一次低能見度事件中大氣顆粒物的微物理特征

2024年2月21日發(fā)(作者：取數(shù)函數(shù))

第４３卷第５期　２０１５年１Ｏ月　氣象科技　Ｖ０１．４３．Ｎｏ．５　０ｃｔ．２Ｏ１５　ＭＥＴＥｏＲ０ＬｏＧＩＣＡＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮｏＩ　ＯＧＹ　一次低能見度事件中大氣顆粒物的微物理特征　董德保　方海濤　（安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥２３００３１）　摘要　利用合肥地區(qū)高時間分辨率觀測資料對２Ｏｌ３年１月１３—１５日一次低能見度事件中大氣顆粒物變化進行分　析，依據(jù)能見度、相對濕度和ＰＭ　濃度將過程劃分為輕霧、霾、霧３個階段，進而研究不同階段大氣顆粒物的微物　理特征。結(jié)果表明：這次低能見度事件經(jīng)歷了“輕霧霾一輕霧霧一輕霧霧一輕霧”的階段轉(zhuǎn)換過程。整個過　程ＰＭ　ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ。　與能見度呈負相關(guān)關(guān)系，霧階段ＰＭ　／ＰＭ　。大，細顆粒物積聚程度較快；而輕霧和霾　階段ＰＭ　／ＰＭ　。小且離散程度大，粗顆粒物生成速度較快。不同階段的顆粒物譜分布存在較大差異，輕霧和霾階　段的細顆粒物數(shù)濃度、表面積濃度和體積濃度譜形相似；霧階段對不同粒徑尺度的顆粒物數(shù)濃度、表面積濃度和體　積濃度均有沉降作用，霧過程持續(xù)時間越長，對顆粒物的沉降作用越強。　關(guān)鍵詞低能見度；霧霾過程；大氣顆粒物；微物理特征　引言　合肥地處長江中下游平原，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)　氣候，地區(qū)性氣候特征明顯，年均霧１３數(shù)達２２　天ｌ１　，對低能見度事件中不同霧霾階段大氣顆粒物　的物理特性研究，是揭示合肥地區(qū)霧霾過程發(fā)生發(fā)　展的基礎(chǔ)。本文選取２０１３年１月１３—１５日合肥地　隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，以霧霾天氣　為特征的低能見度事件頻繁發(fā)生，對交通安全、空氣　質(zhì)量、人體健康等方面帶來了嚴重的社會負面影響，　因此霧霾天氣受到社會各階層的廣泛關(guān)注。京津　區(qū)出現(xiàn)的一次大范圍低能見度事件為研究對象，通　過分析霧、輕霧和霾交替轉(zhuǎn)換階段大氣顆粒物的微　物理特征，研究低能見度事件中霧、輕霧和霾的階段　性特征以及各階段影響因子的差異性，對霧霾天氣　冀＿】　］、珠三角［４－６］等地的大氣能見度呈下降趨勢與　大氣顆粒物污染有著密切聯(lián)系，大氣細粒子濃度增　高是造成該地區(qū)能見度下降的主要原因Ｅ７－８］。孟燕　軍　］、王淑英　叫等研究表明，低能見度事件形成與　局地大氣顆粒物濃度和氣象條件密切相關(guān)，高濕、靜　穩(wěn)的氣象條件不利于顆粒物擴散口卜　］，容易引發(fā)低　能見度事件；而大氣顆粒物濃度、化學(xué)成分和尺寸大　小等因素對光波的散射與吸收有重要影響　，也會　導(dǎo)致大氣能見度下降。此外，低能見度事件的發(fā)生　監(jiān)測預(yù)警以及城市大氣顆粒污染治理具有重要　意義。　１　觀測儀器與方法　１．１　觀測儀器　２０ｌ３年１月１３　１５　１３在合肥市區(qū)進行了大氣　顆粒物數(shù)濃度、質(zhì)量濃度、能見度、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向　發(fā)展對大氣顆粒物濃度變化也有影響，Ｐａｎｄｉｓ等ｕ　研究表明，持續(xù)時間短的霧過程不足以使多數(shù)顆粒　物通過霧滴的濕清除過程沉降掉，隨著霧的消散，含　表面水層的顆粒物在化學(xué)轉(zhuǎn)化和光化學(xué)過程后，又　形成新的顆粒物，這些顆粒物集聚后產(chǎn)生霾，在特定　和風(fēng)廓線等環(huán)境氣象要素的連續(xù)觀測，表１給出了　觀測期間所使用儀器的性能參數(shù)。粒徑尺度在　０．２５～３２　ｕｍ的顆粒物濃度采用ＧＲＩＭＭ　１８０顆粒　物監(jiān)測儀測量，該儀器于２０１２年１２月２２　１３在合肥　的氣象條件下，進一步吸濕形成霧，引起低能見度事　件的持續(xù)發(fā)展。　環(huán)境氣象觀測站（３１。５３　Ｎ，１１７。１２　Ｅ）建成并投入　業(yè)務(wù)運行，按照激光散射法顆粒物觀測規(guī)范進行儀　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ氣象科技　安徽省氣象局科技發(fā)展基金項目（ＫＭ２０１　５０９）資助　作者簡介：董德保，男，１９８４年生，碩士，工程師，主要從事氣象探測技術(shù)及應(yīng)用研究，Ｅｍａｉｌ：ｄｄｂａｏ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ．　收稿Ｅｌ期：２０１４年５月８日；定稿日期：２０１　５年４月３日　

９４０　氣　象　科　技　第４３卷　器設(shè)備Ｅｌ常維護和定標(biāo)口　，可獲取３１通道的顆粒　度小于０．７５　ｋｍ，當(dāng)相對濕度大于等于８５　時，天　氣現(xiàn)象定義為霧；相對濕度小于８５　、大于等于　物數(shù)濃度及尺度分布，再通過模式計算ｕ　將顆粒物　數(shù)濃度轉(zhuǎn)換為ＰＭ　ＰＭ。　、ＰＭ　。質(zhì)量濃度。該儀　器的時間分辨率設(shè)為５　ｍｉｎ，當(dāng)環(huán)境濕度高于４０　時，儀器自動啟動除濕裝置，經(jīng)過除濕處理后，樣氣　能夠達到儀器設(shè)置的相對濕度閾值要求（相對濕度　小于４Ｏ　）。采用ＳＩ　３—１雨量傳感器測量降水量，　便于剔除降水期間對顆粒物濕沉降的影響。觀測中　采用由安徽藍盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的ＤＮＱ２　型能見度儀監(jiān)測水平能見度變化，并按照能見度觀　７０　時，天氣現(xiàn)象為霧或其他；而相對濕度小于　７０　則定義為霾。　２結(jié)果與分析　２．１　低能見度事件中霧霾轉(zhuǎn)換的氣象特征　觀測期間合肥地面能見度在０．０４５～３．９５　ｋｍ　變化，且伴有波動大的特征，圖１（彩頁）給出了能見　度和相對濕度以及霧、輕霧和霾隨時間演變。從圖　中可以看到，低能見度中經(jīng)歷了“輕霧一霾一輕霧　測規(guī)范，定期對儀器進行標(biāo)定。使用芬蘭Ｖａｉｓａｌａ　公司生產(chǎn)的ＨＭＰ４５Ｄ溫濕度傳感器測量氣溫和相　對濕度，使用風(fēng)速風(fēng)向傳感器、風(fēng)廓線雷達觀測地面　和邊界層大氣風(fēng)場。　１．２　研究方法　霧一輕霧一霧一輕霧”的交替轉(zhuǎn)換過程。１３　Ｅｌ　Ｏ０：Ｏ０至１４　Ｅｌ　０１：００出現(xiàn)輕霧到霾再到輕霧的發(fā)展　過程；期間共有３次霧天氣發(fā)生，分別為１４日０１：００　—１２：Ｏ（）、１４日２１：Ｏ０至１５日０２：００和１５日０４：００　觀測期間各類儀器均穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺　測現(xiàn)象。為便于與５　ｍｉｎ時間分辨率的顆粒物數(shù)濃　度、質(zhì)量濃度比較分析，文中對１　ｍｉｎ高時問分辨率　的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量和能見度數(shù)據(jù)進行５　ｍｉｎ　—０６：ＯＯ，各次霧過程之間能見度出現(xiàn)相對好轉(zhuǎn)，較　短時段能見度超過３　ｋｍ；１５　１３　０６：００后為持續(xù)輕　霧天氣。總體來說，霾階段前后為輕霧階段，霧階段　前后為輕霧階段，輕霧階段前后可以是霧或霾階段；　霾與輕霧階段能夠直接相互轉(zhuǎn)換，但霾與霧階段不　能直接轉(zhuǎn)換。　氣象因子是霧、霾形成和轉(zhuǎn)換的重要條件，圖２　算術(shù)平均處理，得到逐５　ｍｉｎ觀測資料序列。我們　知道，能見度降低是霧、輕霧和霾天氣現(xiàn)象的共性，　因《霾的觀測和預(yù)報等級》（ＱＸ／Ｔ１１３—２０１０）行業(yè)　標(biāo)準(zhǔn)已停止執(zhí)行，本研究依據(jù)中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)　絡(luò)司最新下發(fā)的《霾天氣現(xiàn)象觀測規(guī)定（氣預(yù)函　（彩頁）給出了地面氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速隨時間變化，霧　霾過程夜間氣溫低至一１．６℃有利于霧的形成，１３　Ｅ２ｏ１４１４號）》中霧霾天氣現(xiàn)象的定義ｌ１　，對低能見　度事件中霧霾轉(zhuǎn)換階段給予界定，確定輕霧、霾和霧　１４日晝夜溫差較大，便于霧、輕霧和霾天氣的轉(zhuǎn)　換。期間風(fēng)力持續(xù)在１～２級，未出現(xiàn)主導(dǎo)風(fēng)向；在　１４日的霧天氣下地面風(fēng)速在０．５～１．５　ｍ／ｓ，１２：（）（］　前邊界層２　ｋｍ以下風(fēng)速在２　ｍ／ｓ左右，且風(fēng)向由　西北風(fēng)到北風(fēng)再到東北風(fēng)變化（圖３，彩頁）；未出現(xiàn)　明顯的主導(dǎo)風(fēng)過境，邊界層處于靜風(fēng)狀態(tài)，為　的判別閾值。在觀測期間無降水記錄出現(xiàn)，排除了　降水、吹雪和雪暴等視程障礙的影響。對于自動觀　測能見度小于７．５　ｋｍ、大于０．７５　ｋｍ，空氣相對濕　度大于７Ｏ　的天氣現(xiàn)象定義為輕霧，相對濕度小于　７０　、大于等于６５　則為輕霧或霾，具體界定需參　考ＰＭ。．　質(zhì)量濃度，大于７５＞ｇ／ｍ。為霾，不大于７５　ｕｇ／ｍ。為輕霧；相對濕度小于６５　定義為霾。能見　Ｏ１：ＯＯ　１２：ＯＯ的霧階段持續(xù)發(fā)展提供了條件。１４　日２２：００至１５　１３　０２：００地面氣溫出現(xiàn)異常增大，這　與邊界層逆溫結(jié)構(gòu)有關(guān)口　，為第２次霧階段的生　

９４２　氣　象　科　技　第４３卷　成提供了邊界層條件；但邊界層１　ｋｍ以下出現(xiàn)風(fēng)　速明顯增大，導(dǎo)致該次霧階段持續(xù)時間相對較短。　２．２不同霧霾階段大氣顆粒物濃度變化　不同階段中顆粒物質(zhì)量濃度呈現(xiàn)不同的變化特　征，通過對能見度與粗顆粒（ＰＭ　。）、細顆粒（ＰＭ　．　）　和超細顆粒（ＰＭ　）質(zhì)量濃度的相關(guān)分析，如圖４所　示。圖中展示了ＰＭ　．　／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ　．　隨能見　度的變化，其中ＰＭ　．　／ＰＭ　。用于表征細顆粒物的積　聚程度，ＰＭ　／ＰＭ　．　用于表征超細顆粒物的積聚程　Ｊｆ　—ｄｄＤ　Ｓ．ｎｚ　Ｎ。　＇Ｘ１．ｉ．．／ｐＩ　ｐｌ　ｄＤ一旦Ｖ６　Ｄ；ＮＤｐ　一　（１）　度，ＰＭ　／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ　與能見度呈現(xiàn)良好的　。　負相關(guān)，其線性相關(guān)系數(shù)分別為一０．３９和一０．４４，　但ＰＭ　／ＰＭ　。隨能見度的升高下降速度要快。在　霧階段能見度低于０．７５　ｋｍ時，ＰＭ。．　／ＰＭ　。在０．９　左右；但霧階段前后的輕霧階段，能見度呈現(xiàn)逐步增　大，ＰＭ　．　／ＰＭ　。同步減小且離散程度大，基本維持　在較低的數(shù)值上。這意味著霧階段對粗顆粒沉降能　力要快，引起細顆粒積聚程度大；輕霧或霾階段細顆　粒濃度比例降低，導(dǎo)致細顆粒物的散射削光減弱，能　見度有所好轉(zhuǎn)。在霧、輕霧和霾階段交替轉(zhuǎn)換中，　ＰＭ　／ＰＭ　。隨能見度升高而變化不明顯，說明了不　同霧霾階段對超細顆粒物和細顆粒物影響基本　相同。　１ｔ　Ｏ０　０－９５　０?９０　０　８　０．８０　０　７５　Ｏ?７０　０　６５　０　６Ｏ　圖４能見度與ＰＭ　ｓ／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭｚ　的關(guān)系　目　目　目　ｉ　自　ｉ　ｉ　一　一　＜一　一　＼　＼　＼　燃　娛　蠖　陋　愛　｛ｉｓ　粒徑／　ｍ　粒徑／　ｍ　粒徑／　ｍ　圖５　不同階段大氣顆粒物數(shù)濃度、表面積濃度和體積濃度的尺度分布　

９４４　氣　象　科　技　第４３卷　［２ｏ］唐宜西，張小玲，熊亞軍，等．北京一次持續(xù)霾天氣過程氣象特　征分析［Ｊ］．氣象與環(huán)境學(xué)報，２０Ｉ　３，２９（５）：１２－１９．　Ｅ２１］唐孝炎，張遠航，邵敏．大氣環(huán)境化學(xué)［Ｍ］．北京：高等教育出版　社，２００６：２７５—３０５．　Ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ａ　Ｌｏｗ—Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ　Ｅｖｅｎｔ　Ｄｏｎｇ　Ｄｅｂａｏ　Ｆａｎｇ　Ｈａｉｔａｏ　（Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｃｅｎｔｒｅ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ａ　ｌｏｗ—ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｅｖｅｎｔ　ｉｎ　Ｈｅｆｅｉ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｔｉｍｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ　ｆｒｏｍ　１３　ｔｏ　１５　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１３．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ａｎｄ　ＰＭ２　５　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｒｅｅ　ｓｔａｇｅｓ：ｆｏｇ，ｍｉｓｔ，ａｎｄ　ｈａｚｅ，ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔａｇｅ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｅｖｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ　ａ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｉｓｔ—ｈａｚｅ—ｍｉｓｔ—ｆｏｇ—ｍｉｓｔ～ｆｏｇ—　ｍｉｓｔ．ＰＭ２　５／ＰＭｌ０　ａｎｄ　ＰＭｌ／ＰＭ２　５　ｗｅｒｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｗｈｏｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ＰＭ２　５／　ＰＭｌｏ　ｗａｓ　ｌａｒｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｏｇ　ｓｔａｇｅ，ｗｉｔｈ　ｆｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ　ｆａｓｔｅｒ；ｗｈｉｌｅ　ＰＭ２　５／ＰＭ，０　ｗａｓ　ｓｍａｌｌ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｓｔ　ａｎｄ　ｈａｚｅ　ｓｔａｇｅｓ，ｗｉｔｈ　ｃｏａｒｓｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｆａｓｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　ｌａｒｇｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔａｇｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｈａｄ　ａ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｓｈａｐｅ　ａｔ　ｍｉｓｔ　ａｎｄ　ｈａｚｅ　ｓｔａｇｅｓ；ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｚｅ　ｓｃａｌｅｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｇ　ｓｔａｇｅ．Ｔｈｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｆｏｇ　ｓｔａｇｅ　ｌａｓｔｅｄ，ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ　ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ；ｆｏｇ　ａｎｄ　ｈａｚｅ；ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ