空气湿度变化对PM2.5的影响

陈艳丽

（河南省三门峡生态环境监测中心，河南 三门峡 472000）

1 空大气湿度与PM2.5的基本关系

在空气中的颗粒物质可以被看作是胶体，其组分较多，共同组成气溶胶体系，其中的硫酸盐、硝酸盐、铵盐等都有非常好的吸湿性，所以在空气中的湿度变大时，颗粒物也会随着吸湿过程而不断地增加，而细颗粒物的吸湿过程中其粒径将会迅速增长，直到对可见光的散色更加有效的粒径范围内，在这一个过程中干的颗粒物粒子将会在某一个临界相对湿度之上突然增大，并且在相对湿度减小时并不会按照原来的路径恢复，而是需要将湿度降低到临界值以下某一个值才能够达到干颗粒的状态。可以说，在这个过程中，气溶胶将会发生辐射强迫等反应，极大的影响到人们的身体健康。实际上，国内外很多的学者都针对于气溶胶和空气湿度的关系进行了分析，但是实际上相对湿度并不能够精确地将空气中的水汽含量反映出来，在实际的大气科学对于空气的绝对湿度与相对湿度与PM2.5的关系研究较少，本文就针对二者之间的联系进行简单的探讨[1]。

2 空气湿度分布特征

本文针对某市的气象站观测到的在2015～2020年逐小时相对湿度、绝对湿度和该市2019年～2020年的PM2.5浓度数据进行分析，对该市地区的空气湿度变化特征和相应的颗粒物浓度进行研究。下图为该市在2015～2020年的相对湿度与绝对湿度的总体分布特征图。从图中可以发现，相对湿度的集中一般都在80%～95%的范围之内，这个范围的样本量占总样本的50%。通过计算可以发现，该市在近五年的相对湿度平均为77.10%，标准差为27%，中值为82%，最大值是100%，而最小值是16%。在绝对湿度的分布图中，水汽的密度出现的频率一般都在4.5～10.5 g/M3之间，该部分的样本占总量的22%。该市在近五年来的绝对湿度平均为25.4，而最大值是25.41，最小值为1.54，标准差为5，而中值则是10.78。

图1 空气湿度的总体分布特征

值得注意的是，相对湿度的根本含义是空气中的实际水汽和饱和水汽的比值，这个值越大，那么空气也就越饱和，但是却并不意味着空气中的绝对湿度也很大。

表1 空气湿度的统计参数特征

3 空气湿度的统计参数特征

3.1 年际、年变化特征

相对湿度值的年际变化中，该市的相对湿度有着较大的波动，绝对湿度的年际变化中有着增加的趋势。在该市空气湿度的年变化中，其变化是以余弦函数的形式表现出来的，在绝对湿度的年变化中呈现出很明显的N型单峰变化。由此可见，虽然相对湿度和绝对湿度同样都是空气湿度参数，但是其年变化有着非常明显的差异，这其中主要是温度发挥的作用。经过调查和分析可以得到，在温度越高的情况下，空气中的相对湿度九月底，但是绝对湿度较大，因为绝对湿度只和水汽的质量有关系。根据下列公式可进行检验可以证明相关数据的准确性。

检验公式：

3.2 湿度的季节、日变化特征

根据下图可以得到该市的空气湿度季节变化情况，对该图进行分析可得，两者的空气参数在季节变化过程中呈现出较大的差异，而在秋季中可以得到相对湿度的极值，该值为80.31%，而其次则是夏季、冬季，春季的相对湿度则是极小值，仅有71.88%。在绝对湿度中，绝对湿度的极值与夏季和冬季有很大的关联，在夏季时达到最大值，该值为17.77 g/m3，春和秋是其次，而冬季则是达到最小值，该值为5.74 g/m3。

图4 空气湿度的季节变化特征

两者的空气湿度在日变化中也呈现出较大的差异。在相对湿度的日变化特征图中进行分析可以得到，相对湿度的日变化特征十分明显，在日前后的七点左右的时间中，相对湿度逐渐达到最大值，该值为89.05%，而在温度的不断上升时相对湿度则会不断降低，在下午三点左右将会迎来最小值，也就是58.42%。在达到最小值后直到零点，相对湿度将又开始逐渐上升，而在夜间则上升较慢。在绝对湿度的日变化特征图中进行分析可以得到，绝对湿度的日变化特征相较于相对湿度更加复杂，在下午四点左右绝对湿度达到了最小值10.72 g/m3，而在晚间九点左右的时间则达到了最大值11.86 g/m3。所以就这个情况来看，绝对湿度的峰值是出现在晚上，在夜间较大。当然，出现该情况的主要原因可能是因为该市在夜间有着较大降雨概率[2]。

因为空气湿度的年变化特征实际上并不是很复杂，所以其拟合过程较为简单，但是空气湿度的日变化过程则呈现出较大的波动情况，所以在拟合的过程中选用6阶和8阶多项式来进行拟合，将绝对湿度和相对湿度中更加复杂的日变化特征来进行拟合，确保其能够更加精确。

与上述一样，使用r和RMSE来对拟合公式进行全面的检验，使用的相关系数分别是0.992和0.993，均方根误差则分别是1.321和0.664。检验结果为趋近于1以及较小的RMSE，这也就表明了通过高阶拟合公式可以较好地对该市的空气湿度在日变化情况下的特征进行拟合。

另外，湿度在四季中的日变化特征也可以作为空气中湿度变化的重要参考，针对相对湿度和绝对湿度在春、夏、秋、冬四个季节的日变化特征进行分析，相对湿度和绝对湿度在四季中的日变化趋势大致与全年的日变化相同，但是不同季节的湿度变化的幅度与极值出现的时间则有很大的不同。

4 空气湿度对PM2.5浓度的影响

针对该市地区的大气颗粒物浓度的相关数据进行分析可以得到，在2019～2020年终，该市的PM2.5的年平均浓度值为89.09 μg/m3，针对国家所颁布的GB 3095-2012《环境空气质量标准》中对全年颗粒物浓度的二级标准进行查阅可以得到，其PM2.5标准浓度为35 μg/m3，也就是说在该市的PM2.5值相对于二级标准来说是严重超标的，超标率达到了154.54%，这也就说明了在该市的空气污染情况已经达到了很严重的程度。通过研究可以证明，空气中颗粒物可以通过在具有较高空气湿度的条件环境下进行吸湿增长，这也就导致了空气质量的进一步恶化。所以为了能够更好地针对空气中相对湿度和绝对湿度与颗粒物浓度之间的关系进行分析，需要分别针对湿度的参数来进行划分，并且分区间来对颗粒物的浓度进行讨论分析。

我们可以有效地对颗粒物浓度在不同的相对湿度区间中的分布进行分析，将相对湿度分为多个区间，每一个区间的跨度为10%，共分为8个区间，对PM2.5在不同相对湿度区间中的浓度进行分析可以得到，在空气相对湿度越来越高的情况下，空气中的水汽越来越趋近于饱和状态，而水汽将会由此凝结为水滴，细颗粒物将会吸湿而增长，所以对于粒径越小的PM2.5来说，其在高湿度的环境下浓度会越大。

如下图，在绝对湿度为横坐标，将其以2～5/5～8为标准划分区间，划分出7个区间，针对PM2.5在不同绝对湿度区间的三点分布进行分析，可以得到颗粒物的浓度可以在绝对湿度增加的情况下减少。当然，这个结论看似与上述相对浓度中得到的结果相违背，但是实际上因为相对湿度大时绝对湿度不一定大，所以从该角度来看该结论成立。

当然，在对绝对湿度的变化特征进行分析的过程中可发现绝对湿度在夏季最大，这和该地区的降水气候有着很紧密地联系，经常降水的夏季将会发生很明显的大气湿沉降情况，空气中的颗粒物浓度较小。而在冬季因为降水不多，绝对湿度不高，而相对湿度却很大，这就造成了颗粒物在空气中的有利存留，导致其在空中累积，浓度增大。另外，空气湿度并不是影响颗粒物浓度的唯一因素，在探讨空气湿度因素对颗粒物浓度的影响时还需要考虑到该地区的人类生产和生活、排放源、边界层结构、降水气候等多方面的原因，是一项需要综合考虑的问题。研究人员在探讨相对湿度和绝对湿度对于空气中颗粒物的影响情况时是需要按照既定条件来进行的，就犹如本文选取的地区样本中其本身就存在夜间降雨和夏季多降雨的气候特点，所以其空气中颗粒物浓度的变化必然也会有一定的影响，所以在对空气湿度进行研究时需要根据具体的实验条件和目的。

5 结论

综上所述，本文着重探讨了空气湿度对于PM2.5的影响，分析了空气湿度中相对空气湿度和绝对空气湿度在年变化、年际变化、季节变化、日变化和季节日变化中的变化特征，并由此来引出在这种变化特征下导致的空气中颗粒物的浓度变化，希望能够对相关人员提供参考。