李曉梅，謝品華，3*，徐 晉，李 昂，田 鑫，任 博，胡肇?zé)j，吳子揚(yáng)

1. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)島分院，安徽 合肥 230026 3. 中國(guó)科學(xué)院區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心，福建 廈門 361021

引 言

大氣氣溶膠是大氣成分的重要組成部分，是大氣液態(tài)或固態(tài)懸浮微粒的總稱。氣溶膠在大氣物理中的作用是影響地球輻射平衡，作為云凝結(jié)核，影響云的特性；另外，它在大氣化學(xué)轉(zhuǎn)化中也起到了重要的作用，參與多種大氣化學(xué)過程，為氣體轉(zhuǎn)化提供場(chǎng)所，加速了污染氣體的生成[1]。近年來在我國(guó)京津冀地區(qū)、華北平原、長(zhǎng)江中下游地區(qū)等工業(yè)發(fā)達(dá)、人口稠密的特大城市和城市群周圍頻繁發(fā)生嚴(yán)重的霧霾事件，嚴(yán)重危害人類的健康。有研究發(fā)現(xiàn)[2]，在中國(guó)不同地區(qū)的大城市中，大多數(shù)氣溶膠顆粒是次生的，即在霾污染事件期間通過前體氣體的光化學(xué)反應(yīng)形成。因此，研究氣溶膠的光學(xué)特性非常必要。

氣溶膠的光學(xué)遙感探測(cè)技術(shù)主要有太陽光度計(jì)、激光雷達(dá)等，太陽光度計(jì)可以提供較為準(zhǔn)確的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，目前已經(jīng)建立全球氣溶膠地基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(AERONET)，但是無法提供氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線；激光雷達(dá)技術(shù)是一種有效的大氣探測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣顆粒物的高精度、高時(shí)空分辨率的連續(xù)觀測(cè)，但是在氣溶膠較為活躍的邊界層存在盲區(qū)[3], 且價(jià)格昂貴。

多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)通過多個(gè)仰角觀測(cè)太陽散射光，再利用差分吸收光譜技術(shù)反演出對(duì)流層的痕量氣體和氣溶膠的垂直分布[4]，在國(guó)際上很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了基于該技術(shù)的氣溶膠觀測(cè)研究。Zieger等2009年在荷蘭Cabauw利用MAX-DOAS研究了氣溶膠消光系數(shù)對(duì)濕度(RH)的依賴性[5]；Irie等在日本筑波市進(jìn)行了MAX-DOAS，腔衰蕩光譜儀，激光雷達(dá)和天空輻射計(jì)的協(xié)同氣溶膠觀測(cè)，評(píng)估MAX-DOAS在467 nm反演的氣溶膠消光系數(shù)(AESC)和AOD[6]；Davis等2013年8月至9月在麥克默里堡北部的艾伯塔省開展MAX-DOAS觀測(cè)，并將氣溶膠結(jié)果與激光雷達(dá)和GEM-MACH空氣質(zhì)量模型作對(duì)比[7]；Zhang等2017年4月至12月份在上海郊區(qū)開展MAX-DOAX觀測(cè)，研究O4校正因子的優(yōu)化調(diào)整，以及冬季氣溶膠垂直分布特征[8]。

利用地基MAX-DOAS在2017年12月至2018年1月在合肥地區(qū)開展兩個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)，反演了氣溶膠光學(xué)厚度信息，并將觀測(cè)的AOD結(jié)果與安裝在同一觀測(cè)點(diǎn)的太陽光度計(jì)CE318的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證MAX-DOAS儀器性能以及研究合肥地區(qū)的氣溶膠光學(xué)特性。將MAX-DOAS反演出的AOD和近地面氣溶膠消光系數(shù)分別與太陽光度計(jì)CE318和地面站點(diǎn)的PM2.5作對(duì)比；選取了一次霧霾過程，分析了觀測(cè)期間氣溶膠AOD和廓線的變化特征。

1 原 理

1.1 O4DSCD計(jì)算原理

差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù)，基于朗伯比爾定律[9]，如式(1)

(1)

其中I(λ)是接收的散射太陽光，即經(jīng)過各種氣體吸收、瑞利散射、米散射等衰減后的光強(qiáng)，εR為瑞利散射系數(shù)，εM為米散射系數(shù)，l為光程長(zhǎng)度，σi(λ，P，T)為吸收截面，c為氣體濃度，i為氣體種類。

散射的影響可以通過多項(xiàng)式擬合等方法去除，進(jìn)而得到痕量氣體吸收的部分，再與標(biāo)準(zhǔn)氣體截面擬合，最后得到痕量氣體的斜柱濃度。

(2)

MAX-DOAS采用將差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù)，通過多仰角的測(cè)量獲取多角度的O4DSCD。

O4DSCDα=O4SCDα-O4SCD90°

(3)

其中α為不同仰角。

1.2 氣溶膠反演原理

由于氧二聚體O4在大氣中的濃度基本穩(wěn)定不變，影響O4差分斜柱總量(O4DSCD)的主要因素就是光的傳輸路徑。在晴朗無云的條件下，光的傳輸路徑主要受氣溶膠廓線的影響，因此可以利用O4DSCD反演出大氣中氣溶膠的信息。研究中采用中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(AIOFM)與德國(guó)馬普化學(xué)所(MPIC)合作開發(fā)的氣溶膠消光和痕量氣體濃度廓線反演算法(PriAM)[10]結(jié)合多角度的O4DSCD進(jìn)一步反演出氣溶膠廓線信息。

首先，測(cè)量值是y(α，φ，λ)，即在測(cè)量序列中具有相同的掃描方位角φ和O4吸收波長(zhǎng)帶的不同仰角處的O4DSCD觀測(cè)值，假設(shè)測(cè)量值y可以通過正演模型重現(xiàn)，而正演模型結(jié)果取決于氣溶膠廓線x和氣溶膠光學(xué)特性。假設(shè)每層中的氣溶膠均勻分布，使得觀測(cè)向量(y)可以描述為

y+ε=f(x)+δ

(4)

其中ε和δ分別是測(cè)量誤差和模型誤差，f(x)為大氣輻射傳輸模型(RTM)。

其次，觀測(cè)向量y中包含的信息很可能不足以反演獨(dú)特的氣溶膠消光特征，因此使用最優(yōu)估計(jì)方法進(jìn)行氣溶膠反演[11]。

大氣中的輻射傳輸是非線性的，因此氣溶膠消光的反演通過使用Gauss-Newton方法迭代求解[12]，定義為

(5)

為加速迭代過程，提高反演精度，結(jié)合Levenberg-Marquardt算法對(duì)Gauss-Newton方法進(jìn)行修正后的迭代過程變?yōu)?/p>

(6)

根據(jù)式(6)，初始?xì)馊苣z廓線xa通過不斷迭代得到最接近真實(shí)情況的氣溶膠廓線。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 二維MAX-DOAS

二維MAX-DOAS儀器安裝在合肥(117.16°E，31.91°N)西北角的科學(xué)島安光所綜合實(shí)驗(yàn)樓樓頂，位置如圖1所示。儀器結(jié)構(gòu)圖如圖2(a,b)所示，望遠(yuǎn)鏡收集太陽散射光，并通過石英光纖束引入光譜儀單元, 光譜儀光譜分辨率為0.47 nm, 然后光譜儀將范圍為293～414 nm的光譜映射到具有2 048像元的面陣CCD探測(cè)器，最后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光譜儀單元需要冷卻到+19 ℃的穩(wěn)定溫度，以便使光譜儀的光學(xué)性質(zhì)變化最小并減少探測(cè)器暗電流[13]。室外的二維轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)0～360°方位角和0～90°仰角的掃描，并且裝有電子傾角儀，可現(xiàn)實(shí)反饋控制，從而提高仰角指向精度。儀器的正北方設(shè)定為方位角0°，垂直掃描選取1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 8°, 15°, 30°, 90°(天頂角)10個(gè)仰角。

圖1 測(cè)量點(diǎn)的位置

圖2 二維MAX-DOAS裝置結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

2.2 太陽光度計(jì)

在二維MAX-DOAS儀器北7 m處，運(yùn)行著一臺(tái)CE318標(biāo)準(zhǔn)型太陽光度計(jì)，如圖3所示，用于測(cè)AOD精度較高的儀器，從紫外到近紅外波段設(shè)有8 個(gè)通道，其中通道中心波長(zhǎng)為340和380 nm所測(cè)得的AOD用于與MAX-DOAS的結(jié)果做對(duì)比。我們使用云屏蔽和去除了突變值的質(zhì)量有保證的level1.5數(shù)據(jù)。

圖3 太陽光度計(jì)CE318實(shí)物圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用DOAS算法，將采集到的光譜在337～370 nm波段反演O4DSCD，取當(dāng)天中午的天頂光譜作為Fraunhofer參考光譜(FRS)。利用QDOAS軟件，將FRS、若干痕量氣體吸收截面、Ring譜的三階多項(xiàng)式和二階偏移多項(xiàng)式的對(duì)數(shù)擬合到測(cè)量光譜的對(duì)數(shù)，并針對(duì)暗電流和偏移進(jìn)行了修正，QDOAS參數(shù)設(shè)置如表1所示。圖4(a,b,c,d)分別給出了2018年6月2日13:08在方位角為0°，仰角30°時(shí)記錄的DOAS擬合的實(shí)例。對(duì)于每個(gè)測(cè)量周期，將相應(yīng)的天頂光譜(仰角90°)作為離軸仰角處的光譜的FRS。在很大程度上消除了對(duì)DSCD的平流層貢獻(xiàn)。但是，O4DSCD僅受平流層吸收的輕微影響因?yàn)镺4主要存在于對(duì)流層。工作中使用高分辨率吸收截面，通過儀器狹縫函數(shù)進(jìn)行卷積以匹配儀器的分辨率。

表1 QDOAS參數(shù)設(shè)置Table 1 QDOAS parameter settings

3 結(jié)果與討論

3.1 MAX-DOAS與CE318測(cè)量AOD相關(guān)性對(duì)比

利用QDOAS軟件，將測(cè)量光譜計(jì)算出O4DSCD，然后再利用PriAM算法反演出AOD。由MAX-DOAS和太陽光度計(jì)測(cè)量的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的時(shí)間序列如圖5(a)所示，AOD的日均值時(shí)間序列如圖5(b)所示，MAX-DOAS和太陽光度計(jì)數(shù)據(jù)隨時(shí)間顯示出相似的變化趨勢(shì)。另外，在測(cè)量時(shí)間段，MAX-DOAS測(cè)得的AOD均值為0.71，日均值在0.26～1.90之間。由于MAX-DOAS和太陽光度計(jì)的采樣時(shí)間不同，因此進(jìn)行小時(shí)均值和日均值處理，MAX-DOAS和太陽光度計(jì)AOD測(cè)量之間的相關(guān)性如圖5(c)和(d)所示，MAX-DOAS測(cè)量結(jié)果與AERONET觀測(cè)值的小時(shí)均值Pearson相關(guān)系數(shù)rhourly=0.92，日均值相關(guān)系數(shù)rdaily=0.91，均表現(xiàn)出良好的一致性，截距為0.14，且太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD比MAX-DOAS所測(cè)結(jié)果高出20%。由于MAX-DOAS

圖4 QDOAS反演示例(a)：觀測(cè)光譜與參考光譜；(b)：殘差；(c)：NO2DSCD=3.22×1016 (molec·cm-2)；(d): O4DSCD=3.48×1043(molec2·cm-5)

圖5 MAX-DOAS和CE318測(cè)量的AOD的時(shí)間序列圖(a)AOD小時(shí)均值, (b)AOD日均值MAX-DOAS和太陽光度計(jì)，AOD測(cè)量之間的相關(guān)性(c) AOD小時(shí)均值, (d)AOD日均值

Fig.5TimeseriesdiagramofAODdailyandhourlydatameasuredbyMAX-DOASandCE318areshownin(a)and(b),respectively.Linearregressionplotsofdailyandhourlydataareshownin(c), (d)respectively

測(cè)量對(duì)對(duì)流層低層的氣溶膠最敏感，而太陽光度計(jì)則通過直接太陽測(cè)量得到AOD，對(duì)整個(gè)大氣中的氣溶膠很敏感[16]。因此，當(dāng)氣溶膠在對(duì)流層上層運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩次測(cè)量之間的差異可能很大[17]。氣溶膠光學(xué)特性的假設(shè)也導(dǎo)致反演到的MAX-DOAS AOD的不確定性。

3.2 近地面氣溶膠消光系數(shù)

由于在觀測(cè)地點(diǎn)地表和垂直方向缺乏氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量，另一種半定量驗(yàn)證MAX-DOAS反演氣溶膠消光系數(shù)的方法是將其與顆粒質(zhì)量濃度進(jìn)行比較。將地面站點(diǎn)的地表PM2.5濃度與MAX-DOAS反演近地面氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行比較，采用氣溶膠消光剖面50 m以下的底層作為代表性的近地面。圖6(a)和(b)顯示了MAX-DOAS反演的AOD和近地面氣溶膠消光系數(shù)與用地面站點(diǎn)測(cè)量的地表PM2.5濃度的時(shí)間序列圖，其中圖中橘色陰影部分的AOD值較高，而氣溶膠近地面消光系數(shù)和PM2.5濃度均較低。具體分析橘色陰影時(shí)段(12月3日至6日)的氣溶膠垂直廓線，將3 km以下的氣溶膠消光系數(shù)分成6段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6(c)所示，氣溶膠主要分布在0.8～1.4 km處，表明這一時(shí)段氣溶膠主要位于高層，因此導(dǎo)致AOD與近地面儀器測(cè)量的PM2.5濃度相差較大。

如圖6(d)(e)所示，MAX-DOAS反演的氣溶膠近地面消光系數(shù)與地面PM2.5濃度之間存在良好的一致性，這意味著MAX-DOAS反演獲得的近地面消光系數(shù)真實(shí)地反映了地面附近的顆粒物含量。氣溶膠消光系數(shù)和顆粒質(zhì)量濃度的日均值和小時(shí)均值線性擬合相關(guān)系數(shù)r分別為0.83和0.62。通過對(duì)兩種氣溶膠類型進(jìn)行回歸分析，氣溶膠消光系數(shù)基本隨顆粒質(zhì)量濃度變化; 然而，它也受到粒子組成、吸濕性和氣象條件等多種因素的影響；其次，原位PM2.5數(shù)據(jù)直接在地表面處或靠近表面測(cè)量，而氣溶膠近地面消光系數(shù)是從MAX-DOAS反演到的從地面到50 m的剖面中提取的，在大的水平距離上取平均值。因此，顆粒的分布不均勻在垂直和水平方向上，降低了這兩個(gè)數(shù)據(jù)系列的一致性[18]。同時(shí)，整個(gè)反演的數(shù)據(jù)集沒有考慮云的影響。

圖6 (a)MAX-DOAS反演的AOD與地面站點(diǎn)測(cè)得的PM2.5濃度的時(shí)間序列圖；(b)MAX-DOAS反演氣溶膠近地面消光系數(shù)與地面站點(diǎn)測(cè)得的PM2.5濃度的時(shí)間序列圖；(c)橘色陰影時(shí)段3 km以下氣溶膠消光系數(shù)分段統(tǒng)計(jì)圖；(d)氣溶膠近地面消光系數(shù)與PM2.5濃度的日均值相關(guān)性; (e)小時(shí)均值相關(guān)性

Fig.6(a)TimeseriesoftheAODsat360nmretrievedfromMAXDOASandcomparisonwithinsituPM2.5concentration；(b)TimeseriesofsurfaceaerosolextinctioncoefficientretrievedfromMAX-DOASandcomparisonwithinsituPM2.5concentration；(c)Segmentationchartofaerosolextinctioncoefficientbelow3kminorangeshadedperiod;Linearregressionplotsofdailyandhourlydataareshownin(d)and(e),respectively

3.3 一次霧霾過程分析

圖6(a)和(b)的藍(lán)色陰影處是2017年12月3日至6日的一次明顯霧霾過程，圖7(a)是MAX-DOAS測(cè)得的AOD與地面站點(diǎn)測(cè)得的PM2.5濃度在此次污染過程的時(shí)間序列圖，4日的氣溶膠含量達(dá)到最大值，5日稍有下降。圖7(b)和(c)展現(xiàn)了這一段時(shí)間的溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)，4日和5日的相對(duì)濕度基本在80%以上，這種高濕度環(huán)境更利于氣溶膠吸濕增長(zhǎng)，使污染加重；4日凌晨左右風(fēng)向從東南風(fēng)變成了北風(fēng)，而且污染嚴(yán)重的兩天風(fēng)向均是來自西北方向，表明北邊有污染氣團(tuán)傳輸過來，5日夜間風(fēng)向又變?yōu)闁|南方向，氣溶膠含量下降，污染減弱。圖7(d)是基于后向軌跡分析(Hysplit模型，http：//www.ready.noaa.gov)的4日12點(diǎn)的48小時(shí)風(fēng)場(chǎng)后向軌跡圖，500 m高度風(fēng)場(chǎng)來自東北方向，1 500和3 000 m高度風(fēng)場(chǎng)來自西北方向，三者占比相近，可見西北方向的風(fēng)場(chǎng)影響更大，這也與圖7(c)結(jié)果吻合。從圖8氣溶膠消光系數(shù)垂直分布可以看出，氣溶膠主要聚集在地面上1 km附近，且在霧霾期間(4日至5日)，氣溶膠均是上午聚集在1公里高度，到了中午便開始沉降至近地面。另外，結(jié)合圖6(b)這一時(shí)段氣溶膠近地面消光系數(shù)與PM2.5趨勢(shì)一致，更加說明MAX-DOAS測(cè)量對(duì)對(duì)流層低層的氣溶膠最敏感。

圖7 (a)2017年12月3日至6日MAX-DOAS反演的AOD與地面站點(diǎn)測(cè)量的PM2.5濃度時(shí)間序列圖；(b)溫濕度；(c)風(fēng)速風(fēng)向；(d)2017年12月4日12點(diǎn)的48 h風(fēng)場(chǎng)后向軌跡圖

Fig.7(a)TimeseriesoftheAODsat360nmretrievedfromMAXDOASandcomparisonwithinsituPM2.5concentrationon3thto6thDec2017；Diurnalvariationofmeteorologicalparametersareshowedin(b)and(c)；(d)49hback-trajectoriesarrivinginHefeiat12:004Dec2017

圖8 氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布

4 結(jié) 論

利用MAX-DOAS從2017年12月至2018年1月在合肥市科學(xué)島觀測(cè)并反演了氣溶膠AOD和消光系數(shù)。通過反演O4斜柱濃度，利用廓線反演算法PriAM反演對(duì)流層4 km以下的氣溶膠消光系數(shù)。將MAX-DOAS在360 nm反演的AOD與太陽光度計(jì)CE318的結(jié)果進(jìn)行比較，二者均表現(xiàn)出相似的時(shí)間變化規(guī)律，小時(shí)均值和日均值的相關(guān)系數(shù)r均達(dá)到0.90以上，但太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD比MAX-DOAS測(cè)得的高出20%。MAX-DOAS測(cè)量對(duì)對(duì)流層低層的氣溶膠最敏感，而太陽光度計(jì)通過直射太陽光測(cè)量得到AOD，對(duì)整個(gè)大氣中的氣溶膠很敏感。將MAX-DOAS反演的近地面氣溶膠消光系數(shù)與地面站點(diǎn)的PM2.5濃度進(jìn)行了對(duì)比，兩種數(shù)據(jù)之間的對(duì)比呈現(xiàn)出良好一致性。選擇2017年12月3日至6日的霧霾期間MAX-DOAS反演氣溶膠，與地面站點(diǎn)PM2.5對(duì)比，并通過氣團(tuán)后向軌跡分析輔助MAX-DOAS反演識(shí)別污染來源，結(jié)果表明，除近地面二者表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)外，MAX-DOAS還獲得了高空氣溶膠的分布變化信息，說明MAX-DOAS技術(shù)是獲取對(duì)流層的氣溶膠信息的有效工具，其結(jié)果可以為氣象、環(huán)境管理部門提供重要的數(shù)據(jù)支持。