贵阳市相对湿度及PM2.5浓度对大气能见度的影响分析

张春辉 徐 鹏

(1．贵阳市环境信息中心，贵阳 550022;2.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025;3. 贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站，贵阳 550025)

能见度是反映大气透明度的重要指标，受气象条件和大气污染过程共同影响，能够很好表征大气环境质量状况[1]，低能见度对公众生活、社会生产、交通运输均造成严重影响[2]。

近年来研究人员对大气能见度变化特征及其影响因子进行了大量研究。研究表明，颗粒物浓度和相对湿度是影响大气能见度的主要因子[3-5]，其中颗粒物的散射消光是影响能见度的重要因素[6-8]。气溶胶颗粒物低浓度时，能见度对颗粒物浓度非常敏感，反之则不敏感[9]。低相对湿度条件下，颗粒物浓度是影响能见度的主要因子[10]，随着相对湿度的逐渐上升，能见度与相对湿度的相关性更加显著[11]。高相对湿度非常有利于颗粒物发生潮解而吸湿增长，进而增强消光性能使能见度降低[12-14]，因颗粒物中不同组分的性质不同，相对湿度对其影响机制也存在差异[15-16]。能见度与细颗粒物浓度的非线性关系随相对湿度的升高而减弱，当环境湿度达到80%～90%时，即便PM2.5浓度较低，其吸湿性增长也能导致能见度小于10 km[17]。

贵阳市是中国西南地区重要的中心城市之一，地处东部平原向西部高原过渡地带，具有典型中低纬度的高原地形城市代表性，属亚热带湿润温和型气候，有鲜明的区域性气候及大气环境特征而不同于中东部发达地区[18]。郑小波等[19]通过分析云贵40年气象资料发现贵阳消光系数增加、能见度呈下降趋势。但不同相对湿度条件下气溶胶颗粒物浓度变化对贵阳市能见度影响效果如何值得进一步深入研究。本文选取贵阳市2019年1月1日-12月31日能见度、PM2.5浓度及相对湿度等逐时监测数据，采用线性和非线性回归方法，研究了能见度与PM2.5浓度、大气湿度的定量关系，为贵阳市大气能见度改善及大气污染防治提供依据。

1 资料及方法

贵阳大气能见度、相对湿度和降水量数据由贵阳国家基本气象站(57816)观测，来源于中国气象数据网，收集2019年1月1日-2019年12月31日逐小时相对湿度和能见度自动观测数据。

PM2.5质量浓度数据来源于贵阳市环境空气质量自动监测站，以贵阳市9个环境空气质量国控站监测的PM2.5质量浓度平均值代表全市浓度，资料长度为2019年1月1 日—2019年12月31日，时间分辨率为1h。分析能见度与相对湿度及PM2.5浓度关系时，统一使用同一时段内资料。考虑降水会造成分析结果失真，本文使用的均为去除降水时段后的监测数据，去除降水时段和异常值后，共计6517个有效样本。

2 结果与分析

2.1 大气能见度、相对湿度及PM2.5浓度概况

图1为贵阳市能见度、相对湿度及PM2.5浓度的月变化曲线，贵阳市能见度月均值范围在5.5～21.2 km，能见度在6-8月较好，7月为峰值，1月最低；相对湿度月均值范围在72%～91%，1月最高，8月最低；PM2.5浓度月均值范围在15～41 μg/m3，7月最低，12月最高。夏季贵阳偏南风为主，风速强，气温较高大气垂直对流混合强，且夏季梅雨季节降水较多，利于污染物的清除和扩散，而冬季则静稳天气较多，风速小，大气垂直交换弱，湿度有所升高但降水量却减少，不利于污染物的清除和扩散，高湿条件反而有利于细颗粒物的吸湿增长。当然，除了冬季颗粒物浓度增长对能见度影响，还有研究表明，冬季低能见度更多的是雾造成的[20]。

图1 相对湿度、PM2.5浓度和能见度月变化

能见度日变化呈现较明显的单峰型分布(图2)，每日下午15:00-17:00能见度最大(平均值18.0 km)，随后开始降低，在凌晨6:00-7:00降到最低(平均值8.6 km)，波动幅度超过50%。能见度日变化特征与PM2.5浓度及相对湿度小时变化存在密切相关。在6:00-7:00能见度最差时，对应相对湿度为最高值，PM2.5浓度较低；9:00后受早高峰影响PM2.5浓度开始升高，相对湿度逐渐下降，能见度逐时升高；下午14:00-17:00时，相对湿度基本处于日最低位，由于下午时段扩散条件比较好，PM2.5浓度也相应处于低值，此时段能见度最高；夜间19:00后，相对湿度开始升高，由于晚高峰污染排放增强，再加上逆温影响，混合层降低，PM2.5浓度开始累积升高，PM2.5二次组分的吸湿增长，加上低温高湿易起雾，消光系数增强，导致能见度出现下降[21]。

图2 相对湿度、PM2.5浓度和能见度日变化

2.2 能见度与相对湿度及PM2.5浓度的关系

大气相对湿度是影响能见度的重要因素之一[22]。当一个干粒子吸收水汽后，粒径会显著增大，其折射指数快速减小，前向散射明显增强，进而改变单次散射反照率和后向散射比等气溶胶辐射特性参数，影响能见度[23]。更重要的是，在高相对湿度条件下，大气中形成的雾滴通过消光影响能见度变化。当相对湿度升高时，PM2.5中硝酸盐、硫酸盐和铵盐等二次组分易吸收水汽后潮解成为盐溶液，形成雾滴后体积和质量明显增大，对光辐射的吸收反射更强，大气能见度大幅降低[24-25]。。

为研究不同大气湿度(RH)条件下能见度与PM2.5浓度的变化趋势，以RH为标准，以1%作为组间宽度，用线性分段拟合相对湿度与对应区间内能见度和PM2.5浓度均值之间的相关关系。如图3a所示，大气相对湿度愈高而能见度愈低，在RH<40%、40%≤RH<60%、60%≤RH<80%、80%≤RH<90%、RH≥90%区间，相对湿度与平均能见度均呈显著负相关(P<0.01、P<0.05、P<0.01、P<0.01、P<0.01)，能见度的降低速率分别为-0.284，-0.128，-0.202，-0.291，-1.104 km/1%。同时RH<40%区间内，相对湿度与 PM2.5浓度呈现出显著正相关(P<0.01)，RH增加1%，PM2.5浓度增加0.62 μg/m3(图3b)；80%≤RH<90%、RH≥90%区间内，相对湿度与 PM2.5浓度均呈现出显著负相关(P<0.05、P<0.01)，RH增加 1%，PM2.5浓度分别降低0.51和0.63 μg/m3(图3b)。通过分析对比不同相对湿度段下能见度降低速率与 PM2.5浓度升高速率的关系可知，在RH<40%气溶胶颗粒物粒子处于干燥状态时[22，26]，能见度降低主要是受PM2.5浓度升高的影响。此外，40%≤RH<80%时，相对湿度对PM2.5浓度变化的影响并不显著，但 80%≤RH<90%时，相对湿度升高情况下 PM2.5浓度出现明显下降(P<0.05)(图3b)。在RH≥90%时 PM2.5浓度的下降速率为-0.627 (μg/m3)/1%(P<0.01)，而此湿度段内能见度与相对湿度亦为显著负相关，RH下降速率为 -1.104 km/1%。这说明在大气相对湿度较高条件下，贵阳市能见度降低并非颗粒物消光作用造成，主要是大气中水汽凝结物消光起了主导作用。

图3 不同湿度区间相对湿度与平均能见度(a)、平均PM2.5浓度(b)的关系

颗粒物对能见度的影响有直接作用也有间接作用，颗粒物本身有消光作用从而影响能见度，然而在水汽充沛的南方地区，相对湿度高时，吸湿性凝结核在高湿低温下吸收水汽成为液态微滴，大量微小液雾滴聚合成为云雾，云雾的质量浓度比颗粒物气溶胶组成的霾大得多(数万倍)，因而雾的消光能力比干燥颗粒物霾强得多(数百倍)[27]。将RH分成不同区段，分别用最合适的幂函数对不同RH段的PM2.5浓度与能见度的散点进行拟合(图4)。从图4可看出：RH>60%以后，PM2.5的浓度对能见度没有明显影响。但是RH本身对能见度的影响却很显著，如图上PM2.5浓度为75 μg/m3时，RH从40%上升至90%，能见度则从约19 km下降至2～3 km，主要考虑是相对湿度升高后，细颗粒物中可溶性无机盐很快变成盐的水溶液，雾滴形成后相比PM2.5体积明显增大，消光能力更强，对能见度影响更显著。可见，影响贵阳低能见度的最终还是水滴——雾滴。

图4 贵阳不同相对湿度等级下能见度与PM2.5浓度分布特征及幂函数拟合曲线

3 结论

(1)夏季贵阳市相对湿度和PM2.5浓度较低，能见度较高，冬季则相反；能见度日变化呈单峰型分布：06:00时左右最低，16:00时左右最高，与相对湿度呈反向变化。

(2)大气能见度与相对湿度为显著负相关，能见度随相对湿度增大而减小，当RH<40%，能见度降低主要受PM2.5浓度升高的影响；40%≤RH<90%，RH升高，PM2.5中的水溶性二次粒子吸收水汽后改变物理化学性质，粒径尺度明显增大，致使其消光性能显著增强，二者共同影响能见度；RH≥90%时，能见度骤降与PM2.5浓度之间相关性并不强，主要是大量水汽凝结物消光起了决定性作用。RH≥90% 时，能见度随相对湿度升高而线性递减，RH每增加1%，贵阳平均能见度减小1.104 km。