一次低能见度事件中大气颗粒物的微物理特征

2024年2月21日发(作者：取数函数)

第４３卷第５期　２０１５年１Ｏ月　气象科技　Ｖ０１．４３．Ｎｏ．５　０ｃｔ．２Ｏ１５　ＭＥＴＥｏＲ０ＬｏＧＩＣＡＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮｏＩ　ＯＧＹ　一次低能见度事件中大气颗粒物的微物理特征　董德保　方海涛　（安徽省大气探测技术保障中心，合肥２３００３１）　摘要　利用合肥地区高时间分辨率观测资料对２Ｏｌ３年１月１３—１５日一次低能见度事件中大气颗粒物变化进行分　析，依据能见度、相对湿度和ＰＭ　浓度将过程划分为轻雾、霾、雾３个阶段，进而研究不同阶段大气颗粒物的微物　理特征。结果表明：这次低能见度事件经历了“轻雾霾一轻雾雾一轻雾雾一轻雾”的阶段转换过程。整个过　程ＰＭ　ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ。　与能见度呈负相关关系，雾阶段ＰＭ　／ＰＭ　。大，细颗粒物积聚程度较快；而轻雾和霾　阶段ＰＭ　／ＰＭ　。小且离散程度大，粗颗粒物生成速度较快。不同阶段的颗粒物谱分布存在较大差异，轻雾和霾阶　段的细颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度谱形相似；雾阶段对不同粒径尺度的颗粒物数浓度、表面积浓度和体　积浓度均有沉降作用，雾过程持续时间越长，对颗粒物的沉降作用越强。　关键词低能见度；雾霾过程；大气颗粒物；微物理特征　引言　合肥地处长江中下游平原，属亚热带湿润季风　气候，地区性气候特征明显，年均雾１３数达２２　天ｌ１　，对低能见度事件中不同雾霾阶段大气颗粒物　的物理特性研究，是揭示合肥地区雾霾过程发生发　展的基础。本文选取２０１３年１月１３—１５日合肥地　随着工业化和城镇化的迅速发展，以雾霾天气　为特征的低能见度事件频繁发生，对交通安全、空气　质量、人体健康等方面带来了严重的社会负面影响，　因此雾霾天气受到社会各阶层的广泛关注。京津　区出现的一次大范围低能见度事件为研究对象，通　过分析雾、轻雾和霾交替转换阶段大气颗粒物的微　物理特征，研究低能见度事件中雾、轻雾和霾的阶段　性特征以及各阶段影响因子的差异性，对雾霾天气　冀＿】　］、珠三角［４－６］等地的大气能见度呈下降趋势与　大气颗粒物污染有着密切联系，大气细粒子浓度增　高是造成该地区能见度下降的主要原因Ｅ７－８］。孟燕　军　］、王淑英　叫等研究表明，低能见度事件形成与　局地大气颗粒物浓度和气象条件密切相关，高湿、静　稳的气象条件不利于颗粒物扩散口卜　］，容易引发低　能见度事件；而大气颗粒物浓度、化学成分和尺寸大　小等因素对光波的散射与吸收有重要影响　，也会　导致大气能见度下降。此外，低能见度事件的发生　监测预警以及城市大气颗粒污染治理具有重要　意义。　１　观测仪器与方法　１．１　观测仪器　２０ｌ３年１月１３　１５　１３在合肥市区进行了大气　颗粒物数浓度、质量浓度、能见度、温湿度、风速风向　发展对大气颗粒物浓度变化也有影响，Ｐａｎｄｉｓ等ｕ　研究表明，持续时间短的雾过程不足以使多数颗粒　物通过雾滴的湿清除过程沉降掉，随着雾的消散，含　表面水层的颗粒物在化学转化和光化学过程后，又　形成新的颗粒物，这些颗粒物集聚后产生霾，在特定　和风廓线等环境气象要素的连续观测，表１给出了　观测期间所使用仪器的性能参数。粒径尺度在　０．２５～３２　ｕｍ的颗粒物浓度采用ＧＲＩＭＭ　１８０颗粒　物监测仪测量，该仪器于２０１２年１２月２２　１３在合肥　的气象条件下，进一步吸湿形成雾，引起低能见度事　件的持续发展。　环境气象观测站（３１。５３　Ｎ，１１７。１２　Ｅ）建成并投入　业务运行，按照激光散射法颗粒物观测规范进行仪　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ气象科技　安徽省气象局科技发展基金项目（ＫＭ２０１　５０９）资助　作者简介：董德保，男，１９８４年生，硕士，工程师，主要从事气象探测技术及应用研究，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　气　象　科　技　第４３卷　器设备Ｅｌ常维护和定标口　，可获取３１通道的颗粒　度小于０．７５　ｋｍ，当相对湿度大于等于８５　时，天　气现象定义为雾；相对湿度小于８５　、大于等于　物数浓度及尺度分布，再通过模式计算ｕ　将颗粒物　数浓度转换为ＰＭ　ＰＭ。　、ＰＭ　。质量浓度。该仪　器的时间分辨率设为５　ｍｉｎ，当环境湿度高于４０　时，仪器自动启动除湿装置，经过除湿处理后，样气　能够达到仪器设置的相对湿度阈值要求（相对湿度　小于４Ｏ　）。采用ＳＩ　３—１雨量传感器测量降水量，　便于剔除降水期间对颗粒物湿沉降的影响。观测中　采用由安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的ＤＮＱ２　型能见度仪监测水平能见度变化，并按照能见度观　７０　时，天气现象为雾或其他；而相对湿度小于　７０　则定义为霾。　２结果与分析　２．１　低能见度事件中雾霾转换的气象特征　观测期间合肥地面能见度在０．０４５～３．９５　ｋｍ　变化，且伴有波动大的特征，图１（彩页）给出了能见　度和相对湿度以及雾、轻雾和霾随时间演变。从图　中可以看到，低能见度中经历了“轻雾一霾一轻雾　测规范，定期对仪器进行标定。使用芬兰Ｖａｉｓａｌａ　公司生产的ＨＭＰ４５Ｄ温湿度传感器测量气温和相　对湿度，使用风速风向传感器、风廓线雷达观测地面　和边界层大气风场。　１．２　研究方法　雾一轻雾一雾一轻雾”的交替转换过程。１３　Ｅｌ　Ｏ０：Ｏ０至１４　Ｅｌ　０１：００出现轻雾到霾再到轻雾的发展　过程；期间共有３次雾天气发生，分别为１４日０１：００　—１２：Ｏ（）、１４日２１：Ｏ０至１５日０２：００和１５日０４：００　观测期间各类仪器均稳定运行，未出现数据缺　测现象。为便于与５　ｍｉｎ时间分辨率的颗粒物数浓　度、质量浓度比较分析，文中对１　ｍｉｎ高时问分辨率　的温湿度、风速风向、雨量和能见度数据进行５　ｍｉｎ　—０６：ＯＯ，各次雾过程之间能见度出现相对好转，较　短时段能见度超过３　ｋｍ；１５　１３　０６：００后为持续轻　雾天气。总体来说，霾阶段前后为轻雾阶段，雾阶段　前后为轻雾阶段，轻雾阶段前后可以是雾或霾阶段；　霾与轻雾阶段能够直接相互转换，但霾与雾阶段不　能直接转换。　气象因子是雾、霾形成和转换的重要条件，图２　算术平均处理，得到逐５　ｍｉｎ观测资料序列。我们　知道，能见度降低是雾、轻雾和霾天气现象的共性，　因《霾的观测和预报等级》（ＱＸ／Ｔ１１３—２０１０）行业　标准已停止执行，本研究依据中国气象局预报与网　络司最新下发的《霾天气现象观测规定（气预函　（彩页）给出了地面气温、风向和风速随时间变化，雾　霾过程夜间气温低至一１．６℃有利于雾的形成，１３　Ｅ２ｏ１４１４号）》中雾霾天气现象的定义ｌ１　，对低能见　度事件中雾霾转换阶段给予界定，确定轻雾、霾和雾　１４日昼夜温差较大，便于雾、轻雾和霾天气的转　换。期间风力持续在１～２级，未出现主导风向；在　１４日的雾天气下地面风速在０．５～１．５　ｍ／ｓ，１２：（）（］　前边界层２　ｋｍ以下风速在２　ｍ／ｓ左右，且风向由　西北风到北风再到东北风变化（图３，彩页）；未出现　明显的主导风过境，边界层处于静风状态，为　的判别阈值。在观测期间无降水记录出现，排除了　降水、吹雪和雪暴等视程障碍的影响。对于自动观　测能见度小于７．５　ｋｍ、大于０．７５　ｋｍ，空气相对湿　度大于７Ｏ　的天气现象定义为轻雾，相对湿度小于　７０　、大于等于６５　则为轻雾或霾，具体界定需参　考ＰＭ。．　质量浓度，大于７５＞ｇ／ｍ。为霾，不大于７５　ｕｇ／ｍ。为轻雾；相对湿度小于６５　定义为霾。能见　Ｏ１：ＯＯ　１２：ＯＯ的雾阶段持续发展提供了条件。１４　日２２：００至１５　１３　０２：００地面气温出现异常增大，这　与边界层逆温结构有关口　，为第２次雾阶段的生　

９４２　气　象　科　技　第４３卷　成提供了边界层条件；但边界层１　ｋｍ以下出现风　速明显增大，导致该次雾阶段持续时间相对较短。　２．２不同雾霾阶段大气颗粒物浓度变化　不同阶段中颗粒物质量浓度呈现不同的变化特　征，通过对能见度与粗颗粒（ＰＭ　。）、细颗粒（ＰＭ　．　）　和超细颗粒（ＰＭ　）质量浓度的相关分析，如图４所　示。图中展示了ＰＭ　．　／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ　．　随能见　度的变化，其中ＰＭ　．　／ＰＭ　。用于表征细颗粒物的积　聚程度，ＰＭ　／ＰＭ　．　用于表征超细颗粒物的积聚程　Ｊｆ　—ｄｄＤ　Ｓ．ｎｚ　Ｎ。　＇Ｘ１．ｉ．．／ｐＩ　ｐｌ　ｄＤ一旦Ｖ６　Ｄ；ＮＤｐ　一　（１）　度，ＰＭ　／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭ　与能见度呈现良好的　。　负相关，其线性相关系数分别为一０．３９和一０．４４，　但ＰＭ　／ＰＭ　。随能见度的升高下降速度要快。在　雾阶段能见度低于０．７５　ｋｍ时，ＰＭ。．　／ＰＭ　。在０．９　左右；但雾阶段前后的轻雾阶段，能见度呈现逐步增　大，ＰＭ　．　／ＰＭ　。同步减小且离散程度大，基本维持　在较低的数值上。这意味着雾阶段对粗颗粒沉降能　力要快，引起细颗粒积聚程度大；轻雾或霾阶段细颗　粒浓度比例降低，导致细颗粒物的散射削光减弱，能　见度有所好转。在雾、轻雾和霾阶段交替转换中，　ＰＭ　／ＰＭ　。随能见度升高而变化不明显，说明了不　同雾霾阶段对超细颗粒物和细颗粒物影响基本　相同。　１ｔ　Ｏ０　０－９５　０・９０　０　８　０．８０　０　７５　Ｏ・７０　０　６５　０　６Ｏ　图４能见度与ＰＭ　ｓ／ＰＭ　。和ＰＭ　／ＰＭｚ　的关系　目　目　目　ｉ　自　ｉ　ｉ　一　一　＜一　一　＼　＼　＼　燃　娱　蠖　陋　爱　｛ｉｓ　粒径／　ｍ　粒径／　ｍ　粒径／　ｍ　图５　不同阶段大气颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度的尺度分布　

９４４　气　象　科　技　第４３卷　［２ｏ］唐宜西，张小玲，熊亚军，等．北京一次持续霾天气过程气象特　征分析［Ｊ］．气象与环境学报，２０Ｉ　３，２９（５）：１２－１９．　Ｅ２１］唐孝炎，张远航，邵敏．大气环境化学［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