南京地区相对湿度对气溶胶含量的影响

宋秀瑜,曹念文,赵 成,杨思鹏



南京地区相对湿度对气溶胶含量的影响

宋秀瑜1,2,曹念文1*,赵 成3,杨思鹏1

(1.南京信息工程大学,气象灾害预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044；2.大连市气象装备保障中心,辽宁 大连 116001；3.南京市环境监测中心,江苏 南京 210029)

为了研究南京地区相对湿度对气溶胶的影响,利用位于南京信息工程大学的拉曼-瑞利-米氏激光雷达,分析湿度廓线对消光系数的影响;利用2014年3月~2015年2月国控点环境监测数据对可吸入颗粒物浓度特征进行统计,并与相对湿度进行逐月和四季对比分析,并计算各参数之间的相关系数,以期为南京市的城市布局与规划、大气污染治理等提供更多参考.结果表明,低空气溶胶的消光系数廓线与相对湿度廓线变化趋势高度一致,地面相对湿度与可吸入颗粒物浓度在一定湿度范围(以不发生重力沉降为界限)内,相对湿度越大越有利于颗粒物的形成,超过这个范围,相对湿度越大,颗粒物浓度越低,在南京地区,对于PM10来说,这个界限在40%~49%,对于PM2.5来说,这个界限在50%~59%.

气溶胶；可吸入颗粒物；相对湿度；消光系数

随着城市化的推进,大气污染等诸多环境问题亟待解决.由于大气气溶胶可以通过吸收和反射地球和大气之间的辐射,影响区域乃至全球的气候生态环境[1].气象条件的改变是造成气溶胶浓度变化的重要原因[2],对气象条件与气溶胶之间的关系展开研究,有助于治理气溶胶污染.此前,已有过很多相关研究,包括西藏地区干湿季节光学厚度与相对湿度的关系[3];北京地区气溶胶数浓度及其谱分布特征与相对湿度的关系[4];上海地区不同粒径大气气溶胶的数浓度和质量浓度与各气象因素之间的关系[5];南京地区气溶胶与云的互相影响[6];广州地区使用干状态下的浊度计和MAAP,以及环境状态下的消光仪,假设吸收系数不随湿度改变的情况下,计算得到环境湿度下的散射吸湿增长因子[7];天津地区不同气象要素及粒子含量对气溶胶含量的贡献率[8].

20世纪80年代以来,中国经济规模的快速发展,城市扩张和人口聚集,对能源的需求量越来越大,使得污染问题更为突出.通过对1980~2005年间中国31个省会城市的雾霾情况做过统计,发现南京作为长江三角地区的中心城市,近年来雾霾增长趋势明显[9].大气中的可吸入颗粒物浓度的上升是导致灰霾现象的主要原因,它会对人类健康[10-12]和大气能见度产生严重的负面影响.

本文对晴天激光雷达观测资料进行反演,结合温度廓线和相对湿度廓线,对垂直方向上的观测数据进行分析,对2014年3月~2015年2月的PM10浓度和相对湿度数据进行地面观测数据分析,研究南京地区相对湿度对气溶胶含量的影响.

1 数据来源和方法

1.1 资料来源

地面相对湿度的逐日逐时数据监测资料来源于Weather Underground,南京监测点位于118.80°E, 32.00°N,垂直分辨率为100~1000m不等.

2010~2011年的温度、相对湿度探空数据是从美国怀俄明大学工程学院大气科学系网站查询得到.

观测点是位于南京信息工程大学内部的中国气象局综合观测实验基地(118.7°E,32.2°N),与Weather Underground的监测点距离24.1478km.观测仪器采用中科院安徽光学精密机械研究所研制的拉曼-瑞利-米氏三通道激光雷达(RRML).

2014年3月~2015年2月PM10和PM2.5质量浓度的小时变化数据是由南京市环保监测站提供的9个站点(分别为浦口站、奥体中心站、草场门站、迈皋桥站、瑞金路站、山西路站、仙林大学站、玄武湖站和中华门站)小时变化数据处理得到.

1.2 消光系数

一次散射的激光雷达方程为[17]:

式中:r是参考高度,m;S为参考高度处的距离矫正信号的对数;为距离矫正信号的对数;为后向消光对数比;为参考高度处的消光系数.

2 典型探测结果与分析

2.1 相对湿度在垂直方向上对气溶胶含量的影响

由于阴霾天气下回波信号随高度衰减严重,获得的有效数据相对较少,因此Mie散射激光雷达对气溶胶的观测试验主要选择在晴天进行.处理激光雷达回波信号分3步进行:①扣除背景信号:从原始数据中分别扣除背景信号,从而得到实际的大气后向散射回波信号,通常情况下,取13~15km回波信号的平均值作为背景信号;②平滑滤波:对大气后向散射回波信号进行分区域、十一点三角平滑滤波处理,以降低大气自身起伏带来的随机噪声;③利用Klett方法,计算气溶胶的消光系数.

有研究指出,南京地区晴好天气的值取1[13].如图1(a)~(h)为2011年3月17日、3月25日、5月13日、5月14日4天晴好天气的观测结果,其中蓝线表示利用Klett方法对南京信息工程大学观测实验基地数据反演得到的消光系数廓线,红色实线和黑色虚线分别表示对应的从美国怀俄明大学工程学院大气科学系网站查询得到的温度廓线和湿度廓线.可以发现,这4天逆温现象不明显,逆温的影响不予考虑.整体上,气溶胶消光系数的垂直分布特征与相对湿度在垂直高度上的变化趋势结果接近.图1(a)(b)的消光系数与相对湿度均在从近地面开始增大,在1km左右出现一个小高峰后开始下降,在1.8km左右达到最低值并且一直趋于稳定,图1(a)的消光系数从高度10km处开始增长,并在10~12km之间先后出现两次波峰,且相对湿度保持在一个稳定的高值(接近80%),说明此处有云;图1(c)(d)的消光系数与相对湿度均在3km左右出现了谷值,在6km左右出现了峰值,紧接着2个曲线都出现了次高峰,分别在6.8,8.8km附近,这种差异可能是由于相对湿度的观测点和激光雷达的观测点位置存在差异导致的,在6km附近消光系数出现峰值且相对湿度高达80%,说明6km附近有云;图1(e)(f)的消光系数与相对湿度从近地面开始在2km附近出现一个小高峰,然后一直保持低值,在7km附近首次达到峰值后在8.5km附近达到了次波峰,在7km附近消光系数出现峰值且相对湿度高达80%,说明此处亦有云存在.图1(g)(h)的消光系数与相对湿度均从近地面一直保持低值,在10km左右二者均出现了峰值,此处也是因为受到云的影响.

一些GCM的模拟表明[14-16],当云和气溶胶共同存在于高相对湿度下,由于云区产生的辐射强迫要比晴空区小得多,这样总辐射强迫将会减小,减小的幅度基本取决于云的光学厚度.当相对湿度达100%时,辐射强迫会减小50%.但相对湿度小于90%时,只减小5%~20%.所以仅对非云区域进行分析,分析产生现象的原因是,随着湿度的增加,吸湿性和溶解性气溶胶粒子的尺度将随之增大.这种增大一方面依赖于大气中水汽的含量;另一方面,它还依赖于气溶胶粒子的物理特性和化学成分.在粒子与周围空气相互作用的过程中,气溶胶粒子将会与水混合,粒子的尺度及其分布、形状以及化学构成均将发生变化,从而其折射指数和粒子的众数半径也随之改变,并引起粒子消光特性的变化.若温度均匀变化,气溶胶消光系数会随着相对湿度的增大而增大[17-19].同时也说明了南京市大气中水溶性粒子比较多[5].

(a)(c)(e)(g)分别为3.17,3.25, 5.13,5.14的气溶胶消光系数廓线,(b)(d)(f)(h)分别为3.17,3.25,5.13,5.14的温湿度廓线

2.2 相对湿度在近地面对气溶胶PM10含量的影响

由于激光雷达有探测盲区,所以利用相对湿度和环保监测站的气溶胶PM­10质量浓度对比分析相对湿度对近地面气溶胶含量的影响.图2是2014年12个月PM10月平均质量浓度和相对湿度的小时变化,从图中可以看出,PM10质量浓度日变化的昼夜变化明显,呈双峰型结构,峰值分别出现在8:00~9:00和22:00~23:00,分析原因是此时间段多出现逆温,阻碍了空气的垂直对流运动,大气相对稳定,不利于扩散,造成了包括PM10在内的时间段,气溶胶浓度处于高值;从整体峰值高低来看,在7月达到最小值,在1月达到最大值,1月取暖设备的使用量增多,汽车冷启动增加,再加上太阳辐射弱,大气层结稳定,静风、小风频率高,逆温易发,不利于大气颗粒物的扩散,在10月和5月浓度值也较高,这是因为10月是旅游黄金期,人们出行增加,机动车的使用量增加,再加上10月降雨量偏低,使得二者浓度高, 5月为秸秆焚烧的高峰时期,导致大气颗粒物浓度升高[20].冬季月份的峰值明显高于夏季,分析原因,一是冬季取暖烧煤会产生大量的颗粒物,二是夏季由于雨水的冲刷和空气湿度的增大,自然界中各成分的吸附性比较大,导致空气中的颗粒物含量减少;从一天的小时变化中看,最小值出现在14:00左右,分析原因是此时是一天中对流最强烈的时间段.由此可见,人类生活对PM10质量浓度有较大影响.

表1 PM10浓度值与相对湿度的相关系数

注:**.在0.01水平(双侧)上显著相关;*.在0.05水平(双侧)上显著相关.

图3是2014年3月~2015年2月PM10的平均质量浓度的每小时变化四季对比,从图中可以看出该值的四季质量浓度值变化趋势,冬季>春季>秋季>夏季,且相比于其他季节,夏季污染物质量浓度日变化比较平缓,这主要因为夏季气候相对比较稳定,而冬季由于风速较大,冷空气活动较强,造成局部扬尘,表现出质量浓度日变化的不规则;夏季是一年中相对湿度最大的季节,对应的PM10的平均质量浓度最低,冬季是一年中相对湿度最小的季节,对应的PM10的平均质量浓度最高.四季的质量浓度日变化呈双峰型结构,峰值分别出现在 8:00和19:00,分析这2个时间点正好是上下班交通高峰期,加上冬季此时多出现逆温,大气相对稳定,不利于扩散,造成PM10的浓度高值,尤其是冬季的高浓度.可见交通、生活源对南京地区PM10浓度的变化也有较大的影响.

图3 2014年四季PM10逐小时平均质量浓度

对南京市2014年3月~2015年2月每小时的PM10、PM2.5质量浓度和相对湿度数据进行统计,结果见表2.可以看出,南京市全年相对湿度维持在一个较高水平.从相对湿度为0%开始,随着相对湿度增加,PM10质量浓度增大,当相对湿度达到40%~ 49%之间,PM10质量浓度达到峰值,此后,随着相对湿度的增加,PM10质量浓度开始降低;从相对湿度为0%开始,随着相对湿度增加,PM2.5质量浓度增大,当相对湿度达到50%~59%之间,PM2.5质量浓度达到峰值,此后,随着相对湿度的增加,PM2.5质量浓度开始降低.图1中在垂直方向上的非云区域,相对湿度范围在59%内,气溶胶含量随着相对湿度增大而增大.

表2 不同相对湿度条件下PM10与PM2.5浓度值比较

图4 2014年四季PM10平均质量浓度与相对湿度月变化

南京地区相对湿度对气溶胶含量的影响很大,分析原因,一是由于南京市处于长江中下游中部,且是三面环山、一面临水的盆地状地形,因而形成了较差的大气扩散条件,二是南京地区基础制造业和轻工业发达,重化工业比重大,有研究表明,南京地区颗粒物最大的污染源是工业源,其次是各种来源的扬尘[23],这些污染源都会产生大量SO2和NO2,它们是形成二次气溶胶的前体物,二次有机气溶胶的转化生成和积累老化是引起颗粒物(主要是细颗粒物)浓度升高的主要原因[24],所以,气溶胶颗粒物中硫酸盐、硝酸盐等无机盐的比例越高,颗粒物的亲水能力越强,从而相对湿度对气溶胶产生的影响也就越大[25].

3 结论

3.1 在1.2~12km高度范围内非云区域,气溶胶消光系数廓线与该时刻的相对湿度廓线变化趋势保持高度一致,即消光系数会随着相对湿度的增大而增大.

3.2 通过对2014年南京环境空气国控点数据监测的PM10质量浓度数据和相应的相对湿度小时变化对比发现,在近地面,气溶胶质量浓度有明显的双峰型日变化,在0:00~8:00期间,PM10质量浓度会随着相对湿度的升高而降低,在8:00~23:00期间,PM10质量浓度会随着相对湿度的降低而降低.

3.3 随着相对湿度的上升,大气颗粒物浓度表现出不完全一致的变化趋势.在一定湿度范围内(PM10是40%~49%以内,PM2.5是50%~59%以内)相对湿度越大越有利于颗粒物的形成,相对湿度是影响可吸入颗粒物污染的一个较为重要的因素,尤其是高湿度空气容易造成颗粒物的较重污染.超过这个范围,相对湿度越大,颗粒物浓度越低.

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Effect of relative humidity on aerosol content in Nanjing.

SONG Xiu-yu1,2, CAO Nian-wen1*, ZHAO Cheng3, YANG Si-peng1

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Dalian Meteorological Equipment Support Center, Dalian 116001, China；3.Nanjing Environmental Monitoring Center, Nanjing 210029, China)., 2018,38(9)：3240~3246

In order to study the effect of humidity on the aerosol in Nanjing, the influence of the humidity profile on the extinction coefficient was studied and analyzed by using the Raman-Rayleigh-Mie Lidar in Nanjing University of Information Science and Technology;Based on the environmental monitoring data from March 2014 to February 2015, the concentration characteristics of respirable particulate matter were statistically analyzed and compared with the corresponding humidity to contrast monthly and four-season comparative analysis, and then the correlation coefficient between the parameters was calculated with the view of the city layout and planning of Nanjing and to provide more air pollution control reference. It was showed that the extinction coefficient profile was consistent with the trend of relative humidity profile at low altitude. In the range where gravity sedimentation did not occur, the greater the relative humidity, the more favorable the formation of particulate matter, beyond this range, the greater the relative humidity, the lower the concentration of particulate matter.The limit is between 40% and 49% for PM10and between 50% and 59% for PM2.5in Nanjing.

aerosol；inhalable particles；humidity；extinction coefficient

X513

A

1000-6923(2018)09-3240-07

宋秀瑜(1992-)女,辽宁大连人,南京信息工程大学硕士研究生,主要研究方向为激光大气遥感与探测.

2018-03-02

国家自然科学基金资助项目(41375044/D0503,41175033/ D0503)

* 责任作者, 教授, nwcao@nuist.edu.cn