基于平均質(zhì)量消光率分析太原重污染時(shí)段相對濕度對PM2.5濃度影響

呂 安， 盛若虹， 李曉瑞

(山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030027)

引 言

近年來，京津冀及周邊區(qū)域已成為全國大氣污染重災(zāi)區(qū)，特別是秋冬季以PM2.5為首的重污染天氣頻發(fā)，具有持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、污染程度重的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響大氣環(huán)境質(zhì)量[1]，危害人民群眾身體健康。太原市是我國能源和重工業(yè)基地，在傳統(tǒng)煤煙型污染未得到徹底解決的情況下，疊加以在京津冀及其周邊、汾渭平原等區(qū)域以PM2.5為代表的區(qū)域性、復(fù)合型大氣污染，環(huán)境空氣質(zhì)量形勢異常嚴(yán)峻[2]。2019年10月15日至2020年3月15日太原市秋冬季PM2.5累計(jì)超標(biāo)63 d，占總超標(biāo)天數(shù)94.0%，作為首要污染占超標(biāo)天數(shù)92.5%，PM2.5平均質(zhì)量濃度75 μg/m3。目前，已有許多學(xué)者開展了關(guān)于太原市大氣污染物監(jiān)測過程、時(shí)空分析特征及影響因素的研究[3-5]。為進(jìn)一步分析太原市重污染天氣時(shí)段相對濕度對PM2.5影響，我們對太原市秋冬季PM2.5濃度與相應(yīng)時(shí)段近地面氣象要素進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，建立了PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度和能見度的關(guān)系模型，分析了重污染時(shí)段相對濕度對PM2.5濃度的影響，以期為太原市重污染天氣預(yù)警提供積極有效的支撐。

1 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為中國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的太原市小店點(diǎn)位逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度，氣象觀測數(shù)據(jù)由小店國家一般氣象站(37°45′N，112°33′E)提供。

2 PM2.5濃度與相對濕度相關(guān)性分析

2.1 PM2.5濃度變化特征

2019年-2020年秋冬季，太原市小店地區(qū)PM2.5呈“⌒”變化趨勢，2020年1月上中旬達(dá)到年度最高水平。2019年10月太原PM2.5平均質(zhì)量濃度在50 μg/m3左右，11月上旬有明顯陡升過程，可能與剛進(jìn)入采暖期污染物排放量增加有關(guān)，之后PM2.5濃度呈緩慢上升趨勢。2020年1月太原進(jìn)入重污染天氣高發(fā)期，小店點(diǎn)位PM2.5濃度顯著上升，由80 μg/m3左右迅速上升達(dá)到150 μg/m3左右，2月污染程度有所緩解，3月PM2.5回落至10月中下旬水平。

2.2 PM2.5濃度近地面氣象要素相關(guān)性

城市大氣污染物濃度由排放源、區(qū)域傳輸和大氣擴(kuò)散能力三方面共同決定，污染物的聚集、傳輸和擴(kuò)散與近地面氣象要素密切相關(guān)，當(dāng)污染源相對穩(wěn)定時(shí)，氣象條件成為影響城市空氣污染的主導(dǎo)因素[6-7]。對小店環(huán)境空氣監(jiān)測點(diǎn)位2019年10月15日至2020年3月15日PM2.5小時(shí)濃度與相應(yīng)時(shí)段近地面氣象要素進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果表明，秋冬季PM2.5小時(shí)濃度與濕度正相關(guān)，與能見度、風(fēng)速、溫度負(fù)相關(guān)，與氣壓和降水無顯著相關(guān)性。考慮單點(diǎn)瞬時(shí)值受實(shí)時(shí)氣象條件影響代表性較差，本文引入旬小時(shí)平均濃度，將每月數(shù)據(jù)分為三段(上旬、中旬、下旬)統(tǒng)計(jì)PM2.5小時(shí)平均濃度，用以表征該點(diǎn)短時(shí)段的集中趨勢。Pearson相關(guān)分析表明，PM2.5小時(shí)平均濃度與濕度、氣壓和降水量正相關(guān)，與能見度、風(fēng)速、溫度負(fù)相關(guān)。其中，能見度與顆粒物濃度、濕對濕度相關(guān)性較強(qiáng)(表1、圖1)。

表1 2019年-2020年秋冬季小店站PM2.5濃度與地面氣象要素相關(guān)系數(shù)

圖1 2019年10月至2020年3月PM2.5濃度與能見度、相對濕度及風(fēng)速的時(shí)間變化

3 影響分析模型建立

能見度受相對濕度和顆粒物濃度影響，2.2的相關(guān)分析也表明PM2.5濃度與相對濕度和能見度有明顯著的相關(guān)性。假設(shè)大氣中所有氣溶膠顆粒成分相同，且顆粒物形狀呈均勻球體的理想狀態(tài)，根據(jù)Mie散射理論，大氣氣溶膠有消光系數(shù)β和能見度r存在式(1)關(guān)系，環(huán)境條件下混合氣溶膠的平均質(zhì)量消光效率E可用式(2)描述，β是氣溶膠粒子整體的消光貢獻(xiàn)，本文用PM2.5代替。基于平均質(zhì)量消光效率的吸濕增長因子RE用式(3)表示。那么在相對濕度為RH條件下，吸濕增長因子RE與PM2.5濃度呈正相關(guān)與能見度呈負(fù)相關(guān)見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(3)和式(4)中，E(RH)、RE(RH)、r(RH)、CPM(RH)分別表示在相對濕度為RH條件下的平均質(zhì)量消光效率、平均質(zhì)量消光效率的吸濕增長因子、能見度和PM2.5質(zhì)量濃度。E(dry)、r(dry)、CPM(dry)分別表示干燥條件下(RH<40%)的平均質(zhì)量消光效率、能見度和PM2.5質(zhì)量濃度。

目前，國際上關(guān)于氣溶膠吸濕增長模型的研究主要指氣溶膠散射吸濕增長因子R(RH)，較為常用的模型有4種[8-9]，見第165頁表2。雖然模型4對氣溶膠散射吸濕增長的模擬更為準(zhǔn)確、擬合效果更好，但模型1和模型2形式更簡潔，應(yīng)用更廣泛。

基于平均質(zhì)量消光效率的吸濕增長因子與相對濕度分布關(guān)系(第165頁圖2)擬合吸濕因子模型，擬合發(fā)現(xiàn)，在40%≤RH≤95%時(shí)擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)R2>0.8，那么，相對太原市南部空氣干燥條件下(RH<40%)的吸濕吸增長因子可用第165頁式(5)表示，相對濕度由RH1變至RH2時(shí)對顆粒物濃度影響可用第165頁式(6)表示。根據(jù)式(4)和式(5)，推導(dǎo)PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度和能見度的關(guān)系模型第165頁式(7)，那么，在濕度一定時(shí)，顆粒物濃度與能見度呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)不同濕度水平繪制能見度與PM2.5濃度相關(guān)圖(第165頁圖3)，擬合出能見度與PM2.5的相關(guān)模型第165頁式(8)，擬合因子c、d值見第165頁表3，當(dāng)相對濕度<95%時(shí)，擬合效果較好；濕度大于95%，相對濕度與PM2.5濃度關(guān)系需進(jìn)一步研究。

表2 常見吸濕增長模型適用性比較

表3 相對濕度對PM2.5濃度變化影響

R(RH)=aRHb

(5)

f(RH2,RH1)=a(RH2b-RH1b)/(1-RH)-2

(6)

CPM(RH)=CPM(dry)r(dry)/r(RH)R(RH)

(7)

r(CPM,RH)=cCPMd

(8)

式(5)～式(8)中，R(RH)表示氣溶膠散射吸濕增長因子，a、b、c、d為擬合因子，為相對濕度對顆粒物濃度變化的影響率；r(RH)，CPM(RH)分別表示在相對濕度為RH條件下能見度和PM2.5質(zhì)量濃度；r(dry)，CPM(dry)分別表示干燥條件下(RH<40%)能見度和PM2.5質(zhì)量濃度；r(CPM,RH)表示在一定濕度條件下能見度與PM2.5的質(zhì)量濃度關(guān)系。

圖2 相對濕度與吸濕因子相關(guān)性

圖3PM2.5濃度與能見度的相關(guān)

4 結(jié)果分析

排除強(qiáng)沙塵過程影響，太原市2019年-2020年秋冬季在干燥條件下，即，相對濕度小時(shí)值低于40%時(shí)，能見度小時(shí)平均值為24.39 km，PM2.5小時(shí)平均質(zhì)量濃度為34 μg/m3。考慮RH接近100%可能出現(xiàn)降水過程，對大氣污染物起到一定的消除作用，因此在計(jì)算相對濕度和能見度對PM2.5的影響時(shí)扣除RH>99%時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)太原市實(shí)際數(shù)據(jù)擬合吸濕增長因子R(RH)模型，確定a=7.612，b=12.954。當(dāng)5%≤RH<99%時(shí)，相對濕度與吸濕因?yàn)樽拥南嚓P(guān)系數(shù)為0.730，當(dāng)40%≤RH<95%時(shí)，相對濕度與吸濕因子的相關(guān)系數(shù)為0.867，擬合效果較好。由表3知RH≤60%，顆粒物吸濕增長較弱對空氣質(zhì)量影響較小；RH>60%吸濕增長作用將促進(jìn)PM2.5質(zhì)量濃度上升，且相對濕度越大，PM2.5質(zhì)量濃度增長越快；當(dāng)相對濕度由80%升至95%時(shí)，吸濕增長可能使PM2.5質(zhì)量濃度上升200%以上。當(dāng)RH>95%時(shí)，吸濕因子擬合相關(guān)性下降，具體影響需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1) 通過建立數(shù)學(xué)模型分析，秋冬季PM2.5濃度與相對濕度顯著相關(guān)，根據(jù)太原市實(shí)際數(shù)據(jù)擬合吸濕增長因子R(RH)模型，a=7.612，b=12.954。當(dāng)5%≤RH<99%時(shí)，相對濕度與吸濕因子的相關(guān)系數(shù)為0.730；40%≤RH<95%時(shí)，相對濕度與吸濕因?yàn)樽拥南嚓P(guān)系數(shù)為0.867；當(dāng)RH≥95%，相關(guān)性較差，特別是RH接近100%時(shí)，可能出現(xiàn)降水過程，對大氣污染物產(chǎn)生一定的清除作用，吸濕增長模型不適用，需進(jìn)一步研究。

2) RH≤60%，顆粒物吸濕增長較弱對空氣質(zhì)量影響較小；RH>60%吸濕增長作用將促進(jìn)PM2.5濃度上升，且相對濕度越大，PM2.5濃度增長越快；當(dāng)相對濕度由80%升至95%時(shí)，吸濕增長可能使PM2.5濃度上升200%以上。建議在重污染天天氣預(yù)報(bào)中進(jìn)一步關(guān)注相對濕度的變化，提前采取措施控制相對干燥條件下PM2.5濃度，至少低于重度濃度限值的三分之一。

3)2019年-2020年秋冬季，太原市南部地區(qū)PM2.5呈“⌒”變化趨勢，11月上旬有明顯陡升過程，與進(jìn)入采暖期污染物排放量增加有關(guān)，需進(jìn)一步加強(qiáng)對供暖期間廢氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放和冬季廢氣污染源排放的監(jiān)管。