蔣 誠(chéng)，唐貴謙，李啟華*，劉保獻(xiàn)，王 蒙，王躍思

1.安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601 2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

引 言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，空氣質(zhì)量受到了嚴(yán)重的影響，人們的生活環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境也正在遭受著越來(lái)越嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1]。顆粒物污染會(huì)對(duì)人們的身體健康帶來(lái)極大的威脅，包括刺激人的皮膚及眼睛，引起呼吸道的各種疾病，嚴(yán)重刺激人的神經(jīng)系統(tǒng)。各地，尤其是大城市經(jīng)常出現(xiàn)大范圍的重霾天氣，顆粒物的污染導(dǎo)致了能見(jiàn)度的降低?？諝赓|(zhì)量的改善成為越來(lái)越多人的迫切需要，因此全國(guó)也加大了對(duì)顆粒物污染治理的重視程度。據(jù)“大氣國(guó)十條”評(píng)估報(bào)告顯示，2013年—2017年京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角近地面PM2.5質(zhì)量濃度分別下降了39.6%，34.3%和27.7%，同時(shí)相應(yīng)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)柱總量下降率分別為28%，16%和20%[2]。整體下降趨勢(shì)顯著的同時(shí)，仍未達(dá)到WHO的標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)對(duì)顆粒物污染的治理也進(jìn)入了深水區(qū)。此外，近地面污染物下降相對(duì)柱濃度的趨勢(shì)更明顯，兩者在下降率上并不匹配，急需垂直層面的檢測(cè)儀器進(jìn)行觀測(cè)分析。

由于顆粒物壽命長(zhǎng)，不易清除，導(dǎo)致顆粒物的區(qū)域輸送，尤其是高空輸送的問(wèn)題，僅僅靠近地面的觀測(cè)無(wú)法捕捉，垂直觀測(cè)的重要性顯而易見(jiàn)。目前全國(guó)雖已經(jīng)建立了1 000多個(gè)觀測(cè)站對(duì)顆粒物污染進(jìn)行觀測(cè)，但卻缺乏光學(xué)手段對(duì)顆粒物進(jìn)行垂直層面的觀測(cè)。以往國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行顆粒物的垂直觀測(cè)時(shí)采用的手段都存在諸多的局限性：首先是進(jìn)行的鐵塔觀測(cè)[3]，由于高度問(wèn)題，只能進(jìn)行近地面的觀測(cè)；其次是激光雷達(dá)的觀測(cè)[4]，因?yàn)榇嬖诮孛娴拿^(qū)，加之由于儀器不穩(wěn)定帶來(lái)維護(hù)成本高的問(wèn)題，并不能進(jìn)行很好的觀測(cè)，此外由于儀器在結(jié)露時(shí)受水汽影響大，亦是實(shí)驗(yàn)中需要解決的問(wèn)題；最后是飛機(jī)遙測(cè)[5]，雖然觀測(cè)的效果不錯(cuò)，但由于只能進(jìn)行短期觀測(cè)，并不能反映區(qū)域長(zhǎng)時(shí)期的氣溶膠狀況，難以真正地服務(wù)到大眾。

而本課題所用到多軸差分光學(xué)吸收光譜(MAX-DOAS)儀，由于是實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的觀測(cè)儀器，加之觀測(cè)高度可達(dá)4 km，成為了優(yōu)秀的觀測(cè)手段。MAX-DOAS的對(duì)比驗(yàn)證通常包括飛機(jī)航測(cè)和雷達(dá)觀測(cè)兩種方式。Wang等開(kāi)展了MAX-DOAS監(jiān)測(cè)和飛機(jī)航測(cè)的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩者探測(cè)的消光系數(shù)有很強(qiáng)的一致性[6]。此外氣溶膠激光雷達(dá)的對(duì)比也表明，MAX-DOAS探測(cè)氣溶膠垂直廓線有很好的適用性[7]。但由于飛機(jī)和氣溶膠激光雷達(dá)存在近地面盲區(qū)的問(wèn)題，MAX-DOAS探測(cè)的近地層氣溶膠垂直廓線仍未有明確的驗(yàn)證。

為解決上述問(wèn)題，本研究結(jié)合MAX-DOAS、太陽(yáng)光度計(jì)對(duì)北京地區(qū)AOD進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)合MAX-DOAS與高塔觀測(cè)進(jìn)行氣溶膠消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性分析，進(jìn)而檢驗(yàn)其對(duì)顆粒物垂直結(jié)構(gòu)的響應(yīng)能力。對(duì)MAX-DOAS的適用性做出評(píng)估，從而使得MAX-DOAS能在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面得到推廣。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與觀測(cè)時(shí)段

MAX-DOAS實(shí)驗(yàn)儀器被安裝在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的合建樓頂(39.98°N，116.39°E)，距離地面約44 m，是典型的城市中心地帶[8]。太陽(yáng)光度計(jì)CE-318和顆粒物分析儀安裝在鐵塔分部(39.98°N，116.38°E)的地面，兩地相距約1 km，中間隔著一條京藏高速[9]。本研究時(shí)段為2019年4月至5月，利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所鐵塔的優(yōu)勢(shì)，建立對(duì)顆粒物濃度的梯度測(cè)量，進(jìn)而分析MAX-DOAS在監(jiān)測(cè)氣溶膠污染時(shí)的適用性。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置圖(1)：CE-318，MP101M觀測(cè)地點(diǎn);(2)：MAX-DOAS觀測(cè)地點(diǎn)Fig.1 Location map of observation points(1)：CE-318,MP101m observation site;(2)：MAX-DOAS observation site

1.2 MAX-DOAS測(cè)量

實(shí)驗(yàn)所用儀器型號(hào)為SkySpec-2D-200-System(MAX-DOAS)，光譜儀覆蓋了紫外(303～370 nm)和可見(jiàn)光(390～608 nm)，利用多軸掃描的方式，反演氣溶膠總消光。儀器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)從地平線到天頂進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整觀測(cè)，儀器視野小于 1°。由內(nèi)部程序設(shè)定了11個(gè)(1°，2°，3°，4°，5°，6°，8°，10°，15°，30°和90°)觀測(cè)仰角，每個(gè)角度掃描100次。由于采用的是被動(dòng)式探測(cè)方法，MAX-DOAS的工作時(shí)間為每天的8：00—17：00，選取的氣溶膠反演波段為338～370 nm，吸收峰的中心波長(zhǎng)為360.8 nm，垂直廓線時(shí)間分辨率及觀測(cè)垂直分辨率分別為15 min和100 m。進(jìn)行氣溶膠反演時(shí)，在反演算法的輻射傳輸模型(RTM)中分別設(shè)置基本參數(shù)：太陽(yáng)天頂角(SZA)、單次散射反照率以及廓線類(lèi)型等，此外還需設(shè)置觀測(cè)高度100 m為一層，每一層設(shè)置一個(gè)消光，然后用最優(yōu)估算法(OEM)進(jìn)行反演。光譜分辨率半高寬(FWHM)紫外為0.45 nm，可見(jiàn)光為0.3 nm。通過(guò)利用海德堡(HEIPRO)反演算法，主要基于最優(yōu)估算法以及最小二乘光譜擬合法，并以輻射傳輸模型SCIATRAN作為前向模型[10]，計(jì)算不同高度消光系數(shù)。

1.3 CE-318測(cè)量

地面AOD的測(cè)量選用的儀器為CE-318型太陽(yáng)光度計(jì)。由于MAX-DOAS反演所選用的波段為361 nm，選用波長(zhǎng)為340 nm光譜通道。采用對(duì)數(shù)線性曲線擬合算法，在340 nm處估算Angstrom指數(shù)。Angstrom指數(shù)定義為

τaero(λ)=βλ-α

(1)

式(1)中，τaero(λ)是AOD，β是表示大氣中氣溶膠含量的濁度系數(shù)，α是Angstrom指數(shù)。Angstrom指數(shù)的計(jì)算公式為[11]

(2)

之后我們通過(guò)波長(zhǎng)為340和380 nm兩個(gè)光譜通道反演的AOD數(shù)據(jù)，利用線性插值法求出τaero(361)。計(jì)算τaero(361)線性插值法為

(3)

τaero(361)=exp(Y)

(4)

其中：X1=ln(340)；X2=ln(380)；X=ln(361)；Y1=ln(340 nm通道反演的AOD)；Y2=ln(380 nm通道反演的AOD)；最后將所得數(shù)據(jù)求取小時(shí)平均值進(jìn)行分析。

1.4 MP101M測(cè)量

測(cè)量顆粒物濃度采用法國(guó)MP101M顆粒物分析儀。利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的鐵塔的高度優(yōu)勢(shì)，建立了基于鐵塔的60，160和280 m三個(gè)高度梯度觀測(cè)平臺(tái)。其工作原理主要基于β射線法[12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制

為了避免平流層吸收引起的影響，在研究中，太陽(yáng)天頂角小于75°時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后在廓線反演前，過(guò)濾掉殘差均方根(RMS)大于1×10-3的擬合結(jié)果。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下預(yù)處理：(1)首先刪除MAX-DOAS反演屬性中誤差的卡方檢驗(yàn)chisq大于200以及自由度(dfs)小于1的數(shù)據(jù)。之后將MAX-DOAS誤差與廓線比值大于50%的數(shù)據(jù)刪除。(2)由于MAX-DOAS為被動(dòng)式觀測(cè)儀器，受云層干擾較大，因此刪除有云時(shí)間段所有數(shù)據(jù)。(3)刪除太陽(yáng)光度計(jì)中異常值數(shù)據(jù)，同時(shí)刪除Angstrom指數(shù)大于2.0的數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 應(yīng)用于MAX-DOAS的閾值結(jié)果Table 1 Threshold results applied to Max-DOAS

進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行小時(shí)平均處理，并將氣溶膠消光系數(shù)積分獲得AOD，同太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1.6 輔助數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證MAX-DOAS在不同天氣條件下的適用性，引入了一些氣象數(shù)據(jù)。其中，利用梯度理查森數(shù)(Ri)來(lái)判定當(dāng)天是否處于靜穩(wěn)天氣。Ri的值可以用來(lái)表示大氣的穩(wěn)定性，當(dāng)Ri>1時(shí)表明大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，并且Ri值越大，大氣越穩(wěn)定[13]。計(jì)算梯度理查森數(shù)所用的數(shù)據(jù)包括高度、位溫、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)獲取來(lái)源是中國(guó)氣象局國(guó)家測(cè)深觀測(cè)站(ID:54511,116.470°E,39.806°N)，場(chǎng)地位于南五環(huán)亦莊橋上，是北京主城區(qū)的南邊界。邊界層高度通過(guò)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所增強(qiáng)型單透鏡云高儀進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)根據(jù)衰減后向散射系數(shù)的垂直梯度突變的位置來(lái)計(jì)算邊界層高度(BLH)[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 AOD評(píng)估

氣溶膠光學(xué)厚度是表征大氣渾濁程度的關(guān)鍵物理量，反映了大氣能見(jiàn)度情況[15]。首先，驗(yàn)證MAX-DOAS在測(cè)量AOD時(shí)的準(zhǔn)確性。通過(guò)比對(duì)CE-318獲得AOD和MAX-DOAS獲得的AOD，發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，同時(shí)，斜率為0.89，其相關(guān)性分析如圖2所示，證明兩者AOD觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性。

圖2 CE-318與MAX-DOAS的AOD相關(guān)性分析Fig.2 AOD correlation analysis between CE-318 and MAX-DOAS

2.2 氣溶膠垂直廓線評(píng)估

MAX-DOAS反演得到的氣溶膠消光系數(shù)，從近地面到達(dá)4 km的高度，每100 m劃分為一層，共有40層。為了驗(yàn)證MAX-DOAS的準(zhǔn)確性，比較了最低3層(MAX-DOAS的0～200 m)的平均梯度濃度，由于顆粒物分析儀的時(shí)間分辨率為15 min，因此比較兩者每層的小時(shí)平均。

將兩者在不同高度的小時(shí)平均值進(jìn)行相關(guān)性的比較，其中在60 m處相關(guān)性為0.69，在160 m處為0.77，在280 m處為0.75，相應(yīng)的相關(guān)性分析圖如圖3所示。這證明MAX-DOAS所得的氣溶膠消光系數(shù)與鐵塔監(jiān)測(cè)所獲得的PM2.5質(zhì)量濃度同樣具有較高的相關(guān)性。

圖3 三層PM2.5質(zhì)量濃度與氣溶膠消光系數(shù)相關(guān)性(a)：60 m；(b)：160 m；(c)：280 mFig.3 Correlation between mass concentration of three-layer PM2.5 and extinction coefficient of aerosol(a)：60 m；(b)：160 m；(c)：280 m

2.3 長(zhǎng)距離輸送特例

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MAX-DOAS和真實(shí)大氣的相關(guān)性，分析了特殊天氣條件下(如沙塵天氣、靜穩(wěn)天氣等)，MAX-DOAS是否具有相應(yīng)的響應(yīng)能力。

2.3.1 對(duì)沙塵天氣的響應(yīng)能力

Angstrom指數(shù)的大小能反映大氣中氣溶膠顆粒粒徑的大小。Angstrom指數(shù)越小，氣溶膠顆粒粒徑越大，反映可能存在沙塵天氣。為了判斷當(dāng)天是否處于靜穩(wěn)天氣，我們引入了梯度理查森數(shù)。從圖4(b)我們發(fā)現(xiàn)在絕大多數(shù)時(shí)候Ri都是小于1的，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的天氣并非處于靜穩(wěn)狀態(tài)下。

圖4 2019年4月5日北京地區(qū)分析圖(a)：氣溶膠消光系數(shù)與Angstrom指數(shù);(b)：上午8點(diǎn)北京地區(qū)梯度理查森數(shù)Fig.4 The analysis diagram of Beijing area on May 11,2019(a)：Aerosol extinction coefficient and Angstrom exponent; (b)：Gradient Richardson number in Beijing area,at 8 a.m.

2019年4月5日，沙塵持續(xù)時(shí)間為11時(shí)至21時(shí)，MAX-DOAS對(duì)此次沙塵天氣做出了及時(shí)的響應(yīng)。在11時(shí)后，Angstrom指數(shù)一直處于較低狀態(tài)，反映出沙塵天氣的到來(lái)，同時(shí)，氣溶膠消光系數(shù)的驟升驗(yàn)證了大氣中顆粒物含量的增加。從圖中可以看出，污染在11點(diǎn)呈現(xiàn)出“葫蘆”狀，近地面和0.5～1.0 km處為高值，而0.2～0.5 km處為低值。伴隨著Angstrom指數(shù)在12點(diǎn)的下降，12點(diǎn)時(shí)近地面污染加重，而高空污染物出現(xiàn)明顯的下降，污染物從0.8 km高空向近地面輸送。

2.3.2 對(duì)靜穩(wěn)天氣的響應(yīng)能力

2019年5月11日上午8點(diǎn)梯度理查森如圖5(b)所示。此外，為了確保靜穩(wěn)天氣的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮了當(dāng)天該時(shí)段邊界層高度的數(shù)據(jù)，如圖5(a)。

北京時(shí)間2019年5月11日12時(shí)前，邊界層高度處于較低值，同時(shí)，在高度為200～900 m的大氣中，Ri一直處于較高值(Ri>1)，說(shuō)明此時(shí)北京處于靜穩(wěn)狀態(tài)下，大氣中的污染物無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)致了氣溶膠消光系數(shù)的升高。13時(shí)后，邊界層高度升高，污染物擴(kuò)散，氣溶膠消光系數(shù)呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢(shì)。這表明MAX-DOAS在大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)下對(duì)污染物能做出及時(shí)的響應(yīng)。

2.3.3 對(duì)重污染靜穩(wěn)天氣的響應(yīng)能力

在靜穩(wěn)天氣下，經(jīng)常存在重污染的天氣情況。因此，MAX-DOAS能否在重污染條件下保持著較高的響應(yīng)能力同樣很重要。北京時(shí)間2019年4月23日，北京地區(qū)上午出現(xiàn)了重污染，對(duì)應(yīng)邊界層高度處于較低狀態(tài)，且存在Ri?1的情況[如圖5(b)所示]，北京當(dāng)天處于靜穩(wěn)的重污染環(huán)境下。

圖5 2019年5月11日北京地區(qū)分析圖(a)：氣溶膠消光系數(shù)與邊界層高度；(b)：上午8點(diǎn)北京地區(qū)梯度理查森數(shù)Fig.5 The analysis diagram of Beijing area on May 11,2019(a)：Aerosol extinction coefficient and boundary layer height；(b)：Gradient Richardson number in Beijing area,at 8 a.m.

如圖6(a)所示，MAX-DOAS觀測(cè)的氣溶膠消光系數(shù)在近地面至接近邊界層的500 m高空處于較高值，顯示了重污染的情況。在正午后，隨著邊界層的升高，靜穩(wěn)狀態(tài)解除，污染物逐漸向高空輸送，近地面的污染情況得到了緩解，MAX-DOAS準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到了這一污染的輸送情況。

圖6 2019年4月23日北京地區(qū)分析圖(a)：氣溶膠消光系數(shù)與邊界層高度;(b)：上午8點(diǎn)北京地區(qū)梯度理查森數(shù)Fig.6 The analysis diagram of Beijing on Apr 23,2019(a)：Aerosol extinction coefficient and boundary layer height；(b)：Gradient Richardson number in Beijing area,at 8 a.m.

2.4 垂直變化規(guī)律

本文將2019年4月—5月兩個(gè)月的氣溶膠垂直廓線求取平均，發(fā)現(xiàn)平均垂直廓線隨高度增加而呈現(xiàn)e指數(shù)遞減，如圖7所示。氣溶膠消光系數(shù)均值在1.5 km高度處約為近地面的50%，而在1.5 km以上消光系數(shù)隨著高度的增加而快速減小。當(dāng)高度達(dá)到約2 km時(shí)，氣溶膠消光系數(shù)均值下降至0.1 km-1。在整體都出現(xiàn)遞減的情況下，氣溶膠消光系數(shù)平均垂直廓線和PM2.5平均質(zhì)量濃度均在近地層出現(xiàn)先降低后升高的情況，兩者趨勢(shì)一致。

圖7 氣溶膠消光系數(shù)和PM2.5平均垂直廓線Fig.7 Mean vertical profile of Aerosol extinction coefficient and PM2.5

3 結(jié) 論

為驗(yàn)證北京地區(qū)MAX-DOAS算法對(duì)于氣溶膠的適用性。2019年4月1日至5月31日期間，在北京地區(qū)利用MP101M顆粒物分析儀，獲取了PM2.5質(zhì)量濃度的廓線(60，160和280 m)，并在同時(shí)段通過(guò)MAX-DOAS反演氣溶膠消光系數(shù)廓線(0，100和200 m)，證實(shí)MAX-DOAS對(duì)于氣溶膠消光的反演大大提高了垂直層面監(jiān)測(cè)的精度，同時(shí)完善了顆粒物實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)體系。

同時(shí)，在出現(xiàn)沙塵天氣、靜穩(wěn)條件的污染天氣以及重污染情況下，MAX-DOAS都做出了及時(shí)的響應(yīng)，說(shuō)明MAX-DOAS反映出真實(shí)大氣的情況。以上結(jié)果均表明MAX-DOAS探測(cè)大氣氣溶膠垂直廓線具有較高的適用性。