1994—2017年杭州能见度特征及其与PM2.5关系

刘熔熔

(浙江省气象信息网络中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

大气能见度作为反映大气环境质量好坏的一个重要指标,与城市交通安全,人民生活质量及军事活动等方面息息相关[1-2]。研究表明,城市低能见度天气不仅仅是自然现象,人为活动及排放的污染物在水汽、风、温度、气压等气象因子共同作用下影响大气能见度[3],其中水汽和颗粒物浓度是其中较为关键的两个重要因子[4]。从20世纪60年代开始,国内外学者分别从大气污染物、气象条件等不同角度开展城市能见度的演变规律和影响因子方面的研究[5-6],其中北京、上海、深圳、广州、沈阳、西安、成都等大都市能见度年际变化及季节特征的研究文献相对较多[4，7-9],针对杭州长序列能见度特征、能见度的人工观测与仪器测量比对以及PM2.5质量浓度对能见度的影响等方面的分析相对较少。

杭州地区能见度在2000—2015年期间总体呈降低趋势[10],其中2011—2015年小于2 km的低能见度出现时次占总时次的17%左右。但据统计,2017年杭州的平均能见度明显转好,年均能见度及能见度大于10 km的出现频率均为1994年以来最高值。能见度转好的因素较多,但其中在相对湿度等气象要素变化不明显的情况下,PM2.5质量浓度对能见度的影响程度值得进一步分析。利用杭州国家基准气候站1994—2017年24 h观测的环境气象数据,在统计分析长期能见度变化特征的基础上,通过对相对湿度、PM2.5质量浓度与能见度之间关系进行统计分析,得出能见度较高时的PM2.5阈值范围,为城市大气污染控制提供一些科学参考。

1 数据与方法

数据来源为杭州国家基准气候站观测的环境气象资料。杭州国家基准气候站(120°10′E,30°14′N),海拔41.7 m,位于西湖景区和杭州市区的结合部,周围5 km之内未有明显的工业排放源。能见度资料为1994年1月1日—2017年12月31日每日24次正点观测资料,以及同期观测的风速、气温、降水量和相对湿度等气象要素小时值,PM2.5资料为2013年1月1日—2017年12月31日各时次平均质量浓度。其中1994—2010年能见度为24 h人工观测数据,2011—2017年为24 h仪器自动观测资料。能见度自动观测仪器的传感器为HY-35P,属于前散式能见度仪。PM2.5监测仪器采用5030型颗粒物同步混合检测仪(SHARP),是一种β射线法加动态加热系统联用光散射法对颗粒物质量浓度进行连续实时测量的仪器,该仪器符合《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法》(HJ93—2013)。PM2.5自动监测仪操作运行过程符合《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装和验收技术规范》(HJ655—2013)要求,日常运维主要通过定期的流量检查、标准膜校准等来保证仪器运行的稳定性和测量的准确性。

此外,之所以选取1994年以来的观测资料是因为90年代以前,一天只有4个时次能见度及地面气象观测资料,而从1993年以后,杭州国家基准气候站开始一天24时次的观测,所积累的环境气象资料更能反映一天中能见度的变化特征。

2 能见度人工观测与仪器测量对比分析

能见度人工观测方法是根据观测员观测目标物与背景的亮度视觉对比感阈来确定的,当能见度目标物处于“模糊可见”光学状态时的距离为发现距离,此时观测员观测目标物与背景的亮度视觉对比感阈为0.05。能见度目标物处于即将消失光学状态时的距离为消失距离,此时观测员观测目标物与背景的亮度视觉对比感阈为0.02。前向散射能见度仪测量方法,取前向散射角25°～45°之间。由接收器接收到的散射光的强度,计算被采样大气的消光系数σ,此时根据中国气象局《地面气象观测规范》(2003)对能见度的定义,对比阈值取0.05。

杭州国家基准气候站观测员对能见度较好的天气(能见度>10 km)时,一般采用比感阈为0.05,而能见度<10 km时比感阈为0.02,所以对于能见度<10 km时,利用理论公式(1)可以对人工能见度进行修订,两者具有按比例系数相互换算的特点。

(1)

2011年,杭州国家基准气候站对能见度的人工观测和仪器测量进行了对比试验,根据公式(1)对能见度<10 km的人工观测数据订正,其中能见度在20 km以上时,人工测量波动很大,故人工观测能见度>20 km的数据不作对比分析。从图1可见,人工观测能见度随着观测距离的增加,同仪器测量偏差越大,能见度<6 km时,两者的平均偏差137 m,其中1.6～1.8 m时出现负偏差;能见度≥10 km时,负偏差750～1500 m。从两者的相对误差来看(图2),相对误差绝对值<10%的出现样本最多,为24%,相对误差绝对值<30%的出现样本为65.7%。白天人工观测能见度比仪器测量平均高出14%,两者差异的四分位数范围大约是仪器测量值的30%;夜间人工能见度比能见度仪器测量值高出约30%,两者相关的四分位数范围比白天稍大一些,大约是仪器测量值的35%～40%。此外,在有降水的天气现象时,仪器测量能见度偏小比较明显,这与王瑞等研究基本一致[11-12]。总体来看,能见度的人工观测和仪器测量的数据基本接近,且具有很高的线性相关(R2=0.853),作为连续数据能反映出一些变化特征。

图1 能见度人工观测与仪器观测差值

图2 能见度人工观测与仪器观测的相对误差出现频率

3 能见度基本特征

3.1 平均能见度

杭州主城区1994—2017年的平均能见度为7767±5952 m,最低为6474±5439 m(1999年),最高为11573±7398 m(2017年)。从图3可见,1994—1999年均能见度呈逐年下降,2000—2015年均能见度在6781～8042 m之间波动,2016—2017年均能见度大幅提高,特别是2017年均能见度达到11.6 km,为1994年以来的最高值。1994—2017年均相对湿度在68%～77%之间,其中1994—2002年、2015—2016年均相对湿度较高一些,基本在75%以上。

图3 1994—2017年年均能见度

图4 1994—2017年月均能见度

根据年均能见度特征,分3个阶段(1994—1998年、1999—2015年、2016—2017年)来看月均能见度(图4),各阶段的能见度都表现出以夏季较好,冬季较差的特征,其中7—8月能见度较好,1月、12月能见度较差。据相关学者研究[10],出现这种现象与气溶胶浓度的季节变化密切相关,夏季气溶胶浓度均较低,秋冬季气溶胶浓度较高。

从各时次的能见度来看(图5),一天中07:00—08:00能见度较低,在4.9～8.1 km之间;15:00左右能见度最好,比一天内的最低能见度高出5 km左右。大量研究[13-14]认为,能见度的日变化主要是因为早晨和夜间大气层结较为稳定,近地气层内常有逆温出现,抑制了低层空气中气溶胶粒子向上输送,导致夜间和早晨能见度下降,从08:00开始太阳辐射和近地层对流逐渐增强,大气稳定度减弱,扩散能力增强,14:00—15:00左右热力对流达到旺盛时期,水平能见度也达到一天中最高时段。

图5 1994—2017年小时平均能见度

3.2 能见度分级频率

从图6可见,1994—2017年的小时能见度(V)小于1 km的出现频率均在4%以下,其中最大值出现在2013年(4.1%);1 km≤V<2 km的出现频率在3%～15%之间;V≥10 km的出现频率在19%～51%之间。1994—2010年期间较好能见度(V≥10 km)呈下降趋势、2 km≤V<5 km的能见度出现频率呈增加趋势,2014年的能见度为自动观测以来较低的年份,V≥10 km出现频率仅为19%;2017年平均能见度大幅提升,V≥10 km首次超过50%,能见度<2 km的出现频率下降到4.7%。

图6 能见度分级出现频率

2011—2015年低能见度(V<1 km)为1511时次,主要发生在夜间特别是后半夜到早晨时段,从图7可见,低能见度日变化呈单峰型,对应峰值时段为6:00(出现概率为8.7%),0—9时出现的概率占67.6%,而在白天时段(10:00—19:00)出现的概率在3%以下;1 km

图7 低能见度出现频率日变化

4 能见度与相对湿度、颗粒物的相关性分析

4.1 能见度与PM2.5相关性分析

根据能见度仪(HY-35P)和PM2.5颗粒物监测仪(SHARP 5030)2015—2017年同步资料分析,排除降水影响,水平能见度与PM2.5质量浓度有着显著的相关性,呈幂函数关系(图8)。

图8 不同相对湿度下PM2.5与能见度散点图

从不同相对湿度下的能见度与PM2.5质量浓度的拟合曲线(图8)可以看出:一是当PM2.5质量浓度从300 μg·m-3左右降到75 μg·m-3左右时,虽然PM2.5质量浓度降低了225 μg·m-3,但对能见度改善不足2 km,此时对应的能见度基本在3000 m以下,空气质量变好在感官上影响不大。二是当PM2.5质量浓度从75 μg·m-3左右降到50 μg·m-3左右时,虽然PM2.5质量浓度降低了25 μg·m-3,但对能见度改善超过2 km,此时对应的能见度已接近10 km左右,“蓝天白云”的天数明显增加;三是当PM2.5质量浓度在50 μg·m-3以下,每降低5 μg·m-3,能见度增加更加明显;综合国内外文献[11]来看,PM2.5质量浓度在50 μg·m-3可以作为能见度好转的“拐点”。

4.2 不同相对湿度下PM2.5与能见度关系

由图8可知,相对湿度(RH)小于60%时,能见度与PM2.5质量浓度高度相关(相关系数R2=0.90),当相对湿度大于85%时,两者的相关系数R2=0.84,说明相对湿度较大时,气溶胶通过吸湿性增长增加散射截面和折射系数增大了消光作用,另一方面,在相对湿度相同条件下,随着大气颗粒物特别是细颗粒物浓度的上升,大气能见度呈普遍下降的趋势。从中也反映出当相对湿度低于80%时,低能见度更多的是由于PM2.5等气溶胶浓度变化引起;而相对湿度在90%以上,水汽往往是低能见度天气的主要影响因子;相对湿度在80%～90%时,颗粒物浓度和相对湿度共同作用导致低能见度天气,这与相关学者[15]的分析一致。从表1可见,在杭州年均相对湿度77%的情况下,PM2.5浓度在40 μg·m-3以下,水平能见度基本能达到10 km以上。

表1 2015—2017年不同湿度条件下能见度与PM2.5浓度关系

4.3 2017年能见度分析

2017年杭州市区大气平均能见度11.6 km,同比2016年(8.4 km)上升3.2 km,且明显高于历年均值;低能见度(V<2 km)出现频率为4.7%,较2016年(10.8%)明显下降,为近5 a最低年份;较好能见度(V≥10 km)出现频率为50.8%,较2016年(33.4%)明显上升,为1994年以来同期最高。通过对比2013—2017年的环境气象要素发现(表2),平均风速、相对湿度、气温基本相同,降水量和降水时次2015—2016年相对多一些,但PM2.5逐年下降,且2017年均PM2.5降低到41.1 μg·m-3,已到达能见度能明显改善的质量浓度50 μg·m-3以下且接近40 μg·m-3,属于能见度明显增加区域,反映了在气象要素基本接近的情况下,PM2.5质量浓度的下降可能起到了关键性作用。

表2 2013—2017年环境气象要素年均值

5 结 语

1)人工观测能见度比仪器测量平均高出约14%～30%,当能见度<6 km时,人工观测能见度同仪器测量的平均偏差137 m,两者的相对误差<30%的出现样本为65.7%,且具有很高的线性相关(R2=0.853)。

2)1994—1999年均能见度呈逐年下降,2000—2015年均能见度在6781～8042 m之间波动,2016—2017年均能见度大幅提高,特别是2017年均能见度达到11.6 km,为1994年以来的最高值。

3)PM2.5质量浓度与能见度成明显的幂函数关系,当PM2.5质量浓度在50 μg·m-3左右,每降低5 μg·m-3,能见度增加十分明显;当PM2.5质量浓度在40 μg·m-3左右,水平能见度基本能达到10 km以上。

4)同一城市在相对湿度等气象条件基本相同的情况下,PM2.5质量浓度的降低是能见度改善的关键因子之一。