崔　蕾，倪長健，孫歡歡，劉　昆，張　研

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院/ 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都　610225；2.中國人民解放軍96111部隊,陜西 渭南　715400；3.中國人民解放軍95596部隊,陜西 西安　710300)

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能見度反演PM2.5質(zhì)量濃度方法的對比分析

崔蕾1，倪長健1，孫歡歡1，劉昆2，張研3

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院/ 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都610225；2.中國人民解放軍96111部隊,陜西 渭南715400；3.中國人民解放軍95596部隊,陜西 西安710300)

摘要：著眼于能見度對細(xì)顆粒物反演的準(zhǔn)確表征，利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM(2.5)質(zhì)量濃度以及大氣能見度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比研究了基于能見度推算PM(2.5)質(zhì)量濃度的直接與間接方法。前者利用冪函數(shù)直接構(gòu)建能見度與PM(2.5)質(zhì)量濃度的函數(shù)關(guān)系；后者則通過能見度對消光系數(shù)的求取，進(jìn)一步以線性函數(shù)反演PM(2.5)質(zhì)量濃度。分析結(jié)果表明：(1)2種方法均能較好地反演PM(2.5)質(zhì)量濃度，反演結(jié)果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一致的統(tǒng)計特征；(2)相比基于能見度反演PM(2.5)質(zhì)量濃度的直接方法，間接方法物理意義更為清晰，同時反演結(jié)果也更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：成都；PM(2.5)；消光系數(shù)；能見度；反演

氣溶膠是指懸浮在地球大氣中沉降速度小、尺度介于10-3～10 μm之間的液態(tài)或固態(tài)粒子。近年來,由氣溶膠消光作用所造成大氣能見度降低的現(xiàn)象已成為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,受到了各界的高度關(guān)注[1]。已有研究表明,細(xì)顆粒物是造成能見度惡化的重要因子。王淑英等[2]統(tǒng)計了北京地區(qū)大氣能見度的變化規(guī)律,表明能見度與顆粒物濃度呈反相關(guān)關(guān)系;張劍等[3]分析了蘇州城區(qū)能見度與顆粒物質(zhì)量濃度及氣象要素的相關(guān)關(guān)系,得到顆粒物質(zhì)量濃度與能見度相關(guān)性較好這一結(jié)論;姚婷婷等[4]對深圳市冬季大氣消光性質(zhì)與細(xì)粒子化學(xué)組成的高時間分辨率觀測和統(tǒng)計研究表明,顆粒物對大氣消光能力與粒徑和成分關(guān)系密切。理論上而言,如果顆粒物的化學(xué)組成以及各種化學(xué)組分的吸收消光比例確定,就可推算出顆粒物對能見度的消光作用[5],但該項分析耗時長，費用高。為此,王京麗等[6]、姚劍等[7]分別利用北京與上海大氣能見度與顆粒物質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù),提出了兩者之間的統(tǒng)計學(xué)關(guān)系。消光系數(shù)作為氣溶膠光學(xué)特性的重要表征,也被廣泛用于地面顆粒物的反演。何秀等[8]在對地面消光系數(shù)進(jìn)行濕度訂正的前提下,反演得到PM10質(zhì)量濃度;陶金花等[9]基于衛(wèi)星遙感AOT的資料,提出了估算近地面顆粒物濃度的新方法;韓道文等[10]、SONG等[11]分別利用北京市地面激光雷達(dá)和氣象儀測量結(jié)果構(gòu)建了消光系數(shù)與近地面顆粒物的函數(shù)關(guān)系,并對近地面顆粒物進(jìn)行估算。

筆者利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM2.5以及大氣能見度監(jiān)測數(shù)據(jù),對比分析了基于能見度推算PM2.5濃度的直接與間接方法，不僅豐富了大氣細(xì)顆粒物濃度監(jiān)測的手段,還可為大氣環(huán)境管理提供依據(jù)。

1研究方法

1.1資料來源和儀器

選用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路環(huán)境監(jiān)測站提供的逐時PM2.5質(zhì)量濃度以及大氣能見度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

采用小流量采樣器(美國熱電子環(huán)境設(shè)備公司)進(jìn)行大氣氣溶膠(PM2.5)質(zhì)量濃度的觀測。該儀器具有PM10和PM2.5粒徑切割頭,使用電子天平(AB204-E)并利用減重法求得PM質(zhì)量濃度,精度為十萬分之一,采樣頻率為5 min。大氣能見度采用Belfort 6000型大氣能見度傳感器測量,數(shù)據(jù)采集頻率為1 min,精度為±10%，散射角度為42°。

1.2反演方法

1.2.1基于能見度的間接反演方法

根據(jù)朗伯-比爾定律,氣溶膠的消光系數(shù)與能見度關(guān)系如下[1]：

(1)

式(1)中,Kext為消光系數(shù),m-1;V為能見度,m。結(jié)合Mie散射理論,消光系數(shù)與顆粒物譜分布和消光系數(shù)因子有關(guān)[12]。

Kext=π∫Qext(m,r,λ)n(r)r2dr。

(2)

式(2)中,Qext(m,r,λ)為顆粒物的消光系數(shù)因子;m為粒子的復(fù)折射率,%;r為半徑,μm;λ為波長,μm;n(r)為譜分布函數(shù)。

顆粒物質(zhì)量濃度可表達(dá)為

(3)

式(3)中,ρ(PMx)為PMx質(zhì)量濃度,μg·m-3;ρ為密度,μg·m-3。

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)HANSEN等[13]的工作,引入歸一化顆粒物散射效率〈Qext〉和有效半徑〈r〉2個參數(shù):

(4)

(5)

最后,綜合式(2)～(5)可得到:

(6)

式(6)表明,若顆粒物的類型及譜分布一定,則〈Qext〉、〈r〉和〈ρ〉均視為常數(shù),據(jù)此構(gòu)建近地面氣溶膠消光系數(shù)與顆粒物濃度之間的線性模型,即

ρ(PM2.5)=A×Kext+B。

(7)

式(7)中,A、B為該模型的參數(shù)。但實際而言,不同地區(qū)及時段內(nèi),顆粒物類型不可能相同,從而上述假設(shè)有一定限制,但在較小區(qū)域和較短時間范圍內(nèi),可近似認(rèn)為顆粒物類型及其譜分布的影響因子相對穩(wěn)定,從而兩者間的線性關(guān)系較為穩(wěn)定。諸多學(xué)者的研究成果也驗證了這一假設(shè)的合理性[2,6-8,14]。

1.2.2基于能見度的直接反演方法

利用式(1)和(6)可得能見度(V)與ρ(PMx)呈倒數(shù)關(guān)系:

(8)

結(jié)合梁延剛等[14]、王京麗[6]等學(xué)者的研究成果,可利用冪函數(shù)擬合近地面PM2.5質(zhì)量濃度與能見度之間的關(guān)系,即

ρ(PM2.5)=C×VD。

(9)

式(9)中,C、D為該模型參數(shù)。

2結(jié)果與分析

基于成都市人民南路2013年6月1日—2014年2月28日逐時能見度和近地面PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),分夏、秋、冬3個季節(jié)利用前述直接與間接方法構(gòu)建能見度與PM2.5質(zhì)量濃度的數(shù)學(xué)模型(剔除異常及缺測數(shù)據(jù)后,夏、秋、冬3季有效樣本個數(shù)分別為1 584、2 180和2 090),結(jié)果見表1。

綜合表1和圖1可見,2種模型均能較好地反演PM2.5質(zhì)量濃度;另外,就相關(guān)系數(shù)而言,冬季效果最好,秋季次之,夏季稍差,這可能與相對濕度季節(jié)變化特征有關(guān)[6,10]。

將夏、秋、冬3季時均樣本求取日均濃度后,分別得到66、90和87對有效樣本。按上述2類模型進(jìn)行反演計算,反演結(jié)果(圖2)均與地面監(jiān)測結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)特征上有較好的一致性。為評判上述2種反演方法效果的優(yōu)劣,相應(yīng)誤差計算結(jié)果見表2。間接反演方法所得的PM2.5質(zhì)量濃度與實際監(jiān)測值的偏差更小,擬合效果更優(yōu),由此表明間接方法的反演結(jié)果與地面監(jiān)測結(jié)果具有更好的相關(guān)性。

表1直接方法與間接方法的反演模型及統(tǒng)計參數(shù)

Table 1Inversion models using the direct method and indirect method and statistic parameters

季節(jié)樣本數(shù)直接方法模型Rd2(α=0.05)間接方法模型Rind2(α=0.05)夏1584y=111345.04x-0.9930.43y=27887.07x+8.02320.43秋2180y=31980.59x-0.7930.53y=28571.78x+19.61110.52冬2090y=22697.589x-0.6920.65y=34273.697x+52.00100.66

直接方法模型中x、y分別為能見度(V)和ρ(PM2.5);間接方法模型中x、y分別為消光系數(shù)(Kext)和ρ(PM2.5)。Rd2和Rind2分別為直接與間接方法模型的決定系數(shù)。

圖1　直接和間接方法反演結(jié)果散點圖

圖2　PM2.5質(zhì)量濃度的反演結(jié)果與地面觀測值對比

表2直接和間接方法反演PM2.5質(zhì)量濃度結(jié)果的誤差比對

Table 2Comparison between the inversions of PM2.5mass concentrations using direct and indirect methods in diviation

季節(jié)樣本數(shù)ρ1/(μg·m-3)ρ2/(μg·m-3)ρ3/(μg·m-3)偏差1/%偏差2/%夏6659.2545.5049.622316秋9093.0885.3786.6887冬87146.97138.41140.8164

ρ1、ρ2和ρ3分別表示監(jiān)測樣本、直接法反演和間接法反演ρ(PM2.5)均值；偏差1、偏差2分別為直接方法與間接方法所得結(jié)果與監(jiān)測樣本濃度的偏差,該偏差計算公式為Dev=[|(ρ反演結(jié)果-ρ地面監(jiān)測)|/ρ地面監(jiān)測]×100%,式中ρ反演結(jié)果與ρ地面監(jiān)測分別表示2種方法所反演的PM2.5質(zhì)量濃度日均值與地面監(jiān)測樣本日均值。

3結(jié)論

提出了基于能見度反演PM2.5質(zhì)量濃度的直接與間接方法,前者利用冪函數(shù)直接構(gòu)建能見度與PM2.5質(zhì)量濃度的函數(shù)關(guān)系;后者則通過能見度對消光系數(shù)的求取,進(jìn)一步以線性函數(shù)反演PM2.5質(zhì)量濃度。利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM2.5質(zhì)量濃度以及大氣能見度的監(jiān)測數(shù)據(jù),計算結(jié)果表明:(1)2種方法均能較好地反演PM2.5質(zhì)量濃度,反演結(jié)果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一致的統(tǒng)計特征;(2)相比于直接方法的計算結(jié)果,間接方法物理意義更為明確,同時反演所獲得的PM2.5質(zhì)量濃度與地面監(jiān)測濃度的相關(guān)性也更高。

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(責(zé)任編輯： 陳昕)

Comparison Analysis of the Method of Using Visibility to Retrieve Concentration of PM2.5.

CUILei1，NIChang-jian1，SUNHuan-huan1，LIUKun2，ZHANGYan3

(1.College of Atmospheric Sciences/ Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2.Chinese People′s Liberation Army 96111 Armed Forces, Weinan 715400, China;3.Chinese People′s Liberation Army 95596 Armed Forces, Xi′an 710300, China)

Abstract:To characterize precisely the usage of visibility to retrieve concentration of fine particles, a direct method and an indirect method were used to reckon PM(2.5) mass concentration based on visibility in a comparative study with the hourly monitoring data of PM(2.5 ) mass concentration and atmospheric visibility at Section 4 of South People Road of Chengdu during the period from June 1, 2013 to Feb. 28, 2014 cited as subject. The former used power functions to directly develop a functional relationship between visibility and PM(2.5) mass concentration, while the latter first worked out extinction coefficient by visibility and then used linear functions to retrieve PM(2.5) mass concentration. Results show as follows: (1) Both methods can be used well to retrieve PM(2.5) mass concentration and the retrieval matches the ground monitoring data quite well in statistic feature; (2) Compared to the direct method of using visibility to retrieve PM(2.5) mass concentration, the indirect method is more explicit in physical significance and more accurate.

Key words:Cheng-du City；PM(2.5)；extinction coefficient；visibility；inversion

作者簡介：崔蕾(1992—),女,貴州貴陽人,碩士生，研究方向為大氣物理與大氣環(huán)境。E-mail: cccuuuiiillleeeiii@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.026

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)02-0338-04

基金項目：四川省教育廳項目(2014Z155);四川省教育廳重點項目(15ZA0179)

收稿日期：2015-05-13