文/王東方包權(quán)伏晴艷

空氣質(zhì)量的好壞直接影響人們的生活質(zhì)量與健康。隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化，從空氣污染角度來看，上海市的空氣污染已由煤煙型轉(zhuǎn)變?yōu)槊簾?光化學(xué)復(fù)合型，在粗顆粒物得到一定程度控制的同時，細(xì)顆粒物污染矛盾日益突出。

細(xì)顆粒物理化特征決定了其具有較強的消光能力，可以導(dǎo)致大氣能見度下降，進而影響城市地面和空中交通等，同時也會給人們的健康帶來一定程度的負(fù)面影響。相關(guān)研究表明,在城市區(qū)域，顆粒物的消光貢獻占總消光的75%～95%。因此，研究細(xì)顆粒物的消光特性，認(rèn)清影響能見度的主要原因及影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵污染物，就可以通過標(biāo)準(zhǔn)化手段來改善能見度、對污染源進行控制，為最終提升環(huán)境空氣質(zhì)量提供重要依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐。

大氣組分的消光作用是影響能見度的直接因素，包括散射和吸收，不同組分表現(xiàn)出不同的吸收和散射能力。一般來說，大氣的消光主要是由于顆粒物的消光導(dǎo)致，可以近似表示為：

式 （1） 中，σext,p為顆粒物的消光系數(shù)；σap為顆粒物的吸收系數(shù)；σsp為顆粒物的散射系數(shù)。

本文選取上海市兩次典型的污染過程，其中一次為區(qū)域性細(xì)顆粒物污染過程，一次為沙塵輸送影響過程。通過對兩次過程期間細(xì)顆粒物PM2.5的消光特性進行分析及對比，得到了典型污染過程下的細(xì)顆粒物光學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律，為進一步得出影響城市能見度下降的原因提供研究基礎(chǔ)。

一、觀測

1、站點情況

本文數(shù)據(jù)均來自于上海市環(huán)境監(jiān)測中心大氣復(fù)合污染自動監(jiān)測站，站點位于上海市浦東中心城區(qū)，點位周邊為商務(wù)辦公及住宅區(qū)，高度約25 m，周邊10 km范圍內(nèi)無明顯工業(yè)污染源且距離城市主干道較遠，其監(jiān)測數(shù)據(jù)一定程度上代表了上海市城市區(qū)域污染特征。

2、儀器及方法

散射系數(shù)測量采用AURORA3000三波長氣溶膠濁度計。測量的波長分別為紅635nm、綠525nm、藍450 nm，三波長同時測定測量大氣中顆粒物PM2.5所造成的光散射。此處選取和能見度最相關(guān)525 nm的散射系數(shù)進行研究。儀器內(nèi)設(shè)有加熱裝置，工作時加熱溫度50℃，相對濕度控制在60%以下，因此該儀器測得的是“干”氣溶膠的消光，未考慮一些揮發(fā)性組分的損耗。

吸收系數(shù)是通過測量黑碳濃度，再乘以黑碳吸收系數(shù)得到。黑碳測量采用七波段AE31 Aethalometer，該儀器可同時測量370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm和950 nm波長上的黑碳濃度。

從黑碳儀測量的黑碳?xì)馊苣z濃度（BC）計算顆粒物吸收系數(shù)σabs采用下面公式:

式（2） 中，αBC為黑碳質(zhì)量吸收系數(shù)；CBC為880 nm通道測量的黑碳濃度，單位為μg/m3；σabs為532 nm波長處的顆粒物吸收系數(shù)值，單位為Mm-1。

Arnott等在對黑碳儀和光聲光譜儀（PAS） 觀測的數(shù)據(jù)進行回歸分析后認(rèn)為，利用黑碳儀測量的黑碳濃度與PAS同步測量的吸收系數(shù)做線性回歸，得到黑碳濃度與吸收系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用來計算黑碳的吸收系數(shù)。上式（2）計算中，αBC取為8.28 m2/g，該數(shù)值是根據(jù)我國南方地區(qū)黑碳儀與PAS的比對試驗得到的結(jié)果。該數(shù)值與其它國外權(quán)威機構(gòu)的檢測數(shù)據(jù)接近。

能見度觀測采用PWD22能見度儀。

單次散射反照率定義為散射系數(shù)σsca與消光系數(shù)比σext值,反映了氣溶膠對散射和吸收的相對大小，如公式(3):

二、結(jié)果分析

1.區(qū)域性細(xì)顆粒物污染過程

①污染過程背景

2010年11月1日長三角區(qū)域大部分城市均出現(xiàn)空氣污染物超標(biāo)天氣，首要污染物均為可吸入顆粒物，其中API指數(shù)上海為156、南京為130、蘇州為150、杭州為115、寧波為141。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）高值區(qū)主要集中在整個長三角地區(qū)，以及浙江北部、江蘇、山東、安徽、河南以及湖北等長江中游部分地區(qū)。AOD值在大區(qū)域范圍內(nèi)同步升高，表明這次污染不僅局限于上海本地，而是區(qū)域性的大范圍污染。

應(yīng)用HYSPLIT模型進行后向軌跡分析可以看到，11月1日上海地區(qū)的地面氣流主要來自華北及華東區(qū)域的近地面層，11月2日以后氣流主要來自東北及內(nèi)蒙以北的高空氣流，相對較為干凈。這說明，上海地區(qū)一定程度上受到了華東及華北區(qū)域污染物輸送的影響。另外，10月31日～11月2日期間，地面以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速較小，不利于污染物的擴散，本地污染物排放的積聚對本次污染也有較大貢獻。因此，此次污染過程是一次大范圍區(qū)域性污染，上海地區(qū)的污染同時受到了本地排放和外來輸送的共同影響。

②時空演變特征

為了方便描述，本次污染過程以EP表示。此次污染過程能見度有著顯著的變化（見圖1），以能見度10 km為限值，將此次中污染過程分為3個階段：EP前期 （10月30日0點～31日4點）、EP中期（10月31日5點～11月2日9點） 及EP后期 （11月2日10點～3日23點）。

圖1 EP期間各參數(shù)時間序列變化

由不同時段統(tǒng)計結(jié)果可以看到，PM2.5濃度、散射系數(shù)、吸收系數(shù)均表現(xiàn)為EP中期最高，其中PM2.5濃度EP中期為EP前、后期的6～7倍，散射系數(shù)EP中期為EP前、后期的8～10倍，吸收系數(shù)EP中期為EP前、后期的3～5倍?？梢钥闯?，此次污染過程伴隨有大氣消光能力的明顯增強，并且散光能力的增強要大于吸光能力的增強，而細(xì)顆粒物對于大氣消光的增強貢獻明顯。

由單次散射反照率的變化可以看出，隨著污染過程的發(fā)展，單次反照率逐漸升高，并隨著污染過程的結(jié)束而逐漸較小。單次散射反照率EP中期比EP前期、EP后期高0.05～0.08，此結(jié)果和北京上甸子2004年秋冬季觀測結(jié)果較接近。說明在污染最嚴(yán)重的時段，氣溶膠的光學(xué)特性更具散射能力。已有研究表明，顆粒物中散光物質(zhì)主要是二次氣溶膠如硫酸鹽、硝酸鹽、有機物等，EP中期由于受到外來長距離輸送以及本地排放累積的影響，顆粒物中二次氣溶膠含量較高，散光特性較強，進而單次散射反照率高；而EP后期，隨著風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，大氣擴散條件趨好，顆粒物中二次氣溶膠貢獻減小，進而單次散射反照率顯現(xiàn)出下降趨勢。

2.沙塵輸送影響過程

①污染過程背景

2010年11月10日，中國天氣網(wǎng)發(fā)布全國大風(fēng)降溫及沙塵預(yù)報信息。中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布信息，11日，山西、山東、河南等地出現(xiàn)中度重污染。

12～14日上海市連續(xù)3天出現(xiàn)空氣污染超標(biāo)，API指數(shù)分別為298、370和163，長三角區(qū)域部分城市同步出現(xiàn)超標(biāo)。

數(shù)據(jù)顯示，11月12日凌晨開始，上海市受到北方沙塵源區(qū)域的高空輸送影響；13日開始，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，沙塵氣團推移到海上后，又再次“回流”影響上海；污染氣團的反復(fù)影響，導(dǎo)致12日～14日上海市API指數(shù)的連續(xù)超標(biāo)。

②時空演變特征

圖2 DS期間各參數(shù)時間序列變化

為了方便描述，本次污染過程以DS表示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（見圖2）：污染過程中PM10最大小時濃度達到0.721 mg/m3，小時濃度PM2.5/PM10最低僅17%，以粗顆粒為主的沙塵污染特征明顯。根據(jù)顆粒物的濃度以及PM2.5/PM10比值（以PM10濃度大于0.150 mg/m3，且PM2.5/PM10小于0.5作為沙塵主體影響階段），將此次過程分為3個階段DS前期、DS中期、DS后期，分別為11月11日0點～23點，12日0 點～14日18點，14日19點～15日23點。PM2.5濃度DS中期比DS前期略上升0.009 mg/m3，但散射系數(shù)DS中期卻下降到DS前期的64%，吸收系數(shù)DS中期更是下降到DS前期的45%；DS后期，大氣擴散條件趨好，顆粒物濃度及散射系數(shù)、吸收系數(shù)均急劇下降。因此，沙塵輸送影響過程中，其消光系數(shù)最大的時段并不在沙塵氣團主體影響的時段，而是出現(xiàn)在沙塵氣團前鋒到來前。DS前期，本地污染氣團主要是本地排放和沙塵氣團前鋒攜帶的上游污染氣團，為老化氣團，其中二次氣溶膠濃度較高，大量的硫酸鹽、硝酸鹽等極大的增強了其消光能力；DS中期，本地污染氣團受沙塵氣團主導(dǎo)控制，顆粒物中主要為礦物氣溶膠，其消光能力相對較弱。DS后期，隨著沙塵輸送影響的結(jié)束以及清潔空氣的持續(xù)補充，顆粒物濃度較低，散射、吸收系數(shù)也達到較低的水平。

由能見度的數(shù)據(jù)可以看到，沙塵輸送影響期間，能見度基本上處于5 km以上水平，沙塵過程并未導(dǎo)致極端的能見度低值。

單次散射反照率在整個污染過程中未表現(xiàn)出明顯的升降趨勢，基本維持在0.96左右波動。但是，單次散射反照率在DS中期的11月13日上午和晚上出現(xiàn)了兩個低值時段，相應(yīng)時間段的散射系數(shù)沒有明顯異常變化，但吸收系數(shù)卻出現(xiàn)了兩個峰值。推測其原因，可能是因為早晚高峰時段機動車排放的增加導(dǎo)致了碳黑濃度的短時升高，進而導(dǎo)致吸收系數(shù)的顯著升高所致。

三、結(jié)論

區(qū)域性細(xì)顆粒物污染過程和沙塵輸送污染過程都會帶來嚴(yán)重的細(xì)顆粒物污染，并伴隨有大氣的強消光過程；兩次污染過程消光較強的時段均出現(xiàn)在二次氣溶膠濃度較高時，說明二次氣溶膠消光是導(dǎo)致大氣消光能力增強的主要因素；而二次氣溶膠的消光主要來自強散光物質(zhì)（如硫酸鹽、硝酸鹽、有機物等）的散射作用；區(qū)域性細(xì)顆粒物污染過程伴隨有能見度的急劇下降，并導(dǎo)致極低的能見度；而沙塵污染過程期間，未出現(xiàn)明顯的能見度急劇下降過程和極端低能見度。望這些數(shù)據(jù)能夠為今后如何提升城市空氣質(zhì)量、降低各污染行業(yè)排放等公共服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化工作提供科學(xué)依據(jù)。