南京冬季气溶胶消光特性及霾天气低能见度特征.pdf

中国环境科学 2016,36(6)：16451653 china environmental science 南京冬季气溶胶消光特性及霾天气低能见度特征 何镓祺,于兴娜*,朱 彬,袁 亮,马 佳,沈 丽,朱 俊 (南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室,气 候与环境变化国际合作联合实验室,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶与云降水重点开放 实验室,江苏 南京 210044) 摘要：利用 2015 年 1 月气溶胶散射和吸收系数、pm2.5质量浓度、大气能见度以及常规气象观测数据,分析了南京冬季大气气溶胶散射系 数与吸收系数的变化特征,给出了散射系数与吸收系数对大气消光的贡献,以及能见度与 pm2.5质量浓度和相对湿度的关系.结果表明,观测 期间南京大气气溶胶的散射系数和吸收系数分别为(423.4265.3) mm -1和(24.514.3) mm-1,对大气消光的贡献分别为 89.2%和 5.2%,表明 大气消光主要贡献来自于气溶胶的散射.散射系数与 pm2.5相关性较好(r2=0.91),能见度随 pm2.5质量浓度呈指数下降,也与相对湿度保持一 定负相关性.能见度均值为 4.3km,且连续出现能见度不足 2km 的低能见度天气,霾天气下消光系数和 pm2.5质量浓度大幅超过非霾天气,最 高值分别达到 1471.2mm -1和 358 g/m3,霾天气下能见度的降低来自颗粒物与相对湿度的共同影响. 关键词：能见度；散射系数；吸收系数；大气消光；霾 中图分类号：x513 文献标识码：a 文章编号：1000-6923(2016)06-1645-09 characteristics of aerosol extinction and low visibility in haze weather in winter of nanjing. he jia-qi, yu xing-na*, zhu bin, yuan liang, ma jia, shen li, zhu jun (key laboratory of meteorological disaster, ministry of education, joint international research laboratory of climate and environment change, collaborative innovation center on forecast and evaluation of meteorological disasters, key laboratory for aerosol-cloud-precipitation of china meteorological administration, nanjing university of information science and technology, nanjing 210044, china). china environmental science, 2016,36(6)：16451653 abstract： the variation characteristics of aerosol scattering and absorption coefficients, their contributions to atmospheric extinction and the relationship between visibility, pm2.5 mass concentration and relative humidity were presented based on the aerosol absorption and scattering coefficients, pm2.5 mass concentration, visibility and meteorological data in january 2015 in nanjing. the results indicated that aerosol scattering and absorption coefficients were (423.4265.3) mm -1 and (24.514.3)mm -1, and their contribution to the atmospheric extinction were 89.2% and 5.2% respectively. the atmospheric extinction was mainly contributed to the aerosol scattering during observation period. the relationship between aerosol scattering coefficient and pm2.5 mass concentration showed a good agreement (r2=0.91). the visibility decreased exponentially with pm2.5 mass concentration, and showed a negative correlation with relative humidity. the mean visibility during the observation period was 4.3km, and low visibility episodes (90%)时,pm2.5质量浓度与能见度普遍较低. 0 50 100 150 200 250 pm2.5质量浓度 01-31 01-2501-1901-13 01-07 pm 2 .5 质量浓度(g/m 3 ) 日期(月-日) 0 25 50 75 100 相对湿度 0 4 8 12 16 能见度 相对湿度(%) 能见度(km) 图 2 观测期间 pm2.5质量浓度、相对湿度、能见度的时间序列 fig.2 time series of pm2.5 mass concentration, relative humidity and visibility during the observation period 2.2 气溶胶消光特性 由图 3 可以看出,黑碳和 no2总体上表现出 一致的趋势,观测前期表现较高值,后期逐渐平稳. 其中在 2425 日均出现峰值,出现峰值的主要原 因是连续数天相对较高的气温和低风速,极大程 度上不利于污染物的稀释,no2的峰值质量浓度 达到了 123.8ng/m3,比整个观测期间平均质量浓 度(41.227.8) ng/m3高出了2倍;黑碳峰值浓度为 7.6 g/m3,较平均值的(2.81.8) g/m3高出1.7倍. 0 2 4 6 8 0 30 60 90 120 150 01-31 01-30 01-29 01-28 01-27 01-26 01-25 01-24 01-23 01-22 01-21 黑碳质量浓度(g/m 3 ) 日期(月-日) b.黑碳 no 2 质量浓度(g/m 3 ) a. no2 图 3 no2质量浓度和黑碳质量浓度的时间序列 fig.3 time series of no2 and bc mass concentration 从图 4 可以看出,气溶胶散射系数与大气消光 系数在前期呈小幅波动且逐渐上升的趋势,气溶胶 吸收系数与气态污染物吸收系数则有明显波动.4 个参数在 24 日夜间均达到峰值,在重度霾期间(24 日26 日)保持较高值,随着霾天气状况的逐渐减 弱,27日之后各参数平均值及日变化幅度较霾天气 下均有大幅降低.南京北郊冬季气溶胶散射系数均 值达到(423.4265.3) mm -1,高于杭州23、上海浦 东 24、广州25、兰州26等地冬季的观测值,而吸收 系数均值为(24.514.3) mm -1,低于常州27、 杭州28 等地观测值.其中大气消光系数 ext最高值为 1471.2mm -1, 较 平 均 值 (474.5mm-1) 和 最 小 值 (78.3mm -1)分别高出2.1倍和17.8倍,相比陶俊等25 对广州冬季大气消光研究的结果高出 40%左右.观 测期间气溶胶散射系数与吸收系数对总消光的贡 献分别占到89.2%和5.2%,sp+ap占大气消光系数 ext的 90%以上,气态污染物吸收和干洁大气散射 对大气消光系数贡献较低. 由图 5 可见,南京冬季气溶胶散射系数与 pm2.5质量浓度呈线性正相关,相关系数达到了 0.91,pm2.5质量浓度低于 75 g/m3时散射系数较 低,均值仅为 140.3mm -1,当浓度高于 250 g/m3 时散射系数均值高达 1029.3mm -1,这表明颗粒物 质量浓度对气溶胶散射系数有显著影响.由于浊 6 期 何镓祺等：南京冬季气溶胶消光特性及霾天气低能见度特征 1649 度仪采样后的空气经过了干燥,相对湿度控制在 30%以下,基本可以排除水汽对颗粒物散射系数 的影响,故得出的气溶胶散射系数为“干”气溶胶 状态下的散射系数,大气消光系数中的散射与吸 收效应也表征的是干燥环境下颗粒物及气体对 光的削弱作用. 0 400 800 1200 1600 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 0 400 800 1200 1600 01-21 01-22 01-23 01-24 01-25 01-26 01-27 01-28 01-29 01-30 01-31 日期(月-日) e x t (mm -1 ) a g (mm -1 ) a p (mm -1 ) sp (mm -1 ) 图 4 气溶胶散射系数 sp、 气溶胶吸收系数 ap、 气态污 染物吸收系数 ag、大气消光系数 ext的时间序列 fig.4 time series of aerosol scattering coefficient, aerosol absorption coefficient, gas absorption coefficient and atmospheric extinction coefficient 0 50 100 150 200250300 350400 0 400 800 1200 1600 sp (mm -1 ) pm2.5(g/m3) y=3.29x+2.76 r2=0.91 图 5 气溶胶散射系数与 pm2.5质量浓度的关系 fig.5 relationship between aerosol scattering coefficient and pm2.5 mass concentration 高颗粒物浓度对能见度的削弱作用是显然 的,由图 6 可见,能见度随 pm2.5的增大呈指数下 降趋势,总体相关性较好,当相对湿度小于 80%时, 颗粒物浓度是影响能见度的重要因素;而在相对 湿度高于 80%时的能见度统计案例里,能见度低 于 5km 的发生频率超过了 93%,这表明相对湿度 的增大对能见度的降低有重要影响,相对湿度增 大对能见度的削弱影响来自于颗粒物的吸湿增 长改变了原有粒子的谱分布从而加大了颗粒物 的散射消光能力29;在高相对湿度下(rh90%), pm2.5较低时能见度同样会出现低值,当湿度很 高时,水汽是影响气溶胶光学特性的重要因子30, 且观测期间高湿度天气下因为雾天的出现,同样 对能见度的降低起到重要作用31;颗粒物在相对 湿度很高时对能见度影响逐渐减弱 30,这也是 rh80%时拟合曲线相关性一般的原因. 050100150200250 300 350 400 0 5 10 15 rh80% y=1.298+8.732esp(-0.016x)r2=0.37 y=0.984+6.019esp(-0.020x)r2=0.21 y=1.274+10.591esp(-0.014x)r2=0.50 rh(%) 能见度(km) pm2.5质量浓度(g/m3) rh80% 80 60 40 总计 9.0 94 20 图 6 能见度与 pm2.5质量浓度和相对湿度的散点图 fig.6 scatterplots between visibility, pm2.5 mass concentration and relative humidity 2.3 霾天气下低能见度的特征 观测期间 2426 日是南京 1 月份污染最严 重的 3 天,能见度均值为(1.50.5) km,是整个观 测期间平均能见度的 35%,能见度最低仅有 0.9km;3 日平均 pm2.5质量浓度为(211.947.1) g/m3,超出观测期间平均水平 1 倍多.由图 7 可 见,散射系数在24日20时出现峰值,小时浓度达 到了 1363.5mm -1,同期吸收系数也出现峰值 (62.7mm -1),25 日以后散射系数与吸收系数小幅 平稳下降,总体依旧维持较高水平,散射系数与 1650 中 国 环 境 科 学 36 卷 吸收系数 3 日平均值较观测期间均值分别高出 72%和 53%.气溶胶散射系数与吸收系数日变化 波动明显且趋势相近,总体表现为夜高昼低,峰 值的出现与源的增强及边界层的稳定性有 关 32 -33.日出后气温上升,湿度减小,大气层结被 破坏,对流运动加强使得散射系数与吸收系数 稀释减小,正午附近出现最低值;日落后夜间边 界层开始形成,大气层结趋于稳定,颗粒物与气 态污染物在夜间聚积,散射系数与吸收系数随 之增大. 0 20 40 60 80 0 400 800 1200 1600 0.0 2.5 5.0 a p (mm-1) 时刻(月-日 t 时) 01-24t0:00 01-24t12:00 01-25t0:00 01-25t12:00 01-26t0:00 01-26t12:00 01-27t0:00 sp (mm -1 ) 风速 风速(m/s) 0 5 10 15 温度 温度() 风向 图 7 重度霾天气期间气溶胶散射和吸收系数以及气象 要素的逐时变化 fig.7 hourly averaged aerosol scattering coefficients, absorption coefficients and meteorological factors 在重度霾期间,气温均值达到 6.6,风速均值 为1.8m/s,24日风向多为偏东风,24日夜间至25日 转偏南风,25日夜间至26日风向多为偏西风,26日 以后逐渐转向西北风和偏北风.冬季南京地区地 处盛行西风带,西北风与偏北风应是主导风向,风 向的异常容易导致严重污染天气的发生.为了进 一步分析 1 月重度霾的成因34,采用 hysplit 后 向轨迹模式35,高度选取为近地面1000hpa(100m), 分别给出重度霾天(2426 日)、轻微霾及非霾天 (2729 日)72h 后向轨迹图,如图 8 所示.气团后向 轨迹与观测期间实际风向较为吻合,以 24 日为例, 来自北部的气团途经南京地区往东南方向行进, 又再次折回,气团轨迹较短,日平均风速和气温分 别为 1.7m/s 和 8.4,高温低风速的外部环境导致 污染物不易扩散,局地源排放以及污染物的不断 累积是此次南京地区冬季重度霾形成的重要原因; 而从 26 日夜间开始气温下降明显,后向轨迹较长 表明气团移速较快,来自北方西伯利亚的强冷空 气南下对污染物的输送消散起到重要作用,霾削 弱明显,能见度大幅回升. 根据地面气象观测规范36和气象行业 标准霾的观测和预报等级37的相关规定,由 图 9 可见,当能见度低于 10km 时,且环境相对湿 度低于 80%为霾天气;当湿度大于 80%时,pm2.5、 pm1、气溶胶散射系数与吸收系数之和(sp+ap) 是判定霾天气的依据.观测期间,霾天气出现频率 为 83.3%,并对能见度的降低程度、相对湿度和 pm2.5进行分级.表1统计了不同等级霾天气状况 下的气溶胶散射系数与吸收系数. 非霾天气状况下,能见度和rh均值分别为 (11.10.7)km 和(653)%,pm2.5质量浓度较低, 平均值为(30.415.5)g/m3,其中有 85.7%分布在 小于 50g/m3;轻微霾、轻度霾和中度霾在观测 期间发生频率分别为 15.5%,14.5%,25.5%,随着 霾等级的加强,pm2.5和相对湿度分布变化较大; 重度霾发生频率为 41%,此类天气状况下,能见 度、rh 和 pm2.5均值分别为(1.50.3) km、 (8210)% 和 (185.369.7)g/m3, 相 对 湿 度 和 pm2.5相比均有显著增大.散射系数与吸收系数 随着霾等级的加强相应增大,散射对大气消光 的贡献比升高,在对能见度的削弱中占据主导 地位,吸收作用较低.重度霾在各类霾天气中发 生频率最高,重度霾天气下颗粒物的散射效应 对大气总消光的贡献超过了 90%,而较高的相 对湿度使得气溶胶粒子吸湿性增长更为明显, 具有吸湿性颗粒物粒子的粒径和形状会发生显 著变化,增强了大气消光效应29,同时,较高的相 对湿度下颗粒物的非均相化学反应更加明显38, 诸如强吸湿性的硫酸铵盐、硝酸盐粒子的生 成 39,这进一步增强了气溶胶的消光能力,在高 颗粒物浓度和较高相对湿度的协同影响下,导 致重度霾天气下能见度最低时不足 1km. 6 期 何镓祺等：南京冬季气溶胶消光特性及霾天气低能见度特征 1651 a. 24 日b. 25 日 c. 26 日 d. 27 日e. 28 日 f. 29 日 图 8 1 月 2429 日后向轨迹图 fig.8 72-hour backward trajectory during january 2429in nanjing 300g/m3pm2.5 0 20 40 60 80 100 频率(%) 频率(%) 百分比(%) 0rh30%30%rh60%60%rh90%90%rh 百分比(%) 0 10 20 30 40 50 vis 频率 vis 频率 0 20 40 60 80 100 viviiiiii 50g/m3pm2.5100g/m3100g/m3pm2.5150g/m3 150g/m3pm2.5200g/m3 200g/m3pm2.5250g/m3250g/m3pm2.5300g/m3 0 10 20 30 40 50 0pm2.550mg/m3 图 9 能见度不同等级的发生频率及各级能见度下相对湿度与 pm2.5质量浓度占比 fig.9 percentage of relative humidity, pm2.5 mass concentration and the corresponding frequency at different levels of visibility 能见度依次被分为 5 级:10kmi,5kmii10km,3kmiii5km,2kmiv3km,v2km 1652 中 国 环 境 科 学 36 卷 表 1 不同等级霾现象气溶胶散射系数与吸收系数的统计(mm-1) table 1 statistics of aerosol scattering and absorption coefficients for haze at different levels (mm-1) 参数 霾等级 平均值标准差最大值 最小值 中位数 p25 p75 sp/ext(%) 非霾 68.813.6 92.8 52.4 67.9 76.7 55.1 69.5 轻微霾 174.4103.1429.9 64.4 139.3 227.9 89.7 78.3 轻度霾 352.6161.1695.2 91.2 414.2 463.4 171.2 87.5 中度霾 431.8185.1824.2 109.1 429.4 510.4 339.3 89.1 吸收系数 重度霾 574.8288.51363.5 122.7 624.3 774.4 359.6 90.9 非霾 7.20.5 7.9 6.8 7.0 7.2 6.9 7.3 轻微霾 15.210.3 50.8 5.3 9.7 19.4 7.9 6.9 轻度霾 23.613.1 46.2 4.6 20.4 35.7 12.0 5.9 中度霾 25.411.7 52.7 6.0 25.1 34.9 16.3 5.2 散射系数 重度霾 29.315.6 62.7 6.2 28.8 46.2 13.0 4.7 观测期间,雾发生的频率为 13.8%,在雾天气 中,能见度均值为(2.71.4) km,最低能见度接近 1km,相对湿度与 pm2.5均值分别为(913)%和 (44.111.3) g/m3,气溶胶散射系数、吸收系数和 大 气 消 光 系 数 分 别 为 (150.538.8) mm -1 、 (8.62.1) mm -1和(178.341.5) mm-1.可以看出,雾 天气下能见度水平较低,显著区别于霾天气的因 子是雾天气具有高相对湿度与低 pm2.5,相对湿 度最高值超出霾的 47%,而颗粒物浓度最低时仅 为霾的 24%;雾天颗粒物的散射系数和吸收系数 也明显低于霾天,平均仅为霾天的三分之一左右, 雾天颗粒物对能见度降低的贡献相比霾天有明 显下降. 3 结论 3.1 2015 年南京冬季散射系数、吸收系数、大 气消光系数分别为:(423.4265.3) mm -1、(24.5 14.3) mm -1、(474.5283.9) mm-1,散射系数与吸 收系数贡献比分别为 89.2%和 5.2%,能见度下降 主要来自颗粒物的散射效应,气溶胶的吸收性贡 献较低.气溶胶散射系数与 pm2.5质量浓度呈线 性分布,相关系数达到 0.91. 3.2 能见度与 pm2.5质量浓度呈指数下降趋势, 相对湿度小于 80%时,颗粒物浓度对能见度有重 要影响,相对湿度的增大对能见度的降低有重要 作用. 3.3 观测期间南京冬季 1 月能见度低于 10km 时发生频率为 97.1%,局地源排放和污染物的输 送累积是重度霾形成的重要因素,能见度的下降 是霾与雾共同作用的结果,霾天气占主导地位, 频次为 83.3%;重度霾和中度霾在霾天气中分别 占41%和25.5%,霾天气下消光系数和pm2.5质量 浓度大幅超过非霾天气,最高值分别达到 1471.2mm -1,358g/m3,是霾天均值的 3.1 倍和 3.5 倍,是非霾天的19.8倍和11.9倍.气溶胶的散射对 大气总消光的贡献比随霾的程度增强而增大. 3.4 重度霾下高颗粒物浓度和较高相对湿度协 同作用对能见度影响极大,能见度最低时不足 1km.观测期间雾天气发生频率较低,颗粒物对能 见度降低的贡献较霾天有明显下降. 参考文献： 1 wang kaicun, dickinson r e, shunlin l. clear sky visibility has decreased over land globally from 1973 to 2007 j. science, 2009,323(5920):1468-1470. 2 wu d, tie x, li c, et al. an extremely low visibility event over the guangzhou region: a case study j. atmospheric environment, 2005,39(35):6568-6577. 3 陈 静,吴 兑,刘啟汉.广州地区低能见度事件变化特征分析 j. 热带气象学报, 2010,26(2):156-164. 4 边 海,韩素芹,张裕芬,等.天津市大气能见度与颗粒物污染的 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