邱 昀, 安欣欣,2, 劉保獻(xiàn),2, 鹿海峰,2, 王新輝, 王 琴,2, 羅霄旭, 李令軍,2*

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心, 北京 100048 2.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100048

氣溶膠受地理位置、地形、氣象條件及人類活動等因素影響，其垂直分布情況呈顯著差異. 氣溶膠的垂直分布情況會影響大氣的傳輸、光的散射吸收以及干濕沉降速率，從而影響近地面的空氣質(zhì)量狀況[1-3]. 隨著監(jiān)測手段的進(jìn)步，越來越多的衛(wèi)星遙感和地基遙感設(shè)備用于氣溶膠的垂直探測，如CALIPSO衛(wèi)星可獲取氣溶膠的垂直特征[3-5]；激光雷達(dá)可自動連續(xù)地提供大氣垂直方向上的信息[6-8]. 利用地基雷達(dá)對氣溶膠垂直特征的研究已逐漸展開. ZHANG等[9]利用激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)對北京市APEC會議期間的大氣環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測. WU等[10]結(jié)合Mie散射雷達(dá)與氣象數(shù)據(jù)分析了南京市冬季一次重污染過程的氣溶膠垂直特征. Nishizawa等[11]利用波長為532 nm的偏振激光雷達(dá)和雙波長(532和 1 064 nm)后向散射雷達(dá)對廣東省2006年7月及北京市2006年8月的大氣污染過程進(jìn)行探測，得到污染過程的氣溶膠垂直特征. LIU等[12-13]通過微脈沖激光雷達(dá)分析了上海市灰霾與非灰霾天氣的氣溶膠垂直光學(xué)特征. 此外，石家莊市[1]、西安市[14]、蘭州市[15-16]、中國香港[17]等地區(qū)的氣溶膠垂直觀測和研究也已經(jīng)展開. 對北京市氣溶膠的垂直探測研究多是針對少數(shù)典型污染過程，對于長時間序列和空間上差異的研究較為鮮見. 因此，該研究利用三臺雷達(dá)組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，獲得北京市不同區(qū)域的氣溶膠垂直特征，并進(jìn)行長時間序列分析，對不同污染等級下的氣溶膠進(jìn)行特征分析，探討氣象因素對氣溶膠光學(xué)特性的影響，以期為空氣質(zhì)量的預(yù)報預(yù)警提供技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究中使用氣溶膠消光系數(shù)來解釋氣溶膠的消光特性. 采用北京怡孚和融科技有限公司生產(chǎn)的EV-LIDAR微脈沖激光雷達(dá)進(jìn)行氣溶膠觀測，該雷達(dá)已在四川盆地[18]、石家莊市[19]等地區(qū)應(yīng)用,并證實其在氣溶膠觀測研究中的可靠性. 使用的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)時間為2015年12月1日—2016年11月30日(其中，2015年12月—2016年2月代表冬季，2016年3—5月代表春季，2016年6—8月代表夏季，2016年9—11月代表秋季)，3臺同樣的激光雷達(dá)分別安裝在北京市西北部的定陵站、西南邊界的琉璃河站及東南部的永樂店站. 日數(shù)據(jù)量超過8 h認(rèn)定當(dāng)日數(shù)據(jù)有效，激光雷達(dá)監(jiān)測站有效數(shù)據(jù)分布如表1所示. AQI日數(shù)據(jù)來自于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(http:www.aqistudy.cnhistorydata). 定陵站、琉璃河站及永樂店站的ρ(PM2.5)數(shù)據(jù)來自北京市空氣質(zhì)量地面自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其監(jiān)測儀器及監(jiān)測方法與程念亮等[20]的研究相同. 相對濕度的地面小時監(jiān)測數(shù)據(jù)來自北京市觀象臺(116.28°E、39.48°N)地面觀測數(shù)據(jù).

1.2 氣溶膠消光系數(shù)反演方法

該雷達(dá)為米散射微脈沖激光雷達(dá)，使用具有線性和水平偏振激光的脈沖激光器作為發(fā)射器，探測工作波長為532 nm，空間垂直分辨率為15 m，單脈沖輸出能量10 μJ，使用應(yīng)用最為廣泛的Fernald法[21-24]反演得到氣溶膠消光系數(shù)，每10 min獲取一次數(shù)據(jù)用于分析，激光雷達(dá)接受回波盲區(qū)設(shè)定為105 m，105 m以下的數(shù)據(jù)不進(jìn)行分析.

表1 激光雷達(dá)監(jiān)測站有效數(shù)據(jù)分布

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠消光系數(shù)的季節(jié)性特征

氣溶膠消光系數(shù)作為氣溶膠光學(xué)特性的基本參數(shù)，能有效反映大氣中的氣溶膠負(fù)荷，氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線可以反映氣溶膠的垂直分布情況. 研究[22-23]表明，我國東部氣溶膠層大多維持在3 km下. 因此，該研究中主要對3 km下的氣溶膠垂直特征進(jìn)行分析，并繪制氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的季節(jié)性特征曲線(見圖1).

圖1 2015年12月—2016年11月氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的季節(jié)性特征Fig.1 Seasonal variation of aerosol extinction coefficient profile from December 2015 to November 2016

由圖1可見：秋、冬兩季3個監(jiān)測站近地面1.00 km以下氣溶膠消光系數(shù)均明顯增加，并且氣溶膠消光系數(shù)最大值均出現(xiàn)在北京市西南部的琉璃河站，冬季在0.14 km氣溶膠消光系數(shù)最高達(dá)1.00 km-1，秋季在0.20 km處氣溶膠消光系數(shù)高達(dá)1.29 km-1. 對比秋、冬兩季3個監(jiān)測站的氣溶膠消光系數(shù)發(fā)現(xiàn)，在空間分布上最大氣溶膠消光系數(shù)均呈西南部(琉璃河站)>東南部(永樂店站)>北部(定陵站)的特征; 春、夏兩季氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上變化較為平緩. 春季3個監(jiān)測站3 km以下的氣溶膠消光系數(shù)在0.2～0.4 km-1之間；夏季由于受降雨等因素影響，氣溶膠消光系數(shù)受相對濕度、溫度等氣象條件影響較大[25-28]，氣溶膠消光系數(shù)在整層大氣上有所偏高，其范圍為0.3～0.75 km-1.

2.2 ρ(PM2.5)與氣溶膠消光系數(shù)相關(guān)性分析

圖2為2015年12月—2016年11月ρ(PM2.5)與105 m高度處激光雷達(dá)氣溶膠消光系數(shù)的相關(guān)性分析. 由圖2可見，定陵站、永樂店站和琉璃河站ρ(PM2.5)與氣溶膠消光系數(shù)的R2分別為0.50、0.38、0.43，說明ρ(PM2.5)與氣溶膠消光系數(shù)具有較好相關(guān)性. 因此，PM2.5是造成消光的主要因素，可依據(jù)PM2.5污染等級對污染強(qiáng)度進(jìn)行分類，并通過激光雷達(dá)獲得不同污染強(qiáng)度的光學(xué)特征.

圖2 2015年12月—2016年11月ρ(PM2.5)與105 m高度處激光雷達(dá)氣溶膠消光系數(shù)的相關(guān)性Fig.2 Correlation between PM2.5 concentration and extinction coefficient at 105 m from December 2015 to November 2016

圖3 各監(jiān)測站點不同污染等級天數(shù)季節(jié)性統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Seasonal statistics of different pollution levels at each monitoring stations

圖4 2015年12月—2016年11月不同污染等級的氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線Fig.4 Profiles of aerosol extinction coefficient under difference pollution levels from December 2015 to November 2016

根據(jù)HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》將ρ(PM2.5)分為3個等級，以有效反應(yīng)空氣質(zhì)量狀況[29-30].ρ(PM2.5)范圍為0～75 μg/m3時，空氣質(zhì)量為優(yōu)-良水平；ρ(PM2.5)范圍為76～150 μg/m3時，空氣質(zhì)量為輕-中度污染水平；ρ(PM2.5)大于150 μg/m3時，空氣質(zhì)量為重度及以上污染水平. 對2015年12月1日—2016年11月30日的ρ(PM2.5)日均值進(jìn)行分類統(tǒng)計. 由圖3可見：定陵站、永樂店站、琉璃河站ρ(PM2.5)達(dá)到重度及以上污染水平的時段主要集中在秋、冬兩季. 冬季琉璃河達(dá)重度及以上污染水平的天數(shù)最多(56 d)，其次為永樂店(33 d)，定陵站為14 d；秋季永樂店和琉璃河均有20 d達(dá)重度及以上污染水平，這與氣溶膠消光系數(shù)的季節(jié)性特點較為一致；春、夏兩季出現(xiàn)重度及以上污染水平的天數(shù)較少，3個監(jiān)測站ρ(PM2.5)均以優(yōu)-良水平為主，夏季除永樂店有3 d達(dá)重度及以上污染水平，其他監(jiān)測站均未出現(xiàn).

2.3 不同污染等級下的氣溶膠垂直特征

圖4為不同污染等級的氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線，通過分類能對不同污染等級下氣溶膠消光系數(shù)的變化范圍進(jìn)行研究. 由圖4可見：優(yōu)-良水平日氣溶膠消光系數(shù)偏低，冬、春兩季氣溶膠消光系數(shù)在0.3 km-1以下，夏、秋兩季相對偏高但不高于0.7 km-1；輕-中度污染日氣溶膠消光系數(shù)在季節(jié)上表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性，冬、春兩季氣溶膠消光系數(shù)不超過0.8 km-1，夏、秋兩季則在1.0 km-1左右，部分監(jiān)測站甚至在1.4 km-1左右；重度及以上污染日主要出現(xiàn)在秋、冬兩季，0.5 km以下氣溶膠消光系數(shù)基本在1.0 km-1以上，最高可達(dá)1.7 km-1.

注:方形、圓形、三角形、星形分別代表冬季、春季、夏季、秋季.圖6 2015年12月—2016年11月不同相對濕度下氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線的季節(jié)性特征Fig.6 Seasonal variation of aerosol extinction coefficient profiles under difference relative humidity from December 2015 to November 2016

冬季，在重度及以上污染水平時，3個監(jiān)測站1 km以下均出現(xiàn)了氣溶膠消光系數(shù)的突增，南邊的氣溶膠消光系數(shù)明顯高于北部，琉璃河站氣溶膠消光系數(shù)在0.12 km處達(dá)峰值(1.4 km-1)，永樂店站氣溶膠消光系數(shù)在0.135 km處達(dá)1.2 km-1，而定陵站氣溶膠消光系數(shù)峰值則僅為0.5 km-1. 春季氣溶膠消光系數(shù)較冬季明顯偏低，空氣質(zhì)量為優(yōu)-良和輕-中度污染時各監(jiān)測站的氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上變化不大，重污染發(fā)生時氣溶膠消光系數(shù)出現(xiàn)突增的高度較其他季節(jié)偏高(在1.5 km左右)，這主要是由于北京市春季多受沙塵污染，沙塵攜帶粗粒子經(jīng)過西北部山區(qū)后繼續(xù)向東南部推進(jìn)，經(jīng)過東南部的永樂店站時沙塵層高度降低，而位于西南部的琉璃河站所受的影響較小. 因此，沙塵導(dǎo)致重污染日定陵站在0.75 km出現(xiàn)氣溶膠消光系數(shù)峰值(1.3 km-1)，而永樂店站則在0.57 km處出現(xiàn)氣溶膠消光系數(shù)峰值(1.2 km-1). 秋季的氣溶膠消光系數(shù)廓線與冬季較為相似，3個監(jiān)測站氣溶膠消光系數(shù)在1 km以下均出現(xiàn)了明顯的增長，且0.5 km以下增長非常迅速. 重度及以上污染日氣溶膠消光系數(shù)最大值均呈東南部站點比西北部站點高的現(xiàn)象.

2.4 相對濕度對消光系數(shù)的影響

相對濕度是影響氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù). 當(dāng)相對濕度超過60%時，吸濕增長成為影響氣溶膠光學(xué)特性的決定性因素[13,31-32]. 由圖5可見：夏季和秋季的相對濕度明顯高于冬季和春季，這與北京市夏、秋兩季節(jié)降水較多明顯相關(guān)；夏季和秋季的高相對濕度，使得近地面的氣溶膠消光系數(shù)顯著高于春季. 冬季，12月相對濕度明顯高于1月和2月，并且70%的重污染發(fā)生在12月，表明冬季相對濕度是重污染發(fā)生的主要氣象因素之一.

圖5 2015年12月—2016年11月不同相對濕度下105 m處氣溶膠消光系數(shù)的變化Fig.5 Annual variation of aerosol extinction coefficient at 105 m under different relative humidity from December 2015 to November 2016

由圖6可見：夏季和秋季的相對濕度在垂直方向上均明顯高于冬季和春季. 冬季垂直方向上相對濕度在30%～50%之間變化；春季相對濕度在垂直方向上變幅較小，多在20%～40%之間，其對氣溶膠消光系數(shù)的垂直變化影響較??；夏季和秋季相對濕度多在40%～80%之間，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)顯著高于冬季和春季. 綜上，相對濕度是夏季和秋季導(dǎo)致垂直方向上氣溶膠消光系數(shù)偏大的主要原因之一.

3 結(jié)論

a) 北京市氣溶膠消光系數(shù)垂直特征在季節(jié)上存在異質(zhì)性. 秋、冬兩季近地面1.0 km以下氣溶膠消光系數(shù)顯著增大，最大氣溶膠消光系數(shù)大于1.0 km-1；春、夏兩季污染日較少，氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上變化較為平緩.

b) 不同污染等級下氣溶膠消光系數(shù)的垂直特征差異明顯. 空氣質(zhì)量為優(yōu)-良水平時氣溶膠消光系數(shù)較低，基本不高于0.7 km-1；輕-中度污染水平氣溶膠消光系數(shù)在不同季節(jié)差異較大，冬、春兩季氣溶膠消光系數(shù)不超過0.8 km-1. 夏、秋兩季為1.0 km-1左右，部分監(jiān)測站甚至在1.4 km-1左右；重度及以上污染水平時氣溶膠消光系數(shù)基本在1.0 km-1以上，最高可達(dá)1.7 km-1.

c) 105 m處氣溶膠消光系數(shù)與ρ(PM2.5)相關(guān)性較好. 氣溶膠消光系數(shù)除受ρ(PM2.5)影響外，還受相對濕度影響較大. 夏、秋兩季對流層底層大氣相對濕度偏高，致使氣溶膠消光系數(shù)顯著高于春季和冬季.

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