高星星,2,3,4 桂海林5 王楠 張黎 王建鵬

(1.陜西省氣象臺， 陜西 西安 710014； 2.中國氣象局大氣化學(xué)重點開放實驗室，北京 100081； 3.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，陜西 西安 710014； 4.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室災(zāi)害性天氣研究與應(yīng)用中心，陜西 西安 710014; 5.國家氣象中心，北京 100081)

引言

汾渭平原是黃河流域汾河平原、渭河平原及其周邊臺原階地的總稱，包括陜西省西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川、楊凌示范區(qū)、西咸新區(qū)，山西省呂梁、晉中、臨汾、運城以及河南省洛陽、三門峽等11城2區(qū)。汾渭平原人口密度大，重化產(chǎn)業(yè)聚集，能源結(jié)構(gòu)以煤為主，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，運輸結(jié)構(gòu)偏公路，污染物排放總量居高難下，再加上汾渭平原屬于河谷地帶，南為秦嶺，北為高原，不利于污染物擴散，該區(qū)域的大氣污染形勢十分嚴(yán)峻。

目前，針對大氣污染觀測主要有地基和衛(wèi)星兩類，地基觀測雖然精度高，但是站點稀疏，無法滿足實際業(yè)務(wù)需求。衛(wèi)星觀測能夠在保證觀測精度的前提下，彌補地基觀測的不足，容易獲得實時全球大氣污染觀測數(shù)據(jù)。國內(nèi)外基于衛(wèi)星資料分析大氣污染過程的研究已有很多，如唐嫻等[1]和陳燁鑫等[2]基于中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)資料揭示了發(fā)生霾時氣溶膠光學(xué)特性；顏嬌瓏等[3]、王瀟等[4]和許瀟鋒等[5]利用云—氣溶膠激光雷達和紅外探測者觀測衛(wèi)星(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)資料探討了霾天氣時氣溶膠垂直變化特征；白冰等[6-7]、劉貞等[8]利用CALIPSO資料分析了沙塵天氣過程中氣溶膠垂直分布情況；陳科藝和彭志強[9]利用臭氧監(jiān)測儀(Ozone Monitoring Instrument,OMI)資料研究了沙塵天氣過程中沙塵傳播特征。以往這些研究大多是基于一種衛(wèi)星資料對霾或沙塵過程的單獨研究。

2018 年11 月23 日至12 月6 日汾渭平原發(fā)生了一次持續(xù)時間長、影響范圍廣、污染程度重的霾沙混合空氣污染過程。此外，為了充分發(fā)揮各衛(wèi)星優(yōu)勢，如MODIS衛(wèi)星可提供全球整層氣溶膠光學(xué)特性，CALIPSO和OMI衛(wèi)星可分別提供氣溶膠垂直分布情況和吸收性氣溶膠光學(xué)特性，本研究將基于MODIS、OMI和CALIPSO多源衛(wèi)星資料，同時結(jié)合地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)以及后向軌跡模式(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)，對汾渭平原2018 年11 月23 日至12 月6 日典型空氣污染過程進行深入分析，以期為衛(wèi)星資料在沙塵和人為混合空氣污染過程中的應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 觀測數(shù)據(jù)

所用空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)、PM2.5和PM10逐小時濃度實況監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國空氣質(zhì)量國控自動監(jiān)測站，各代表城市AQI、PM2.5和PM10濃度均為各代表城市范圍內(nèi)所有國控站點的平均值。相對濕度(Relative Humidity,RH)、10 m風(fēng)速、10 m風(fēng)向和地面天氣現(xiàn)象逐小時氣象要素資料來源于中國氣象局全國綜合氣象信息共享平臺(China Integrated Meteorological Information Service System，CIMISS)，選取涇河、孟津和臨汾國家級自動氣象站的氣象要素觀測值分別作為西安、洛陽和臨汾3個代表城市的氣象要素值。

1.1.2 衛(wèi)星資料

Terra衛(wèi)星每日地方時上午10:30過境，就汾渭平原而言，對應(yīng)北京時間約為上午9:30。本研究采用的是搭載在Terra衛(wèi)星上的MODIS三級氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)日產(chǎn)品，分辨率為1°×1°。Aura衛(wèi)星過境時間為當(dāng)?shù)叵挛?:45，其攜帶的OMI可監(jiān)測大氣中的臭氧柱濃度和廓線、氣溶膠、云、表面紫外輻射，以及其他痕量氣體[10]。本研究采用的是OMI三級OMAERUVd日產(chǎn)品中的吸收性氣溶膠指數(shù)(Absorbing Aerosol Index,AAI)，分辨率為1°×1°。

CALIPSO衛(wèi)星搭載的云—氣溶膠正交極化激光雷達(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization,CALIOP )是首個能夠提供連續(xù)觀測的星載偏振激光雷達，能夠以高分辨率觀測全球范圍內(nèi)云和氣溶膠的垂直分布[11-12]。本研究采用的是CALIPSO二級5 km氣溶膠廓線產(chǎn)品中的532 nm消光系數(shù)以及二級垂直特征層分布產(chǎn)品(Vertical Feature Mask,VFM)中的氣溶膠分類。

1.2 研究方法

HYSPLIT是美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)研發(fā)的一款進行氣流反演的軟件，通過氣象數(shù)據(jù)分析大氣輸送通道。HYSPLIT后向軌跡模式采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)全球資料同化系統(tǒng)(Global Data Assimilation System,GDAS)提供的1°×1°分析場資料作為初始場。

空氣質(zhì)量等級的劃分以及PM2.5和PM10日均濃度限值參照中國環(huán)境保護部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》[13]中的有關(guān)規(guī)定，具體見表1。

表1 空氣質(zhì)量等級劃分和PM2.5、PM10日均濃度限值Table 1 Classification of air quality level and daily average concentration limits for PM2.5 and PM10

2 結(jié)果分析

2.1 污染實況分析

2018年11月23日至12月6日汾渭平原發(fā)生了一次大范圍持續(xù)性重空氣污染過程(圖1)。選取西安、臨汾和洛陽3個代表城市，分析此次污染過程中空氣質(zhì)量等級和顆粒物濃度變化。11月23日汾渭平原以輕度污染為主，11月24—25日以中度污染為主，11月26日至12月3日以重度到嚴(yán)重污染級別為主，是污染最重時段，12月4—6日污染逐漸減輕，12月6日下午空氣質(zhì)量恢復(fù)至二級良(圖1)。由地面天氣現(xiàn)象觀測記錄可知，11月26—27日和12月2—3日均有沙塵自西北方向向汾渭平原地區(qū)傳輸過來。受其影響，3個代表城市AQI和PM10濃度在11月26日夜間至次日清晨期間和12月2日夜間至次日清晨期間均呈現(xiàn)出峰值，且后一次峰值較前一次更高，表明后一次沙塵傳輸在汾渭平原地區(qū)造成的污染更重。西安AQI和PM10濃度逐小時最高分別達500和838 μg·m-3，臨汾AQI和PM10濃度逐小時最高分別達500和716 μg·m-3，洛陽AQI和PM10濃度逐小時最高分別達382和496 μg·m-3，西安、臨汾和洛陽PM2.5逐小時濃度呈單峰變化，最大峰值濃度分別為269 μg·m-3、334 μg·m-3和212 μg·m-3，表明霾在12 月1 日達到了最重。西安、臨汾和洛陽AQI小時平均值分別為231.87、184.61和182.89，處于中到重度污染級別，PM2.5小時平均濃度分別為130.22 μg·m-3、122.69 μg·m-3和114.58 μg·m-3，PM10小時平均濃度分別為317.71 μg·m-3、236.21 μg·m-3和252.26 μg·m-3，PM2.5和PM10小時平均濃度均處于輕到中度污染級別。西安、臨汾和洛陽持續(xù)達重污染時長均較長，分別為66 h、42 h和37 h。3個代表城市中，西安AQI和PM10濃度小時最高值以及AQI和PM2.5濃度小時平均值均最大，持續(xù)達重度到嚴(yán)重污染級別時間最長，PM2.5濃度小時最高值也較大，故西安污染最重；洛陽AQI、PM2.5和PM10濃度小時最高值以及AQI和PM2.5濃度小時平均值均最小，持續(xù)達重度到嚴(yán)重污染級別時間最短，PM10濃度小時平均值也較小，故洛陽污染最輕。

圖1 2018 年11 月23 日至12 月6 日西安(a)、洛陽(b)、臨汾(c)AQI、PM2.5、PM10、RH、風(fēng)隨時間變化Fig.1 Temporal variation of AQI,PM2.5 and PM10concentration,relative humidity and wind in Xi′an (a),Luoyang (b) ,and Linfen (c) from November 23 to December 6,2018

2.2 氣象條件對污染物濃度影響

在排放源固定情況下，污染物濃度分布狀況主要受氣象條件影響。圖1給出了此次污染過程期間，3個代表城市RH逐小時演變情況。整個污染過程累計持續(xù)336 h,其中199 h的RH超過50%，較高的濕度有利于污染物的生成和累積，加重霾天氣。沙塵影響期間，大風(fēng)作用使得空氣比較干燥，RH較小。靜穩(wěn)天氣形勢有利于污染物積累，大風(fēng)有利于沙塵傳輸。臨汾和洛陽西北風(fēng)對應(yīng)的PM2.5和PM10濃度相對較低，表明西北方向為清潔通道(圖1)。西安在風(fēng)速小于2 m·s-1情況下，無論風(fēng)向如何，PM2.5和PM10濃度均有大值出現(xiàn)，說明此時以本地積累為主，當(dāng)風(fēng)速增大至3 m·s-1時，PM2.5和PM10在西南和東北方向仍有超過重污染閾值的PM2.5和PM10值存在，表明此時以外來傳輸為主，且西南和東北方向是西安污染物主要傳輸通道，當(dāng)風(fēng)速增大至4 m·s-1時，PM2.5和PM10只在西南方向有超過重污染閾值的PM2.5和PM10值存在，受地形影響，西北路冷空氣過境西安時會轉(zhuǎn)成西南風(fēng)，表明此時以沙塵傳輸為主。臨汾PM2.5和PM10濃度超標(biāo)時刻主要集中出現(xiàn)在風(fēng)速小于2 m·s-1時刻，表明此次污染過程中臨汾以本地積累為主，也表明相較其他兩個代表城市臨汾受沙塵傳輸影響較小。洛陽在風(fēng)速小于2 m·s-1時刻，PM2.5和PM10濃度均較小，PM2.5和PM10高值主要集中出現(xiàn)在風(fēng)速大于2 m·s-1的東北方向，東北風(fēng)將京津冀高排放區(qū)污染物向南輸送至洛陽，導(dǎo)致洛陽東北風(fēng)對應(yīng)的污染物濃度較高，且與其他兩個代表城市相比，洛陽風(fēng)速最大，表明此次污染過程中洛陽以傳輸作用為主。此外，沙塵傳輸作用使得一些較大PM10值散落在洛陽風(fēng)速大于2 m·s-1的西北方向。

2.3 污染物水平分布特征

AOD是氣溶膠消光系數(shù)在整層的積分，可描述整層氣溶膠對光的衰減作用[14-15]。AAI是識別沙塵氣溶膠的重要參數(shù)。對非吸收性氣溶膠，AAI接近0或為負(fù)數(shù)，對沙塵等吸收性氣溶膠，AAI為正值[16-18]。MODIS AOD和OMI AAI資料顯示(圖2和圖3)，汾渭平原25日AOD值普遍小于0.25，26日受沙塵影響AOD值較25日明顯增加，高值主要集中在西安、咸陽和呂梁，最大AOD值可達2.0以上，關(guān)中地區(qū)AAI值很高，達4.5以上，28日AOD值較26日有所減輕，但該地區(qū)大多地市依然維持在0.25—0.50的高值區(qū)間。此外28日AOD高值輪廓與汾渭平原喇叭口地形基本一致，表明地形對污染的影響很大。11月29日和12月1日汾渭平原AAI指數(shù)較低，介于0—1之間，12月3日關(guān)中西部地區(qū)AAI指數(shù)再一次達到極大值。地面環(huán)境監(jiān)測資料和地面天氣現(xiàn)象觀測記錄顯示，25日、26日和28日，即沙塵傳輸前、中和后3 d中，25日MODIS過境汾渭平原時(09—10時)，西安PM2.5濃度最大，PM10濃度最小，以霾天氣為主；26日09—10時有沙塵自新疆經(jīng)甘肅東部、寧夏傳輸至西安高空，并慢慢沉降，PM10濃度略有升高，同時受大風(fēng)影響，PM2.5濃度下降，空氣質(zhì)量整體有所好轉(zhuǎn)，故此時西安AQI和PM2.5濃度最小，PM10濃度居中，AAI值較高；28日09—10時，受26—27日傳輸至西安高空沙塵的沉降累積作用和28日靜穩(wěn)天氣共同影響，PM10濃度持續(xù)增加，PM2.5濃度開始緩慢增加，故西安此時AQI和PM10濃度最大，PM2.5濃度居中，11月29日至12月1日，傳輸至汾渭平原并懸浮停滯在其上空的沙塵已完全沉降，此時霾天氣占主導(dǎo)，故AAI指數(shù)整體偏低，12月2—3日有沙塵自甘肅中部與內(nèi)蒙交界處(巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠)經(jīng)甘肅東部、寧夏傳輸至關(guān)中地區(qū)，致使12月3日汾渭平原地區(qū)AAI值較高。

圖2 2018 年11 月25 日(a)、26 日(b)和28 日(c)汾渭平原MODIS AOD空間分布Fig.2 Spatial distributions of MODIS AOD in Fenwei Plain on November 25 (a) ,26 (b) and 28 (c) ,2018

圖3 2018 年11 月26 日(a)、11 月29 日(b)、12 月1 日(c)和12 月3 日(d)汾渭平原OMI AAI空間分布Fig.3 Spatial distributions of OMI AAI in Fenwei Plain on November 26 (a) ,November 29 (b) ,December 1 (c) and December 3 (d),2018

為了對比分析此次空氣污染過程中前后兩次沙塵傳輸路徑，選取涇河(108.97°E，34.43°N)、臨汾(111.50°E，36.07°N)和孟津(112.47°E，34.80°N)氣象站作為受體點，分別對西安、臨汾和洛陽11月26日20時和12月2日20時500 m高度氣流軌跡進行24 h后向追蹤(圖4)。11月26日20時氣流軌跡始于新疆，12月2日20時氣流軌跡始于內(nèi)蒙古西部，表明前一次沙塵來源于較遠的新疆，后一次沙塵來源于較近的內(nèi)蒙古西部的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，第一次沙塵傳輸距離更遠，到達汾渭平原地區(qū)時強度減弱更多，故后一次沙塵傳輸至汾渭平原地區(qū)時造成的污染更重；11月26日20時污染氣流傳輸高度較12月2日20時明顯高，氣流軌跡明顯長，表明前一次沙塵傳輸高度更高、速度更快。

圖4 2018 年11 月26 日(a,c)和12 月2 日(b,d)500 m氣流后向軌跡空間分布(a,b)和高度時序圖(c,d)Fig.4 Spatial distributions (a,b) and height evolution (c,d) of the backward trajectory of airflow at 500 m on November 26 (a,c) and December 2 (b,d) ,2018

2.4 污染物垂直分布特征

為了分析此次空氣污染過程最重時段污染物垂直分布情況，選取2018年11月26日至12月3日CALIPSO衛(wèi)星夜間過境汾渭平原所在三省的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，有效樣本共計4個，灰色線段部分為統(tǒng)計分析區(qū)域(圖5)。在CALIPSO激光雷達系統(tǒng)中，根據(jù)探測到的氣溶膠高度、位置、下墊面類型、消光系數(shù)、雷達色比等參數(shù)可將氣溶膠分為潔凈海洋氣溶膠、沙漠沙塵、污染大陸氣溶膠、潔凈大陸氣溶膠、污染沙塵、煙塵以及污染海洋氣溶膠7種類型[19-21]。11月27日03時寶雞中低層以沙漠沙塵為主，高空6—8 km處也有明顯的沙塵向地面?zhèn)鬏?圖6)，同時地面觀測資料顯示，自26日14時起寶雞地面PM10濃度迅速升高，之后一直維持在中度到重度污染，直至29日00時降至輕度污染；11月29日03時，晉中、洛陽污染物主要集中在低層，以沙漠沙塵和污染沙塵為主，同時高空仍有少量沙塵在向地面?zhèn)鬏?，此時晉中地面PM2.5、PM10濃度均處于輕度污染，洛陽PM2.5、PM10濃度處于重度污染、中度污染，表明此時晉中、洛陽以霾沙混合天氣為主；12月2日03時，西安和銅川以沙塵和人為污染混合而成的污染沙塵氣溶膠為主，且污染物主要集中在0—3 km高度之間，銅川地面PM2.5濃度自1日12時至2日22時由輕度污染迅速升高至中度到重度污染，而PM10基本處于優(yōu)良狀態(tài)，表明在此時段銅川以霾天氣為主，之后PM2.5濃度恢復(fù)至優(yōu)良狀態(tài)，而PM10濃度受沙塵傳輸影響迅速升高至中度到重度污染，直至4日19時PM10濃度才降至輕度污染；12月4日03時，河南東部中低層以沙漠沙塵為主，高層雖以煙塵為主，但也有少量沙漠沙塵出現(xiàn)，表明此時沙塵已傳輸至河南東部。

圖5 2018年11月26日至12月3日CALIPSO夜間過境汾渭平原軌跡Fig.5 The CALIPSO trajectories crossing Fenwei Plain at night from November 26 to December 3,2018

為了定量說明污染物垂直分布大小，對各樣本軌跡研究區(qū)域內(nèi)532 nm消光系數(shù)垂直廓線進行平均，得到各樣本軌跡532 nm消光系數(shù)垂直平均廓線(圖7)。由圖7可知,霾天氣時(12月2日03時)集中在地面至1.5 km內(nèi)氣溶膠占總柱氣溶膠百分比最大，最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度最高，為0.52 km，532 nm最大消光系數(shù)值居中，為2.30 km-1；沙塵天氣時(11月27日03時和12月4日03時)集中在邊界層內(nèi)污染物相對最小，532 nm最大消光系數(shù)值最小，為0.69 km-1和2.18 km-1，最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度居中，為0.34 km；霾沙混合天氣時(11月29日03時)，集中在邊界層內(nèi)污染物占比居中，532 nm最大消光系數(shù)值最大，為2.63 km-1，最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度最低，為0.10 km。

圖6 2018 年11 月26 日(a)、11 月28 日(b)、12 月1 日(c)、12 月3 日(d)CALIPSO氣溶膠類型垂直分布Fig.6 Vertical distributions of CALIPSO aerosol types on November 26 (a) ,November 28 (b),December 1 (c),and December 3 (d),2018

圖7 2018 年11 月26 日(a)、11 月28 日(b)、12 月1 日(c)、12 月3 日(d)CALIPSO 532 nm消光系數(shù)垂直分布Fig.7 Vertical distributions of CALIPSO extinction coefficient at 532 nm on November 26 (a) ,November 28 (b),December 1 (c),and December 3 (d),2018

3 結(jié)論

(1)2018年11月23日至12月6日汾渭平原地區(qū)發(fā)生了一次嚴(yán)重的持續(xù)性霾沙混合過程。地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，11月26日至12月3日為污染最重時段。其中，12月1日為霾最重時段，西安、臨汾和洛陽3個代表城市PM2.5最大峰值濃度分別為269 μg·m-3、334 μg·m-3和212 μg·m-3，均達嚴(yán)重污染，11月26日夜間和12月2日夜間為沙塵影響最重時段，后一時段PM10濃度峰值較前一時段更高；西安、臨汾和洛陽持續(xù)達重污染時長分別為66 h、42 h和37 h。

(2) 結(jié)合地面氣象觀測資料發(fā)現(xiàn)，此次空氣污染過程累計持續(xù)336 h,其中199 h的RH超過50%，較高濕度有利于顆粒物生成和累積。沙塵期間，大風(fēng)作用使得RH較小。霾過程中西安以本地積累和西南、東北方向的外來傳輸作用為主，臨汾以本地積累為主，洛陽以東北方向的外來傳輸作用為主；西安、洛陽沙塵傳輸方向分別為西南和西北方向，臨汾受沙塵傳輸影響較小。小風(fēng)、高濕等不利氣象條件，污染物區(qū)域傳輸和本地污染物排放累積，汾渭平原“喇叭口”特殊地形，以及西北路高空沙塵的遠距離傳輸共同作用使得該次過程以沙塵和霾混合，持續(xù)時間長。

(3)通過對衛(wèi)星資料分析發(fā)現(xiàn)，沙塵期間，AOD和AAI值很高，分別可達2.0和4.5以上；霾期間，AOD高值空間分布受地形影響較大，AAI指數(shù)較低，介于0—1之間。CALIPSO資料也顯示，11月27日03時高空有明顯沙塵向汾渭平原地面?zhèn)鬏敚硥m天氣時集中在邊界層內(nèi)污染物占比和532 nm最大消光系數(shù)值(0.69 km-1)均最小，低層以沙漠沙塵為主；霾天氣時(12月2日03時)集中在邊界層內(nèi)污染物占比最高，最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度最高(0.52 km)，低層以污染沙塵為主；霾沙混合天氣時(11月29日03時)集中在邊界層內(nèi)污染物占比居中，532 nm最大消光系數(shù)值最大(2.63 km-1)，最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度最低(0.10 km)，低層以沙漠沙塵和污染沙塵為主。

(4) HYSPLIT后向軌跡模式顯示，前一次沙塵來源于新疆，傳輸距離更遠，高度更高，速度更快，后一次沙塵來源于內(nèi)蒙古西部的巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，在汾渭平原造成的污染更重。