北京地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性與區(qū)域霧霾事件分析*

孫文文 江 洪，2，# 陳洪濱 陳曉峰 舒海燕 馬錦麗

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2.南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210093；3.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；4.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

大氣氣溶膠是指長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中能被觀察或測(cè)量的液體或固體顆粒[1]，它是構(gòu)成地球輻射平衡和云屬性的重要組成部分。近年來(lái)，因氣候效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，氣溶膠的研究已成為科學(xué)界廣泛關(guān)注的一個(gè)重要領(lǐng)域，其中氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)可以用來(lái)表現(xiàn)大氣渾濁度，對(duì)于評(píng)價(jià)大氣污染、研究氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)具有重要意義，并在一定程度上能反映區(qū)域大氣的污染程度[2-4]。普遍認(rèn)為，AOD是表征大氣渾濁度和氣溶膠含量的一個(gè)重要物理參量，如通過(guò)AOD與波長(zhǎng)的關(guān)系得到兩個(gè)重要的?ngstr?m參數(shù)(即波長(zhǎng)指數(shù)(α)和渾濁系數(shù)(β))。α為氣溶膠粒子尺度分布的重要指標(biāo)，其值越小，氣溶膠平均粒徑越大；β為大氣氣溶膠沉降的量度指標(biāo)，也是氣候模型及氣候變化中的一個(gè)重要因素，可以粗略地估計(jì)氣溶膠類型，在一定程度上可反映大氣的污染狀況。另外，根據(jù)α的計(jì)算結(jié)果來(lái)說(shuō)明粒子譜分布，而粒子譜的分布又可反映大氣氣溶膠模式(如城市工業(yè)型氣溶膠)，從而對(duì)了解監(jiān)測(cè)大氣污染的空間分布、來(lái)源和區(qū)域輸送有很大幫助[5]9。世界許多國(guó)家已投入了大量研究經(jīng)費(fèi)用于氣溶膠地面及空間的監(jiān)測(cè)和模擬研究。MIKHALEV等[6]利用法國(guó)CEMEL公司制造的自動(dòng)跟蹤掃描太陽(yáng)光度計(jì)(CE-318)獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了西伯利亞地區(qū)2004—2008年大氣氣溶膠逐日變化規(guī)律和季節(jié)變化規(guī)律。SAKERIN等[7]利用CE-318對(duì)西伯利亞平原東南部的托木斯克以及俄羅斯的亞洲地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，研究了該區(qū)域?ngstr?m參數(shù)的季節(jié)變化特征。近年來(lái)，我國(guó)CHEN等[8]、肖忠湧[9]也在不同領(lǐng)域進(jìn)行了許多利用CE-318遙感監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的研究工作。地基氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立為氣溶膠光學(xué)特性的認(rèn)識(shí)提供了較精確的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，是目前研究AOD遙感監(jiān)測(cè)較準(zhǔn)確的方法，具有常規(guī)地面采樣無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它不但可以連續(xù)地獲取大氣氣溶膠的整體光學(xué)特性，而且其得到的數(shù)據(jù)精度較高，還可用來(lái)驗(yàn)證和校正衛(wèi)星遙感的精度。

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，北京地區(qū)人口和機(jī)動(dòng)車輛急劇增加，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，可吸入顆粒物已成為北京地區(qū)的首要空氣污染物，它是氣溶膠的重要組成部分。大氣氣溶膠顆粒物的來(lái)源眾多且復(fù)雜，因此研究北京地區(qū)大氣氣溶膠的來(lái)源及其特征，對(duì)科學(xué)預(yù)測(cè)以及有效控制北京地區(qū)大氣顆粒物污染有著重要意義。針對(duì)北京地區(qū)大氣污染監(jiān)測(cè)和環(huán)境治理的需求，本研究開(kāi)展了北京地區(qū)大氣氣溶膠觀測(cè)研究工作，結(jié)合前人的成果取得了基本的研究進(jìn)展。然而，氣溶膠產(chǎn)品在時(shí)間和空間上的變化對(duì)于估測(cè)一個(gè)地區(qū)氣溶膠輻射效應(yīng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響以及全球氣候效應(yīng)是一個(gè)難點(diǎn)[10]，本研究利用CE-318獲取北京地區(qū)2013年1月至2014年11月氣溶膠數(shù)據(jù)，并結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的氣象資料進(jìn)行后向軌跡分析，探討了污染物來(lái)源與其霧霾事件的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 ?ngstr?m參數(shù)計(jì)算方法

假設(shè)氣溶膠粒子的譜分布滿足Junge分布(僅適用于描述潔凈大氣中半徑為0.1～2.0 μm的氣溶膠粒子分布)的情況下，AOD跟波長(zhǎng)之間的關(guān)系可用式(1)表示。

τa(λ)=βλ-α

(1)

式中：τa(λ)為AOD；λ為波長(zhǎng)，nm。

假設(shè)波長(zhǎng)λ1、λ2沒(méi)有水汽影響(通常利用440、870 nm進(jìn)行計(jì)算)，則可得式(2)和式(3)，從而得到任何波長(zhǎng)的AOD。

(2)

(3)

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地及數(shù)據(jù)來(lái)源

試驗(yàn)場(chǎng)地位于北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰西路的中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所。該所地處39.977°N、116.381°E，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。

氣溶膠數(shù)據(jù)主要由CE-318直接觀測(cè)得來(lái)，經(jīng)過(guò)CE-318軟件ASTPWin反演獲得4個(gè)波長(zhǎng)(440、675、870、1 020 nm)的AOD，然后根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算?ngstr?m參數(shù)。由于MODIS只能反演550 nm處的AOD，因此通過(guò)埃斯屈朗方程進(jìn)行插值，求得550 nm的AOD，再對(duì)其進(jìn)行垂直校正和濕度校正，對(duì)PM10與AOD進(jìn)行相關(guān)性分析。PM10數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其余數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市環(huán)境保護(hù)局。

2 結(jié)果與討論

2.1 AOD反演結(jié)果與分析

圖1和圖2描述了北京地區(qū)2013—2014年4個(gè)波長(zhǎng)的AOD月變化和季節(jié)變化特征，4個(gè)波長(zhǎng)AOD變化基本一致。由于CE-318軟件ASTPWin反演獲得4個(gè)波長(zhǎng)的AOD基本一致，且440 nm的AOD最接近MODIS反演所得550 nm的AOD，因此本研究主要討論了440 nm的AOD。由圖1(a)可知，2013年北京地區(qū)AOD月均值呈雙峰曲線，具有明顯的月變化特征。以440 nm為例，AOD月均值在0.18～0.91波動(dòng)，最高值分別出現(xiàn)在3、6月，其次是1月，尤其是6月達(dá)到了0.91，原因是由于生物質(zhì)的燃燒在夏季尤為明顯[11]，且夏季垂直方向湍流發(fā)展強(qiáng)盛，有更多的顆粒物被送到高空，另外根據(jù)北京氣象局氣象資料顯示，2013年6月大多是多云或有雨的天氣，風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，風(fēng)力為3～4級(jí)，顆粒物主要來(lái)源于北京南部以及西南部的區(qū)域性傳輸[12]869。而且，隨著雨季的到來(lái)，空氣中的水汽較多，使得整層大氣AOD增大，并且影響著氣溶膠顆粒物的形狀和輻射效應(yīng)，最終影響AOD以及α[13]。3月的AOD達(dá)到了0.61，跟前人結(jié)果一致，主要原因是由于兩大污染源：交通和煤炭燃燒[14]，且北京3—4月沙塵較多也是造成AOD偏高的原因之一。1月的AOD為0.41，而B(niǎo)I等[15]對(duì)北京地區(qū)2013年1月嚴(yán)重空氣污染事件的相關(guān)研究表明，霧霾發(fā)生期間，PM2.5濃度迅速升高，為這時(shí)段氣溶膠的主要成分，440 nm的AOD≥1.0。

圖1 北京地區(qū)2013—2014年AOD月變化Fig.1 Monthly variation of aerosol optical depth in Beijing in 2013 and 2014

圖2 北京地區(qū)2013—2014年AOD季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of aerosol optical depth in Beijing in 2013 and 2014

由圖1(b)可知，2014年北京AOD月均值呈現(xiàn)單峰曲線。以440 nm為例，AOD月均值在0.11～0.83波動(dòng)，最高值出現(xiàn)在4月。分析原因，主要還是由于北京春天的沙塵暴天氣頻繁，沙塵地區(qū)中低層較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)將當(dāng)?shù)厣硥m垂直送到高空[16]。申彥波等[17]利用CE-318測(cè)得的結(jié)果分析了2001年春季我國(guó)北方大氣AOD的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明，在觀測(cè)期間內(nèi)各站點(diǎn)每月都有500 nm的AOD>1.04的現(xiàn)象出現(xiàn)，與我國(guó)北方春季發(fā)生沙塵天氣時(shí)氣溶膠的時(shí)空分布特征基本一致，同時(shí)春季北京風(fēng)速大、干燥、低濕度，城市建筑工地以及裸露地表的揚(yáng)塵、汽車尾氣和工業(yè)廢氣的排放也嚴(yán)重影響著空氣質(zhì)量[12]874。

由圖2可知，北京地區(qū)AOD具有春夏季大、秋冬季小的特點(diǎn)。較2013年，2014年AOD波動(dòng)變化較小，總體趨勢(shì)除春季變化較明顯以外，夏、秋、冬季變化趨于平緩。北京地區(qū)2013—2014年AOD最高值均出現(xiàn)在春季(2013、2014年440 nm的AOD分別為0.52、0.64)，夏、秋季有明顯的下降過(guò)程，但是冬季有上升的趨勢(shì)。李放等[18]利用1997—1985年北京地區(qū)太陽(yáng)直接輻射資料分析了該地區(qū)AOD特性得出，該地區(qū)AOD有春夏季大、秋冬季小的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

2.2 α、β的計(jì)算

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算得到北京地區(qū)2013—2014年的α和β月變化和季節(jié)變化特征，見(jiàn)圖3和圖4。2013、2014年α分別在0.82～1.33、0.89～1.64波動(dòng)。一般認(rèn)為，α較小時(shí)，表明大粒徑氣溶膠為主控粒子，α較大時(shí)，表明小粒徑氣溶膠為主控粒子；α<0.4，歸為沙塵粒子或海鹽粒子；α為1.1～1.5，歸為城市工業(yè)型氣溶膠；α為1.55～1.95，歸為生物質(zhì)燃燒的氣溶膠[5]10-11。由圖3可知，2013年北京地區(qū)6—9月α達(dá)到最大，說(shuō)明此時(shí)城市工業(yè)型氣溶膠為氣溶膠的主要成分[19-20]，較小的氣溶膠主要來(lái)源于人為污染，尤其是汽車尾氣、工業(yè)廢氣等排放。由圖3和圖4可以看出，α<0.4的情況沒(méi)有，說(shuō)明北京地區(qū)受沙塵天氣影響不明顯，氣溶膠主要來(lái)自城市工業(yè)型氣溶膠或生物質(zhì)燃燒的氣溶膠。研究結(jié)果與許多科學(xué)研究者得出的結(jié)論不相符，主要原因是圖3和圖4分別說(shuō)明的是該地區(qū)2013—2014年?ngstr?m參數(shù)的月平均與季節(jié)平均，并不能代表各月或各季節(jié)的實(shí)測(cè)變化。

比較圖2和圖4可以看出，α的季節(jié)變化與AOD的季節(jié)變化呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)春季AOD達(dá)到最大值時(shí)，α最小，說(shuō)明AOD對(duì)于估算α具有很高的精確性。2014年α最大值出現(xiàn)在10月，明顯高于6—9月，根據(jù)北京市環(huán)境保護(hù)局和氣象部門(mén)以及MODIS搭載的Terra衛(wèi)星資料顯示，華北地區(qū)2014年10月20—25日以及10月30日出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣導(dǎo)致α迅速上升[21]。從圖4可以看出，北京2013—2014年春季空氣的β最大，夏季次之，秋、冬季最小，原因由于春季，尤其是4月北京多沙塵天氣[22]，根據(jù)北京市環(huán)境保護(hù)局公布的空氣質(zhì)量報(bào)告可以看出，北京春季PM2.5濃度也達(dá)到了最高值。

2.3 與霧霾事件相關(guān)性分析

霾天氣表征了大氣污染狀況[23]。由于受各種因素的影響，如云和降水等，連續(xù)獲取一周的數(shù)據(jù)較困難，因此選取北京地區(qū)2013年6月12、13、15日以及2014年4月14日霧霾發(fā)生期間、天氣較好觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)特性變化來(lái)分析其日變化特征。從圖5可以看出，440 nm的AOD日變化較明顯，但沒(méi)有明顯的規(guī)律性。另外，440 nm的AOD變化不是連續(xù)逐變的，一般在天黑和第2天早上出現(xiàn)跳躍，這主要是夜間氣溶膠狀況發(fā)生了改變，而CE-318夜間不能觀測(cè)。2013年6月13、15日AOD日變化較平穩(wěn)，一直保持在較高水平，利用NOAA的HYSPLIT模型對(duì)北京地區(qū)顆粒物進(jìn)行溯源和追蹤分析可知，較高的AOD一般出現(xiàn)在顆粒物移動(dòng)較慢以及水汽較多的天氣[24-25]。于近地面100～1 500 m高空有3支氣流(見(jiàn)圖6(a))，其中100、500 m高空氣流經(jīng)過(guò)港口城市大連，經(jīng)渤海灣、山東煙臺(tái)、黃海，再經(jīng)山東到達(dá)北京，此時(shí)由2013年6月13、15日AOD計(jì)算所得α也在1.03～1.69，說(shuō)明該氣流所攜帶的氣溶膠成分主要由城市工業(yè)型氣溶膠組成，其次為海鹽成分。另一支1 500 m高空氣流由安徽經(jīng)過(guò)江蘇等地途經(jīng)東海，又經(jīng)江蘇、山東、河北直流而上到達(dá)北京，因此造成較高值的AOD。6月12日變化較特殊，一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，查詢當(dāng)天天氣，該日為陰天，偏南風(fēng)，符合氣流軌跡方向，造成AOD持續(xù)上升的原因是由于該氣流所攜帶的顆粒物在此處聚集，不易擴(kuò)散。2014年4月14日440 nm的AOD在1.09～2.82波動(dòng)，8：00和12：00—13：00時(shí)達(dá)到最高值，分析其原因可能是地面交通的影響，查詢?cè)撎焯鞖馇闆r，當(dāng)天有霾出現(xiàn)并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，致使水平能見(jiàn)度小于10 km的空氣出現(xiàn)普遍渾濁現(xiàn)象，能見(jiàn)度的惡化主要與地面細(xì)顆粒物的濃度有較大關(guān)系[26]。在此之前，京津翼等地區(qū)在2013年1—3月已出現(xiàn)多次大范圍霧霾天氣且發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染強(qiáng)度大[27]。近地面100、500 m高空有來(lái)自黃海及東海海域的兩支氣流經(jīng)過(guò)山東、河北、天津等地聚集之后到達(dá)北京；另外一支1 500 m高空氣流由內(nèi)蒙地區(qū)經(jīng)過(guò)山西到達(dá)北京(見(jiàn)圖6(b))。因此，4月14日AOD波動(dòng)范圍較大，且日變化沒(méi)有明顯的規(guī)律性。此外，根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站查詢的空氣質(zhì)量，對(duì)霧霾期間PM10與MODIS反演所得550 nm的AOD進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。北京地區(qū)2013年6月以及2014年4月PM10與AOD的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.418和0.599，說(shuō)明霧霾發(fā)生期間PM10與AOD的相關(guān)性較高，與符傳博等[28]的研究結(jié)果相吻合。

圖3 北京地區(qū)2013—2014年的α和β月變化Fig.3 Monthly variation of wavelength exponent and turbidity coefficient in Beijing in 2013 and 2014

圖4 北京地區(qū)2013—2014年的α和β季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of wavelength exponent and turbidity coefficient in Beijing in 2013 and 2014

圖5 北京地區(qū)2013年6月和2014年4月440 nm的AOD日變化Fig.5 Daily variation of aerosol optical depth of 440 nm in Beijing in June 2013 and April 2014

圖6 北京市2013—2014年霧霾發(fā)生期間大氣顆粒物搬運(yùn)軌跡追蹤Fig.6 Tracing of atmospheric particulates in typical sand and dust days in 2013-2014，Beijing

綜合而言，在空間上，北京地區(qū)氣溶膠顆粒物在大尺度上主要來(lái)源于內(nèi)蒙地區(qū)的沙塵以及近海海域的海鹽顆粒，小范圍內(nèi)的氣溶膠顆粒主要來(lái)自人為污染尤其是汽車尾氣、工業(yè)廢氣等排放。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 在時(shí)間上，北京地區(qū)AOD具有春夏季大、秋冬季小的特點(diǎn)。

(2) 在空間上，北京地區(qū)氣溶膠顆粒物在大尺度上主要來(lái)源于內(nèi)蒙地區(qū)的沙塵以及近海海域的海鹽顆粒，小范圍內(nèi)的氣溶膠顆粒主要來(lái)自人為污染尤其是汽車尾氣、工業(yè)廢氣等排放。

圖7 北京地區(qū)2013年6月和2014年4月霧霾發(fā)生期間PM10與550 nm的AOD相關(guān)性分析Fig.7 The correlation analysis of PM10 and AOD of 550 nm during the haze occurred in June 2013 and April 2014，Beijing

(3) 北京地區(qū)2013年6月以及2014年4月PM10與AOD的R2分別為0.418和0.599，說(shuō)明霧霾發(fā)生期間PM10與AOD的相關(guān)性較高。

(4) 由于AOD表征的是數(shù)十千米的大氣平均環(huán)境質(zhì)量狀況，加上地基遙感監(jiān)測(cè)范圍的局限性，本研究所得出的AOD月變化與季節(jié)變化特征只能代表該月或該季節(jié)的大氣平均環(huán)境質(zhì)量情況，并不能說(shuō)明某些特殊天氣狀況。

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