不同相对湿度下大气污染物对能见度影响的研究

不同相对湿度下大气污染物对能见 度影响的研究
目录
一、前言 二、能见度的影响因子 三、大气能见度与相对湿度的相关性研究 四、不同相对湿度下大气污染物对能见度的影响
五、合肥市不同湿度下PM2.5、PM10与大气能见度关系
六、结论
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一、前言
能见度：
大气能见度是指视力正常(对比阈值为0.05)的人，在当时天气条件下能 够在天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适中)的最大水平距离。它 是气象观测的常规项目。也是表征大气透明程度的一个重要的物理量。能见 度的大小直接反映了大气的干洁程度, 它与空气中的水汽凝结物和干质悬浮 物( 天气现象和大气的污染程度) 有着密切关系。低能见度的出现对交通运 输、航空、电力、城市建设、空气质量和人民生活等有着较大影响
1、PM10 张敬巧 等《合肥市郊夏季PM10浓度及其与能见度的关系》中表明：
考虑到RH 对粒径分布的影响，以RH 80% 为界限，将ρ ( PM10) 分 为2 组，可以看出，当RH小于80% 时，能见度与(PM10) 具有显著的线性 负相关，而当RH大于80% 时，二者相关性降低，呈指数负相关。
由图5可知，低能见度对应低风速，两者相关系数达0.406。近地面风 速大，易将污染大气吹离城市，将周边新鲜空气吹向城市，有利于局 地的大气扩散。能见度变好。当地面风速小又无云时，容易行成逆温 现象，能见度变差。
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2、气压、温度
张欣永等研究表明，气象因子是影响能见度的重要因素，能见度与相对 湿度和风速相关性显著，与气压呈弱的正相关，与气温呈弱的负相关，低能 见度一般对应高相对湿度和静小风天气。
不同的相对湿度下大气污染物对能见度的影响是不同的。
宋明等研究发现，大气能见度与相对湿度线性相关系数最高，PM2.5次之， 大气能见度随相对湿度的增大而明显降低。相对湿度低于60%时，大气能见度 与PM2.5的非线性相关性较好，与PM10次之，与PM10和PM2.5差值的相关性最差。 相对湿度高于60% 时，大气能见度与PM10的非线性相关性较好，与PM2.5相关 性次之。大气能见度与相对湿度非线性相关系数高于线性相关系数。 冯静等在青岛市采暖期PM2、5与大气能见度的关系中表明，相对湿度超出 85% 时，大气能见度与PM2.5质量浓度的相关性差,相对湿度在＜85%的各区间 内,大气能见度与PM2.5质量浓度均呈显著负相关，特别是相对湿度在 60%-70% 时，大气能见度与PM2.5质量浓度的相关性最好，PM2.5对大气能见度的影响最 直接。
2、PM2.5 张薇等在《北京西南部大气能见度变化与空气污染关系分析研究》中表 明：PM2.5 与能见度的相关性较好，细粒子污染是造成能见度下降的主要原 因。能见度与 PM2.5的拟合曲线大约在 100（微克/立方米）处是个分界。 当 PM2.5＞100（微克/立方米）时，能见度的下降随着 PM2.5 浓度降低不 明显。当 PM2.5＜100（微克/立方米）时，随着 PM2.5浓度的下降，能见度 迅速的升高。
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1、
如图所示，陈义珍等在广州市与北京市大气能见度与颗粒物质量浓度的关系 中表明，PM2.5和 RH 是影响能见度的主要因子，不同的相对湿度下广州市和北京 市 PM2.5与能见度的相关性不同.70%<RH≤80%时,能见度与颗粒物浓度的相关性最 好。
2、
沈龙娇等研究表明，各RH区段下，武汉市能见度与PM2.5浓度均成显著负相 关，随着相对湿度的增加，能见度与PM2.5的相关性逐渐减弱。 当RH小于50%时相关性最好，当相对湿度超过80%时，相关性显著下降。相 对湿度较高时，虽没有降水，但空气中仍有较多的水蒸汽和水滴，会影响能见度。
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4、
龚识懿，冯加良在《上海地区大气相对湿度与PM10浓度和大气能见 度的相关性分析》表明：PM10的变化率与RH显著相关。即RH越大，K的绝 对值越大。RH在大气能见度的下降中起着重要的作用。RH在75%以上时， 相同的PM10增加量所导致的大气能见度下降量是RH在 40-45%时的5倍以 上。
因此在颗粒物治 理的始阶段 PM2.5降 低对能见度改善效果 不明显。但是当PM2.5 降低到一定程度后， 能见度会随着 PM2.5 的降低有所改善，并 且非常显著。 大量研究表明：能见 度的好坏与大气消光 作用的强弱是分不开 的。
3、 PM2.5、PM10与能见度的相关性是不同的： 姚青等在《天津冬季大气能见度与空气污染的相互关系》中采用非线 性回归方程拟合能见度与污染物浓度的关系，由图可知，能见度与PM2．5 之间的相关性优于与PMl0的相关性，表明PM2．5质量浓度对水平能见度的 贡献大于PMl0质量浓度，这与以往的观测相一致。
图2为青岛市 2011 年 11 月 下旬出现的持续灰霾天气 中的 PM2.5质量浓度与大 气能见度的变化情况.从图 中可以看出，从26 日 07: 00开始，大气能见度随着 PM2.5质量浓度的逐渐升 高而迅速下降29 日 00: 00 之后，随着PM2.5质量浓 度的下降，大气能见度迅 速得到改善。
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2、常用的分析方法
（1）累积百分率分析法 （2）Ridit中值分析法 （3）平均能见度年际和季节变化法
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二、能见度的影响因子
一、从科学的角度的来说，有四种影响因子：
（1）大气透明度 （2）目标物体和背景两者之间的亮度对比 （3）是由于气溶胶及气态污染物对光的散射和吸收 （4）对比视感阈ε，是指当亮度对比值减小到目标物不能见的亮度对比值。
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3、温度
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4、相对湿度 陈燕在《南阳市大气能见度变化趋势及影响因子分析》中表明，能见度与 相对湿度的变化呈明显的反位相。
（二）天气现象对能见度的影响
雾和霾
近年来国际上关于大气棕色云(ABC)的讨论与交流中，统一用相对湿度 (RH)80%来界定灰霾与雾。雾和霾对能见度的影响很大，RH<80%时导致的能见 度恶化是霾造成的，RH>90%是雾造成的，RH 介于80%~90%之间则是二者共同 造成的。
二、一般来说，也可分为两类：一是大气污染，二是气象因子
研究表明，大气颗粒物特别是细颗粒物是造成能见度下降的主要原因。它们 是通过散射和吸收消光作用来降低能见度的。能见度除受大气污染的影响外， 还与风速、温度、相对湿度等气象条件及雾、降水、浮尘等天气有密切关系。
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（一）气象要素对能见度的影响 1、风速 白爱娟等在成都市大气能见度变化特征及影响因子研究中得出以下结 论
能见度的计算和测量结果对比分析：
22日的理论计算和实际测量能见度变化趋势基本一致，使用23日12 时的谱分布对23日的能见度进行推算的准确性很高，与实际测量结果相 比误差在15%以内。此方法计算结果是合理的，尽管还存在不足，但这对 分析相对湿度对能见度的影响以及预报气象能见度是很有指导意义的。
四、不同相对湿度下大气污染物对能见度的影响
（1）NAQPMS、（2）CAPPS、（3）RAMS、（4）ARPS （5）MM5模式、（6）NJU - CAQPS模式
数值研究工作中普遍采用大气能见度的计算方法主要有3种：
1．Stoelinga和Warner给出的根据消光系数计算大气水平能见度的公式： Xvis=-ln(0.02)/β （1） 其中Xvis是水平能见度(m)，β为消光系数。 2．在无降水出现的情况下，可直接取云水消光系数βew作为公式(1)中的消光系 数。所采用的经验公式有： βew=144.7 LWC0.88 （2） 0.65 βew=91 LWC （3） 0.63 βew=145 LWC （4） 3．Gultepe et al提出了一种新的计算雾的能见度的微物理参数化方法，将能见 度作为液态水含量LWC和云滴粒子数密度Nd 两者的函数： Vis=1.002/（LWC*Nd）0.6473 （5）
3、天津市不同相对湿度条件下大气能见度与PM2.5、PM10和PM2.5差值及PM10的非线 性拟合方程参数
当RH<20%时，大气气溶胶质量浓度与大气能见度相关性较差 随RH的逐渐增大，能见度与PM2.5、PM10的相关系数逐渐增大，当相对湿度介于20%-59%，能 见度与pm2.5的相关系数大于PM10的相关系数。当RH>60%时情况相反。能见度与与 PM2.5、PM10差值相关系数也较高，说明RH较大时，气溶胶的吸湿增长作用使得粗粒子在影 响大气能见度方面贡献逐渐增大。
三、大气能见度与相对湿度的相关性研究
在影响大气能见度的气象条件中，相对湿度是最重要的因素之一。相对湿 度通过两种方式影响大气能见度,一种通过测量得到水汽对太阳辐射的直接散射 消光,也可以通过大气水汽含量使用瑞利散射理论计算。其间接效应是通过气溶 胶的吸湿长大,改变颗粒物的折射率来体现的,而另一种就比较复杂。相对湿度 的增加有利于气溶胶粒子的凝结、碰并和悬浮增长效果,但这种效果对不同尺度、 不同化学成分的粒子是不同的。
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研究背景及意义：
大气颗粒物对大气能见度、气候变化以及人类健康等都有重要影响。在 大多数城市中，可吸入颗粒物PM2.5、PM10是主要的污染物，成为多数学者 研究的重点。在大气污染物的扩散和累积过程中，气象条件起着重要的作用。 研究表明污染物浓度的大小取决于气象条件。而在气象要素中，相对湿度对 大气污染物和能见度的影响较大。因此，探讨和掌握大气能见度的变化特征、 影响因素以及不同相对湿度下污染物的对能见度的影响具有非常重要的意义。
上海大气能见度与PM10、RH间相关性的研究表明，高湿度时的低大气能见 度并不一定对应着高水平的大气颗粒物污染，而主要与颗粒物的高含水量有关。
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五、合肥市不同湿度下PM2.5、PM10与大气能 见度关系
气象资料采用国家基本气象站58321地面观测数据，观测地点为合肥市 314.7N 、117.18E，的骆岗机场。观测时间为2014年1月1日至2014年12月31号。 每天进行四次定点观测，观测时间为02时、08时、14时、20时。气象观测执行 国家相关标准，实验前对所有设备进行实验室校准，并定时标定。 环境数据来源于安徽省环境监测站1277A ，观测地点为合肥市31.7956N 、 117.302 E的包河区。 所有资料均进行了严格的质量控制。所有数据统一处理成小时平均值。
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研究方法：
1、能见度研究方法
一般探测大气能见度有两种方法，目测法和器测法。1975年以前都是 人工观测能见度，存在很多主观性和限制。随着科学技术的进步和现代计 算机技术的发展，利用数值方法对大气能见度的模拟研究方兴未艾。其中， 对与雾有关的大气能见度模度的数值模式：
当相对湿度为 f 时，湿气溶胶粒子半径 r(f)和干气溶胶半径 r 的关 系有如下经验关系式（其中U为常系数)：
利用上述理论，根据２００４年９月在北京实际测量的气溶胶谱分布和 相对湿度对大气能见度进行计算，得到能见度随相对湿度的变化图。
结果表明，能见度和相对湿度的负相关性，当干粒子气溶胶谱分布一定 时，随着相对湿度的增加，能见度逐渐减小。
研究表明：相对湿度与大气能见度呈负相关关系，相对湿度越大时，能见度越 低。
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李学彬等在《相对湿度与能见度的相关性研究》中，利用 Mie 理论分 析了相对湿度对能见度的影响。
根据 Mie 散射理论由气溶胶的谱分布和它的折射率可以计算出气溶胶的消 光系数：
这里 Qext是折射率 m、粒子半径 r 和波长λ 的函数，由于谱分布 n(r)由 粒子计数器测量得到。
1、雾 陈燕统计了南阳市1995- 2005年间大雾和轻雾的逐年变化，研究表 明南阳市08时平均能见度与轻雾日数的变化呈明显的反相关，与大雾日 数的变化也有相反的对应关系，雾是造成低能见度的主要原因之一。
2、霾 指空气中的灰尘、硫酸、有机碳氢化合物等大量极细微的干尘粒子均匀的浮 游在空中，使空气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化。灰霾天是一种大气污染现 象。是空气中悬浮的大量微粒尤其是PM2.5和气象条件共同作用的结果。Yang Weifen通过对南京灰霾期间细颗粒物的分析发现，灰霾期间PM2.5的质量浓度时 非灰霾期间的1.19倍。
（三）大气污染物对能见度的影响
研究表明，空气中大气颗粒物对光具有吸收和散射作用，其质量浓 度的增加会使大气能见度下降,可贡献城市大气总消光系数的80%-90% , 其中颗粒物的散射能造成60%-90％的能见度减弱。 PM10中含有的黑炭气溶胶和水溶性离子尽管所占比例较小，但对人 体健康产生危害,并对大气能见度、平流层臭氧和全球气候产生直接或间 接的影响。细粒子PM2.5是PM10中主要的消光粒径段。它的散射和吸收作 用，都会导致能见度降低。