雾霾期间相对湿度对能见度降低的影响：案例研究外文翻译资料

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雾霾期间相对湿度对能见度降低的影响：案例研究

Impact of relative humidity on visibility degradation during a haze event:A case study

摘要：气溶胶的光散射能力取决于环境相对湿度（RH），因为吸湿性颗粒在高RH下吸收水汽，导致低能见度的出现。本研究使用定制并行浊度计（PNEPs）测量气溶胶散射增长因子fnof;（RH），并利用能见度，PM_2.5，黑碳，水溶性离子浓度，地面气象要素等数据，结合天气形式背景，分析广州2013年12月8-15日的一次霾事件。在此次霾事件期间观测到不利的天气条件，例如高RH和低风速。PM_2.5的小时平均质量浓度为127mu;g/ m³，其中9号的浓度为192.4mu;g/ m³，13号的浓度为196mu;g/ m³。在该霾过程中，fnof;（RH）没有出现显著变化，值为fnof;（80％）=1.58plusmn;0.07。虽然在12月12日后PM_2.5中水溶性离子质量分数下降，但是由于硫酸盐具有较强的吸水能力，其质量分数的增大导致气溶性的吸湿不会发生明显变化。f（RH）拟合的最佳参数化函数是f（RH）= 0.731 0.1375 *（1-RH / 100）^-1 0.00719 *（1-RH / 100）^-2。结合上述固定的fnof;（RH）的参数化，用干情形下测量的颗粒物和气体的光散射和吸收系数以及环境湿度计算能见度。预测的能见度范围与剔除降水的观测值分布一致。使用ISORROPIA II模型，在较低RH情形下，利用环境RH计算的气溶胶液态水含量（ALWC）受较高的RH影响较大，与PM_2.5变化一致。这项工作还表明即使由于降水PM_2.5质量浓度降低，但伴随降水出现的高RH将增强气溶胶吸湿生长效应，导致能见度进一步的降低。

图片摘要：

计算的能见度（V_cal,dry和V_cal,wet）与观测值（V_mea）的比较

关键词：气溶胶 吸湿增强因子 能见度

HIGH LIGHT：

bull;定制并行浊度计（PNEPs）用于测量气溶胶散射增长因子fnof;（RH）。

bull;高环境湿度导致气溶胶吸湿性增长是极端低能见度出现的主要原因。

bull;考虑fnof;（RH）的可见范围的预测值与剔除降水的测量值非常吻合。

bull;即使PM_2.5质量下降，伴有降水的高RH会导致能见度进一步的降低。

1 引言

根据Koschmieder定律，能见度作为量化大气透明度的指标主要由气溶胶消光决定。在干情形件下，数谱分布特征（PNSD）是决定气溶胶消光最重要的因素，其次是相对折射率和颗粒形状（Charlson et al.,1992; Covert et al.,1972）。然而，在实际大气条件下，环境相对湿度对气溶胶光学特性有很大影响。大气气溶胶被分为吸湿性气溶胶和非吸湿性气溶胶。吸湿性气溶胶包括硫酸盐，硝酸盐，铵盐，海盐和其他无机组分，以及水溶性有机化合物（WSOC）。而非吸湿性气溶胶的化学组成主要包括黑碳和一些有机化合物。在环境大气中，吸湿性气溶胶在湿度增大时吸收水汽（Engelhart et al.,2011; Pilinis et al.,1989）。气溶胶中的水可以影响大气气溶胶的粒径尺寸和折射率，从而影响质量浓度，粒径分布和相应的光学特性（Cheng et al.,2008; Malm and Day,2001; Randles et al.,2004）。

环境大气的相对湿度具有显著的昼夜和季节变化特征。由于光散射随着粒径的增大而增强，当RH达到70-80%时，气溶胶的水含量通常可占细粒子质量的50％及以上，成为气溶胶光学性质的控制因素（Bohren and Huffman,1998; Mcmurry ,2000）。对于大气气溶胶，随着湿度增加，小粒子粒径增加从而进入更有效的中段可见光散射范围内，而颗粒的相对折射率由于水中吸收的可见光的相对折射率减小而减小。在两者的双重影响下，湿度的增大导致大气中的颗粒物散射增强（Covert et al.,1972）。

H-TDMA（吸湿串联差分电迁移率分析仪）和浊度计这两种主要技术，已经被广泛用于测量环境气溶胶的吸湿行为。前者通常用于测量不同RH条件下某些粒子的粒径变化（Carrico et al.,2005; Liu et al.,1978; Tan et al.,2013a）。本文使用的是后者，包括使用一个浊度计对给定的RH范围进行扫描或者使用两个并行浊度计（以下称为PNEPs）或者两个分别使用在低RH和高RH（lt;40％和~ 85％）（Carrico et al.,2000; Doherty et al.,2005;Gassoacute; et al.,2000; Quinn et al.,2005; Sheridan et al.,2002）。H-TDMA可以测量所选颗粒物粒径的增长因子（McMurry et al.,1996），而本文中使用的PNEPs可以集中在气溶胶光学特性的吸湿增长因子。除了这两种方法，一些研究是在实验室控制的环境中针对单一气溶胶或气溶胶混合物而展开（Peng et al.,2001; Tang and Munkelwitz,1994）。

珠江三角洲（PRD）在过去二十年经济迅速增长，成为中国三大经济区之一。随着工业化和城市化的迅速发展、人口增长、能源消耗和机动车的增加使得该地区成为气体和颗粒污染物以及二次气溶胶生成的重要来源（Wu et al.,2005; Tan et al.,2016）。在这个地区，极端低能见度事件是由于伴随高湿天气的颗粒物高负载而造成的。为了更好地理解RH对气溶胶光散射的影响，在本文中，测量了气溶胶散射增长因子fnof;（RH），同时测量了PM_2.5质量浓度，黑碳（BC）质量浓度和地面气象要素。比较了计算的和观测的气溶胶的消光系数以验证fnof;（RH）的参数化是有效的。基于对水溶性离子的测量计算了环境相对湿度下的气溶胶液态水含量，以评估RH对能见度降低的影响。

2 数据和测量

2.1测量站点

本研究在2013年12月8日至15日在中国广州的中国气象局大气观测网（CAWNET）站进行。番禺站位于珠三角地区中部，在大镇岗山（23°00N，113°21E）的顶部，海拔高度150m（图1）。比广州地区平均海拔高出120米，周围是没有重要的工业污染源的居民区。自2005年以来，很多学者已经研究了这个站点细颗粒物浓度、气溶胶光学特性和吸湿性以及气体污染物浓度（Wu et al.,2009; Tan et al.,2009; Deng et al.,2011; Deng et al.,2014; Tan et al.,2013a; Tan et al.,2013b; Li et al.,2012）。

图1：位于珠江三角洲区域的番禺站（CAWNET）

2.2仪器

表1总结了此次研究所需要的仪器的信息。基于地面的测量在温度保持在25℃的测量容器内进行。每个仪器的时间分辨率不同，因此所有数据在数据处理和分析期间以1小时的间隔进行平均。

表1：仪器测量

2.3 f（RH）的测量

使用波长为525nm的M9003积分浊度计在积分角10°-170°之间对气溶胶光散射系数（b_sp）进行测量。该仪器的测量范围为0-2000 Mm^-1，测量下限约为0.3 Mm^-1。在先前的研究中已经对这种仪器的详细信息进行了描述（Liu et al.,2008; Pan et al.,2009）。fnof;（RH）由在RH40％-90％的条件和干情形（RH lt;40％）下的气溶胶散射系数b_sp,hum，b_sp,dry之比来表示（Xu et al.,2002）。fnof;（RH）由定制的PNEPs测量，该PNEPs由两个平行的浊度计和一个湿度控制装置组成（图2）。加湿器包括加套不锈钢管中的去离子水浴和浸透它的水蒸气渗透膜管。通过用加热（冷却）设备控制水温来调节渗透进入的与样品空气混合的水蒸气。PNEPs的数据采集和程序控制系统被写入Labview 8.5。完成1个周期，RH从30％到90％，回到30％的一系列fnof;（RH）的测量需要1小时。

图2：平行积分浊度计(PNEPs)图解

每周对使用CO ₂气体的浊度计进行校准。此外，本文比较了b_sp,hum（RH lt;40％时的读数）和b_sp,dry读数（Day and Malm，2001），以评估由于两浊度计之间管道中气溶胶颗粒的耗损引起的测量误差。图3比较了b_sp,dry（RH lt;30％）和b_sp,hum（RH lt;40％），其中最佳拟合关系为y = 0.95x-3.33，其中x和y分别表示来自干燥气体通道和潮湿气体通道的读数。5％偏差是加湿器控制器中气溶胶颗粒的扩散损失造成的。考虑到气溶胶的扩散损失取决于粒子直径，且100nm以上的粒子的扩散损失可以忽略（Willeke and Baron,1993），当加湿器转为高湿状态，湿润气体通道的湿度折射率补偿应lt;5％。RHgt;40％时，本研究中的气溶胶折射率均根据上述公式进行校正。

图3：两个浊度计测量的散射系数b_sp,dry和b_sp,hum（RH lt;40％）对比

2.4 水溶性离子的测量

使用用于气溶胶和气体的在线监测仪器（MARGA，model ADI 2080，Applikon Analytical B.V. Corp.,the Netherlands）每小时对气溶胶中主要的水溶性无机（WSI）离子（NH₄ ,Na ,K ,Ca₂ , Mg₂ ,SO₄ ^2-,NO₃^-,Cl^-）和微量气体（HCl，HNO₂，SO₂，HNO₃，NH₃）进行测量。周围的空气通过具有PM_2.5冲击器的入口进入MARGA系统，通过旋转液膜气蚀器（WRD）将气体溶解在液体中，然后颗粒物通过过饱和蒸汽从蒸汽喷射气溶胶采集系统（SJAC）中喷射出。两种液体样品分别从玻璃过滤器中流出，并通过色谱法（IC）进行分析。该仪器每周使用内标溶液（LiBr）校准以确保数据质量。

2.5 使用ISORROPIAII模型模拟气溶胶液态水含量（ALWC）

采用MGAGA测量的水溶性离子浓度作为输入值，使用热力学平衡模型（ISORROPIAII）

重建颗粒的化学成分并计算ALWC（Fountoukis and Nenes,2007）。 ISORROPIA II模型假设气溶胶曲率效应可以忽略，气溶胶吸水对环境蒸汽压没有影响。该模型被设置为解决亚稳状态下的输出化学物质的“反向”问题，并且表现出迅速有效的计算速度。高RH 环境下，气溶胶的吸湿和光散射主要由珠三角地区的无机盐导致（Lin et al.,2014）。在ALWC的计算中，由于没有足够的水溶性有机化合物（WSOC）数据，在计算ALWC时没有考虑有机物的水分吸收。

3 结果与讨论

3.1 天气背景

广州地区有一个包括广州，香港，深圳和澳门在内的城市群。由于这些城市都临近珠江，因此广州地区也被称为珠江三角洲（PRD）地区。化石燃料使用的快速增长导致气溶胶浓度的增加和该区域的能见度的降低（Lau et al.,2003）。Chen（Chen et al.,2010）将2001年至2008年间雾霾发生期间的天气条件分成六个特征，包括预冷期，转变成冷高压移动入海，静止正面暖区，均压场，亚热带高压和台风外围。通常，每个霾事件的发生都对应一个或多个上述造成静止天气的天气状况（Wu et al.,2005; Li et al.,2014）。

2013年12月8日，中国南方地面天气状况从转变成冷高压移动入海变为均压场，导致广州地区一次雾霾事件的出现（图4a）。 12月9日，由于弱冷空气堆积，雾霾持续在广州。12月10日，影响广东的冷高压中心减弱并东移，同时弱冷空气南移。因此，广州持续存在雾霾。在12月11日，持续的弱冷空气流入广东省内。冷空气对雾霾并没有明显的清除效果，广州雾霾依旧持续（图4b）。12月12日，冷高压入海时发生了变化。广州出现了回流天气，雾霾持续发生（图4c）。 12月13日上午，又有一股弱冷空气南移至广州，出现短暂降水和雾，但仍然有霾。从12月13日晚到12月15日，由于持续的冷空气（图4d），天气从间歇性转为持续性降水，广州的能见度依旧很低。

总体上，从12月8日到15日，这个雾霾事件连续跨越多个天气条件，从冷高压移动入海到均压场和预冷期。在此期间，存在持续的冷空气流入，但由于冷空气强度相对较弱且较浅，海平面上1500米及以上的南风仍占主导地位。因此，雾霾持续了整个时段。从12月13日晚，一条切变线引起了广州的大雨。大雨的冲刷效应降低了颗粒物的浓度，但广州的能见度仍然很低。

图4：雾霾期间地面等压图

3.2 地面气象

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