程 毅，劉曉燁

（1.咸寧市環(huán)境保護監(jiān)測站，湖北 咸寧437100；2.江漢大學 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢430056）

能見度是表征大氣透明程度的一個重要物理量，與城市居民日常生產(chǎn)、生活息息相關［1］，低能見度現(xiàn)象的出現(xiàn)常會給人們帶來諸多不便和各種危害。PM2.5也稱細顆粒物，不僅影響氣候和空氣質(zhì)量，而且嚴重危害人體健康［2］。有研究［3］表明，能見度變化與大氣中PM2.5污染密切相關，PM2.5濃度越高，能見度就越低；此外，氣象條件（如濕度、風速、溫度等）也是不可忽視的原因［4］，其中濕度對能見度的影響較大［5］。

咸寧市位于湖北省東南部，長江中下游南岸，屬亞熱帶濕潤型大陸性季風氣候，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好?！渡鷳B(tài)環(huán)境部通報2018年12月和1-12月全國空氣質(zhì)量狀況》顯示，咸寧市是湖北省唯一入圍2018年全國169個重點城市空氣質(zhì)量排名前20位的城市。筆者利用國控空氣站歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究咸寧市能見度與PM2.5濃度、相對濕度之間的相關關系，對于引導公眾通過視覺感觀評估PM2.5污染狀況、理解治霾成果具有一定的現(xiàn)實指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料來源

咸寧市現(xiàn)有森林公園（114°19'12″E，29°49'3″N）、咸安區(qū)政府（114°17'37″E，29°51'24″N）、市發(fā)改委（114°18'38″E，29°50'43″N）和長江產(chǎn)業(yè)園（114°19'46″E，29°52'6″N）4個國控空氣自動站點，監(jiān)測指標為《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》［6］中6項基本污染物（SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5）、氣象5參數(shù)（氣溫、氣壓、風向、風速、相對濕度）和能見度（僅市發(fā)改委站點監(jiān)測），評價方法參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》［6］修改單（生態(tài)環(huán)境部公告2018年第29號）和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術規(guī)范（試行）》［7］。

咸寧市國控空氣站監(jiān)測事權(quán)于2016年10月上收生態(tài)環(huán)境部，監(jiān)測儀器的運行、維護、調(diào)試、質(zhì)控均由國家生態(tài)環(huán)境部負責，監(jiān)測數(shù)據(jù)由國家與地方共享。本文采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站最終審核后的數(shù)據(jù)（剔除沙塵天氣影響）。2017-2018年，咸寧市國控空氣站有效監(jiān)測730 d，獲得能見度、PM2.5濃度、相對濕度等有效日均值數(shù)據(jù)694組（剔除了12 d沙塵天氣）。

1.2 實驗方法

PM2.5采用武漢天虹TH-2000PM連續(xù)β射線+DHS大氣顆粒物濃度監(jiān)測儀（量程0～1 000μg/m3、濃度誤差≤±5%）自動監(jiān)測，主要實驗參數(shù)：DHS濕度35%、加熱桿溫度50℃、采樣體溫度45℃、吸收系數(shù)0.294 1、斜率1、截距0，滿足《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》［8］和《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質(zhì)控技術規(guī)范》［9］要求；能見度采用英國BIRAL SWS-200能見度和天氣現(xiàn)象儀（量程10 m～20 km、2 km處測量誤差≤±10%、16 km處測量誤差≤±15%）自動監(jiān)測，每6個月進行一次校準檢查，滿足《前向散射能見度儀校準規(guī)范》［10］要求；氣象5參數(shù)采用德國LUFFT WS500-UMB Weather Sensor（相對濕度測量范圍0%～100%、測量誤差≤±2%）自動監(jiān)測，每6個月進行一次校準檢查，滿足《地面氣象觀測規(guī)范空氣溫度和濕度》［11］要求。

1.3 研究方法

根據(jù)2017-2018年咸寧市國控空氣站監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析咸寧市能見度和PM2.5污染特征，使用SPSS17.0軟件對能見度與PM2.5濃度的相關性進行研究，最終利用最小二乘法得到能見度與PM2.5的擬合方程，通過2019年1-2月份重污染天氣過程對擬合方程進行驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 能見度和PM2.5污染特征分析

2018年，咸寧市能見度為16.2 km（日均值進行算術平均，后同），較2017年13.0 km提高24.6%；2018年，咸寧市PM2.5濃度為35μg/m3（日均值進行算術平均，后同），較2017年44μg/m3下降了20.5%。

2017-2018年，咸寧市能見度和PM2.5濃度月變化趨勢如圖1所示。

圖1咸寧市2017-2018年能見度和PM2.5濃度月變化趨勢圖Fig.1 Visibility and PM2.5 concentration monthly change trend graph of Xianning City from 2017 to 2018

從圖1可以看出，咸寧市能見度和PM2.5濃度具有明顯季節(jié)變化特征，夏季（6-8）月能見度較高而PM2.5濃度較低，冬季（12-2月）能見度較低而PM2.5濃度較高；且能見度和PM2.5濃度具有很好的負相關關系，這與郝巨飛等［12］研究結(jié)論一致。咸寧市屬亞熱帶濕潤型大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，夏季高溫多雨，大氣擴散條件較好，冬季干燥寒冷，大氣擴散條件較差。說明能見度和PM2.5濃度受氣候變化影響較大。

總體來看，咸寧市2018年PM2.5濃度和能見度均較2017年同期有顯著改善，說明咸寧市近幾年來強力開展的“三禁三治”等大氣污染防控工作對改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量具有一定成效。

2.2 能見度與PM2.5的相關性分析

張凱等［13］研究發(fā)現(xiàn)，不同相對濕度下能見度與大氣顆粒物濃度相關性不同。由此，將咸寧市2017-2018年的能見度和PM2.5濃度按不同相對濕度分別統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。由于咸寧市濕度較大，因此將低濕度（RH≤50%）分成一組，高濕度（RH＞90%）分成兩組，中間的按10%進行劃分。

從表1可以看出，相對濕度大于60%時能見度隨相對濕度的增加而降低，這可能是空氣中的氣溶膠粒子因吸濕增長而增強對能見度的消光作用［14-15］所造成的。而相對濕度小于等于60%時，能見度反而隨相對濕度的增加而增加，這可能與顆粒物的粒徑特性有關［16］，相對濕度越低，PM2.5中的小粒徑粒子數(shù)量占比越大，雖然其單粒子消光效率因子較小，但由于數(shù)濃度高，使得該部分氣溶膠粒子對消光的貢獻較大。

表1咸寧市2017-2018年不同相對濕度下的平均能見度與PM2.5濃度Tab.1 The average visibility and PM2.5 concentration under different relative humidity in Xianning City from 2017 to 2018

2017-2018年，將不同相對濕度下的能見度與PM2.5濃度（均為日均值）作散點圖并進行曲線擬合，結(jié)果如圖2所示。

圖2不同濕度能見度和PM2.5濃度曲線擬合Fig.2 Fitting curves of visibility and PM2.5 in different humidity

從圖2可以看出，能見度與PM2.5濃度呈非線性負相關關系。使用SPSS17.0軟件進行曲線擬合，咸寧市能見度與PM2.5濃度呈冪函數(shù)的相關性最大，這與姜斌彤等［17］的研究結(jié)果相似。擬合方程及參數(shù)為

式（1）中，VIS為能見度（km）；［PM2.5］為PM2.5濃度（μg·m-3）；a、b為系數(shù)。

不同相對濕度下，能見度與PM2.5濃度曲線擬合方程參數(shù)見表2。由于常以R2是否達到0.7為判別回歸模型的優(yōu)劣［18］，從表2可以看出，50%＜RH≤95%時，能見度與PM2.5質(zhì)量濃度曲線擬合較好，RH≤50%和RH＞95%時，能見度與PM2.5濃度曲線擬合較差。當相對濕度大于95%時，造成的能見度惡化通常為霧［19］，此時能見度受水汽影響較大；當相對濕度小于50%時，能見度可能受PM2.5的粒徑特性影響較大［16］。

2.3 能見度擬合方程及驗證

表1的數(shù)據(jù)量統(tǒng)計表明，咸寧市50%＜RH≤95%的天數(shù)占總天數(shù)的86.9%，因此建立50%＜RH≤95%時的能見度與PM2.5濃度曲線方程具有一定的現(xiàn)實指導意義。從表2可以看出，曲線方程系數(shù)b受相對濕度影響較小，曲線方程系數(shù)a受相對濕度影響較大。將曲線方程系數(shù)a與相對濕度（平均值）作散點圖并進行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。

表2不同相對濕度下能見度與PM2.5濃度曲線擬合方程參數(shù)Tab.2 Visibility and PM2.5 concentration curve fitting equation parameters at the different relative humidity

圖3表2中曲線方程系數(shù)a與相對濕度線性擬合Fig.3 Linear fitting of curve equation coefficient a and relative humidity in Table 2

用最小二乘法得線性回歸方程為y=-52.372 5x+5 403.522 1，x為相對濕度（%），y為曲線方程系數(shù)a值，其顯著性檢驗P值為0.015，決定系數(shù)R2=0.895 0。將曲線方程系數(shù)a代入公式（1），同時為使方程簡化，將曲線方程系數(shù)b取均值-1.347 2，得到50%＜RH≤95%時的能見度關于PM2.5濃度、相對濕度的曲線方程為，

式（2）中，VIS為能見度（km）；［PM2.5］為PM2.5濃度（μg·m-3）；RH為相對濕度（%）。從式（2）可以看出，能見度與PM2.5濃度、相對濕度均呈負相關關系，這與郝巨飛等［12］的研究結(jié)論一致。

根據(jù)《霾的觀測和預報等級》［20］中對霾的判識標準，排除降雨、吹雪等天氣現(xiàn)象影響（RH＞80%），咸寧市平均相對濕度約為65%，使用回歸方程進行點估計得出咸寧市觀測霾的PM2.5臨界濃度為51μg/m3。這與何佳寶等［21］對寧波市的研究結(jié)果有較大區(qū)別（能見度為10 km的臨界點上，60%＜RH≤70%時，PM2.5質(zhì)量濃度臨界值為63.6μg/m3），分析其原因可能如下：

①參照的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》［6］不同，該文中PM2.5濃度為監(jiān)測時大氣溫度和壓力下的濃度，而何佳寶等［21］使用的是標準狀態(tài)下的濃度；

②地理環(huán)境、氣候特征不同，造成的氣象條件（如濕度、風速等）、污染物理化特性差異也是影響能見度的重要因素［4-5］；

③監(jiān)測所使用的儀器型號、分析方法不同等對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

為驗證式（2）對能見度的模擬效果，利用咸寧市2019年1-2月的國控空氣站點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證。將2019年1-2月的PM2.5濃度、相對濕度數(shù)據(jù)代入式（2）計算得到能見度擬合值，用能見度擬合值與實測值做散點圖并進行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖4擬合能見度與實測能見度散點圖Fig.4 Scatterplot of fitted visibility and measured visibility

用最小二乘法計算得到能見度擬合值與實測值之間的線性回歸方程：y=1.018 0x-0.744 6，決定系數(shù)R2=0.885 3，與宋明等［22］對天津市能見度的模擬效果（其回歸方程為y=0.80x+1.78，相關系數(shù)R=0.915）相近。由此可知，擬合方程式（2）對咸寧市能見度具有較好的模擬能力，可用于預測能見度和PM2.5濃度。

3 結(jié)論

咸寧市能見度和PM2.5濃度具有明顯季節(jié)變化特征，夏季PM2.5濃度較低而能見度較高，冬季PM2.5濃度較高而能見度較低。咸寧市能見度與PM2.5濃度呈冪函數(shù)相關關系，但相對濕度不同時，其擬合優(yōu)度不同，50%＜RH≤95%時擬合度較好，RH≤50%和RH＞95%時擬合度較差。50%＜RH≤95%時，咸寧市能見度關于PM2.5濃度和相對濕度的擬合方程為：VIS=（-52.372 5·RH+5 403.522 1）·［PM2.5］-1.3472，相對濕度為65%時，咸寧市觀測霾的PM2.5臨界濃度為51μg/m3。擬合方程經(jīng)驗證模擬效果較好，可用于能見度和PM2.5濃度的預測。