陳 靜,張艷品,楊 鵬,鈐偉妙,王曉敏,韓軍彩 (石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

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石家莊一次沙塵氣溶膠污染過程及光學(xué)特性

陳 靜*,張艷品,楊 鵬,鈐偉妙,王曉敏,韓軍彩 (石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

摘要：為掌握沙塵氣溶膠遠(yuǎn)距離輸送特征及其規(guī)律,對(duì)2015年4月15日影響石家莊空氣質(zhì)量的沙塵天氣背景、污染特征進(jìn)行了分析,利用HYSPLIT—4模式分析了沙塵氣溶膠的后向軌跡,并利用微脈沖激光雷達(dá)和太陽(yáng)光度計(jì)CE318監(jiān)測(cè)資料分析了沙塵氣溶膠的垂直分布和光學(xué)特性演變,與大風(fēng)無沙塵沉降另一過程進(jìn)行了對(duì)比,探討了沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)的影響,估算了沙塵沉降對(duì)地面P M10濃度的貢獻(xiàn).結(jié)果表明:來自蒙古國(guó)的沙塵氣溶膠以西北路徑遠(yuǎn)距離輸送沉降是導(dǎo)致石家莊PM10濃度驟升的主要因素;沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)和地面PM10濃度具有重要貢獻(xiàn);氣溶膠快速沉降時(shí)間與冷鋒過境、冷空氣下沉相一致;微脈沖激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)到整個(gè)沙塵氣溶膠輸送沉降過程,沉降之前沙塵氣溶膠主要分布在1500～3000m高空,氣溶膠消光系數(shù)隨高度上升而增大,輸送飄浮空中到沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),為沙塵污染預(yù)警提供了“強(qiáng)信號(hào)”特征;氣溶膠光學(xué)厚度隨沙塵到達(dá)明顯上升,渾濁度較高,粒徑偏大,地面能見度隨氣溶膠光學(xué)厚度呈冪指數(shù)遞減.

關(guān)鍵詞：沙塵氣溶膠；激光雷達(dá)；太陽(yáng)光度計(jì)；消光系數(shù)；光學(xué)厚度；后向軌跡

? 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, cj640212@163.com

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系,粒子的直徑多在10-3～102μm之間,其來源可分為自然源和人工源[1].以自然產(chǎn)生為主的沙塵氣溶膠又稱礦物氣溶膠,是大氣環(huán)境中組成復(fù)雜、危害較大的污染物之一[2-3].沙塵氣溶膠在一定的環(huán)流背景下遠(yuǎn)距離輸送對(duì)下游地區(qū)的大氣環(huán)境[4]及生態(tài)環(huán)境[5-6]會(huì)造成較大影響,是影響地氣系統(tǒng)的的一個(gè)重要因子.它通過多種方式影響氣候[7].一方面,通過吸收和散射太陽(yáng)短波輻射以及地氣系統(tǒng)發(fā)出的長(zhǎng)波輻射,對(duì)地氣系統(tǒng)的能量收支平衡產(chǎn)生影響;另一方面,還通過改變?cè)频奶匦杂绊懡邓l(fā)生率,對(duì)區(qū)域氣候及水循環(huán)產(chǎn)生影響[8-10].中國(guó)是全球沙塵主要發(fā)生和影響區(qū)之一,近年來對(duì)沙塵氣溶膠粒子譜特征[11-13]、光學(xué)特性[14-16]及源匯和輸送[17-18]方面進(jìn)行了許多研究.如牛生杰等[19]研究得出在賀蘭山地區(qū)渾濁度系數(shù)增大和波長(zhǎng)指數(shù)的減少可反映沙塵含量的增多和較大粒徑含量的比例增大.馬井會(huì)等[20]利用全球氣溶膠數(shù)據(jù)GADS (Global Aerosol Data Set)分析得出氣溶膠的消光系數(shù)和垂直厚度對(duì)光學(xué)厚度影響很大.曹賢潔等[21]利用激光雷達(dá)研究了蘭州沙塵氣溶膠的輻射特性,得出沙塵過程氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)間演變呈雙峰型,氣溶膠主要集中在地面到1.5km高度層內(nèi).但沙塵氣溶膠的傳輸沉降對(duì)局地氣溶膠光學(xué)特性的影響及地面污染物貢獻(xiàn)方面的研究較少.

石家莊位于太行山東麓,受太行山的阻擋,沙塵天氣發(fā)生相對(duì)較少.近10年來石家莊市未出現(xiàn)過沙塵暴,但春季大風(fēng)引起的揚(yáng)沙以及上游沙塵輸送引起的浮塵時(shí)有發(fā)生.沙塵天氣常導(dǎo)致顆粒物濃度快速上升,出現(xiàn)沙塵污染,特別是當(dāng)沙塵從蒙古國(guó)及中國(guó)西北地區(qū)遠(yuǎn)距離輸送,在適合的環(huán)境背景影響下沉降,與本地大風(fēng)引起的沙塵疊加,導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化,出現(xiàn)重度或嚴(yán)重污染.為給大氣污染防治提供技術(shù)支撐,掌握沙塵天氣的污染特征及其輸送規(guī)律,在吸收以往研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)2015年4月15日影響石家莊空氣質(zhì)量的沙塵天氣背景、污染特征、輸送路徑進(jìn)行了綜合分析,利用微脈沖激光雷達(dá)和太陽(yáng)光度計(jì)CE318聯(lián)合監(jiān)測(cè)資料分析了沙塵氣溶膠的垂直分布和光學(xué)特性,探討了沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)和地面PM10濃度的貢獻(xiàn),以期為沙塵污染的防治及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考.

1　數(shù)據(jù)資料及方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

2015年4月15日沙塵過程分析應(yīng)用空氣污染物濃度資料來源于石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,氣象資料來源于石家莊市國(guó)家基本氣象站、石家莊機(jī)場(chǎng)探空資料、中國(guó)氣象局下發(fā)的Micaps資料及美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)全球再分析資料.

1.2 觀測(cè)儀器及方法

1.2.1 微脈沖激光雷達(dá) 微脈沖激光雷達(dá)為北京伊孚和融科技有限公司生產(chǎn)的EV-LIDAE,安裝于石家莊國(guó)家基本觀測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)南面,距觀測(cè)場(chǎng)約200m的地面,垂直向上.該雷達(dá)由激光器、同軸光學(xué)部分和控制箱體組成,工作波長(zhǎng)532nm,單脈沖輸出能量為10μJ,脈沖重復(fù)頻率2500Hz,空間垂直分辨率為15m,工作方式為連續(xù)觀測(cè),最大探測(cè)高度為30km,有效探測(cè)高度主要受天氣狀況影響.激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演之前經(jīng)過預(yù)處理,即對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)有影響的因子進(jìn)行訂正.經(jīng)過背景噪音訂正、低層重疊因子訂正和距離訂正[22].反演算法主要采用Fernal方法[23]得到消光系數(shù),通過對(duì)消光系數(shù)的積分得到氣溶膠光學(xué)厚度.EV-LIDAE微脈沖激光雷達(dá)安裝調(diào)試完成后已得到相應(yīng)的訂正參數(shù),在激光雷達(dá)接收軟件中設(shè)置即可得到訂正,通過訂正可有效消除白天的邊界噪聲,但不能完全排除.激光雷達(dá)接收回波盲區(qū)設(shè)定為105m,105m以下數(shù)據(jù)不進(jìn)行分析.利用激光雷達(dá)可連續(xù)探測(cè)大氣的優(yōu)勢(shì),對(duì)沙塵氣溶膠高空輸送、沉降的的時(shí)間演變情況進(jìn)行了分析研究,并與CE318太陽(yáng)光度計(jì)相結(jié)合研究沙塵氣溶膠的光學(xué)特性.

1.2.2 CE-318太陽(yáng)光度計(jì) CE-318太陽(yáng)光度計(jì),可觀測(cè)太陽(yáng)輻射和天空輻射,用于反演大氣氣溶膠光學(xué)特性參量.CE-318有9個(gè)波段,中心波長(zhǎng)分別為340, 380, 440, 500, 675, 870, 936,1020, 1640nm,帶寬為10nm[21].太陽(yáng)光度計(jì)安裝于石家莊國(guó)家基本觀測(cè)站二樓平臺(tái),距地面約6m.利用Angstrom方法[24-25],采用670nm和440nm波段氣溶膠光學(xué)厚度,擬合得到532nm、550nm氣溶膠光學(xué)厚度;計(jì)算了波長(zhǎng)指數(shù)α和渾濁度系數(shù)β,對(duì)有無沙塵氣溶膠影響的光學(xué)特性進(jìn)行討論.

2　結(jié)果分析

2.1 天氣背景

圖1　2015年4月15日14:00地面天氣圖(a)及衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的沙塵范圍圖(b)Fig.1　Surface meteorological chart (a) and dust image monitored by satellite (b) at 14:00BT 15 April 2015

2015年4月14日在蒙古國(guó)發(fā)展生成的蒙古氣旋,攜帶著大量沙塵于4月15日開始影響東北、華北地區(qū),河北中北部、北京等地出現(xiàn)沙塵天氣,從圖1(a)可以看到,地面西北大風(fēng)、沙塵區(qū)主要位于冷鋒后部甘肅、內(nèi)蒙等地,冷鋒前部為西南大風(fēng)區(qū),石家莊位于氣旋的底部、冷鋒前部暖氣團(tuán)影響區(qū).從衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖可以看出4月15日14:00石家莊北部已經(jīng)出現(xiàn)沙塵,但14:00地面觀測(cè)無沙塵記錄.受干暖氣團(tuán)及太行山焚風(fēng)效應(yīng)影響,4月15日白天石家莊氣溫較高,最高氣溫達(dá)到了34.1℃ ,為2015年入春以來氣溫最高值,空氣干燥,日平均相對(duì)濕度僅20%,14:00～20:00相對(duì)濕度不足10%.由圖2可知4月15日05:00石家莊風(fēng)向由04:00東風(fēng)轉(zhuǎn)為西風(fēng),風(fēng)速?gòu)?.8m/s增大到2.5m/s,氣溫較前1h升高了5.8℃ ,相對(duì)濕度從43%下降到16%,達(dá)到強(qiáng)焚風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)[26],能見度明顯上升,從5.7km上升到10km.這是太行山焚風(fēng)的一個(gè)明顯特點(diǎn),主要表現(xiàn)為氣溫升高、濕度下降,霾消散,能見度轉(zhuǎn)好.05:00～18:00時(shí)逐小時(shí)10min平均風(fēng)速大都在2～3m/s,極大風(fēng)速5～6m/s,風(fēng)向以西到西南風(fēng)為主,能見度較好,均在8km以上,20:00前后冷鋒過境,風(fēng)向由西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng),風(fēng)速增大, 10min平均風(fēng)速增大到3.4m/s,20:37出現(xiàn)極大風(fēng)速8.4m/s,21:00能見度下降到2.9km,之后風(fēng)速在4m/s左右震蕩變化,能見度上升.

圖2　2015年4月15日石家莊市逐小時(shí)氣溫、相對(duì)濕度能見度(a)和風(fēng)向(b)Fig.2　Variation of hourly temperature, relative humidity, visibility (a) and wind direction (b) of Shijiazhuang on 15 April 2015

垂直邊界層結(jié)構(gòu)是影響污染物擴(kuò)散的重要因素.圖3為4月15、16日02:00石家莊機(jī)場(chǎng)和15日08:00、20:00時(shí)邢臺(tái)探空觀測(cè)的氣溫、露點(diǎn)隨高度變化的垂直廓線.受暖氣團(tuán)的影響02:00石家莊存在一個(gè)明顯的逆溫層,逆溫厚度達(dá)604m,逆溫強(qiáng)度0.8℃ /100m,空氣干燥, 500m～ 4000m溫度露點(diǎn)差均在30℃以上,地面溫度露點(diǎn)差也在10℃以上,邢臺(tái)08:00、20:00均存在淺層逆溫,逆溫厚度分別為165m 、65m, 逆溫強(qiáng)度為1.8℃ /100m和3℃ /100m,16日02:00隨著冷空氣的影響石家莊逆溫消失,高空氣溫出現(xiàn)明顯下降.從石家莊、邢臺(tái)的逆溫變化分析,逆溫層與15日凌晨形成,隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)逆溫層變薄,但由于低空較強(qiáng)暖氣團(tuán)的影響,到20:00前始終存在淺層逆溫.

圖3　2015年4月15～16日02:00石家莊機(jī)場(chǎng)溫度、露點(diǎn)垂直廓線和4月15日邢臺(tái)08:00、20:00溫度露點(diǎn)垂直廓線Fig.3　Vertical profiles of temperature and dew point of Shijiazhuang at 02:00 (LT) of 15～16 April 2015 and of Xingtai at 08:00 and 20:00 (LT) 15 April 2015

2.2 污染過程及污染特征

圖4a可見,4月15日地面揚(yáng)塵污染比較明顯,PM10濃度較高, 08:00PM10、PM2.5出現(xiàn)第一個(gè)小峰值, AQI指數(shù)達(dá)到192,為四級(jí)中度污染,之后波動(dòng)變化,空氣質(zhì)量輕到中度污染,首要污染物由PM2.5轉(zhuǎn)為PM10,PM2.5/PM10值小于0.5,13:00之后小于0.4, PM2.5在PM10中所占比例進(jìn)一步下降, 隨著冷鋒過境,20:00～21:00PM10濃度驟升,達(dá)到1436μg/m3,較前1h上升超過1000μg/m3,之后開始回落, 23:00由852μg/m3下降到432μg/m3, 24:00下降到319μg/m3,AQI從500下降到185,污染過程逐漸減輕.整個(gè)過程PM2.5濃度上升幅度較小,21:00較前一小時(shí)上升66.4μg/m3, PM2.5/PM10值僅12.9%,表明顆粒物粒徑偏大,主要影響PM10.

圖4　4月15日石家莊市PM2.5、PM10濃度及其比值和風(fēng)速逐小時(shí)變化與PM10濃度梯度變化Fig.4　PM2.5 and PM10 concentration and its ratio and wind speed by hours, PM10concentration gradient change of Shijiazhuang on April 15

石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)梯度站位于世紀(jì)公園,設(shè)備安裝于電視塔平臺(tái)上,層次設(shè)置為20、86、116 和200m四個(gè)層次,觀測(cè)方法為雙通道振蕩天平法,為進(jìn)一步了解沙塵氣溶膠對(duì)PM10濃度垂直分布影響,選取20、116和200m三個(gè)層次與世紀(jì)公園國(guó)控點(diǎn)(距地面5m)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析(圖4b).可以看出,世紀(jì)公園站與20m高度具有很好一致性,19:00之前兩者數(shù)據(jù)接近,僅在冷鋒過境前后峰值出現(xiàn)差異,20m高度峰值較國(guó)控點(diǎn)提前1h,其他各層峰值均出現(xiàn)在21:00,與地面監(jiān)測(cè)相一致,這可能由于沙塵從空中沉降產(chǎn)生的時(shí)間差.00:00～03:00PM10濃度各層呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的變化,116m最低,20m最高,200m略低于20m,這種垂直分布特征可能由于夜間污染物在近地面沉積及200m高度附近存在殘留層所致; 04:00～ 09:00 20m與116,200m差異逐漸增大,07:00～ 09:00 20m和地面接近出現(xiàn)第一個(gè)峰值,但116,200m變化平穩(wěn),無峰值出現(xiàn),表明早高峰對(duì)PM10的影響主要聚集在近地面,11:00～19:00熱力作用使各層充分混合,PM10濃度各層無明顯差異.這種垂直分布特點(diǎn)與白天受暖氣團(tuán)影響,近地面逆溫層的存在密切相關(guān),逆溫限制了污染物垂直擴(kuò)散,除早高峰和沙塵影響時(shí)段外,各層PM10隨氣溫升高日變化特征不明顯,污染物被限制在低層.

本次冷空氣給石家莊市區(qū)帶來的風(fēng)速并不太大,極大風(fēng)速僅8.4m/s,與2015年4月12日的極大風(fēng)速7.8m/s接近,冷鋒過境前后10min平均風(fēng)速也比較相近,分別為4.1、4.7m/s,但因風(fēng)速增大引起的PM10污染物濃度卻相差很大,表1為兩次過程極大風(fēng)速及極大風(fēng)速出現(xiàn)前后兩小時(shí)污染物濃度對(duì)比,說明4月15日冷鋒過境導(dǎo)致PM10污染物濃度驟升的因素不僅是本地風(fēng)速增大引起的揚(yáng)塵污染所致,外來沙塵在高空西北氣流的輸送下漂移沉降對(duì)石家莊市PM10濃度的增加具有重要貢獻(xiàn).

表1　2015年4月12日和15日兩次冷空氣影響PM10濃度對(duì)比Table 1　Comparison of wind speed and PM10 during two cold air process on 12 and 15 April, 2015, respectively

為了解本次污染過程的來源,應(yīng)用美國(guó)國(guó)家海洋大氣研究中心(NOAA)開發(fā)的供質(zhì)點(diǎn)軌跡、擴(kuò)散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)HYSPLIT-4(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4),以石家莊市(38.03°N,114.42°E)為參考點(diǎn),利用NCEP全球再分析氣象資料,選取時(shí)間步長(zhǎng)為3h,計(jì)算分析2015年4月16日08時(shí)過去24h高度100m、500m和1000m沙塵氣溶膠后向軌跡(圖5),從圖上半部可以清晰看出,距地面3個(gè)高度沙塵源均來自西北方向蒙古國(guó)的東部,在高空西北氣流影響下遠(yuǎn)距離輸送,而圖5的下半部表明沙塵的輸送來自高空,北京時(shí)間14:00之前選定高度粒子軌跡均在高空3000m左右或以上,20:00前后開始沉降,這與冷鋒過境后,PM10濃度驟升的時(shí)間相一致,說明沙塵氣溶膠高空遠(yuǎn)距離的輸送是導(dǎo)致PM10“爆表”的主要原因.

圖5　2015年4月16日08:00距地100、500、1000m高度24h后向軌跡Fig.5　24 hour backward trajectory over 100, 500, and 1000m height at 08:00 (LT) 16 April, 2015

2.3 光學(xué)特性

2.3.1 沙塵氣溶膠消光系數(shù)垂直分布 氣溶膠消光系數(shù)表示氣溶膠粒子通過散射和吸收作用,對(duì)某一波段太陽(yáng)輻射單位面積、單位長(zhǎng)度的削減程度.通常,排除云等的影響,氣溶膠消光系數(shù)越小,表明污染越輕,反之,污染重.2015年4月15日07:00左右,位于石家莊地面基本氣象觀測(cè)站的激光雷達(dá)就觀測(cè)到高空氣溶膠層的出現(xiàn),該層位于1500～3000m高度,與地面氣溶膠層相脫離,表明該層為高空氣溶膠輸送層.圖6～7為4月15日01:00到16日08:00激光雷達(dá)反演的氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線及典型時(shí)次垂直分布圖,可以清晰的看出,4月15日01:00～06:00氣溶膠主要分布在近地面300m以下,氣溶膠消光系數(shù)隨高度呈快速遞減,近地面最大消光系數(shù)為0.5km-1,但15 日07:00前后隨著高空氣溶膠層出現(xiàn),500m以上氣溶膠消光系數(shù)隨高度升高而增大,1500m以上氣溶膠消光系數(shù)大于近地面層,并隨著時(shí)間的推移逐漸增大,表明空中氣溶膠濃度增大,污染有加重的趨勢(shì),14:00～16:00高空氣溶膠消光系數(shù)有所減小,可能與對(duì)流、湍流交換增強(qiáng)以及水平擴(kuò)散有關(guān),17:00前后隨著空中氣溶膠層與近地面氣溶膠層混合,地面氣溶膠消光系數(shù)明顯增大,污染加重,空氣質(zhì)量為中度污染,20:00地面消光系數(shù)大于1.0km-1,空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染,21:00前后高空氣溶膠沉降明顯,地面氣溶膠消光系數(shù)達(dá)到最大值1.5km-1, PM10濃度驟升到1436μg/m3.從 21:00氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布分析,1300m高度以上為相對(duì)混合均勻的氣溶膠層,消光系數(shù)約0.5km-1,1300m以下氣溶膠消光系數(shù)大于0.5km-1,消光系數(shù)越接近地面越大.15日24:00前后2500m以上氣溶膠消光系數(shù)很低,不足0.1km-1,表明空氣比較清潔,高空氣溶膠層沉降到2500m以下,500～2000m氣溶膠混合均勻,消光系數(shù)0.2～0.3km-1,低空500m以下消光系數(shù)隨高度上升下降明顯,與之對(duì)應(yīng)的地面消光系數(shù)也逐漸減小, 16日02:00近地面消光系數(shù)減小到0.5km-1以下,之后高空穩(wěn)定氣溶膠污染層消失,表明沙塵氣溶膠污染輸送過程基本趨于結(jié)束.

圖6　2015年4月15日01:00到16日08:00氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線Fig.6　Vertical profile of aerosol extinction coefficient during 01:00 (LT) 15th to 08:00BT 16th April, 2015

本次高空輸送的氣溶膠從出現(xiàn)到沉降間隔10多個(gè)小時(shí),其快速沉降的時(shí)間與冷鋒過境、冷空氣下沉基本一致.分析表明利用激光雷達(dá)對(duì)氣溶膠的連續(xù)監(jiān)測(cè),結(jié)合天氣形勢(shì)預(yù)報(bào),可有效開展上游沙塵天氣對(duì)本地空氣質(zhì)量影響的預(yù)警,為外來沙塵的預(yù)報(bào)預(yù)警提供了思路.

圖7　2015年4月15日1:00到16日05:00典型時(shí)次氣溶膠消光系數(shù)隨高度的變化Fig.7　Variation of aerosol extinction coefficient with height at 01:00 (LT) 15th to 05:00BT 16th April, 2015

圖8　4月12日09:00～18:00典型時(shí)次消光系數(shù)垂直變化以及4月15日21:00、13:00消光系數(shù)和21:00沙塵沉降估測(cè)消光系數(shù)垂直變化Fig.8　Vertical distribution of extinction coefficient during 09:00～18:00 on April 12 and variation of the measured extinction coefficient at13:00 and 21:00, and the estimated extinction coefficient at 21:00 by dust setting on 15th April

2.3.2 沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)的影響 4月12日與4月15日極大風(fēng)速接近,但無沙塵沉降.由于在局地大風(fēng)條件下污染擴(kuò)散條件好,其他局地污染源對(duì)消光系數(shù)的貢獻(xiàn)較小,可近似認(rèn)為激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)消光系數(shù)變化受局地大風(fēng)揚(yáng)塵影響.選擇4月12日逐小時(shí)10min平均風(fēng)速≥3m/s(09:00～ 18:00)時(shí)段,分析局地大風(fēng)沙塵對(duì)消光系數(shù)影響(圖8a).扣除云的影響,消光系數(shù)均小于0.3km-1, 對(duì)1200m以下高度消光系數(shù)垂直分布進(jìn)行擬合,各時(shí)次消光系數(shù)隨高度呈指數(shù)遞減,其中極大風(fēng)速出現(xiàn)最接近時(shí)次11:00消光系數(shù)擬合公式為:y=2423.6e-16x,相關(guān)系數(shù)R2=0.7856,14:00、17:00 相關(guān)系數(shù)R2分別為0.6695和0.6664,相關(guān)性較高,均通過α=0.001檢驗(yàn).4月12日極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)次11:00石家莊地面PM10濃度為一日峰值,該時(shí)次消光系數(shù)可近似做為局地大風(fēng)引起背景值.為探討4月15日21:00沙塵氣溶膠沉降對(duì)消光系數(shù)的影響,以該時(shí)次消光系數(shù)扣除沙塵沉降前和局地大風(fēng)消光系數(shù)背景值,估測(cè)沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)的影響.4月15日12:00～14:00沙塵氣溶膠層懸浮于空中未沉降,地面及梯度監(jiān)測(cè)該時(shí)段PM10濃度接近,故以4月15日13:00為沙塵沉降前消光系數(shù)背景值.為去除云影響,選擇1200m以下進(jìn)行分析,圖8b為4月15日13:00、21:00及估測(cè)沙塵沉降消光系數(shù),估測(cè)沙塵沉降消光系數(shù)105m接近0.9,最小值也在0.3左右,垂直高度上均大于4月12日大風(fēng)時(shí)的最大值,表明沉降作用明顯.選擇4月12～16日石家莊梯度站200m高度PM10濃度與對(duì)應(yīng)層次消光系數(shù)進(jìn)行相關(guān)擬合,PM10濃度與消光系數(shù)呈明顯正相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2為0.5198,擬合公式:y=1.0636x+ 0.1294,以此估測(cè)沉降對(duì)地面PM10濃度的貢獻(xiàn)量為1009μg/m3,以21:00實(shí)況值扣除沉降貢獻(xiàn)值和沉降前PM10濃度背景值,測(cè)算本次沙塵污染過程中局地大風(fēng)對(duì)PM10的貢獻(xiàn)為132μg/m3,該值與4月12日大風(fēng)日1h最大升幅129.8μg/m3接近,說明利用激光雷達(dá)消光系數(shù)估測(cè)沙塵沉降的方法可行,具有一定的參考價(jià)值.

圖9　2015年4月15～16日典型時(shí)次退偏比垂直變化特征Fig.9　Vertical variation of depolarization on April 15～16, 2015

2.3.3 氣溶膠退偏振比的特征 線性退偏振比可作為氣溶膠粒子非球形程度的指示劑,其值越大非球形程度越高,是區(qū)分氣溶膠粒子類型的一個(gè)潛在工具[27].由圖9可以看出,4月15日02:00、05:00退偏比隨高度升高快速下降,300m以上退偏比值很小且變化不大,表明空中以球形粒子為主,而08:00 300m以上退偏比隨高度明顯增大, 1000m左右接近0.15,之后隨高度波動(dòng)變化, 2500m以上大于0.2,表明高空非球形氣溶膠粒子濃度大,非球形氣溶膠于早晨前后到達(dá)本地上空,之后濃度呈增加的態(tài)勢(shì),11:00～20:00低空1000m氣溶膠退偏比均在0.2以上,表明非球形氣溶膠高低空混合均勻,整層退偏比較大.研究認(rèn)為沙塵氣溶膠退偏比一般大于0.2[28],依據(jù)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)退偏比可判斷高空氣溶膠輸送層為沙塵氣溶膠;與高空氣溶膠退偏比對(duì)應(yīng)的近地面,退偏比相對(duì)偏小,在0.1～0.2之間,說明高空氣溶膠非球形粒子濃度比近地面高.23:00后高空及近地面退偏比均呈減小趨勢(shì),16日02:00高空退偏比減小到0.2以下,沙塵非球形粒子氣溶膠污染過程趨于結(jié)束.

對(duì)比4月12日大風(fēng)期間退偏比,扣除云影響層,各層退偏比值均小于0.1,空中氣溶膠層以球形粒子為主,沙塵氣溶膠粒子較少,風(fēng)速大的時(shí)段地面PM2.5/PM10比值小于0.5,最小值僅0.12出現(xiàn)在極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)次,表明局地大風(fēng)沙塵對(duì)地面顆粒物貢獻(xiàn)以PM10為主.

2.3.4 氣溶膠光學(xué)厚度變化特征 氣溶膠光學(xué)厚度反映了整層大氣的透明程度,其值越大,表示大氣愈渾濁[29].由圖10可知沙塵氣溶膠過程前氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)為0.1～0.3,4月15日07:00左右沙塵氣溶膠到達(dá)石家莊上空,氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)急劇增大到0. 63,之后呈一直的上升,到13:00達(dá)到第一個(gè)峰值,但PM10和PM2.5濃度變化不大,表明受高空沙塵氣溶膠影響所致;14:00～ 17:00波動(dòng)下降,但值仍然較高,AOD>0.8,其后再度上升,21:00達(dá)到峰值1.88,與PM10濃度峰值相對(duì)應(yīng),23:00～24:00氣溶膠光學(xué)厚度開始下降,污染過程減輕.

圖10　4月15日激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)逐小時(shí)平均氣溶膠光學(xué)厚度與PM10、PM2.5濃度日變化Fig.10　Diurnal variation of AODmeasured by Lidar, PM10, and PM2.5on 15thApril

太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量分析是確定氣溶膠光學(xué)厚度的可靠方法之一[21,30].為了驗(yàn)證激光雷達(dá)反演氣溶膠光學(xué)厚度的可靠性,利用CE318太陽(yáng)光度計(jì)對(duì)激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.由于CE318太陽(yáng)光度計(jì)不包含532nm 通道,文中采用670nm 和440nm波段資料,擬合得到532nm氣溶膠光學(xué)厚度.由圖11可以看出激光雷達(dá)反演與CE318觀測(cè)AOD趨勢(shì)一致,具有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2=0.833,表明激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演數(shù)據(jù)具有一定的可靠性.

圖11　4月14～16日石家莊激光雷達(dá)反演與CE-318觀測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度散點(diǎn)圖Fig.11　Scattering point figure for AOD measured by Lidar and CE-318sunphotometer on April 14～16in Shijiazhuang

為了解不同天氣背景下氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征,對(duì)沙塵影響前后氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行對(duì)比分析.4月12日因受云干擾,監(jiān)測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度出現(xiàn)異常,不做討論.由圖12可以看出,4 月15日沙塵氣溶膠影響前13～14日空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良,550nm氣溶膠光學(xué)厚度平均為0.28～0.42,變化比較平穩(wěn),與1020nm、1640nm差異性比較明顯,滿足氣溶膠光學(xué)厚度隨波長(zhǎng)增大而減小的一般規(guī)律,沙塵氣溶膠到達(dá)后3個(gè)波段氣溶膠光學(xué)厚度均呈一致上升,15日06:49 550nm增大到0.63,之后呈震蕩上升,12:23達(dá)到1.8,出現(xiàn)峰值,其后略有波動(dòng),但均大于1.0.1020nm、1640nm峰值與550一致,分別為1.73和1.60.沙塵到達(dá)期間3個(gè)波段氣溶膠光學(xué)厚度離散程度減小,1020nm 與550nm峰值接近,其值對(duì)隨波長(zhǎng)增加減小的規(guī)律出現(xiàn)偏離,這可能與沙塵氣溶膠粒徑密切相關(guān),后面將通過波長(zhǎng)指數(shù)進(jìn)行討論.利用550nm氣溶膠光學(xué)厚度與水平能見度進(jìn)行相關(guān)分析,兩者呈明顯正相關(guān),隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增大,能見度呈冪指數(shù)下降,相關(guān)系數(shù)R2=0.253,通過α=0.01相關(guān)性檢驗(yàn).表明沙塵氣溶膠影響導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度增大,污染加重.

圖12　4月13～16日CE318監(jiān)測(cè)不同波段氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)間演變Fig.12　Variation of aerosol optical depth at different wavelengths monitored by CE-318 on 13～16, April

圖13　4月13～16日波長(zhǎng)指數(shù)和渾濁度系數(shù)Fig.13　Angstrom exponent (α) and Angstrom turbidity coefficient (β) on 13～16April, 2015

2.3.5 渾濁度系數(shù)和波長(zhǎng)指數(shù) 大氣渾濁度是表示大氣中氣溶膠含量(不包括云霧粒子)的大氣光學(xué)參數(shù),常用來監(jiān)測(cè)空氣的污染狀況[28].當(dāng)通過太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量得到兩個(gè)不同波長(zhǎng)λ1、λ2處的氣溶膠光學(xué)厚度τaero(λ1)和τaero(λ2)時(shí),求解以下方程組,即可得到Angstrom渾濁度系數(shù)β[21-22]:式中λ為波長(zhǎng).α為取決于散射粒子大小分布的波長(zhǎng)指數(shù),當(dāng)大氣中氣溶膠較小的粒子所占的比重增大時(shí),α值變大,反之則變小.

表2　2015年4月13～16日沙塵氣溶膠影響前后氣象要素、空氣質(zhì)量和氣溶膠光學(xué)參數(shù)Table 2　Meteorological elements, air quality and aerosol optical parameters before and after the dust event on 13～16April, 2015

由圖13可見沙塵氣溶膠影響前4月13～14日混濁度系數(shù)β<0.2,空氣比較清潔,日均能見度在10km以上,對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)、良,沙塵氣溶膠影響日4月15日07:00 β>0.4,之后快速上升,10:00 β>1.0,之后維持較高值,平均值1.1,空氣相當(dāng)混濁,對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量為中度污染,16日隨著沙塵氣溶膠的擴(kuò)散,β明顯減小,但仍大于0.2,該日風(fēng)速大,地面揚(yáng)塵污染導(dǎo)致空氣混濁,首要污染物PM10,空氣質(zhì)量輕度污染.波長(zhǎng)指數(shù)α與β相反.4月13～14日α>1.2,表明空氣中較小的細(xì)粒子所占比重大,4月15日α<0.2,比前兩日明顯下降,說明空氣中粗粒子所占比重較大,16日α有所上升,但仍然偏小,對(duì)應(yīng)的首要污染物仍為PM10.

3　結(jié)論

3.1 導(dǎo)致2015年4月15日石家莊PM10濃度

1h驟升超過1000μg/m3的主要原因是來自蒙古國(guó)中部沙塵氣溶膠,以西北路徑遠(yuǎn)距離輸送沉降所致;漂浮在高空的沙塵氣溶膠快速沉降時(shí)間與冷鋒過境冷空氣下沉?xí)r間一致,這對(duì)沙塵氣溶膠影響空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)預(yù)警具有指導(dǎo)作用.

3.2 激光雷達(dá)對(duì)沙塵氣溶膠影響過程能夠進(jìn)行連續(xù)觀測(cè).沙塵氣溶膠首先出現(xiàn)在高空,沉降前主要分布在1500～3000m高空,沙塵氣溶膠退偏比大于0.2,非球形粒子比重大;沙塵氣溶膠出現(xiàn)本地上空到沉降持續(xù)了10余個(gè)小時(shí),利用激光雷達(dá)對(duì)其跟蹤監(jiān)測(cè)可做為預(yù)報(bào)預(yù)警前置“強(qiáng)信號(hào)”,對(duì)沙塵天氣防范、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)具有指示意義.

3.3 大風(fēng)無沙塵沉降消光系數(shù)隨高度呈指數(shù)遞減,沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)具有明顯的影響,利用激光雷達(dá)消光系數(shù)變化可估測(cè)沙塵沉降對(duì)消光系數(shù)及對(duì)地面PM10濃度的貢獻(xiàn).本次沙塵污染過程僅21時(shí)沉降對(duì)地面PM10濃度的貢獻(xiàn)達(dá)到1000ug/m3以上.以局地大風(fēng)沙塵污染特征為參考,驗(yàn)證了該方法是可行的.

3.4 沙塵氣溶膠使光學(xué)厚度增大,平均值超過1.0,最大達(dá)到1.88,其日變化呈現(xiàn)雙峰型,最高峰出現(xiàn)時(shí)間與沙塵快速沉降、地面PM10濃度峰值相一致.激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)與CE-318監(jiān)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度具有顯著相關(guān)性,其趨勢(shì)基本一致,說明雷達(dá)資料反演數(shù)據(jù)具有一定的可靠性,可與CE-318聯(lián)合觀測(cè)研究氣溶膠連續(xù)變化.

3.5 太陽(yáng)光度計(jì)監(jiān)測(cè)表明不同天氣背景下氣溶膠光學(xué)厚度具有明顯差異,空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天氣氣溶膠光學(xué)厚度各波段均較小,符合隨波長(zhǎng)增大而減小的一般規(guī)律,混濁度系數(shù)β<0.2,波長(zhǎng)指數(shù)α較大,細(xì)粒子所占比重大;沙塵影響日混濁度系數(shù)β增大,波長(zhǎng)指數(shù)α明顯減小,表明以粗粒子為主,各波段氣溶膠光學(xué)厚度均上升,但差異減小;地面能見度隨氣溶膠光學(xué)厚度增大呈冪指數(shù)遞減.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王明星,張仁健.大氣氣溶膠研究的前沿問題 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2001,6(1):119-124.

[2] 劉 毅,王明星,張仁健.中國(guó)氣溶膠研究進(jìn)展 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 1999,4(4):406-414.

[3] 劉 強(qiáng),王明星,李 晶,等.大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 1999,5(3):17-23.

[4] 劉曉東,田 良,張小曳.塔克拉瑪干沙塵活動(dòng)對(duì)下游大氣PM10濃度的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2004,24(5):528-532.

[5] 韓永翔,宋連春,趙天良,等.北太平洋地區(qū)沙塵沉降與海洋生物興衰的關(guān)系 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2006,26(2):157-160.

[6] 李衛(wèi)軍,邵龍義,余 華,等.內(nèi)陸輸送過程中沙塵單顆粒類型及其非均相反應(yīng) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2008,28(3):193-197.

[7] 王 娜,張 鐳.沙塵氣溶膠輻射特性及其觀測(cè)方法初步評(píng)述[J]. 干旱氣象, 2007,33(12):68-73.

[8] 王民俊,韓永翔,鄧祖琴,等.全球主要沙源區(qū)沙塵氣溶膠與太陽(yáng)輻射的關(guān)系 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(4):577-583.

[9] 沈凡卉,王體健,莊炳亮,等.中國(guó)沙塵氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫與氣候效應(yīng) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(7):1057-1063.

[10] 王文彩.沙塵氣溶膠的傳輸和氣候效應(yīng)觀測(cè)研究 [D]. 蘭州:蘭州大學(xué), 2013,1-135.

[11] 牛生杰,章澄昌,孫繼明.賀蘭山地區(qū)沙塵氣溶膠粒子譜分布的觀測(cè)研究 [J]. 大氣科學(xué), 2001,(2):243-252.

[12] 牛生杰,孫繼明.賀蘭山地區(qū)沙塵暴若干問題的觀測(cè)研究 [J].氣象學(xué)報(bào), 2001,(2):176-205.

[13] 顧宇丹,牛生杰.賀蘭山地區(qū)沙塵氣溶膠瞬時(shí)譜分析及擬合 [J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 2006,29(4):500-506.

[14] 馬井會(huì),張國(guó)璉,耿福海,等上海地區(qū)一次典型連續(xù)浮塵天氣過程分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(4):584-593.

[15] 顏 鵬,毛節(jié)泰,楊東貞,等.臨安一次沙塵暴過程影響氣溶膠物理化學(xué)特性演變的初步分析 [J]. 第四紀(jì)研究, 2004,24(4): 437-446.

[16] 郭本軍,劉 莉,黃丹萍,等.激光雷達(dá)對(duì)一次沙塵天氣探測(cè)與分析 [J]. 氣象, 2008,34(5):52-57.

[17] 劉唯佳,韓永翔,趙天良,等.黃土高原黃土的成因:沙塵氣溶膠源匯模擬與黃土堆積 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(12): 3041-3046.

[18] 劉建慧,趙天良,韓永翔,等.全球沙塵氣溶膠源匯分布及其變化特征的模擬分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(10):1741-1750.

[19] 牛生杰,孫繼明.賀蘭山地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特征研究 [J]. 高原氣象, 2001,20(3):298-301.

[20] 馬井會(huì),張 華,鄭有飛,等.沙塵氣溶膠光學(xué)厚度的全球分布及分析 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2007,12(2),156-163.

[21] 曹賢潔,張 鐳,周 碧,等.利用激光雷達(dá)觀測(cè)蘭州沙塵氣溶膠輻射特性 [J]. 高原氣象, 2009,28(5):1115-1120.

[22] 林常青,楊東偉,李成才,等.北京地區(qū)大氣氣溶膠的激光雷達(dá)觀測(cè)及反演算法研究 [J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,49(3):426-433.

[23] Fernald F G. Analysis of atmospheric lidar observation:some comments [J]. Appl. Opt., 1984,23:652-655.

[24] QX/T 69-2007 中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)渾濁度觀測(cè)—太陽(yáng)光度計(jì)方法 [S].

[25] 趙秀娟,陳長(zhǎng)和,袁 鐵,等.蘭州冬季大氣氣溶膠光學(xué)厚度及其與能見度的關(guān)系 [J]. 高原氣象, 2005,24(4):617-622.

[26] DB13/T 1271-2010 河北省地方標(biāo)準(zhǔn)太行山東麓焚風(fēng)等級(jí)[S].

[27] M. K. Mishra, K. Rajeev, V. Bijoy et al. Micro pulse lidar observations of mineral dust layerin the lower troposphere over hte southwest coast of Peninsular India during the Asian summer monsoon season [J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2010,72:1251-1259.

[28] 黃忠偉.氣溶膠物理光學(xué)特性的激光雷達(dá)遙感研宄 [D]. 蘭州:蘭州大學(xué), 2012:19-70.

[29] 周 碧,張 鐳,曹賢潔,等.利用激光雷達(dá)資料分析蘭州遠(yuǎn)郊?xì)馊苣z光學(xué)特性 [J]. 高原氣象, 2011,30(4):1011-1017.

[30] 尹 宏.大氣輻射基礎(chǔ) [M]. 北京:氣象出版社, 1993:144.

致謝：衷心感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院車慧正研究員對(duì)本文英文部分的指導(dǎo);感謝石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的環(huán)境監(jiān)測(cè)資料.

Pollution process and optical properties during a dust aerosol event in Shijiazhuang.

CHEN Jing*, ZHANG Yan-pin, YANG Peng, QIAN Wei-miao, WANG Xiao-min, HAN Jun-cai (Shijiazhuang Meteorological Bureau, Shijiazhuang 050081, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：979～989

Abstract：In order to investigate the properties and variation of dust aerosol transportation, the weather condition and pollutant characteristic that influenced air quality of Shijiazhuang on April 15th, 2015 were analyzed. The HYSPLIT-4model was applied to analyze the back trajectories of dust aerosols. The ground-based micro-pulse Lidar and CE-318sun photometer measurements were used to study the vertical distribution of dust particles and its optical properties variation. In addition, it was compared with another case with strong wind but non dust aerosol deposition. The dust deposition effect on extinction coefficient was discussed. And the contribution of dust deposition to surface PM10concentration was evaluated. The results indicated that the major factor of rapid increase PM10concentration in Shijiazhuang was due to the long-distance transportation and deposition of dust particles from Mongolia by the direction of northwest. Dust deposition had an important contribution to both extinction coefficient and PM10concentration. The rapid dust aerosol disposition was consistent with cold front movement and cold air sinking over Shijiazhuang region. The whole process of dust transportation and disposition had been monitored by the micro-pulse Lidar. It was found that the dust particles mainly distributed on the height of 1500m to 3000m before sinking, where the extinction coefficient increased with the altitude. The process from dust transportation to deposition lasted long time, which could be regarded as one strong alarm signal for dust pollution. When the dust particles arrived over Shijiazhuang region, the aerosol optical depth, turbidity, and particle size showed larger values and the visibility decreased exponentially with the aerosol optical depth.

Key words：dust aerosol；lidar；sun photometer；extinction coefficient；optical depth；back trajectory

作者簡(jiǎn)介：陳 靜(1964-),女,河北曲陽(yáng)人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境氣象及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警.發(fā)表論文17篇.

基金項(xiàng)目：石家莊科技計(jì)劃項(xiàng)目(131550363A,151550083A);河北省氣象局項(xiàng)目(14ky22)

收稿日期：2015-09-28

中圖分類號(hào)：X51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)04-0979-11