南京北郊大气能见度影响因子研究

于 超，张 蕾

（南京信息工程大学 大气物理学院，南京 210044）

随着我国经济的快速发展、人类活动的加剧以及城市化进程的加快，以资源消耗为主的经济增长方式带来的霾污染等大气环境问题越发突出（尤其是中东部地区）[1-3]。近二十年来我国大气环境问题日趋严重，空气质量下降，严重的视程障碍天气出现频率呈现持续上升趋势，影响范围越来越广[4-5]。现如今我国严重的大气环境问题已经引起了国内外的广泛关注，并且对人类生活产生了很大的影响[6-8]。低能见度事件的频繁出现对国民经济发展和人民生命财产安全产生严重威胁，并且对人类的衣食住行产生深远影响。各种交通工具对能见度的依赖日益增加，低能见度条件下高速公路上恶性交通事故时有发生[9]。大气低能见度问题已经成为我国甚至全球面临的主要环境问题之一，对大气能见度影响因子的研究也是现今一个科学研究热点。

南京是长三角城市群最重要的城市之一，城市化、工业化进程很快，同时空气质量也日益恶化，低能见度事件更加频繁发生。基于我国大气环境现状，国内外众多专家学者都致力于能见度影响因子研究，并取得了大量的成果。吴兑[10]、陈静等[5]就中国的能见度工作进行了概述，他们认为由于人类活动产生的气溶胶污染尤其细粒子造成的能见度恶化事件不断增加，灰霾天气也迅速增加。大气能见度的变化既受到气象条件的制约[11-12]，也受到大气中颗粒物消光的影响[13-15]。当下对南京能见度的研究主要集中在其时空特征[16-18]，或者基于时间跨度较短的观测实验来分析其影响因子[19-21]，缺乏基于长时间序列资料的能见度影响因子的分析研究。针对南京当下能见度问题研究的匮乏和必要性，笔者通过分析2013年5月至2014年5月的常规气象资料和同期颗粒物采样资料，研究南京能见度的影响因子并识别导致南京低能见度事件发生的主要化学组分，以期对南京的大气环境治理与控制方案提供技术支持。

1 资料和方法

本研究所使用2013年5月1日至2014年5月31日的气象要素数据均来源于中国气象局综合观测培训实习基地（南京），位于南京信息工程大学校内（118°E，32°N），数据主要包括能见度（VR）、温度（T）、湿度（RH）、风速（WS），时间分辨率为1 h；PM2.5各化学组分数据来源于同一校区的气象楼12楼顶Andersen－Ⅱ型9级撞击采样器的观测结果，时间分辨率为1 d。

膜采样实验是在四个季节内选取典型时间进行连续观测，时间段为2013年5月18日至2013年7月17日、2013年10月15日至2013年11月13日、2013年12月30日至2014年1月23日和2014年4月17日至2014年5月15日。采样器每次工作时间约为23 h（9：00至次日的8：00），样品采集后均在冰箱冷冻避光保存至分析。用微量天平（Mettler Toledo MX5）称取采样前后膜的质量，获取颗粒物浓度数据。样品中的 Na+，NH4+，Mg2＋，K+，Ca2+，F－，Cl－，SO42－，NO3－9种主要水溶性离子浓度的测量使用850 professional IC型色谱仪（瑞士万通公司），测量原理详见文献[22]。样品中的碳组分有机碳（OC）和元素碳（EC）的分析采用热光反射法（TOR），分析仪器为Model 2001型热光碳分析仪（美国沙漠研究所），测量原理见文献[23]。所测数据均经过严格的质量控制，化学分析实验均进行空白实验，以保证数据的准确性。

2 结果与讨论

2.1 能见度季节变化与日变化特征

统计分析2013—2014年南京北郊能见度自动观测数据，其年平均能见度仅为6.78 km。图1是南京北郊能见度日均值时间序列图，能见度主要集中于5 km左右，与侯灵等[18]分析南京历史能见度数据资料相比较，能见度明显处于下降趋势，南京的空气质量状况不容乐观。能见度月均值在7—8月均超过10 km，分别为12.3 km和10.7 km，其中7月空气质量最好；而在12月能见度水平最差，仅为4.4 km。能见度低于5 km的事件在春夏秋冬4个季节发生的频率分别为46.7%，14.1%，37.4%和62.2%，低能见度事件更容易在冬季发生。这可能与冬季大气边界层条件及大气扩散能力有关。

图1 观测期间南京北郊平均能见度逐日变化Fig.1 Daily variation of average visibility in the northern suburb of Nanjing during the observation period

对自动站观测气象数据进行处理，得到观测期间南京北郊能见度与温度、相对湿度、风速日变化，如图2所示。南京北郊能见度日变化呈现出明显单峰型分布，即在午后（约14：00时）出现峰值，清晨（约07：00时）出现谷值。从能见度变化幅度来看，夜间能见度变化范围明显比白天低，这可能与地气系统辐射收支有关系。能见度日变化规律与温度、风速变化一致，与相对湿度变化相反。可能是由于夜间地面向上长波辐射冷却作用使近地面降温，容易出现稳定逆温层结，再加上风速低湿度大，大气颗粒物不容易扩散，导致低能见度出现[24]。

图2 观测期间南京北郊能见度与温度、相对湿度、风速日变化Fig.2 Daily variation in visibility,temperature,relative humidity,and wind speed in the northern suburb of Nanjing during the observation period

2.2 能见度影响因子

PM2.5质量浓度和气象条件的变化对能见度水平具有显著的影响。对气象资料、能见度数据以及PM2.5质量浓度数据进行异常值处理后，获取有效数据共474 6组，进行相关分析后得到如表1的分析报告。研究表明能见度与PM2.5质量浓度、相对湿度呈现负相关，与气温、风速呈现正相关，且通过99%的显著性检验，这与西安[25]、北京[26]、广州[27]、上海[28]等地研究结果一致。其中PM2.5质量浓度、相对湿度、风速与能见度的相关系数较大，相关性较其他气象因子显著，而温度对能见度影响相对较小。

表1 2013年5月1日至2014年5月31日能见度与部分气象要素、PM2.5相关系数Tab.1 Correlation coefficient between visibility and partial meteorologicalelements,PM2.5fromMay1,2013toMay31,2014

图3的散点图描述了能见度与相对湿度、风速以及PM2.5质量浓度三者间关系，颜色表征相对湿度，图标大小表示风速大小的变化。能见度与PM2.5质量浓度呈现出显著负相关（r=-0.476），这种变化在20世纪60年代便总结出[29]，近年大量研究表明能见度与PM2.5质量浓度呈现出负指数关系[25，30]，南京能见度与PM2.5质量浓度拟合方程VR=9.69 · exp（-0.013PM2.5）+1.08满足负指数关系，PM2.5质量浓度的增加将直接导致能见度的降低。由于气溶胶粒子的吸湿增长，相对湿度增大能加强气溶胶消光进而使得能见度降低[29]。高相对湿度对低能见度天气有很大的贡献。当相对湿度高于70%，研究期间绝大部分能见度小于5 km，这与表1相对湿度与能见度的相关性检验的结果（r=-0.628）相吻合。在低相对湿度期间能见度较好，但是随着湿度增加能见度显著减小。风速呈现出左大右小、上大下小的变化特征，风速与能见度变化具有一致性（r=0.338）。从图3可以看出能见度低于5 km的天气往往与低于3 m/s风速同时出现。较大的风速还与低的PM2.5质量浓度相关，反映风速影响细粒子的扩散，当风速增加时，由于悬浮在大气中的颗粒物受到较强扩散和输送作用而使其质量浓度降低，导致能见度升高。高的相对湿度和低的风速是南京低能见度事件发生的主要气象条件。

图3 观测期间能见度、相对湿度、风速、PM2.5质量浓度散点图Fig.3 Scatter plot of visibility,relative humidity,wind speed,and mass concentration of PM2.5during the observation period

2.3 PM2.5化学组分对能见度的影响

PM2.5质量浓度的变化对能见度具有重要作用，而其不同化学组分对能见度的影响存在差异。其化学组分主要包括无机组分（可溶性的硫酸盐、硝酸盐、铵盐以及不溶的地壳物质和痕量元素等）和碳组分（主要指OC和EC）。深入分析采样的各种化学组分质量浓度与能见度的相关性。南京北郊主要无机盐离子与能见度均呈现出负相关，其中NH4+（r=-0.684），SO42－（r=-0.639），NO3－（r=-0.590），Cl－（r=-0.388），K+（r=-0.205）与能见度相关性更为显著（P＜0.01），而Na+（r=-0.075）、Mg2+（r=-0.084），Ca2+（r=-0.054），F-（r=-0.012）同能见度变化相关程度较低。从相关系数可以看出无机离子中对能见度影响较大的主要是NH4+，SO42－，NO3－（合称SNA），其他离子贡献相对较小。碳成分（OC、EC）与能见度也表现出明显负相关关系（r=-0.316），相关性显著（P＜0.01）。

本研究分析了不同能见度条件下化学组分的比例，发现颗粒物中二次无机盐离子（SNA）占比为51.2%，碳组分（OC和EC）所占比例为28.3%，其余的阴离子（F－、Cl－和NO3－）和其余阳离子（Na+，K+，Mg2＋和Ca2+）所占比例分别为11.9%和8.6%。图4为不同能见度条件下颗粒物中各化学组分占比情况。低能见度日SNA所占比例高达56.5%，随着能见度增加，SNA的比例显著下降。碳组分所占比例随能见度变化较小，而其余的阴离子和阳离子所占比例随能见度增加而增加，在能见度大于10 km后，其比例达到27.1%。提示SNA是颗粒物化学组分中对能见度影响最大的组分，其次为碳组分。大气中SNA的增加是南京北郊能见度降低的重要原因。

图4 不同能见度下细颗粒物中化学组分比例Fig.4 Proportion of chemical components in fine particles under different visibility condition

3 结论

笔者利用南京2013年5月至2014年5月的能见度、相对湿度、温度等气象要素数据、颗粒物浓度及其化学组分等观测数据进行分析研究，得到以下结论：研究期间南京年平均能见度为6.78 km，其中7月空气质量最好，12月最差。低能见度事件在冬季发生得更频繁。相对湿度和风速是影响能见度的主要气象因子，而大气中细颗粒物的增加是能见度降低的主要原因。能见度与风速具有显著的正相关关系，而与相对湿度和PM2.5质量浓度呈显著的负相关。颗粒物中不同化学组分对能见度的影响不同，随着能见度的降低SNA比例持续增加，大气中SNA增加是南京北郊能见度降低的重要原因。