吐鲁番市自动判识霾、浮尘现象与PM2.5、PM10环保数据的关系

摘 要：通过对2015年9月——2017年2月吐鲁番市高昌区逐时环保数据PM2.5、PM10与吐鲁番站对应的湿度和能见度关系的分析研究，分别对不同湿度情况下能见度与PM2.5、PM10进行了曲线估计，并根据拟合方程计算出浮尘和霾出现时PM2.5、PM10的阈值，从而更加完善霾和浮尘判识标准，达到提高自动识别天气现象的目的。

关键词：PM2.5和PM10值；浮尘和霾；拟合方程；阈值

地面气象观测规范中视程障碍类天气现象是指影响能见度且其强度与能见度直接相关的天气现象。目前只保留了雾、轻雾、霾、沙尘暴、扬沙、浮尘等6种视程障碍现象。

2014年随着自动能见度仪的广泛使用，全国国家级站点陆续开始了视程障碍现象的自动观测。经过几年的实践和改进，地面测报业务软件自动判别视程障碍类天气现象的准确率得到了很大的提高，但是，在实际业务工作中我们发现：吐鲁番市五个国家级站业务软件在自动判识浮尘和霾现象方面与实际情况出入较大，经常将浮尘判识为霾，为了更好地区分霾和浮尘，我们根据霾和浮尘的成因，查阅文献发现，影响能见度的要素除了气象要素外，还与空气中污染物颗粒浓度PM2.5、PM10有关，找到出现霾和浮尘天气时对应PM2.5、PM10变化阈值，将现有测报软件中增加PM阈值设置，通过实时获取环保部门的PM2.5、PM10值进行判识，可以极大提高自动判识视程障碍类天气现象的能力。

本文通过对2015年9月—2017年2月吐鲁番市高昌区逐时环保数据PM2.5、PM10与吐鲁番基本气象站对应的相对湿度和能见度关系的分析研究，分别对不同湿度情况下能见度与PM2.5、PM10进行了曲线估计，并根据拟合方程计算出不同湿度情况下能见度为7500米時的PM2.5、PM10值，以此来确定浮尘和霾出现时pm10和PM2.5的阈值，从而更加完善霾和浮尘判识标准，达到提高自动识别天气现象的目的。

1 研究方法

1.1 资料来源

本文选取2015年9月—2017年2月吐鲁番市高昌区逐时环保数据PM2.5、PM10 以及与其对应的吐鲁番站气象观测数据小时相对湿度、10分钟平均能见度值。

1.2 确定霾和浮尘的能见度和相对湿度阈值标准

在使用能见度资料上，根据地面气象观测规范（2013版）以及《2013年雾、霾等观测资料订正工作方案》中的业务规定，考虑到自动观测能见度与人工观测能见度的差异，对视程障碍现象出现时能见度阈值进行了确定，霾和浮尘自动能见度的阈值为<7.5km；出现霾和浮尘时湿度均不高，在2015年我们申报的课题研究得到吐鲁番站出现霾和浮尘时湿度阈值通常<79%。

1.3 异常数据的处理

在分析过程中对PM2.5、PM10出现下列异常情况进行了剔除，1、有能见度值而PM2.5或PM10值为0；2、能见度大于20km，PM10大于500。同时为避免霾出现时引起的PM10增大情况，在研究浮尘与PM10时，选取PM2.5/PM10的比值小于 0.5的样本来进行统计。

1.4 统计方法

分别对具有代表性的相对湿度U<40%和U<79%时能见度与颗粒物浓度PM2.5、PM10进行了曲线估计，得到拟合方程及R2，从而算出出现霾和浮尘时PM2.5、PM10的阈值。

2 PM2.5、PM10值与能见度的关系分析

我们分别对相对湿度在<40%和<79%的情况下能见度与颗粒物浓度PM值进行了曲线估计，发现均符合幂的关系，也就是说，在一定湿度条件下，能见度随颗粒物浓度的增大而减小，成反相关。

2.1 不同湿度下PM2.5与能见度的关系

相对湿度在<40%和<79%范围内湿度区域，能见度均与PM2.5有较好的关系，且为幂函数的关系，即能见度降低，PM2.5的值会增大，且相对湿度越小能见度与PM2.5相关性越好。

2.2 不同湿度下PM10与能见度的关系

对本地不同湿度情况下，能见度与空气颗粒物浓度PM10进行了统计计算，建立了能见度与PM10浓度的拟合方程，为避免霾出现时引起的PM10增大情况，选取PM2.5/PM10的比值小于0.5的样本来进行统计。

2.3 霾和浮尘的PM阈值

研究发现：霾出现时，PM2.5值与能见度密切相关，而浮尘出现时，PM10 与能见度相关系数较大，根据判断霾和浮尘的能见度和相对湿度阈值标准，我们使用相对湿度<79%时的PM2.5、PM10与能见度的拟合方程，在能见度为7500米时算出PM2.5、PM10值，从而得到判断霾和浮尘的PM2.5、PM10阈值（下表）。

3 回算验证

在地面测报业务软件原判识依据的基础上加入PM2.5、PM10阈值主要解决软件将浮尘判识为霾的问题，我们使用软件，结合环保数据，对2016年3-5月吐鲁番浮尘天气进行回算，依据新的判识依据加入空气质量数据，在使用气象相关要素判识后再对PM10值判断，进行霾与浮尘的区分，回算结果显示：浮尘判识准确率提高显著，与人工观测较为接近，符合实际情况的。

4 结论

（1）霾出现时，PM2.5值与能见度密切相关，而浮尘出现时，PM10与能见度相关系数较大。

（2）不同湿度情况下能见度与PM2.5、PM10有较好幂函数关系，即能见度随PM2.5、PM10增大而减小，成反相关，通过拟合方程算得出现霾时PM2.5的阈值为85 ug/m3，出现浮尘时PM10的阈值为409 ug/m3。

（3）在满足风、湿度、变温的条件下，自动识别加入PM2.5和PM10的阈值85 ug/m3、409 ug/m3时，系统判识霾和浮尘的准确率大大提高。

参考文献：

[1]何青，杨莲梅，张广兴，等.能见度与空气质量的关系研究[J].中国沙漠，2006，2，278-282.

[2]新疆维吾尔自治区地方标准《视程障碍天气现象自动判识依据》.DB 65/T 4042-2017.

作者简介：钟海英（1969-），女，汉族，重庆人，本科，副高级工程师，从事气象探测与管理工作。