北京一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程特征分析

北京一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程特征分析

1氣溶膠吸濕性特征城市霧雨天氣過(guò)程是一種重要的城市氣象災(zāi)害。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，霧雨天氣的頻繁發(fā)生對(duì)城市社會(huì)秩序、人民健康、交通和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了越來(lái)越大的影響。2011年霧霾天氣入選中國(guó)十大天氣氣候事件,反映出社會(huì)公眾對(duì)城市霧霾天氣關(guān)注程度的顯著提高。然而,城市持續(xù)性霧霾的形成機(jī)制復(fù)雜,目前對(duì)其形成機(jī)制認(rèn)識(shí)尚未完全明白。一方面,霧霾的形成與局地氣溶膠條件和氣象條件密切相關(guān)(孟燕軍等,2000;王淑英等,2003),分析表明,氣溶膠濃度與霧霾的能見度存在顯著的相關(guān)關(guān)系(王京麗等,2006;Deng,etal,2008;Zhang,etal,2010b;Deng,etal,2012),并且,氣溶膠濃度、化學(xué)成分、粒子大小、形狀(Malm,etal,1994;Pilinis,etal,1995;Watson,2002)以及氣溶膠吸濕性增長(zhǎng)特征(顏鵬等,2008;畢凱等,2012;Chen,etal,2012)等因素都對(duì)輻射的散射和吸收有影響,從而引起大氣能見度的變化。另一方面,霧霾過(guò)程的產(chǎn)生和維持也受邊界層結(jié)構(gòu)的影響,李子華等(1993)、鄧雪嬌等(2007)、濮梅娟等(2008)、楊軍等(2010)針對(duì)重慶、南嶺山地、南京等地區(qū)霧(霾)的邊界層特征進(jìn)行分析,初步揭示了霧霾過(guò)程所具有的邊界層結(jié)構(gòu)特征。隨著北京城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,霧霾天氣在北京頻發(fā),引起愈發(fā)廣泛的關(guān)注。近年來(lái),針對(duì)北京地區(qū)霧霾過(guò)程的研究也逐步開展。張光智等(2005)、劉熙明等(2010)對(duì)北京地區(qū)大霧期間邊界層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析;周小剛等(2004)、何暉等(2009)、Zhang等(2010a)利用不同觀測(cè)資料對(duì)北京大霧期間溫度、濕度、風(fēng)速及液態(tài)水含量的邊界層分布特征進(jìn)行了分析和模擬;徐懷剛等(2002)通過(guò)分析北京大霧過(guò)程的形成、維持和消散條件,揭示了大霧對(duì)邊界層污染狀況的影響。這些研究在一定程度上加深對(duì)北京地區(qū)霧霾過(guò)程的理解,但其主要側(cè)重于典型時(shí)次的大霧過(guò)程分析,而目前針對(duì)持續(xù)性霧霾過(guò)程的階段性特征以及影響因子的差異性分析尚少。大部分嚴(yán)重霧霾天氣過(guò)程往往具有持續(xù)性的特點(diǎn),一旦形成很難快速消散(李江波等,2010),并表現(xiàn)出霧和霾交替混合的特點(diǎn)(楊軍等,2010),此類持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程對(duì)城市環(huán)境和人體健康的危害尤為嚴(yán)重,且容易帶來(lái)嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響。鑒于持續(xù)性霧霾天氣社會(huì)影響的嚴(yán)重性,選取2009年11月3—8日北京地區(qū)出現(xiàn)的一次大范圍持續(xù)性霧霾過(guò)程為研究對(duì)象,對(duì)其霧霾天氣過(guò)程所表現(xiàn)出的階段性特征以及各階段影響因子的差異性特征進(jìn)行分析,以期為更好地理解此類持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程的特征和形成機(jī)制提供依據(jù)。2數(shù)據(jù)和方法2.1微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)采用的觀測(cè)資料包括:(1)北京海淀區(qū)北洼路寶聯(lián)體育公園內(nèi)的寶聯(lián)站每5min一次的PM2.5質(zhì)量濃度,觀測(cè)儀器選用TEOM1400a顆粒物監(jiān)測(cè)儀,儀器的樣氣溫度加熱到50℃以保證氣溶膠干燥(Zhao,etal,2009);(2)北京南郊觀象臺(tái)地基12通道微波輻射計(jì)每1min一次觀測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、液態(tài)水含量數(shù)據(jù)(劉紅燕,2011;何暉等,2009),微波輻射計(jì)觀測(cè)高度為10km,1km以下垂直分辨率為100m,1—10km垂直分辨率為250m;(3)北京地區(qū)維薩拉ROSA的46個(gè)道面氣象站(圖1“·”符號(hào)所示)每5min一次觀測(cè)的能見度、相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速和氣壓要素資料(Vaisala,2002),為與PM2.5濃度和微波輻射計(jì)資料相互匹配,選取其中8個(gè)分布于寶聯(lián)站及南郊觀象臺(tái)周圍的城區(qū)道面氣象站(圖1“×”符號(hào)所示)資料進(jìn)行站點(diǎn)平均代表城區(qū)能見度和氣象條件。能見度、PM2.5濃度及地面氣象條件觀測(cè)資料均處理成逐時(shí)均值數(shù)據(jù)。圖1給出了各種資料觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布。2.2霧和病的定義為便于討論,首先對(duì)低能見度的霧霾階段予以界定。參考《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》(QX/T113-2010)(中國(guó)氣象局,2010)中霧霾的定義,確定的霧和霾的界定標(biāo)準(zhǔn)是:在排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪和雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙后,對(duì)于能見度小于10km,空氣相對(duì)濕度≥95%的天氣現(xiàn)象定義為霧;能見度小于10km,相對(duì)濕度<80%的則定義為霾;能見度小于10km,相對(duì)濕度為80%—95%時(shí),若PM2.5質(zhì)量濃度大于75μg/m3則定義為霾,若PM2.5質(zhì)量濃度不大于75μg/m3則定義為霧。3—霧霾天氣過(guò)程概述2009年11月38日華北平原及周邊遼寧、山東一帶出現(xiàn)了一次大范圍的霧霾天氣過(guò)程。3—5日霧霾天氣分布于河北中南部及北京東南部;6—7日擴(kuò)大到河北東北部、遼中半島、山東半島及渤海灣地區(qū);8日受南下冷空氣影響,霧區(qū)范圍在河北東北部消散,北京霧區(qū)范圍縮小并逐漸消散。3.1北京天氣形勢(shì)分析2009年11月3日08時(shí)(北京時(shí),下同),500、700、850hPa天氣形勢(shì)圖(圖略)上,河套附近有高空槽東移;4日08時(shí)北京受西北氣流控制;5—7日08時(shí)500hPa天氣形勢(shì)圖上,中緯度地區(qū)處于貝加爾湖附近低渦南部的偏西氣流中,40°N以南有小槽,北京處于40°N以南小槽前的偏南氣流里;8日08時(shí)高空槽發(fā)展東移,北京處于槽前偏南氣流中。850hPa形勢(shì)圖上,11月3—4日08時(shí)北京受高壓脊或脊前西北氣流控制,有冷槽配合;5—6日08時(shí)處于貝加爾湖附近低渦低槽底部的偏南氣流中;7日08時(shí)北部高空槽東移,河套地區(qū)有低壓出現(xiàn),北京處于低壓偏南氣流中;8日河套地區(qū)有低渦發(fā)展(有切變線),北京處于低渦切變線北部。此外，3—5日08時(shí)北京處于冷溫度槽中，6—8日08時(shí)北京處于暖脊中,說(shuō)明6—8日08時(shí)在對(duì)流層低層為暖性的偏南氣流。從11月3—8日逐日08時(shí)地面天氣形勢(shì)圖上可見,3—6日08時(shí)42°N以北為低壓帶,42°N以南為高壓帶,京津冀地區(qū)處于高壓帶北部?jī)筛邏褐g的低壓區(qū)中;7日08時(shí)蒙古低壓向東南移動(dòng)，北京處于西北高壓和東南高壓之間低壓區(qū)的低槽中;8日08時(shí)北京北部有冷高壓(主體偏東移動(dòng))南壓,地面出現(xiàn)回流形勢(shì)。3.2天氣過(guò)程的空間分布北京是本次霧霾天氣重點(diǎn)影響地區(qū)之一。11月3日凌晨至8日晚,北京地區(qū)的能見度一直維持在10km以下,整個(gè)霧霾過(guò)程約持續(xù)6d,尤其是1km以下的低能見度階段從11月5日晚開始一直持續(xù)至8日早晨,累計(jì)持續(xù)時(shí)間60h左右。從本次持續(xù)性霧霾過(guò)程中北京地區(qū)能見度在典型時(shí)次的空間分布(圖2)可見,本次霧霾天氣過(guò)程期間1km以下能見度的空間分布變化明顯,霧霾過(guò)程于11月4日20時(shí)在北京大興東部發(fā)生,5日06時(shí)擴(kuò)展到北京東南的大興和通州東南部地區(qū);5日20時(shí)霧霾范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至北京海淀東南、石景山、豐臺(tái)、朝陽(yáng)地區(qū);6日06時(shí)其范圍繼續(xù)向東北部延伸,此時(shí)北京東部大部分地區(qū)能見度均在1km以下;6日20時(shí),霧霾天氣逐漸向西北方向推進(jìn),在房山以東、昌平中東部、延慶東南局部、懷柔東南部地區(qū)能見度降至1km以下,至7日06時(shí)許,本次過(guò)程發(fā)展至全盛,在北京東南部和東北部局部地區(qū)能見度降至500m以下;隨后,7日20時(shí),霧區(qū)自北京西北向東南方向逐漸減退,能見度逐步恢復(fù),霧霾開始逐漸消散,至8日08時(shí),僅剩北京東南局部地區(qū)的能見度仍保持在1km以下,其他地區(qū)的能見度都顯著回升;8日深夜以后北京地區(qū)能見度整體回升到10km以上,本次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程消散。3.3低架構(gòu)區(qū)域特征地面能見度的演變受到地面氣象條件和氣溶膠條件的共同影響。圖3給出本次過(guò)程能見度與地面氣象因子(氣壓、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速)和PM2.5濃度的變化曲線,其中,PM2.5濃度來(lái)自于寶聯(lián)站(圖1),能見度、氣壓、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速資料是分布在寶聯(lián)站周圍的城區(qū)8個(gè)氣象站資料的平均值?？梢钥吹?本次過(guò)程期間地面氣壓整體呈現(xiàn)由高降低再升高的變化趨勢(shì),并且,始終維持一個(gè)較小的氣壓梯度變化,相對(duì)濕度與能見度、地面溫度則都保持較好的反相位變化關(guān)系。同時(shí)，PM2.5濃度整體呈先升高后降低的變化特點(diǎn),并基本保持在75μg/m3以上,在過(guò)程前期濃度持續(xù)升高,6日20時(shí)達(dá)到361μg/m3的最大值,之后PM2.5濃度隨著霧霾的消散而迅速減小。另外,本次過(guò)程中地面的平均風(fēng)速偏小(1m/s左右),過(guò)程風(fēng)速穩(wěn)定持續(xù)在0.42—1.43m/s,風(fēng)速的這一變化特征為本次霧霾天氣過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定提供了有利條件。綜合各地面要素的時(shí)間演變特征表明,在持續(xù)較低的氣壓和較小的地面風(fēng)速的大背景下,PM2.5濃度的穩(wěn)定升高,以及入夜后氣溫降低而相對(duì)濕度增大的地面氣象條件,是本次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程產(chǎn)生和維持的重要原因。綜合能見度、相對(duì)濕度和PM2.5濃度等要素的演變表明,本次霧霾天氣過(guò)程具有明顯的階段性特征。3日凌晨至6日00時(shí)能見度基本小于10km,相對(duì)濕度小于95%,PM2.5濃度基本在75μg/m3以上,體現(xiàn)出典型的霾天氣特征。6—8日,低能見度狀況進(jìn)一步得以維持,中午及午后溫度較高,相對(duì)濕度較小,能見度約1km，基本維持霾天氣特征,而在凌晨,由于溫度偏低相對(duì)濕度在95%以上，能見度平均小于500m甚至不足200m,表現(xiàn)為典型大霧天氣特征(具體時(shí)段為6日01—06時(shí),6日23時(shí)7日08時(shí),8日03—06時(shí))?？梢?霧和霾的交替是本次持續(xù)性低能見度過(guò)程的一個(gè)重要特征。為更加細(xì)致地分析本次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的霧霾交替過(guò)程,根據(jù)上述霧和霾的定義,將本次過(guò)程在時(shí)間上劃分為3個(gè)階段:即11月3日凌晨6日00時(shí)的前期霾階段(Haze1)、6日01時(shí)—8日06時(shí)許的中期霧霾混合階段(Fog&Haze2),8日06時(shí)之后的后期霾階段(Haze3)(圖3),根據(jù)能見度和相對(duì)濕度的量值,又將霧霾混合階段(Fog&Haze2)細(xì)分為霧過(guò)程(Fog)和霾過(guò)程(Haze2),階段的劃分是為了更好地理解本次過(guò)程不同發(fā)展時(shí)期的演變特征。3.4逆溫強(qiáng)度分析邊界層逆溫是霧霾天氣過(guò)程的一個(gè)重要特征,逆溫層的形成增加了邊界層的大氣穩(wěn)定度,為霧霾的形成和發(fā)展提供了重要的邊界層條件。圖4給出了本次霧霾過(guò)程中由北京南郊觀象臺(tái)地基微波輻射計(jì)的溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的近地層逆溫層厚度與逆溫強(qiáng)度隨時(shí)間變化(微波輻射計(jì)站點(diǎn)見圖1),其中,陰影上邊界表示逆溫層頂所在高度,陰影下邊界表示逆溫層底所在位置,陰影厚度即是逆溫層厚度,逆溫強(qiáng)度是逆溫層頂溫度與逆溫層底溫度的差值與逆溫層厚度之比,在圖中用不同顏色表示逆溫強(qiáng)度大小。可以看出,在整個(gè)霧霾過(guò)程中,能見度和貼地逆溫層具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在每日的凌晨—08時(shí)許出現(xiàn)貼地逆溫層,此時(shí)逆溫層頂較高,對(duì)應(yīng)地面能見度往往為每日的最低值;在每日的09—8時(shí)許,受太陽(yáng)輻射對(duì)地表增溫的影響,貼地逆溫層消失或逐漸抬升為不貼地逆溫層,此時(shí)對(duì)應(yīng)地面能見度為每日的最大值。貼地逆溫的形成與上下層氣溫下降速率不同有關(guān)。在夜間,地表長(zhǎng)波輻射冷卻效應(yīng)使得地表氣溫下降速率最快、降溫幅度最大,因此,貼地逆溫往往在傍晚18時(shí)以后形成,此時(shí)地面能見度從白天的最高值逐漸下降;在每日20時(shí)以后,隨著輻射降溫效應(yīng)的加強(qiáng),近地層逆溫逐漸發(fā)展抬升形成深厚的貼地逆溫層,并持續(xù)至次日早晨,此時(shí)地面能見度降至當(dāng)日最低水平。還可以看到,逆溫強(qiáng)度與能見度也存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但能見度的大小并不完全取決于逆溫強(qiáng)度的大小。5日凌晨的逆溫在整個(gè)過(guò)程中最強(qiáng),約為1.5℃/(100m),但此時(shí)貼地逆溫層較薄,對(duì)應(yīng)的能見度約為1.5km;而7日凌晨的逆溫強(qiáng)度不大,<1℃/100m),但整個(gè)逆溫層卻較為深厚,維持在800m左右,此時(shí)對(duì)應(yīng)的能見度不足500m。這一結(jié)果表明,逆溫強(qiáng)度只是本次低能見度過(guò)程產(chǎn)生的必要條件,其主要反映大氣穩(wěn)定程度,而并不是能見度的決定性條件,逆溫形成后,在不同階段決定能見度大小的影響因子應(yīng)該有所不同。因此,為更好地理解這次霧霾過(guò)程形成機(jī)制,下文將對(duì)本次過(guò)程不同階段中決定能見度變化的關(guān)鍵因子進(jìn)行重點(diǎn)分析。4氣溶膠粒子pm.5濃度和溶解度a霧霾天氣過(guò)程中能見度與地面氣象要素和氣溶膠濃度密切相關(guān),為確定本次霧霾天氣不同階段的主要影響因子,首先對(duì)整個(gè)霧霾天氣過(guò)程中地面氣象因子、PM2.5濃度和能見度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析(表1)?？梢钥闯?能見度與相對(duì)濕度、PM2.5濃度以及氣壓、風(fēng)速都具有較強(qiáng)相關(guān),并通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。由于整個(gè)霧霾天氣過(guò)程中氣壓變化平穩(wěn),氣壓梯度較小,風(fēng)速穩(wěn)定維持在1m/s左右,因此,氣壓和風(fēng)速對(duì)能見度的影響更多地體現(xiàn)在為霧霾天氣過(guò)程中低能見度的形成提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且水平輸送較小的天氣背景場(chǎng),反映出氣壓和風(fēng)速與能見度在天氣尺度上變化的一致性。相比而言,相對(duì)濕度和PM2.5濃度與能見度的關(guān)系則更為密切,相關(guān)系數(shù)分別為0.75和0.78,這說(shuō)明相對(duì)濕度和PM2.5濃度是本次霧霾過(guò)程中直接影響能見度水平的兩個(gè)主要因子。為更好地理解相對(duì)濕度和PM2.5濃度在不同霧霾天氣階段與能見度的關(guān)系,圖5分別給出了相對(duì)濕度和PM2.5濃度在各階段與能見度的散點(diǎn)分布,其中PM2.5濃度來(lái)自于寶聯(lián)站,而相對(duì)濕度和能見度是8個(gè)道面自動(dòng)站的站點(diǎn)平均值?？汕宄吹?能見度的變化與相對(duì)濕度和PM2.5濃度的變化均呈反比關(guān)系,霧霾天氣過(guò)程中能見度的變化與相對(duì)濕度和PM2.5濃度的變化表現(xiàn)出良好的階段性對(duì)應(yīng)特征。在前期霾階段(Haze1),能見度從8km以上下降到1km左右,變化幅度很大,此階段近地面相對(duì)濕度不大(90%以下),水汽尚未飽和,PM2.5濃度處于不斷積累升高時(shí)期,能見度受相對(duì)濕度和PM2.5濃度變化的共同影響。在中期的霧霾混合階段(Fog&Haze2),能見度相對(duì)較低,基本維持在1km以內(nèi),PM2.5濃度達(dá)到一個(gè)很高的水平,基本保持在200μg/m3以上,此時(shí)能見度與PM2.5濃度散點(diǎn)擬合的斜率基本為0,說(shuō)明霧霾混合階段(Fog&Haze2),當(dāng)空氣中氣溶膠粒子濃度升高到一定水平后,能見度幾乎不受PM2.5濃度變化影響,而隨著相對(duì)濕度增大能見度線性減小。后期霾階段(Haze3)是能見度逐漸增大的一個(gè)階段,此時(shí)能見度分別隨著相對(duì)濕度和PM2.5濃度降低而增大,表明消散階段能見度的回升是由于相對(duì)濕度減小和PM2.5濃度降低共同作用的結(jié)果。上述分析表明本次過(guò)程相對(duì)濕度和PM2.5濃度對(duì)能見度的影響不僅具有階段性特征,還具有明顯的綜合效應(yīng)。為了深入揭示不同階段相對(duì)濕度和PM2.5濃度對(duì)能見度影響的重要程度,圖6給出能見度隨相對(duì)濕度和PM2.5濃度同時(shí)變化的演變曲線和對(duì)應(yīng)的能見度等值線?？梢钥闯?當(dāng)能見度在1km以上時(shí),主要處于前期的霾階段(Haze1),能見度相對(duì)于PM2.5濃度的梯度變化要明顯大于隨相對(duì)濕度的梯度變化,此階段相對(duì)濕度基本維持在95%以下,水汽未達(dá)到飽和,相比而言，PM2.5濃度對(duì)能見度的影響要大于相對(duì)濕度的影響,此時(shí)PM2.5濃度的增加是能見度降低的主要因素。當(dāng)能見度逐漸下降并接近1km以下時(shí),主要處于中期霧霾混合階段(Fog&Haze2),此時(shí)能見度相對(duì)于相對(duì)濕度和PM2.5濃度的梯度逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變,前者逐步增大而后者逐步減小,當(dāng)能見度降到1km以下時(shí),能見度相對(duì)于相對(duì)濕度的梯度超過(guò)了相對(duì)于PM2.5濃度的梯度,反映出當(dāng)相對(duì)濕度和PM2.5濃度都上升到一定量值后,PM2.5濃度的影響逐漸減弱,而相對(duì)濕度的影響反而逐漸增強(qiáng),并成為影響能見度變化的主導(dǎo)因子。在后期霾階段(Haze3),能見度隨著相對(duì)濕度和PM2.5降低迅速增大,散點(diǎn)軌跡幾乎沿著能見度等值線的梯度方向,表明此階段由相對(duì)濕度降低和PM2.5濃度減小共同作用提升了大氣能見度,兩者對(duì)能見度的提升作用相當(dāng)。綜合整個(gè)過(guò)程可以看出,當(dāng)相對(duì)濕度不太大時(shí)(約90%以下),即在大部分時(shí)期PM2.5濃度對(duì)能見度的作用要大于相對(duì)濕度,是影響能見度變化的主要因子;而當(dāng)相對(duì)濕度逐漸增大,相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響程度增強(qiáng),以致能見度在1km以下時(shí),相對(duì)濕度是兩者中影響能見度變化的主要因子;在霧霾的消散階段,相對(duì)濕度和PM2.5濃度對(duì)能見度的影響程度相當(dāng)。5影響和計(jì)算陰影層的影響5.1大氣總消光系數(shù)v能見度與消光系數(shù)滿足Koschmieder方程(Kunkel,1984),基于該方程,VaisalaFD12PUser’sGuide(2002)給出的能見度與大氣消光系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為式中,Kex為大氣總消光系數(shù)(km-1),V為能見度(km)。大氣總消光系數(shù)由空氣分子散射系數(shù)、氣體(O3、NO2、SO2)吸收系數(shù)、顆粒物散射和吸收系數(shù)組成。北京地區(qū)顆粒物散射消光對(duì)大氣總消光系數(shù)貢獻(xiàn)最大(宋宇等,2003),其中,細(xì)粒子的散射作用要明顯大于粗粒子。相關(guān)研究及上述分析表明,霾階段,PM2.5濃度和大氣相對(duì)濕度是制約大氣能見度的關(guān)鍵影響因子。由于通常采用干、濕氣溶膠的散射系數(shù)比表示吸濕性的增長(zhǎng)函數(shù),因此,大氣的消光系數(shù)可表示為式中,Kexf和Kex-dry分別表示PM2.5在相對(duì)濕度為f的環(huán)境大氣和“干”環(huán)境大氣(通常把f<40%作為“干”大氣,Xu,etal,2002)的消光系數(shù),Gf表示氣溶膠消光系數(shù)的親水增長(zhǎng)函數(shù)。下面分別討論“干”大氣中的消光系數(shù)和本次過(guò)程的氣溶膠消光系數(shù)的親水增長(zhǎng)函數(shù)。(1)pm.5濃度對(duì)大氣消光系數(shù)的影響“干”大氣中,氣溶膠質(zhì)量濃度是影響大氣消光系數(shù)的重要因素。為了探析“干”氣溶膠濃度與大氣消光系數(shù)的關(guān)系,利用本次過(guò)程的逐時(shí)觀測(cè)資料,提取相對(duì)濕度小于40%的實(shí)測(cè)樣本,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到PM2.5濃度與大氣消光系數(shù)的關(guān)系(圖7)?？梢钥闯?“干”大氣中,PM2.5濃度與消光系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān),決定系數(shù)R2=0.83,消光系數(shù)隨干PM2.5濃度(CPM2.5)而線性增大,導(dǎo)致大氣能見度降低,兩者擬合關(guān)系可表示為(2)氣溶膠散射系數(shù)親水增長(zhǎng)隨著相對(duì)濕度增大,氣溶膠中的親水成分將導(dǎo)致吸濕性增長(zhǎng),這將增大氣溶膠的消光能力,從而致使大氣能見度降低。針對(duì)北京地區(qū)相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠消光能力的影響,顏鵬等(2008)對(duì)北京大氣氣溶膠散射系數(shù)親水增長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè),得到污染型、清潔型的散射系數(shù)親水增長(zhǎng)函數(shù)。本次霧霾過(guò)程PM2.5濃度高、污染嚴(yán)重,在此引用顏鵬等(2008)給出的污染型親水增長(zhǎng)擬合關(guān)系表示本次過(guò)程的親水增長(zhǎng)函數(shù)式中,f為相對(duì)濕度。5.2大氣再壓縮模擬+實(shí)測(cè)對(duì)能見度的模擬是根據(jù)實(shí)際大氣的氣溶膠濃度和真實(shí)相對(duì)濕度利用理論模型進(jìn)行計(jì)算,反映實(shí)際PM2.5濃度及相對(duì)濕度的變化對(duì)于能見度的影響。根據(jù)式(2)—(4)計(jì)算大氣消光系數(shù),并通過(guò)式(1)轉(zhuǎn)換為理論能見度,結(jié)果如圖8中紅虛線所示。能見度模擬值平均為2.6km,而實(shí)測(cè)能見度為2.3km,二者的均方根誤差為0.8km,相關(guān)系數(shù)R=0.89,模擬值與實(shí)測(cè)值整體變化趨勢(shì)一致、量值接近,在入夜至早晨相對(duì)濕度較大的時(shí)段,能見度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值更為接近,總體來(lái)說(shuō),模擬能見度較好地反映了實(shí)測(cè)能見度的變化幅度和演變趨勢(shì),說(shuō)明本文所構(gòu)建的能見度理論模型是可行的。綜合以上分析,可見本文所建立的能見度理論計(jì)算模型對(duì)本次過(guò)程霾階段大氣能見度的模擬是有效的,該模型可較好地反映出水汽尚未飽和情況下的大氣能見度水平。同時(shí)可以看出,PM2.5濃度和相對(duì)濕度是影響大氣能見度的兩個(gè)重要因子,并在不同時(shí)段有所差異。中午前后大氣相對(duì)濕度較低,此時(shí)氣溶膠濃度是影響大氣能見度的主要因素;傍晚至入夜的階段,氣溶膠吸濕增長(zhǎng)作用對(duì)能見度的影響尤為突出,隨著相對(duì)濕度增大，不僅氣溶膠濃度影響著消光能力,同時(shí)由于氣溶膠中親水性化學(xué)成分(如硫酸鹽、硝酸鹽和一些有機(jī)物等)吸濕增長(zhǎng),造成對(duì)大氣的散射能力增強(qiáng),最終綜合導(dǎo)致能見度降至較低水平。5.3表現(xiàn)對(duì)比結(jié)果在基于理論模型模擬分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論兩種假設(shè)情景下的能見度變化,第1種情景是假設(shè)PM2.5保持實(shí)際濃度,而相對(duì)濕度控制在40%;第2種情景則是假設(shè)PM2.5控制到較低濃度，而相對(duì)濕度保持真實(shí)大氣濕度,并將兩種情景下的平均能見度與實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果進(jìn)行比較(表2)。情景1:控制相對(duì)濕度在40%，保持實(shí)際PM2.5濃度。該情景反映了“干”大氣條件下氣溶膠對(duì)能見度的影響。利用式(2)(4)計(jì)算11月3—8日的大氣消光系數(shù),并通過(guò)式(1)轉(zhuǎn)化為能見度計(jì)算值(圖8藍(lán)色虛線)?？梢钥闯?3—8日景1的能見度與實(shí)測(cè)能見度及模擬能見度的演變趨勢(shì)一致，整體呈下降趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R=0.82。從該情景能見度相對(duì)于實(shí)測(cè)值的改變幅度來(lái)看,在入夜及早晨階段,能見度比實(shí)測(cè)值提高較大，而中午階段提高相對(duì)較小(圖8藍(lán)色虛線),這與模擬能見度特點(diǎn)恰好相反,這是由于相對(duì)濕度一直保持在40%而忽略了相對(duì)濕度變化導(dǎo)致的結(jié)果,可見在傍晚至早晨相對(duì)濕度是影響大氣能見度的主要因素。從不同階段來(lái)看,本情景的過(guò)程平均能見度為3.3km,比實(shí)測(cè)值提升了1.0km,在前期(Haze1)、中期(Haze2)和后期(Haze3)霾階段分別提升了1.1、0.7和1.6km,表明控制相對(duì)濕度在不同霾階段下的能見度提升效果是基本相當(dāng)?shù)?。情?:控制PM2.5濃度,保持實(shí)際相對(duì)濕度。真實(shí)大氣的相對(duì)濕度并不容易人為改變,而PM2.5濃度通過(guò)采取減少污染物排放等措施可以得到控制。為了分析控制PM2.5濃度對(duì)能見度的影響,參考環(huán)境空氣污染物中PM2.5濃度的限值標(biāo)準(zhǔn)(《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)),取PM2.5濃度的二級(jí)限值(75μg/m3),并保持本次過(guò)程的實(shí)際大氣相對(duì)濕度,利用式(1)—(4)計(jì)算情景2的能見度(圖8綠色實(shí)線),該情景下能見度與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R=0.62,能見度平均為3.8km,比實(shí)測(cè)平均提高1.5km,尤其是中期霾階段(Haze2)能見度提高最大,比實(shí)測(cè)能見度提高了2.7km,同時(shí)比情景1的能見度提高了2.0km(表2)。說(shuō)明控制PM2.5濃度對(duì)于改善大氣能見度的效果明顯,尤其相對(duì)濕度較大時(shí),抑制氣溶膠濃度對(duì)大氣能見度改善具有更顯著效果。同時(shí)也說(shuō)明了高濃度的氣溶膠條件是促使本次低能見度過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間維持的一個(gè)重要原因。6平流霧中的空氣中氣溶膠實(shí)驗(yàn)本次過(guò)程部分時(shí)間呈現(xiàn)出霧的特征。在霧階段相對(duì)濕度較大(95%以上),水汽發(fā)生凝結(jié),有大量微小水滴懸浮于近地面的空氣中,導(dǎo)致能見度降至1km以下。在霧的數(shù)值研究中,通常能見度通過(guò)液態(tài)水含量(LWC)的經(jīng)驗(yàn)消光公式轉(zhuǎn)化而來(lái)。在不同氣象條件下此類經(jīng)驗(yàn)公式往往存在差異(表3),其中,經(jīng)驗(yàn)式(1)是Kunkel(1984)在平流霧條件下觀測(cè)的結(jié)果,該式在北京大霧數(shù)值研究中廣泛使用(Zhang,etal,2010a;何暉等,2009),而經(jīng)驗(yàn)式(2)是基于霧霾混合過(guò)程的結(jié)果,該式的氣象條件與本次霧期間高濕且高濃度氣溶膠條件更加接近。為了便于比較,分別給出兩種經(jīng)驗(yàn)式的能見度計(jì)算結(jié)果(圖9)以及與實(shí)測(cè)值的均方根誤差(表3),可以看出,Pinnick等(1978)公式的均方根誤差比Kunkel(1984)公式的誤差要小465m,這主要是由于本次過(guò)程霧期