基于长期监测估算杭州雾霾主要影响因子外文翻译资料

 2022-11-26 20:14:10

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基于长期监测估算杭州雾霾主要影响因子

Zhi-mei Xiao1, Yu-fen Zhang1*, Sheng-mao Hong2, Xiao-hui Bi1, Li Jiao2, Yin-chang Feng1, Yu-qiu Wang1

1 State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution

Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, No. 94 Weijin Road, Tianjin 300071, China

2 Hangzhou Municipal Environmental Monitoring Centre, Hangzhou 310007, China

摘要

采用2003-2010年霾和能见度数据，以及2010年每小时测量的地面气象要素（相对湿度、风速、气温）、能见度和大气污染物浓度（PM2.5、SO2、NO2以及O3）数据，利用相关性分析法探究杭州雾霾的主要影响因子。在过去八年，杭州发生霾天气的频率增加，每年约有160天的霾日发生。冬季和春季霾天气发生较为频繁，夏秋季节比较少见。低能见度出现在早晨，最大能见度发生在午后。分析统计结果表明，相对湿度和PM2.5浓度在降低能见度方面起着最重要的作用。PM2.5浓度与O3，SO2及NO2浓度的相关系数表明，O3和NO2是导致PM2.5污染的主要因素，由此导致雾霾。为了减少雾霾天数，应该获得广泛的关注和采取更多的对策来减少杭州的臭氧和二氧化氮污染。

关键字：霾；相对湿度；PM2.5；O3；NO2.

1引言

霾是指大量悬浮在大气中的固体或液体颗粒物，烟雾以及蒸汽导致大气能见度低于10公里的天气现象。霾的形成与气象条件和空气污染水平密切相关 (Lee and Sequeira, 2001; Sun et al., 2006; Fu et al., 2008)。近年来，由于霾污染对能见度，云的形成，公共卫生甚至全球气候的显著影响，引起了广泛的关注(Okada et al., 2001; Schichtel et al., 2001; Menon et al., 2002; Watson, 2002; Chen et al., 2003; Yadav et al., 2003; Kang et al., 2004; Andre, 2005)。细颗粒物质，如水溶性无机离子（SO42-，NO3-，NH4 ）和含碳物质被认为是造成能见度减低最重要的因素(Jacobson, 2001; Brown et al., 2002; Chen et al., 2003; Kang et al., 2004; Sun et al., 2006; Alvesa et al., 2007; Yang et al., 2007; Fu et al., 2008; Tan et al., 2009a; Tao et al., 2009; Tan et al., 2009b; Sabbagh-Kupelwieser et al., 2010; Vega et al., 2010)。高浓度的PM2.5（直径小于2.5mu;m的颗粒物质），尤其是来自人为源的高浓度二次颗粒物，可能对雾霾的形成起着主要作用。(Kang et al., 2004; Deng et al., 2008; Fu et al., 2008)。杭州是浙江省的省会城市，位于长江三角洲的东部地区。卫星观测资料显示中国东部地区气溶胶污染水平非常高（Tie et al., 2006）。有研究表明，长三角地区存在高浓度的颗粒物质(Chan and Yao, 2008),以及极低的能见度(Fu et al., 2008)。尽管在过去十年中杭州的霾天气变得越来越频繁，但很少有研究分析影响霾形成的关键因素以及与其他因子的关系。在杭州已有多项研究关于PM2.5污染（Huang et al.，2006），能见度与细颗粒之间的相关性（Xu et al.，2005）以及霾污染成因的简要介绍（Jin et al.，2010）。本文分析了霾天气发生的直接影响因素，并通过研究大气污染物与影响因子之间的相关性，明确了雾霾形成的主要人为因素，以期制定有效措施来缓解杭州雾霾天气现象。

2实验和数据处理

2.1采样地点描述

杭州以旅游业而闻名，位于中国东海岸北纬30.3°N，东经120.2°E。杭州属亚热带季风型气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热潮湿。杭州年平均降水量1435mm，降水主要发生在夏季。杭州夏季盛行东南风，冬季盛行西北风。采样点位于杭州市区的市环境监测站（属居民区和商业区的混合区）。采样点位置如图1所示。

2.2测量

2010年测量的气象条件和大气污染物浓度的小时数据，包括PM10（直径小于10mu;m的颗粒物），PM2.5（直径小于2.5mu;m的颗粒物），二氧化硫（SO2），二氧化氮（NO2）和臭氧（O3），以及相对湿度，风速，温度和能见度，其中气象要素和空气污染物同步测量。所用仪器如下：（1）颗粒监测仪（Trace Oscillation Balance, RP1400, Thermo Fisher Scientific）测量PM10和PM2.5的质量浓度；（2）环境空气质量自动监测系统AR500系列分析仪（长光程，OPSIS）测定SO2，NO2和O3；（3）能见度传感器（Belfort Model 6000）测量大气能见度；

（4）自动气象仪器（MetOne Instrnments，Inc）测量相对湿度，风速，风向和温度。仪器定期检查以确保其准确性。为了评估杭州霾天气的发生，对2003-2010年能见度的长期记录进行了分析。霾日定义为以下条件：（1）日均能见度lt;10 km；（2）无降水；（3）日平均相对湿度（RH）lt;90％（Wu，2005）。并对降水数据进行筛选，排除相对湿度高于90％时的霾日数据。本文利用2003-2010年的能见度数据分析了杭州雾霾的特征，并通过2010年小时数据分析了能见度与PM2.5浓度及其它污染物之间的相互关系。使用社会科学统计软件包13.0（SPSS13.0）进行能见度与风速和气温，以及能见度与PM2.5，PM2.5和O3，SO2和NO2浓度之间的相关性。

图1.杭州采样地点分布

3 结果与讨论

3.1杭州雾霾特征

3.1.1 霾日数年际变化

图2表示2003-2010年杭州霾日数。杭州每年约有160天发生霾天气，这意味着杭州每年约40％的时间处于低能见度水平。杭州霾日数与广州霾日数相当，广州1980-2006年每年约有150天发生霾天气(Deng et al., 2008)。杭州的霾日数要略低于北京，北京在过去30年每年约有180天能见度小于10公里(Chang et al.,2009)。

3.1.2 霾日数季节变化

图3描述了2003-2010年月均霾日数。由图可得，每个月发生霾日的天数变化趋势呈现双峰分布，春季（3-5月）和冬季（12-2月）霾天气发生更加频繁，夏季（6-8月）和秋季（9-11月）霾日数较低。其中夏季霾日数最低。这与广州和上海霾天气的月变化情况类似，夏季能见度最好，但与北京和沈阳不同，其春季能见度最好（Chang et al.，2009）。这些不同的季节变化可能是由于不同的气象条件以及不同地区的空气污染差异造成。在夏季，较低霾日数可能是由于颗粒物浓度较低造成的。一般来说，夏季盛行的东南风可以带来海洋的清洁空气，从而稀释颗粒物质的浓度；因此，夏季能见度水平较高。春季和冬季霾日数的增加可能是由于空气污染物扩散条件差以及受到内陆沙尘暴的影响。

3.1.3 不同月份能见度日变化

图4描述了2003-2010年在02:00,08:00,14;00,20:00的能见度逐月变化。如图4所示，每日中不同时间能见度变化呈现清晰变化趋势。不同月份的能见度日变化趋势相似，上午（08:00）的能见度较低，此后开始增加并在下午（14:00时）达到最大值。最大的能见度发生在夏季，最低的能见度发生在冬季，这与每个月发生霾日频率一致。这种变化趋势对于城市地区是典型的（Wang et al.，2003；Shen et al.，2007），可能是由于不同的排放源和气象条件引起的。清晨能见度较低可能是由于早上高峰时段交通排放量增加以及相对湿度较高，混合层高度较低导致气溶胶积累，造成较高气溶胶浓度（主要道路上每小时交通密度约为3800次，早上混合层高度约为490米）。此后，能见度稳步增加，这可能与环境温度和垂直对流活动的增加有关，使得气溶胶在垂直方向上的分布增加。能见度增加也可能与交通密度的降低有关。最大能见度发生在14:00，这可能是由于此时温度达到最大值，从而使得混合层和相对湿度较低，同时此时交通密度也较低造成的（下午主要道路的交通密度约为每小时2300次，混合高度为约1200米）。

图2.2003-2010年杭州霾日数

图3.2003-2010年月均霾日数

3.2 能见度影响因素分析

3.2.1影响能见度的主要气象因子

湿度是影响能见度的重要因素（Malm and Day，2001）。对于大气气溶胶，在增湿过程中，许多小颗粒在尺度上更易有效的增加可见光散射范围，并增加大气中颗粒物的散射量。散射系数的增加导致能见度降低（Tang，1997; Lee and Tsai，1998）。Wu（2005）在关于雾霾天气预警信号标准研究中，分析了不同相对湿度条件下不同能见度的观测值。如图5所示，较高能见度水平与较低的相对湿度有关。当相对湿度低于60%时，能见度通常大于15km，出现能见度小于2km的概率为0。当相对湿度变化范围为60%-90%时，能见度lt;2km,2-5km,2-10km,10-15km,gt;15km的概率分别为0%-0.96%,3.97%-14.35%,18.25%-22.3%,16.23%-18.25%,61.54%-44.22%，这表明较低的能见度水平对应较高的相对湿度。在长江三角洲地区也出现类似情况（Fu et al.,2008）。

图4.2003-2010年不同月份能见度日变化

图5.不同相对湿度条件下能见度发生频率

另一方面，当分析能见度与风速、与气温的相关性时，在99％的置信水平下，系数分别为0.31和0.36（样本数为5460，P=0.000 lt;0.01，临界系数为0.081）。风速和温度不直接影响能见度。事实上，风速是影响颗粒物分布的最重要因素，温度是影响二次气溶胶出现的重要因素。因此，这些参数是间接影响能见度变化的因素。

3.2.2 细颗粒物对能见度的影响

高浓度细颗粒物质与能见度降低密切相关(Kang et al., 2004；Sun et al., 2006； Fu et al., 2008；Tan et al., 2009a；Tan et al., 2009b)。根据Koschmeider方程，消光系数与颗粒物质浓度成正比关系，与能见度呈反比关系。因此，颗粒物质的浓度与能见度呈反比关系；由此分析PM2.5与能见度呈负相关性，结果如图6所示。从图6可以看出，PM2.5与能见度相关系数在99%置信水平下为0.32（样本数为5460，P=0.000lt;0.01，临界系数为0.081），并通过了在这个置信水平下的显著性检验。结果表明，细颗粒物的浓度对杭州能见度的降低起着重要作用，这一现象也出现在北京(Song et al., 2003; Wang and Liu, 2006)，广州(Tan et al.,2009b)，上海(Fu et al., 2008)，济南(Yang et

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