（环境科学专业论文）上海市霾的特征及影响因子研究.pdf

2 010m a s t e rd i s s e r t a t i o n u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti dn u m b e r ：510 7 0 8 010 6 7 ea s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y ar e s e a r c ho ft h ef e a t u r ea n d i n f l u e n c i n g f a c t o r so fh a z ei ns h a n g h a i c o l l e g e ： r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e m a y , 2 0 1 0 研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他 个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：叫口年易月日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 上沲弋獯饲精钲嘲响黔研受 系本人在华东师范大 学攻读学位期间在导师指导下完成的硕彰博士( 请勾选) 学位论文，本论文的 研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用 此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学 位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 枣，于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密， 导师签名 适用上述授权。 功 淑用 本人签名型i 垒塑l 小l 口年6 r 月1 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 谭迨达硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 派遣觳授 稚肽研巯魄毛 至兵 磨翱政黼锹t 孵妍撇糸 乏邑飞 司弦旋锏他j 楠黼擞 摘要 随着我国经济的高速发展，能源消耗量攀升，污染物排放增加，区域能见度 恶化态势十分明显，区域性灰霾污染问题越来越突出。霾在大气逆温等稳定气象 条件下，由气溶胶和气体污染物造成的一种城市和区域性空气污染现象。霾发生 时，细粒子浓度升高，大量极细微的干性尘粒、烟粒、盐粒等均匀地悬浮在空气 中，严重危害人体健康。 鉴于目前国际上对于“霾”的定义标准不一致，本文综合气象角度与污染物 角度对霾对了定义，统计分析了2 0 0 8 年5 月到2 0 0 9 年4 月的气象资料与污染物 资料，并比较了各个季节的污染物气团来源轨迹。具体工作及结果如下： 1 、介绍国际上对霾的各种定义，比较各定义的适用性及局限性。根据霾的 污染特征、形成因素和天气现象等多个角度综合考虑，同时排除了降水、雾和短 时能见度变化等干扰因素，对上海地区的霾的特征进行定义和识别。 2 、利用聚类分析对霾日进行分类和等级划分，一共划分为5 类。并归纳几 类霾的类型。通过后向散射的回波信号验证霾日的能见度及污染物浓度等，以此 来验证霾定义的合理性。 3 、对2 0 0 8 年5 月到2 0 0 9 年4 月期间的符合定义的霾日进行统计分析，比 较霾的发生规律，以及发生期间的能见度、相对湿度、风速、气溶胶光学厚度等 要素。 4 、利用t h e r m o a n d e r s e np m 2 5 大流量采样仪，于0 9 年的1 月至2 月、4 月至6 月及1 0 月至1 1 月期间，分别代表上海市冬季、春季和秋季的p m 2 5 ，进 行3 次连续不问断采样。对采样样品进行化学分析，对比霾前后的离子、元素和 碳黑的组分变化。对离子和元素进行主成分分析，反映霾的主要影响污染物。 5 、对霾日按季节进行污染物的后向轨迹聚类，并进行7 2 h 的轨迹追踪，分 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , t h ei n c r e a s i n gd i s c h a r g eo f e n e r g ya n dw a s t ee m i s s i o nh a sw o r s e n e dt h er e g i o n a lv i s i b i l i t y ；r e g i o n a lh a z e p r o b l e mh a sa p p e a r e dt ob em o r ea n dm o r ed i s t i n c t u n d e ri n v e r s i o na n do t h e r w e a t h e rc o n d i t i o n s ，h a z ei saf o r mo fu r b a na n dr e g i o n a lp o l l u t i o n , c a u s i n gb ya e r o s 0 1 w h e nh a z eh a p p e n s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fp a r t i c u l a t eg o e su p ，s e r i o u s l yd a m a g i n g p e o p l e sh e a l t h s i n c et h ei n t e r n a t i o n a ld e f i n i t i o n so f h a z e v a r yf r o mo n ea n o t h e r , t h i sa r t i c l e c o l l i g a t e st h ed e f i n i t i o nf r o mw e a t h e ra sw e l la sp o l l u t i o np o i n to fv i e w s ，a n a l y z i n g t h ew e a t h e ra n dp o l l u t i o ns t a t i s t i c sp e r i o df r o mm a y2 0 0 8t oa p r2 0 0 9 i ta l s o c o m p a r e st r a c kt r a c i n gf r o mv a r i o u ss e a s o n s c o n c r e t ew o r ka n dr e s u l t sa r es h o w n b e l o w ： 1 、i n t r o d u c ev a r i o u sd e f i n i t i o n so fh a z e ；c o m p a r ee a c hd e f m i t i o n sa p p l i c a b i l i t y a n dl i m i t a t i o n s d e f i n eh a z ei ns h a n g h a ir e g i o n ，b a s e d0 1 1i t sp o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， f o r m a t i o nf a c t o r s ，w e a t h e rp h e n o m e n o na n do t h e r s ，e x c l u d i n gt h ei n t e r f e r es u c ha s r a i n ，f o g 2 、u t i l i z ec l u s t e ra n a l y s i st oc l a s s i f ya n dg r a d ei n t of i v ek i n d s t h r o u g h b a c k s c a t t e rt ov e r i f yt h ev i s i b i l i t ya n dp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，s o 勰t op r o v et h e i r r a t i o n a l i t y 3 、u n d e rt h ed e f i n i t i o no fh a z e ，a n a l y z ei t sd a t af r o mm a y2 0 0 8t oa p r2 0 0 9 ， c o m p a r e st h eo c c u r r e n c ep a t t e r na n do t h e ri m p o r t a n tf a c t o r ss u c ha sv i s i b i l i t y 、r e l a t i v e h u m i d i t y 、w i n ds p e e d 、a o d ，e t c 4 、t h e r m o a n d e r s e np m 2 5f l u xs a m p l i n ga p p e a r a n c ew a su s e dt oh a v e3 c o n t i n u o u so b s e r v a t i o n sd u r i n gj a nt of e b ，a p rt oj u na n do c tt on o v , w h i c h r e p r e s e n t sw i n t e r , s p r i n ga n da u t u m ni ns h a n g h a ir e s p e c t i v e l y c h e m i c a la n a l y s i sw a s o f f e r e dw i t ht h es a m p l e sg o tt os h o wt h ec o m p o n e n t sc h a n g eo fi o n , e l e m e n t sa n d c a r b o nb e f o r ea n da f t e rt h eh a z e m a i nc o m p o n e n t sa n a l y s i so fi r o na n de l e m e n t s w e r em a d et or e f l e c tm a i na f f e c t i n gp o l l u t a n t so fh a z e u a n d t h e f i c a t i o n w a sg i v e nt oh a z e ，w h i c hn o to n l yh e l p e dt og e tab e t t e ru n d e r s t a n d i n gt ot h e g e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n da t m o s p h e r ec o n d i t i o nr e q u i r e db yh a z e ，b u ta l s oo f f e r e da b a s i sf o rt h ew h o l es e r i e so fo b s e r v a t i o n ，e s t i m a t i o n ，p r e d i c t i o na n dc o r r e s p o n d i n g k e e pw o r d s ：h a z e ，v i s i b i l i t y , p m 2 5 ，a e r o s o l ，h y s p l i t 4 i i i 上海市霾的特征及影响因子研究 目录 第一章引言l 1 1 霾的概述1 1 2 霾的国内外研究进展4 1 3 研究内容与技术路线6 第二二章霾的特征判定研究8 2 1 消光系数与霾指数8 2 2 上海地区基于气象因子及污染物因子的霾判定8 2 3 霾的等级划分1 0 2 4 基于后向散射的霾定义验证1 1 2 5 后向散射信号对天气现象和污染物浓度的敏感性分析1 8 2 6 霾日的后向散射分析2 1 第三章霾的规律分析2 6 3 1 霾发生的一般规律2 6 3 2 霾时天气特征的一般规律2 7 第四章霾的污染物特征分析3 6 4 1 数据采集3 6 4 2p m 2 5 的离子分析3 6 4 3p m 2 5 的元素分析4 0 4 4 有机碳和元素碳分析( o c e c ) 4 5 第五章基于后向轨迹模式的污染物路径研究5 l 5 1 后向轨迹模式h y s p l i t 简介5 1 5 2t i y s p l i t 模式中的方程5 2 5 3h y s p l i t 模式中的聚类分析5 3 第入章结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 l 致谢6 5 【 第一章引言 第一章引言 随着城市化进程的加快以及经济规模的不断扩大，城市地区的大气气溶胶污 染情况同趋严重，霾也频繁出现，对城市生态景观及人们的健康造成了危害。 霾是由气溶胶形成的视程障碍现象。目前国际上对于“霾”的定义标准不一 致，1 9 7 9 年中国气象局地面气象观测规范定义霾是一种“大量极细微的干尘 粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于l o k m 的空气普遍混浊现象，便远处 光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色”。目前，在中国存在着4 个霾严重地区： 北部的黄、淮、海地区；东部的长江三角洲；四川盆地；珠江三角洲。 1 9 9 6 年，全国科学技术名词审定委员会根据国务院授权公布的大气科学 名词，对“霾”的定义为：悬浮在空中肉眼无法分辨的大量微粒，使水平能见度 小于l o k m 的天气现象。 美国国家环保署定义：霾是指空气中的灰尘、硫酸硫酸盐、硝酸硝酸盐、 有机碳氢化合物等粒子使大气浑浊、视野模糊并导致能见度恶化，这种非水颗粒 组成的气溶胶造成的视程障碍称为霾。“霾”的英文表达为： h a z e ”。 霾作为一种自然现象，目前有增多的趋势，其中有三方面的因素：一是水平 方向静风现象的增多。近年来随着城市建设的迅速发展，大楼越建越高，增大了 地面摩擦系数，使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气污染物向 城区外围扩展稀释，即污染物横向的稀释越来越少，并容易在城区内积累高浓度 污染；二是垂直方向的逆温现象。逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，使城市 上空出现了高空比低空气温更高的逆温现象。污染物在正常气候条件下，从气温 高的低空向气温低的高空扩散，逐渐循环排放到大气中。但是逆温现象下，低空 的气温反而更低，导致污染物的停留，不能及时排放出去；三是悬浮颗粒物和气 体污染物的增加，这是形成霾的重要因素。近些年来随着工业的发展，机动车辆 的增多，污染物排放和城市悬浮物大量增加，直接导致了能见度降低，使得整个 城市看起来灰蒙蒙一片。 可见，霾作为一种视程障碍现象，已经不仅仅是能见度的恶化，更是一种大 气污染。上述几种定义各自从能见度和污染物角度出发定义了霾现象，有一定的 上海市霾的特征及影响因子研究第章引言 分歧，因此有必要从霾的污染特征、形成因素和天气现象等多个角度综合考虑， 建立科学的指标来定义和识别上海地区的霾污染。 1 1 2 霾与雾的区别 雾和霾的区别主要在于相对湿度的大小：相对湿度达至1 9 0 以上的叫雾。相 对湿度低于8 0 的叫霾。8 0 9 0 之间的，是雾和霾的混合物，但主要成分是霾。 就能见度来区分：如果目标物的水平能见度降低到1k m 以内，就是雾；水平能 见度在1 1 0k m 的称为轻雾或霾；水平能见度 1 5 9 3 6 m ；2 级 ，0 0 2 8 m g m 3 p 0 0 4 4 m g m 3 ，l1512 v 15 9 3 6 m ； 3 级 ， 0 0 4 4 m g m 3 虾o 0 6 2 m g m 3 ，7 0 8 5 v 115 12 m ；4 级，o 0 6 2 m g m 3 1 t o 0 8 7m g m 3 ， l o 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 1 级轻度霾污染 2 级较轻的霾污染 3 级中度霾污染 4 级较重的霾污染 5 级重度霾污染 虾0 0 2 8 m g m 3 0 0 2 8 m g m 3 旷0 0 4 4 m g m 3 o 0 4 4 m g m 3 虾0 0 6 2 m g m 3 0 0 6 2 m g m 3 1 5 9 3 6 m 1 1 5 1 2 v 1 5 9 3 6 m 7 0 8 5 v l1 51 2 m 3 0 6 6 v 7 0 8 5 m v 3 0 6 6 m r h 5 5 5 5 r h 5 8 5 8 r h 6 3 6 3 r h 7 8 2 4 上海地区霾的类型 2 4 1 人为排放型 由于工业燃煤及生活民用向大气排放了大量污染物，造成颗粒物浓度迅速升 高，能见度急剧下降。 以2 0 0 9 年1 月2 5 日和1 月2 6 日的以此霾过程为例，由于大量燃放烟花爆 竹，造成2 6 日可吸入颗粒物a p i 达到2 0 8 ，p m 2 5 日均浓度达0 3 4 1m g m 3 ，超 过e p a 的2 4 小时标准近1 0 倍，特别在0 时和1 时，p m 2 5 浓度达到了0 9 8 6m g m 3 和0 9 4 1m g m 3 ，几乎达到测量仪器的满量程。受此影响，1 月2 6 日能见度不足 5 公里，凌晨时不足3 公里。 这类霾往往是由于在短时间内的急剧排放造成，所以不随天气系统的变化而 变化，可以认为是来自本地源的排放。 上海市霾的特征及影响因子研究 第二章霾的特征判定研究 逞 逞 世 避 t 謦 山 爵 高 两 、 鲁 日期 图2 12 0 0 9 年1 月2 6 日前后能见度与p m 2 5 浓度变化 2 4 2 气粒转化型 气溶胶粒子往往可以由大气中的微量气体转化而来。如s 0 2 经光化学氧化作 用，在高温下能生成硫酸盐溶液微滴，微滴蒸发后就成为硫酸盐质点。n o 和 n 0 2 也能溶于水成亚硝酸和硝酸。城市中的爱根核和大粒子的浓度较大，所以由 度达到 较高， 霾发生 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 图2 22 0 0 9 年5 月1 6 同前后能见度与p m 2 5 变化 从离子浓度来看，s 0 4 2 。、n 0 3 、n h 4 + 在1 6 号和1 7 号期间浓度陡增，特别 是s 0 4 玉，在1 7 日达到0 2 8 7m g m 3 ，而这些离子在通过气粒转化形成硫酸盐、 硝酸盐、e c o c 等粒径在2 5 i t m 甚至l 岬以下的二次气溶胶粒子。这些粒子对 光的散射和吸收作用会导致区域的能见度恶化问题。 这类霾的来源很复杂，既包括由运输、固定源、工业过程、生物质燃烧等人 为一次源，也有海盐、风沙、火山灰及生物质等直接排放的天然源。同时受相对 湿度、太阳辐射、风速风向等气象因子的综合影响，通过气一粒转化大气化学过 程所形成硫酸盐和硝酸盐等二次粒子，形成霾污染。 皇 b o j 蜊 烃 搬 3 0 0 2 5 0 5 月1 3 日5 月1 4 日5 月1 5 日5 月1 6 日5 月1 7 日5 月1 8 日5 月1 9 日5 月2 0 日 日期 图2 3 霾日前后离子变化 2 4 3 雾霾混合型 一般来讲，雾和霾的区别主要在于相对湿度的大小：相对湿度达到9 0 以上 的能见度恶化叫雾，相对湿度低于8 0 的叫霾，介于8 0 9 0 之间的，是雾和 霾的混合物，但主要成分是霾。 霾和轻雾是可以互相转化的( 马树青2 0 0 5 ) 。由于天气晴朗少云，微风、气 团稳定的条件下当大气凝结核由于各种原因的形成霾，到日落后至夜间，由于辐 射降温快，低层水汽容易达到饱和，在这种情况下水汽进一步凝结可使霾演变为 轻雾。到日出后随着温度升高时，雾滴不断地蒸发，相对湿度减少，混合层高度 抬升，这时轻雾消失，如果能见度仍然低于8 k m ，则轻雾又转变成了霾。 1 3 的 o 上海市霾的特征及影响因子研究 第二章霾的特征判定研究 以2 0 0 8 年1 1 月6 日为例，凌晨2 时至6 时相对湿度持续大于9 0 ，同时能 见度不足l k m ，为一次明显的雾过程。同出之后，相对湿度迅速减小，维持在 7 6 8 8 之间，全天能见度小于4 k m ，p m 2 5 浓度较高，日平均浓度达到o 1 6 4 m g m 3 ，超过e p a 2 4 小时标准4 倍以上，为一次典型的雾霾混合过程。 芝 倒 璁 靛 罂 乓 警 髓 疑 岬 n 茇 日期 图2 - 42 0 0 9 年1 1 月6 日前后气象要素变化 雾霾混合型的霾通常发生在秋冬季，反映了气象要素和污染物要素的双重制 约。污染物来源既有本地源，也有外来源，污染类型多为高压型、弱冷空气型和 均压场型，近地面有逆温层，地面风速较小。 旷1 此 蛐k2 步 矿湘 枷 心，5 6 0 0 y 裟 力咖 棚- 2 0 1 001 0 约- 2 0 1 0 01 0 约 1 4 o o o o o 0 o o o o o o 0 0 o 0 5 4 3 2 l m 毯囤理 妒 炒盘旷妒妒k， 啪 铷 枷 湖啪瑚啪啪 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 图2 - 52 0 0 9 年1 1 月6 日探空曲线图 2 5 基于后向散射的霾判定验证 为了验证霾判定是否合理，采用芬兰v a i s a l a 的c l 3 1 云高仪，分析其后向 散射的回波信号与天气现象、能见度及污染物之问关系来对霾的判定进行验证。 2 5 1 后向散射概述 在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上 产生散射，这种散射叫做表面散射。在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要 的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。通常散射截面积是 入射方向和散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的 散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射。 大气中的大颗粒气溶胶粒子会对激光信号产生各种散射，从而造成激光信号 能量的衰减。因而当产生霾现象时，污染物也会对激光信号产生衰减，因此可以 分析仪器监测到霾产生的后向散射回波信号，配合气象资料，来检验霾的定义是 否合理。 根据国际能见度等级和气象学距离及散射系数的关系，可以得出：能见度越 高，散射越低，光的透射率越高，激光的回波能量越低；反之，能见度越低，散 射越高，光的透射率越低，激光的回波能量越高。 2 5 2 后向散射信号的测量 2 5 2 1c l 3 1 云高仪简介 芬兰v a i s a l a 公司的c l 3 1 激光云高仪是用来测量云底高度和垂直能见度并 能获取详细和连续的边界层信息。 1 5 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 图2 6 c l 3 1 云高仪 c l 31 云高仪可以在任何天气条件下的7 5 0 0 米高度内进行连续精确的低空 探测。单镜头设计可以得到更高的激光雷达回波信噪比，能探测到最低几公里的 边界层和气溶胶，提高了探测边界层的能力。激光雷达的回波每1 5 秒报告一次， 高度分辨率为1 5 米，还可对大气霾进行定量分析。提供了一种经济的常规手段 来了解垂直扩散及大气边界层。 将c l 3 1 激光云高仪置于3 1 1 3 0 n 、1 2 1 2 3 0 e 处，高度约为1 7 米，以垂直于 地面角度对准大气层，进行3 6 5 天连续无间断观测。 图2 7c l 3 1 云高仪散射图像 1 6 第二章霾的特征判定研究 ，蓝色的点代表垂直能见度，蓝绿色的点代 c l 31 云高仪的工作原理是基于测量激光从云高仪发射器发出到后向散射云 底，然后回到接收器的所需时间。 光速为：c = 2 9 9 x1 0 8 m s ( 18 6 0 0 0 公里每秒) 接收器收到从2 5 0 0 0 英尺处传来的反馈需要的时间为5 0 9 邮 所需时间和后向散射高度的一般表达式为h = c t 2 回波信号的瞬时数量将反映特定高度大气的后向散射性质的信息。在普通的 全范围工作中，c l 3 1 云高仪收到来自3 3 m 至6 6 m 的数字信号需要约0 到5 0 9 s 。 可以在回波信号中得出雾、降水和云的信息。 2 5 2 3 后向散射系数 后向散射系数1 3 ( z ) ，用来表达从距离z 处反射回的一部光，定义为目标在雷 达方向上单位立体角的反射功率对单位面积入射功率之比的钿倍。当云层越厚， 反射越强烈。他们表达式如下： b ( z ) k o ( z )( 2 2 ) 其中：k = 比例常数； ( z ) = 消光系数； 比例常数k ，通常也叫做雷达比率。k 与激光波长和大气气溶胶的各种特性有 关，大气气溶胶的各种特性又与天气状况密切相关，因此由大气激光雷达回波信 号反演气溶胶消光系数时，k 的取值应受当时天气条件的影响。一般的，k 可以估 计为0 0 3 ，在湿度高的情况下约为o 0 2 ，在湿度低的情况下约为0 0 5 。在不同应 用中，k 也可能是一个很大的范围。 消光系数。是由于光波在大气传输过程中由于各种因素而造成的能量衰减。 吸收和散射都引起衰减。所以，衰减系数是吸收系数和散射系数的总和。o 的表 达式为： o - = o 。n + o a + k 棚+ k ( 2 3 ) 1 7 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 其中：o m = 分子散射系数； ( 1 a = 气溶胶散射系数； k m = 分子吸收系数； k = 气溶胶吸收系数； 能见度测量的基本方程是布格尔朗伯定律： f = f o e x p ( 一o - x )( 2 - 4 ) 其中：f 是光在大气中x 路径处的光强； f o 是激光的初始光强； o 是消光系数； 因此，可以将能见度与后向散射信号结合在一起，配合气象资料，对仪器监 测出的霾的准确性进行校验。 2 6 后向散射信号对天气现象和污染物浓度的敏感性分析 2 6 1 后向散射信号对天气现象的敏感性分析 图2 82 0 0 9 年l , q 2 0 r 2 月6 日能见度与后向散射对比图 图2 8 为2 0 0 9 年1 月2 0 日2 月6 日能见度与后向散射对比图，期间正值中国传 统节日春节期间。图中后向散射信号与能见度呈较明显的负相关，符合能见度越 高，散射信号越弱；能见度越低，散射信号越强的事实。 散射信号峰值基本对应了能见度的最低值，主要的峰值有以下4 处：其中1 】8 ii。一豆笔铙木00000【趟爱菸箍厦罢f 皿皿“叮心口n皿呻正n皿双n皿n 叹n叮_ i 回n 口1瓯【 叮。竹霹一 皿n炳皿n工目 叮卜n 正_ i 口n 吸一 皿n皿【叮寸n正【叮n 皿_ 【叮n n r 【皿一n暖【叮o n 四1 上海市霾的特征及影响因子研究 第二章霾的特征判定研究 月2 1 日、1 y j 2 9 日和2 月3 同均是由于降雨而造成散射信号增大，能见度减小。l , 9 2 5 日晚至1 月2 6 同凌晨为大年夜期间，由于燃放烟花爆竹，造成空气中度污染。 后向散射信号可以基本准确的反映出降雨等天气现象以及污染对能见度造成的 恶化。 2 6 2 后向散射信号对污染物的敏感性分析 皿工口卫口工z 工正丑口皿皿皿叮丑皿皿 高纣高葛器器高器器曷磊= 望幂= 墨幂 墨墨墨= = 正夏墨霹正墨蠢蒿奄蒿蒿盐 日期 旦| 薅 y 葱 蓠 暑 2 置 图2 92 0 0 9 年1 点j 2 0 f ! 2 月6 日后向散射与可吸入颗粒物对比图 图2 1 02 0 0 9 年1 乒j 2 0 l q 2 y j 6 h 后向散射与p m 2 5 浓度对比图 1 9 【，。一旦木p暑8000_【一巡疆杂衽厦呈f 【。冒量焉器答。ooi一世骥架衽厦星 叮。叹n叮瓯n_ 匠n叹n叮n 叹n叮_ 【吣n 叮_【叹_【叮o叹【 曰6 n s 期皿n霹h日 叮卜n 叹一 叮叹_【叮n 畎_ 【皿_ 畎_ 叮n n 町_ 【 皿n n 叹一 皿_【n叹【口o n 叹_ 【 上海市霾的特征及影响因子研究 第二章霾的特征判定研究 正口皿皿皿皿丑叮皿皿巴叮口皿正皿正口 曼熏翌曼薰r 器f i - 曼彝曩晕薰熏三罡墨墨是罡 叵皿皿暖正一叹皿吸皿正吸磊ii i i i 日期 图2 1 12 0 0 9 年1 月2 0 1 2 1 2 月6 日后向散射与s 0 2 浓度对比图 叮叮叮皿叮皿叮皿皿皿皿吐叮叮口皿血皿 量薰曼曼摹薰薰晕薰r 器f f - 黑熏最罡罡最罡罡 皿皿暖叵皿正皿正暖一吸呶磊i 忑i 丙寸 日期 i ： 如 安 蜜 蠹 熬 蝴 安 鲁 要 鲁 图2 1 22 0 0 9 年1 月2 0 日2 月6 日后向散射与氮氧化物浓度对比图 在雨天，污染物得到稀释，浓度变低，同时由于雨滴对激光信号产生强烈的 散射，造成回波信号变大。1 ) 弓2 2 h 、1 月3 1 日和2 月3 日的雨天均较好的反映出了 这种后向散射信号与污染物浓度的负相关性。而在没有降水的时候，空气中对激 光信号造成散射的主要是气溶胶粒子，因此在此期间后向散射信号与污染物的浓 度呈正相关性。1 月2 5 同大年夜非常明显的表现了这一关系。 i-。一互木p臼善o。oo【趟骥杂轻匠呈 【。一互善暑答oooo【瑙爱杂衽厦粤f 2 7 霾日的后向散射分析 图2 1 32 0 0 8 年5 ) 11 2 日天气图 以2 0 0 8 年5 月1 2 日为例，根据定义符合霾的条件。前后未出现过降水现象。 从9 时开始能见度持续下降，至1 4 时达到最低值，相对湿度小于7 0 。上海地区 处于低压带的南侧，地面为偏西风a 器辱笤器零昌器警罨书警罨景警罨攀警罨寮警 三三三笪西笪受兰茧三三= 盘譬2 兽暑要 时间h 图2 1 42 0 0 8 年5 月1 2 日霾期间能见度与后向散射信号对比图 2 1 上海市霾的特征及影响因子研究第二章霾的特征判定研究 g 蚤 勺 墨 鼍 暑 e e 导 g e 量 芏 9 工 c l 3 1s h a n g h a ib a c k s c a t t e rd e n s i t yw i t hml ho n12 0 5 2 0 0 8i n10 - 9m - 1s r 1 图2 1 52 0 0 8 年5 月1 2 日激光后向散射图 根据定义，5 月1 2 日1 1 ：0 0 1 2 ：0 0 及1 4 ：0 0 - 1 6 ：0 0 之间能见度小于8 公里， 并且p m 2 5 浓度达到0 0 6 5 m g m 3 ，同时p m 2 5 与p m i o 之比大于0 5 出现霾，可以判 定在此时段内出现霾污染。 从图2 1 5 可以看出，在这两个时段内，后向散射强度不断增大，而能见度缓 慢下降，并在5 公里到1 0 公里内小幅度平稳的变化。在1 5 时左右，信号强度达到 最大值，同时能见度到达最低值，小于4 公里。从l l 时起云底高度开始下降，在 近地层6 0 0 米处散射变强，造成回波信号值增大，同时能见度下降。此后随着混 合曾抬升，污染物得到扩散稀释，能见度增大。从1 4 时起，混合层高度只有3 0 0 米，污染物再次聚集，1 5 时p m 2 5 浓度达到o 1 0 2 m g m 3 ，在这段时间内后向散射 信号也达到最大值。 啪 咖 咖 咖 咖 啪 咖 啪 上海市霾的特征及影响因子研究 第二章霾的特征判定研究 l w2 0 0 ：捌：删：伽删删 删删 i 删1 3 1 ) 0l 删 后向数吲掣湫 1 0 0 吣锄酬- 1 后矧朔推泻强彰 1 吨鲫州同。1 图2 1 62 0 0 8 年5 月1 2 日后向散射垂直变化( 左图为无霾时段，右图为有霾时段) 从霾日后向散射信号随高度的变化可以看出，当有霾发生时( 1 5 时) ，后向散 射信号随高度呈明显的指数递减，对变化曲线进行2 次指数拟合，发现r 2 达到 0 9 3 。而在没有霾的时段内，后向散射信号随高度的变化则显得较无规律。 冒 l * 它 时 岛 * o o o o 2 l - j 杂 轻 暹 妲 5 0 0 0o o7 0 0 08 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 能见度m 图2 1 72 0 0 8 年5 月1 2 日霾期间能见度与后向散射关系 在发生霾的时段内，后向散射信号强度与能见度的相关系数达到了0 9 1 6 3 5 。 可以看出，在没有降水的天气条件下，云高仪的散射信号与能见度具有非常良好 的线性关系。由此可见，c l 3 1 云高仪的后向散射信号不仅可以敏感的检测到水质 子，冰晶和水滴的散射，反映出天气状况，而且与能见度变化密切相关，通过回 波信号可以准确而直观的反映出由气溶胶粒子产生的视程障碍现象。 s ； 加 珊 瑚 咖 湖 藿至 姗 伽 枷 9 9 8 9 9 8 昌g 昌g 昌8 9 8 8 9 9 昌8 暑8 昌9 8 昌g g g 苫昌8 9 害8 2 = 篁2 = 譬2 = 要2 呙晶斜器 时日j h 图2 1 82 0 0 8 年51 2 同后向散射与可吸入颗粒物浓度对比图 旦渴y煎蓠蕊晶m _互笔墨芎ooooh趟浸杂箍厦遐 判定研究 9 9 8 8 昌昌8 昌g g 昌8 9 8 8 8 9 昌9 8 9 8 9 8 古二式蟊辱苗占0 笛裔吉二式西；岱占0 茹占g 二式舀 oooooooooohhhhhhhhhhnnnn 时间h 糟 地 安 藩 昌 零 鲁 图2 2 12 0 0 8 年5 月1 2 日后向散射与氮氧化物浓度对比图 对比后向散射信号与造成霾的主要污染物之间的日变化可以看出，各种污染 物的日变化和回波信号的同变化趋势基本一致，出现峰值和最小值处基本吻合。 回波信号与可吸入颗粒物、p m 2 5 、二氧化硫和氮氧化物的相关系数分别为： 0 6 0 8 1 、0 7 2 5 3 、0 6 7 0 6 和0 3 3 5 5 ，相比之下同p m 2 5 的相关性更密切。由此可见， 通过后向散射的回波信号，不仅可以间接的反映出各污染物的日变化情况，而且 为霾的判定和识别分析提供了一种新的验证手段。 _o。一亘善罡苦0000h一趟隈藤箍暹遐 上海市霾的特征及影响因子研究第三章霾的规律分析 3 1 霾发生的一般规律 第三章霾的规律分析 上海市霾的特征及影响因子研究第三章霾的规律分析 至l g m 以下的二次气溶胶粒子，这是形成霾污染的气溶胶颗粒物的重要来源。 8 0 6 0 籁 曝 饕4 。 2 0 0 翟譬茁譬翟譬鲁窖富蓄笛譬窨譬茁营茁营翟譬营譬鲁留 ohnn_h西ohnn_oh oohnn hhhh_h_一_nnnn 时次 图3 2 各时段霾发生频数图 3 2 霾时天气特征的一般规律 3 2 1 能见度 吴兑( 2 0 0 5 ) 指出，空气中的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢 化合物等粒子能使大气混浊，视野模糊，并导致能见度恶化，当水平能见度小于 1 0k m 时称为霾。能见度与粒子散射能力密切相关，能见度降低主要是由于物体 和背景之间的对比度减小，以及细粒子和气态污染物对光的吸收和散射，使来自 物体的光信号减弱造成的。 霾原来每年出现的次数只有几天，而且强度不大，大多数能见度仅仅刚刚低 于1 0m ( 吴兑等2 0 0 7 ) 。但近年来由于人类活动大气气溶胶污染日趋严重，出现 日数在大城市区域达到1 0 0 - - 2 0 0 天以上，强度也大大增加，能见度可以恶劣到l 2 k m 。 能见度是反映霾污染最直观的指标之一，通过分析霾污染时的能见度分析， 不仅可以区分霾与雾、轻雾的区别，而且对霾的定义有重要意义。 上海市霾的特征及影响因子研究 第三章霾的规律分析 茸1 0 0 0 0 掣8 0 0 0 斟 疆鲫o 4 o 卸0 0 o b 氍燃灏辫盼潞努秽 冬每又麟：；：必鼍：毒每， 日期 能见度 均能见度 图3 3 霾时平均能见度与霾日日平均能见度 统计得出，当霾污染发生时，能见度在1 2k m l ok m 之间变化，平均能见度 为5 7 6 9m 。霾日的日平均能见度为7 4 8 4m 。其中4 7 5 2 的霾日日平均能见度高 于霾发生期间的能见度。这是由于除了霾以外，降水、雾、轻雾等天气现象也会 造成能见度的下降和恶化。 - 萋堕，均熙墨虐 口雾日平均能见度 i_i 一 _ 上海市霾的特征及影响因子研究第三章霾的规律分析 污染时的平均能见度。雾天的日平均能见度为3 3 5 0m ，均高于雾时的平均能见度。 可见，雾对能见度的恶化作用远远大于霾。 对比图1 9 可以发现，雾和霾对能见度变化也有所不同，同样作为一种使能 见度恶化的视程障碍现象，霾发生时能见度不会急剧下降，相对雾较为平缓，使 能见度下降n 2k m 一1 0k m 。 3 2 2 相对湿度 霾作为由非水成物造成视程障碍的自然现象，相对湿度一直是区分其与雾的 重要标准之一。一般认为：一般相对湿度小于8 0 时的大气混浊视野模糊导 致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于9 0 时的大气混浊视野模糊导致 的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于8 0 9 0 之间时的大气混浊视野模 糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。 吴兑等( 2 0 0 7 ) 认为：近地层大气中每时每刻总是有霾粒子存在，而雾滴的存 在是少见或罕见的；霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴，必须有足够的过饱和度。 在城市区域出现的各个方向能见度均匀恶化的现象是霾造成的，考虑到相对湿度 传感器的误差，也需要相对湿度大于9 5 才能认定是雾或者轻雾。 6 0 5 0 4 0 籁 爨3 0 嘲 懋 2 0 1 0 0 5 0 以下5 0 、6 06 0 、7 07 0 、8 08 0 、9 09 0 以上 相对湿度 图3 5 各相对湿度下霾频数图 霾污染集中发生在相对湿度在6 0 9 0 之间，在此区间内发生的霾次数占 到了全年的8 8 。低能见度一般发生在相对湿度较大的情况下，这是因为在高湿 上海市霾的特征及影响因子研究 第三章霾的规律分析 的环境下，污染物与空气中的水汽相结合，粒径变大，形成霾滴，从而影响 大气透明度。 目 魁 基 避 鲁 、 瑙 巨 箍 日期 图3 6 霾时相对湿度与能见度对比 目删 图3 7 雾时相对湿度与能见度对比 当霾发生时，相对湿度变化范围较大，在3 0 9 0 之间，受此影响，能见 度的变化范围也较大。而雾一般发生在相对湿度9 0 左右或者更高的环境下，所 以能见度一般在几百米至2 公里。在统计的一年中，雾和霾的发生比率为1 ：2 2 7 ， 这是因为霾滴转化成雾滴需要在相对湿度较高的环境下才能达到过饱和。而霾污 上海市霾的特征及影响因子研究第三章霾的规律分析 染形成的条件没有那么苛刻，作为非水成物造成的视程障碍现象，霾的发生频率 更为频繁。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶 系统，而霾是非水成物组成的气溶胶系统，因此在定义霾的时候，考虑相对 湿度是很有必要的。 3 2 3 风速 1 0 0 8 0 籁6 0 爨 爝 拭4 0 2 0 0 风速i s 5 1 s 以上 图3 8 各风速下霾频数图 风速会影响近地面的大气污染物的扩散速度。污染物在大气中排放的浓度与 总排放量成正比，而与平均风速成反比。风速的增大起着稀释烟尘污染的作用。 图2 3 中可以看出，过去一年内霾发生时的平均风速较小，主要集中在1 - 3 r r d s ， 占5 9 ；3 5 m s 次多，占3 2 ；当风速大于5 r n s 的时候，污染物容易得到扩散 稀释，霾出现的频率较低。 3 2 4