咸宁市能见度与PM2.5污染特征分析

程 毅，刘晓烨

（1.咸宁市环境保护监测站，湖北 咸宁437100；2.江汉大学 工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北 武汉430056）

能见度是表征大气透明程度的一个重要物理量，与城市居民日常生产、生活息息相关［1］，低能见度现象的出现常会给人们带来诸多不便和各种危害。PM2.5也称细颗粒物，不仅影响气候和空气质量，而且严重危害人体健康［2］。有研究［3］表明，能见度变化与大气中PM2.5污染密切相关，PM2.5浓度越高，能见度就越低；此外，气象条件（如湿度、风速、温度等）也是不可忽视的原因［4］，其中湿度对能见度的影响较大［5］。

咸宁市位于湖北省东南部，长江中下游南岸，属亚热带湿润型大陆性季风气候，生态环境质量较好。《生态环境部通报2018年12月和1-12月全国空气质量状况》显示，咸宁市是湖北省唯一入围2018年全国169个重点城市空气质量排名前20位的城市。笔者利用国控空气站历史监测数据，研究咸宁市能见度与PM2.5浓度、相对湿度之间的相关关系，对于引导公众通过视觉感观评估PM2.5污染状况、理解治霾成果具有一定的现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料来源

咸宁市现有森林公园（114°19'12″E，29°49'3″N）、咸安区政府（114°17'37″E，29°51'24″N）、市发改委（114°18'38″E，29°50'43″N）和长江产业园（114°19'46″E，29°52'6″N）4个国控空气自动站点，监测指标为《环境空气质量标准》［6］中6项基本污染物（SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5）、气象5参数（气温、气压、风向、风速、相对湿度）和能见度（仅市发改委站点监测），评价方法参照《环境空气质量标准》［6］修改单（生态环境部公告2018年第29号）和《环境空气质量评价技术规范（试行）》［7］。

咸宁市国控空气站监测事权于2016年10月上收生态环境部，监测仪器的运行、维护、调试、质控均由国家生态环境部负责，监测数据由国家与地方共享。本文采用的监测数据来源于中国环境监测总站最终审核后的数据（剔除沙尘天气影响）。2017-2018年，咸宁市国控空气站有效监测730 d，获得能见度、PM2.5浓度、相对湿度等有效日均值数据694组（剔除了12 d沙尘天气）。

1.2 实验方法

PM2.5采用武汉天虹TH-2000PM连续β射线+DHS大气颗粒物浓度监测仪（量程0～1 000μg/m3、浓度误差≤±5%）自动监测，主要实验参数：DHS湿度35%、加热杆温度50℃、采样体温度45℃、吸收系数0.294 1、斜率1、截距0，满足《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法》［8］和《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范》［9］要求；能见度采用英国BIRAL SWS-200能见度和天气现象仪（量程10 m～20 km、2 km处测量误差≤±10%、16 km处测量误差≤±15%）自动监测，每6个月进行一次校准检查，满足《前向散射能见度仪校准规范》［10］要求；气象5参数采用德国LUFFT WS500-UMB Weather Sensor（相对湿度测量范围0%～100%、测量误差≤±2%）自动监测，每6个月进行一次校准检查，满足《地面气象观测规范空气温度和湿度》［11］要求。

1.3 研究方法

根据2017-2018年咸宁市国控空气站监测数据，分析咸宁市能见度和PM2.5污染特征，使用SPSS17.0软件对能见度与PM2.5浓度的相关性进行研究，最终利用最小二乘法得到能见度与PM2.5的拟合方程，通过2019年1-2月份重污染天气过程对拟合方程进行验证。

2 结果与分析

2.1 能见度和PM2.5污染特征分析

2018年，咸宁市能见度为16.2 km（日均值进行算术平均，后同），较2017年13.0 km提高24.6%；2018年，咸宁市PM2.5浓度为35μg/m3（日均值进行算术平均，后同），较2017年44μg/m3下降了20.5%。

2017-2018年，咸宁市能见度和PM2.5浓度月变化趋势如图1所示。

图1咸宁市2017-2018年能见度和PM2.5浓度月变化趋势图Fig.1 Visibility and PM2.5 concentration monthly change trend graph of Xianning City from 2017 to 2018

从图1可以看出，咸宁市能见度和PM2.5浓度具有明显季节变化特征，夏季（6-8）月能见度较高而PM2.5浓度较低，冬季（12-2月）能见度较低而PM2.5浓度较高；且能见度和PM2.5浓度具有很好的负相关关系，这与郝巨飞等［12］研究结论一致。咸宁市属亚热带湿润型大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，夏季高温多雨，大气扩散条件较好，冬季干燥寒冷，大气扩散条件较差。说明能见度和PM2.5浓度受气候变化影响较大。

总体来看，咸宁市2018年PM2.5浓度和能见度均较2017年同期有显著改善，说明咸宁市近几年来强力开展的“三禁三治”等大气污染防控工作对改善区域大气环境质量具有一定成效。

2.2 能见度与PM2.5的相关性分析

张凯等［13］研究发现，不同相对湿度下能见度与大气颗粒物浓度相关性不同。由此，将咸宁市2017-2018年的能见度和PM2.5浓度按不同相对湿度分别统计，结果如表1所示。由于咸宁市湿度较大，因此将低湿度（RH≤50%）分成一组，高湿度（RH＞90%）分成两组，中间的按10%进行划分。

从表1可以看出，相对湿度大于60%时能见度随相对湿度的增加而降低，这可能是空气中的气溶胶粒子因吸湿增长而增强对能见度的消光作用［14-15］所造成的。而相对湿度小于等于60%时，能见度反而随相对湿度的增加而增加，这可能与颗粒物的粒径特性有关［16］，相对湿度越低，PM2.5中的小粒径粒子数量占比越大，虽然其单粒子消光效率因子较小，但由于数浓度高，使得该部分气溶胶粒子对消光的贡献较大。

表1咸宁市2017-2018年不同相对湿度下的平均能见度与PM2.5浓度Tab.1 The average visibility and PM2.5 concentration under different relative humidity in Xianning City from 2017 to 2018

2017-2018年，将不同相对湿度下的能见度与PM2.5浓度（均为日均值）作散点图并进行曲线拟合，结果如图2所示。

图2不同湿度能见度和PM2.5浓度曲线拟合Fig.2 Fitting curves of visibility and PM2.5 in different humidity

从图2可以看出，能见度与PM2.5浓度呈非线性负相关关系。使用SPSS17.0软件进行曲线拟合，咸宁市能见度与PM2.5浓度呈幂函数的相关性最大，这与姜斌彤等［17］的研究结果相似。拟合方程及参数为

式（1）中，VIS为能见度（km）；［PM2.5］为PM2.5浓度（μg·m-3）；a、b为系数。

不同相对湿度下，能见度与PM2.5浓度曲线拟合方程参数见表2。由于常以R2是否达到0.7为判别回归模型的优劣［18］，从表2可以看出，50%＜RH≤95%时，能见度与PM2.5质量浓度曲线拟合较好，RH≤50%和RH＞95%时，能见度与PM2.5浓度曲线拟合较差。当相对湿度大于95%时，造成的能见度恶化通常为雾［19］，此时能见度受水汽影响较大；当相对湿度小于50%时，能见度可能受PM2.5的粒径特性影响较大［16］。

2.3 能见度拟合方程及验证

表1的数据量统计表明，咸宁市50%＜RH≤95%的天数占总天数的86.9%，因此建立50%＜RH≤95%时的能见度与PM2.5浓度曲线方程具有一定的现实指导意义。从表2可以看出，曲线方程系数b受相对湿度影响较小，曲线方程系数a受相对湿度影响较大。将曲线方程系数a与相对湿度（平均值）作散点图并进行线性拟合，结果如图3所示。

表2不同相对湿度下能见度与PM2.5浓度曲线拟合方程参数Tab.2 Visibility and PM2.5 concentration curve fitting equation parameters at the different relative humidity

图3表2中曲线方程系数a与相对湿度线性拟合Fig.3 Linear fitting of curve equation coefficient a and relative humidity in Table 2

用最小二乘法得线性回归方程为y=-52.372 5x+5 403.522 1，x为相对湿度（%），y为曲线方程系数a值，其显著性检验P值为0.015，决定系数R2=0.895 0。将曲线方程系数a代入公式（1），同时为使方程简化，将曲线方程系数b取均值-1.347 2，得到50%＜RH≤95%时的能见度关于PM2.5浓度、相对湿度的曲线方程为，

式（2）中，VIS为能见度（km）；［PM2.5］为PM2.5浓度（μg·m-3）；RH为相对湿度（%）。从式（2）可以看出，能见度与PM2.5浓度、相对湿度均呈负相关关系，这与郝巨飞等［12］的研究结论一致。

根据《霾的观测和预报等级》［20］中对霾的判识标准，排除降雨、吹雪等天气现象影响（RH＞80%），咸宁市平均相对湿度约为65%，使用回归方程进行点估计得出咸宁市观测霾的PM2.5临界浓度为51μg/m3。这与何佳宝等［21］对宁波市的研究结果有较大区别（能见度为10 km的临界点上，60%＜RH≤70%时，PM2.5质量浓度临界值为63.6μg/m3），分析其原因可能如下：

①参照的《环境空气质量标准》［6］不同，该文中PM2.5浓度为监测时大气温度和压力下的浓度，而何佳宝等［21］使用的是标准状态下的浓度；

②地理环境、气候特征不同，造成的气象条件（如湿度、风速等）、污染物理化特性差异也是影响能见度的重要因素［4-5］；

③监测所使用的仪器型号、分析方法不同等对监测数据的影响。

为验证式（2）对能见度的模拟效果，利用咸宁市2019年1-2月的国控空气站点监测数据进行验证。将2019年1-2月的PM2.5浓度、相对湿度数据代入式（2）计算得到能见度拟合值，用能见度拟合值与实测值做散点图并进行线性拟合，结果如图4所示。

图4拟合能见度与实测能见度散点图Fig.4 Scatterplot of fitted visibility and measured visibility

用最小二乘法计算得到能见度拟合值与实测值之间的线性回归方程：y=1.018 0x-0.744 6，决定系数R2=0.885 3，与宋明等［22］对天津市能见度的模拟效果（其回归方程为y=0.80x+1.78，相关系数R=0.915）相近。由此可知，拟合方程式（2）对咸宁市能见度具有较好的模拟能力，可用于预测能见度和PM2.5浓度。

3 结论

咸宁市能见度和PM2.5浓度具有明显季节变化特征，夏季PM2.5浓度较低而能见度较高，冬季PM2.5浓度较高而能见度较低。咸宁市能见度与PM2.5浓度呈幂函数相关关系，但相对湿度不同时，其拟合优度不同，50%＜RH≤95%时拟合度较好，RH≤50%和RH＞95%时拟合度较差。50%＜RH≤95%时，咸宁市能见度关于PM2.5浓度和相对湿度的拟合方程为：VIS=（-52.372 5·RH+5 403.522 1）·［PM2.5］-1.3472，相对湿度为65%时，咸宁市观测霾的PM2.5临界浓度为51μg/m3。拟合方程经验证模拟效果较好，可用于能见度和PM2.5浓度的预测。