南京北郊大气能见度影响因子研究

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天气现象、气象要素、边界层特征、气溶胶、污染气体等对大气能见度都有一定程度的影响。南京作为长江三角洲地区的核心城市,经济飞速发展,城市雾、霾事件频发,是该地区低能见度多发的代表城市,然而针对其大气能见度的研究较为缺乏。因此开展南京北郊地区大气能见度影响因子的研究有助于探讨该区域能见度衰减的机制,能见度参数化方案的研究则可以为大气能见度的模拟和预报提供参考。  本研究在南京北郊地区使用宽范围颗粒径谱仪(WPS)、安德森九级碰撞采样器、离子色谱仪、热光碳分析仪、β射线测尘仪、污染气体检测系统(EMS)对大气气溶胶谱分布、质量浓度、颗粒物成分以及污染气体质量浓度进行了观测分析,并结合常规气象要素数据分析对该地区大气能见度的影响,还探讨了基于不同要素的能见度参数化方案。结果表明,2013年5月~2014年5月大气能见度低于10km的占全部的78.84%,全年以低能见度为主;冬季平均能见度最低为4.78km,而夏季能见度最高约为9.54km;能见度呈现出明显的日变化特征。能见度与相对湿度呈现负相关性,分季节来看,偏东风向的钢铁厂和化工园区的污染物输送对该地区能见度衰减有一定的影响,低能见度与风速的关系并不明显,高能见度则表现出对高风速的依赖性。能见度与PM2.5质量浓度同样呈现明显的负相关,相关系数为-0.44;结合具体的低能见度事件发现,安徽等西北上风向城市的秸秆焚烧会导致南京能见度的猛烈降低,高压控制、扩散条件差等天气形势有利于污染物的累积同样会导致能见度衰减,寒潮、降雨较少等天气现象与能见度的降低也有一定的关联;相对湿度影响气溶胶的吸湿增长与气溶胶协同影响能见度,尤其在高相对湿度下,这种吸湿增长过程更为强烈,且随相对湿度增加能见度与PM2.5的相关性减弱;该地区高相对湿度出现的频率明显超过高气溶胶质量浓度。可见较高的相对湿度条件下气溶胶吸湿增大可能是造成该地区低能见度事件的重要原因之一。气溶胶粒子数浓度对能见度的影响与相对湿度有关,粒径0.5~2μm的气溶胶数浓度随RH增加增长缓慢,而2~10μm范围内的粒子数浓度随RH增加而减小;结合气溶胶表面积浓度与能见度进行相关性分析,表明0.5~2μm的细粒子及相对湿度是导致南京北郊秋冬季大气能见度下降的主要因素。能见度与NO2、OC、NH4+、NO3-和SO42-存在明显的负相关,尤其与燃煤和机动车排放相关的NO3-和SO42-的增加与能见度衰减有紧密的联系;SO42-、NH4+、NO3-和OC这些主要污染成分浓度均在冬季最高,消光系数高值同样出现在冬季,(NH4)2SO4在春夏两季对消光系数的贡献最大,秋冬两季最大的贡献组分则是Organic Matter(OM);平均来说OM是南京地区能见度衰减最重要的原因,同时(NH4)2SO4和NH4NO3也对能见度降低有重要的影响。本研究中污染气体对能见度的影响主要体现在二氧化硫和氮氧化物与空气中其他污染物发生一系列复杂的光化学反应生成硫酸盐、硝酸盐等二次气溶胶,从气态污染物转化为固态污染物,氮氧化物主要发生的是气相反应,SO2则在高相对湿度下发生非均相化学反应过程。  针对不同相对湿度、PM2.5质量浓度区间的能见度多元线性回归方程可以发现,计算的能见度与实测能见度具有较好的一致性,缺点在于不能得到统一的回归公式;基于相对湿度和PM2.5质量浓度的非线性拟合方案R=0.76,结果较为可靠,得到的拟合公式为Vis=72.78×PM2.5-0535×(1-RH)0.697×RH。基于IMPROVE公式计算的消光系数以及修订的Koshimieder公式计算得到的能见度同实测值之间的一致性良好,但是颗粒物成分的采样较为耗时,常常需要数个小时甚至数天的时间,因此即时性较差。而运用Mie散射理论并结合气溶胶数浓度谱分布数据计算能见度的方案在相对湿度较高时效果理想,在低相对湿度下计算值偏高。
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