南京及周邊區(qū)域亞青期間大氣監(jiān)控預(yù)警走航觀測(cè)研究

張祥志，王自發(fā)，謝品華，王晨波，劉建軍，杜嵩山，何 源，湯莉莉

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇南京210036

2．中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029

3．中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽合肥230031

4．濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濟(jì)南250013

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，大氣污染問(wèn)題逐漸突出，持續(xù)性重污染事件頻發(fā)［1-2］。針對(duì)區(qū)域性大氣污染問(wèn)題，通常采用地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)觀測(cè)結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)，研究區(qū)域大氣污染特征［3］。但為了進(jìn)一步掌握了區(qū)域大氣污染分布和輸送規(guī)律，提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大氣深度觀測(cè)解析和模式預(yù)報(bào)能力，走航觀測(cè)是解決此類問(wèn)題的有效手段［4］。此類觀測(cè)可提供較大范圍的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。其中激光雷達(dá)、差分吸收光譜技術(shù)在氣溶膠、痕量氣體的垂直分布監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用［5］。

運(yùn)用被動(dòng)DOAS技術(shù)，將天頂太陽(yáng)散射光作為光源，通過(guò)測(cè)量天頂紫外/可見(jiàn)吸收光譜來(lái)研究整層大氣中痕量氣體的垂直柱密度和空間分布情況，其實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。Galle等人使用被動(dòng)DOAS技術(shù)研究了火山排放氣體的成分組成情況［6］。McGonigle等人則用該技術(shù)對(duì)污染源污染氣體的排放進(jìn)行了測(cè)量［7］。陳敏東等利用AML-3車載式大氣環(huán)境污染激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)近地面、高空的O3時(shí)空分布及溫度、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，總結(jié)北京地區(qū)的臭氧污染分布及影響因子［8］。謝晨波等研制車載式拉曼－米散射激光雷達(dá)，用于大氣能見(jiàn)度、垂直對(duì)流層氣溶膠和水汽混合比的探測(cè)［9］。謝品華、李昂等利用車載被動(dòng)DOAS系統(tǒng)在奧運(yùn)前后分賽前和賽時(shí)不同時(shí)段，對(duì)北京市某大型鋼鐵企業(yè)污染氣體的排放通量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，采用圍繞區(qū)域一周連續(xù)進(jìn)行測(cè)量的方法，根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速，判斷進(jìn)、出該區(qū)域通量的差獲得凈通量［10］。吳豐成等利用車載DOAS技術(shù)分別在上海世博和廣州亞會(huì)期間，對(duì)上海及廣州重點(diǎn)工業(yè)區(qū)SO2、NO2進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與站點(diǎn)點(diǎn)式儀器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比［11-12］。但這些研究存在時(shí)間較短或者觀測(cè)范圍小等缺點(diǎn)。

為了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來(lái)源、時(shí)空分布和輸送規(guī)律，測(cè)試空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式模擬能力，江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合中科院大氣物理所、中科院安徽光機(jī)所、南京大學(xué)、南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站等15家單位，運(yùn)用4輛走航觀測(cè)車，開(kāi)展了為期一個(gè)月的夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測(cè)，觀測(cè)區(qū)域覆蓋江蘇沿江8市及安徽部分地區(qū)。該次走航觀測(cè)有力支撐了亞青會(huì)的空氣質(zhì)量保障，為2014年青奧會(huì)空氣質(zhì)量保障積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 走航觀測(cè)方法

1.1 觀測(cè)原則

該次走航觀測(cè)原則上按照“三橫三縱”(見(jiàn)圖1)框架開(kāi)展，該框架依托江蘇發(fā)達(dá)的高速公路網(wǎng)，綜合考慮夏季季風(fēng)、污染物傳輸通道和固定測(cè)站分布情況，觀測(cè)區(qū)域覆蓋了南京及其周邊區(qū)域。在實(shí)際走航觀測(cè)工作中，具體時(shí)間和路線則是在框架內(nèi)結(jié)合固定測(cè)站和模式預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高觀測(cè)的針對(duì)性和目的性。如固定測(cè)站和模式預(yù)報(bào)觀測(cè)到某地區(qū)的大氣污染物濃度明顯上升，那么監(jiān)測(cè)車即從南京出發(fā)，沿著框架路線向該地區(qū)行駛，并沿途進(jìn)行觀測(cè)，達(dá)到目的地后，再對(duì)目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行環(huán)繞掃描;如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，還可以進(jìn)行固定點(diǎn)位的觀測(cè)。

圖1 夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測(cè)期間移動(dòng)觀測(cè)主要路線

1.2 觀測(cè)目的

觀測(cè)目的主要分兩個(gè)方面。一是了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來(lái)源、時(shí)空分布;二是了解南京及周邊地區(qū)夏季光化學(xué)污染物臭氧的傳輸特征。

1.3 觀測(cè)方案

1.3.1 南京及周邊地區(qū)移動(dòng)觀測(cè)

根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果，出動(dòng)4輛觀測(cè)車，沿“三橫三縱”路線開(kāi)展走航觀測(cè)，從而了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)主要污染物的整體空間分布和輸送規(guī)律，并與模式互相校驗(yàn)比對(duì)。

中科院大氣物理研究所的移動(dòng)觀測(cè)車將主要以觀測(cè)各污染氣體為主，包括 NO、NO2、NOx、O3、SO2、CO等。濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站移動(dòng)觀測(cè)車則主要以氣溶膠激光雷達(dá)(ASL 300)和多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)(WLS 70)觀測(cè)為主，以獲取垂直方向上的氣溶膠消光系數(shù)和氣象參量為主。因此大氣所和濟(jì)南環(huán)境監(jiān)測(cè)中心兩輛移動(dòng)觀測(cè)車可以互相輔佐，同時(shí)兼顧地面和垂直，進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)。

中科院安徽光機(jī)所兩臺(tái)移動(dòng)監(jiān)測(cè)車，SOFFTIR，DOAS及風(fēng)廓線儀等污染源排放測(cè)量系統(tǒng)，與大氣所移動(dòng)觀測(cè)車統(tǒng)一協(xié)調(diào)，沿著不同的路線，對(duì)區(qū)域和城市上空的VOC、SO2、NO2等進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得區(qū)域SO2、NO2柱濃度水平分布圖，揭示區(qū)域/城市的污染氣體的水平分布特征。

1.3.2 重點(diǎn)工業(yè)區(qū)污染源排放移動(dòng)監(jiān)測(cè)

沿工業(yè)區(qū)周邊/界面開(kāi)展走航觀測(cè)，獲得測(cè)量路徑上 SO2、NO2、VOC、NOx、O3等光化學(xué)污染前體物的分布，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬得到工業(yè)區(qū)的污染氣體排放通量，所獲取的數(shù)據(jù)用于更新數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的污染源排放清單。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

走航觀測(cè)自2013年8月4—23日，共累積開(kāi)展了20個(gè)工作日的測(cè)量，走航行程超過(guò)了1 000 km，獲取了大量有效數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)一步綜合分析，初步揭示了以下2個(gè)結(jié)論。

2.1 內(nèi)源是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素

亞青會(huì)期間，雖然南京市采取了一定的管控措施，但內(nèi)源仍是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素。南京內(nèi)環(huán)走航觀測(cè)結(jié)果顯示(圖2)，機(jī)動(dòng)車排放對(duì)NO2貢獻(xiàn)明顯，尤其在機(jī)動(dòng)車流量密集地區(qū)，影響尤為明顯。南京小繞城走航觀測(cè)結(jié)果顯示(圖3)，南京揚(yáng)子石化等工業(yè)區(qū)排放的SO2、NO2明顯高于主城區(qū)，在東北風(fēng)作用下，會(huì)影響南京市區(qū)空氣質(zhì)量。

圖2 南京內(nèi)環(huán)走航觀測(cè)大氣污染物特征

圖3 南京小繞城走航觀測(cè)NO2、SO2特征

2.2 外源輸入對(duì)江蘇省空氣質(zhì)量有重要影響

江蘇地處平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，無(wú)論是來(lái)自北方沙塵的影響，還是來(lái)自南部污染物擴(kuò)散，都會(huì)直接影響到江蘇，從而使該省成為南北大氣污染物主要輸送通道。蘇南地區(qū)走航觀測(cè)結(jié)果顯示，8月份南通、蘇州兩市O3重污染天氣除受內(nèi)源影響外，來(lái)自省外東南方向的外源輸送貢獻(xiàn)不可小覷(圖4)。

從南京周邊地區(qū)走航觀測(cè)結(jié)果結(jié)合后向軌跡追蹤分析可知，受江蘇省外西南方向污染物傳輸?shù)挠绊?，南京部分地區(qū)的SO2、NO2濃度出現(xiàn)高值，見(jiàn)圖5。

圖4 南通市走航觀測(cè)臭氧特征

圖5 南京市周邊地區(qū)走航觀測(cè)NO2、SO2特征

3 結(jié)論

1)機(jī)動(dòng)車移動(dòng)源排放NO2對(duì)夏季南京空氣質(zhì)量影響明顯;

2)工業(yè)源排放的SO2、NO2對(duì)南京主城區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響;

3)造成南京及周邊區(qū)域夏季臭氧污染的原因一方面是由于內(nèi)源排放，另一方面來(lái)自省外東南方向的污染物傳輸;

4)江蘇省外西南方向排放的大氣污染物，對(duì)南京空氣質(zhì)量影響明顯。

［1］鐘流舉，鄭君瑜，雷國(guó)強(qiáng)，等．空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2007，23(2)：112-118．

［2］劉娟．長(zhǎng)三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)的思考［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(4)：135-140．

［3］黃嫣旻，魏海萍，段玉森，等．上海世博會(huì)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和原因分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(9)：58-63．

［4］陳煥盛，王自發(fā)，吳其重，等．空氣質(zhì)量多模式系統(tǒng)在廣州應(yīng)用及對(duì)PM10預(yù)報(bào)效果評(píng)估［J］．氣候與環(huán)境研究，2013，18(9)：427-435．

［5］周海金．大氣氣溶膠與痕量氣體廓線MAX-DOAS遙測(cè)方法研究［D］．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013．

［6］Galle B，Oppenheimer C，Geyer A，et al．A miniaturized ultraviolet spectrometer for remote sensing of SO2fluxes：a new tool for volcano surveillance［J］．Journal ofVolcanology and GeothermalResearch，2003，119(1)：241-254．

［7］McGonigle A J S，Oppenheimer C，Galle B，et al．Walking traverse and scanning DOAS measurements of volcanic gas emission rates［J］．Geophysical Research Letters，2002，29(20)：1-4．

［8］嚴(yán)茹莎，陳敏東，高慶先，等．北京夏季典型臭氧污染分布特征及影響因子［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2013，26(1)：43-49．

［9］謝晨波，韓永，李超，等．車載式激光雷達(dá)測(cè)量大氣水平能見(jiàn)度［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2005，17(7)：971-975．

［10］李昂，謝品華，竇科，等．奧運(yùn)期間北京某工業(yè)區(qū)排放通量的車載被動(dòng) DOAS遙測(cè)研究［J］．大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5)：341-346．

［11］吳豐成，李昂，謝品華，等．城市污染氣體分布的車載被動(dòng)差分光學(xué)吸收光譜遙測(cè)技術(shù)研究［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(3)：583-588．

［12］吳豐成，謝品華，李昂，等．基于車載 DOAS的污染氣體排放通量及區(qū)域污染氣體分布研究［J］．中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集，2011．