m。從兩者的相對誤差來看(圖2),相對誤差絕對值<10%的出現樣本最多,為24%,相對誤差絕對值<30%的出現樣本為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%,兩者相關的四分位數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]。總體來看,能見度的人工觀測和儀器測量的數據基本接近,且具有很高的線性相關(R2=0.853),作為連續數據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頻率

3 能見度基本特征

3.1 平均能見度

杭州主城區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。據相關學者研究[10],出現這種現象與氣溶膠濃度的季節變化密切相關,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,比一天內的最低能見度高出5 km左右。大量研究[13-14]認為,能見度的日變化主要是因為早晨和夜間大氣層結較為穩定,近地氣層內常有逆溫出現,抑制了低層空氣中氣溶膠粒子向上輸送,導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,大氣穩定度減弱,擴散能力增強,14:00—15:00左右熱力對流達到旺盛時期,水平能見度也達到一天中最高時段。

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的出現頻率均在4%以下,其中最大值出現在2013年(4.1%);1 km≤V<2 km的出現頻率在3%～15%之間;V≥10 km的出現頻率在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的出現頻率下降到4.7%。

圖6 能見度分級出現頻率

2011—2015年低能見度(V<1 km)為1511時次,主要發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,對應峰值時段為6:00(出現概率為8.7%),0—9時出現的概率占67.6%,而在白天時段(10:00—19:00)出現的概率在3%以下;1 km

圖7 低能見度出現頻率日變化

4 能見度與相對濕度、顆粒物的相關性分析

4.1 能見度與PM2.5相關性分析

根據能見度儀(HY-35P)和PM2.5顆粒物監測儀(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質量濃度有著顯著的相關性,呈冪函數關系(圖8)。

圖8 不同相對濕度下PM2.5與能見度散點圖

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

4.2 不同相對濕度下PM2.5與能見度關系

由圖8可知,相對濕度(RH)小于60%時,能見度與PM2.5質量濃度高度相關(相關系數R2=0.90),當相對濕度大于85%時,兩者的相關系數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致低能見度天氣,這與相關學者[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濃度關系

4.3 2017年能見度分析

2017年杭州市區大氣平均能見度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年的環境氣象要素發現(表2),平均風速、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,已到達能見度能明顯改善的質量濃度50 μg·m-3以下且接近40 μg·m-3,屬于能見度明顯增加區域,反映了在氣象要素基本接近的情況下,PM2.5質量濃度的下降可能起到了關鍵性作用。

表2 2013—2017年環境氣象要素年均值

5 結 語

1)人工觀測能見度比儀器測量平均高出約14%～30%,當能見度<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%的出現樣本為65.7%,且具有很高的線性相關(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年均能見度達到11.6 km,為1994年以來的最高值。

3)PM2.5質量濃度與能見度成明顯的冪函數關系,當PM2.5質量濃度在50 μg·m-3左右,每降低5 μg·m-3,能見度增加十分明顯;當PM2.5質量濃度在40 μg·m-3左右,水平能見度基本能達到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質量濃度的降低是能見度改善的關鍵因子之一。