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基于大氣超級站觀測的2017年5月北京市沙塵天氣過程分析

2017-11-07 11:22王占山李云婷王莉華劉保獻(xiàn)
中國環(huán)境監(jiān)測 2017年5期
關(guān)鍵詞:沙塵顆粒物站點

王占山,李云婷,李 倩,王莉華,劉保獻(xiàn)

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心,北京 1000482.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100048

基于大氣超級站觀測的2017年5月北京市沙塵天氣過程分析

王占山1,2,李云婷1,2,李 倩1,2,王莉華1,2,劉保獻(xiàn)1,2

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心,北京 1000482.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100048

結(jié)合常規(guī)污染物監(jiān)測、PM2.5化學(xué)組分監(jiān)測、激光雷達(dá)監(jiān)測和顆粒物數(shù)濃度及粒徑監(jiān)測等手段,對2017年5月影響北京市的一次沙塵天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明:5月4日凌晨起沙塵天氣開始影響北京市,延慶、官園和通州3個站點PM10峰值濃度分別為2 091、2 245、2 590 μg/m3,體現(xiàn)了該次沙塵天氣影響程度之重。PM2.5濃度與PM10變化一致,也達(dá)到重度污染的水平。沙塵天氣移動路徑是沿著區(qū)域西北至東南方向。沙塵天氣主體從3 km左右的高空進(jìn)入北京市,隨后逐漸滲透至1 km高度以及地面,且沙塵層厚度較高,覆蓋了地面至3 km的高度。沙塵天氣過程中OM和Ca2+組分增幅最大。在沙塵天氣影響嚴(yán)重時間段,沙塵天氣源與生物質(zhì)燃燒源比例之和大于50%,最高值為67.6%。沙塵天氣過程中顆粒物峰值粒徑為0.965~1.037 μm。

北京市;沙塵天氣;PM2.5組分;激光雷達(dá);粒徑

沙塵天氣是在特定地理環(huán)境,特殊的下墊面條件以及大尺度環(huán)流背景的氣象條件影響下誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣[1-5]。沙塵天氣的發(fā)生是生態(tài)環(huán)境惡化的重要標(biāo)志,會給生態(tài)環(huán)境和人類生活造成巨大的損失。因此,沙塵天氣的研究引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[6-8]。近年來,不同領(lǐng)域的專家從天氣學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣候?qū)W、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)值模型和衛(wèi)星遙感等方面分別對沙塵天氣的沙源地、起沙條件、移動路徑、發(fā)展趨勢和對空氣質(zhì)量的影響等方面進(jìn)行了大量的分析。徐文帥等[9]分析了2010年3—5月北京市的沙塵天氣過程,發(fā)現(xiàn)沙塵天氣發(fā)生時的天氣形勢特征以及輸送路徑的不同,對北京市空氣質(zhì)量的影響有明顯差異,當(dāng)?shù)蛪褐行倪^境時,沙塵天氣影響最重,當(dāng)?shù)蛪旱撞窟^境時沙塵天氣強(qiáng)度略弱;除此之外,沙塵天氣回流也可以直接造成北京市空氣質(zhì)量超標(biāo)。張鈦仁等[10]分析了1951—2010年間北京沙塵天氣發(fā)生情況,發(fā)現(xiàn)影響北京地區(qū)沙塵天氣的主要通道是張掖-民勤-鄂托克前旗-大同-北京和錫林浩特盟二連浩特市-渾善達(dá)克沙地西部-張北-北京這2條路徑之間。高慶先等[11]對1954—2001年間北京沙塵天氣的研究發(fā)現(xiàn),北京沙塵暴天氣、揚(yáng)沙和浮塵天氣現(xiàn)象發(fā)生的頻次有減少的趨勢;北京地區(qū)沙塵天氣的發(fā)生有一定的周期性變化規(guī)律;北京地區(qū)主要是以揚(yáng)沙天氣為主,占總沙塵天氣的74.15%,其次是浮塵天氣(18.09%)和沙塵暴天氣(7.76%)。鄧梅等[12]分析了2013年3月8—11日北京市一次沙塵天氣過程的氣溶膠的垂直分析,結(jié)果表明在此次沙塵暴影響下氣溶膠的退偏振比為0.1~0.4,色比大于0.3,氣溶膠分布高度從3 km以下被抬升至約4 km。

2017年,京津冀及周邊地區(qū)受到一次強(qiáng)沙塵天氣過程的影響,5月4—5日,北京市PM10質(zhì)量濃度達(dá)到六級嚴(yán)重污染的級別,PM2.5質(zhì)量濃度也分別達(dá)到六級嚴(yán)重污染和五級重度污染級別。研究使用北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心的大氣超級站中的常規(guī)污染物在線監(jiān)測、垂直觀測、PM2.5化學(xué)組分在線觀測和顆粒物理化特征監(jiān)測等綜合觀測手段,對該次沙塵過程開展細(xì)致、科學(xué)的分析。

1 實驗部分

選擇北京市大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的延慶(北京西北部)、官園(北京城區(qū))和通州(北京東南部)站點進(jìn)行分析,各種綜合觀測儀器均安裝在北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心7樓樓頂,各監(jiān)測點位置見圖1。使用Thermo Fisher 1405F監(jiān)測儀、Thermo Fisher 1400監(jiān)測儀、Thermo Fisher 42C化學(xué)發(fā)光NO-NO2-NOx分析儀和Thermo Fisher 43i脈沖紫外熒光法分析儀分別對PM2.5、PM10、NO2和SO2進(jìn)行監(jiān)測?;瘜W(xué)組分分析儀采用RT-4型有機(jī)碳、元素碳分析儀和URG 9000S陰陽離子在線監(jiān)測儀。垂直監(jiān)測使用EV-LIDAR型微脈沖激光雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測。單顆粒飛行質(zhì)譜和粒徑譜儀型號分別為SPAMS和TSI APS3321。各監(jiān)測儀器均有校準(zhǔn)儀參照國家標(biāo)準(zhǔn)定期校準(zhǔn),保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

圖1 各監(jiān)測站點位置Fig.1 Location of monitoring stations

2 結(jié)果與討論

2.1常規(guī)污染物濃度變化分析及空間分布

圖2顯示了該次沙塵天氣期間各站點PM10、PM2.5、SO2和NO2質(zhì)量濃度變化趨勢。

圖2 沙塵天氣過程各站點PM10、PM2.5、 SO2和NO2質(zhì)量濃度變化Fig.2 Concentration variations of PM10,PM2.5,SO2 and NO2 during the dust pollution in the sites

圖中水平線分別為PM10和PM2.5的日均質(zhì)量濃度達(dá)到六級嚴(yán)重污染的限值。將5月4日00:00—5月5日12:00定為沙塵天氣影響時段,可以看出,5月4日凌晨01:00開始,延慶站PM10質(zhì)量濃度首先開始上升,2 h內(nèi)從30 μg/m3升至1 069 μg/m3,隨后04:00—05:00,官園站和通州站PM10質(zhì)量濃度同步開始上升,分別在2 h內(nèi)濃度達(dá)到1 332、2 229 μg/m3,體現(xiàn)了該次沙塵天氣過程的程度之重。5月4日下午,隨著風(fēng)力的減弱和上游傳輸作用的減輕,3個站點PM10質(zhì)量濃度有所降低,但5月5日夜間隨著上游傳輸?shù)男乱还缮硥m天氣的到來,各站點PM10質(zhì)量濃度再次明顯升高,但峰值濃度低于5月4日上午,直至5月5日10:00左右,隨著高壓系統(tǒng)的影響,該次沙塵天氣過程結(jié)束。該次沙塵天氣影響過程中,延慶、官園和通州3個站點的平均PM10質(zhì)量濃度為1 041、1 167、1 225 μg/m3,峰值濃度分別為2 091、2 245、2 590 μg/m3,PM10質(zhì)量濃度超過1 000 μg/m3的時間分別為21、25、24 h,在整個持續(xù)時間中的時長占比分別為56.8%、67.6%和64.9%。

對氣態(tài)污染物NO2和SO2來說,在沙塵天氣影響的高峰時段,濃度處于較低水平,特別是SO2,濃度基本為檢出限水平(3 μg/m3)。在沙塵進(jìn)入北京之前,由于夜間擴(kuò)散條件不利,疊加晚高峰機(jī)動車排放,導(dǎo)致NO2質(zhì)量濃度達(dá)到40 μg/m3以上的較高水平。在沙塵天氣影響的后期,隨著風(fēng)力的減弱以及高壓前部到達(dá)之前造成的靜穩(wěn)大氣擴(kuò)散條件,SO2和NO2濃度均有所升高,體現(xiàn)了沙塵天氣后期疊加本地污染物積累的特征。

該次沙塵天氣過程最大的特征體現(xiàn)在PM2.5濃度上。根據(jù)筆者對以往北京市沙塵天氣過程的研究以及李令軍等[13]、徐文帥等[14]的研究結(jié)果,沙塵天氣過程中PM2.5往往會降至較低濃度,達(dá)到優(yōu)良水平,即與PM10濃度呈現(xiàn)相反的變化趨勢。但該次過程中PM2.5濃度與PM10濃度變化十分一致,且達(dá)到較高的水平。由圖2可以看出,沙塵天氣影響的高峰時段,3個站點PM2.5質(zhì)量濃度基本維持在250 μg/m3以上的重污染水平。整個過程中延慶、官園和通州站點的PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為263、302、350 μg/m3,峰值濃度分別為476、519、659 μg/m3。

圖3和圖4顯示了該次過程中京津冀地區(qū)的PM10和PM2.5空間分布,5月4日凌晨00:00,區(qū)域PM10質(zhì)量濃度仍處于優(yōu)良水平,06:00開始,包括北京市在內(nèi)的區(qū)域大部分地區(qū)PM10濃度已經(jīng)達(dá)到重度污染的水平,顯示了該次過程沙塵天氣移動之快,隨后至5月5日的凌晨,京津冀區(qū)域均處于沙塵天氣影響中。5月5日12:00,沙塵天氣已經(jīng)從區(qū)域西北部開始逐漸散去。PM2.5空間分布與PM10類似,只是在過程的開端,區(qū)域西北部起始PM2.5濃度較高,部分站點濃度已經(jīng)達(dá)到重度污染級別??臻g分析顯示該次過程沙塵天氣移動路徑是沿著區(qū)域西北至東南方向。

2.2垂直觀測分析

研究表明,氣溶膠的質(zhì)量濃度與其消光系數(shù)有顯著正相關(guān)性,且沙塵過程中氣溶膠退偏比會明顯升高。圖5顯示了該次沙塵天氣過程中定陵和琉璃河站點激光雷達(dá)監(jiān)測的消光系數(shù)和退偏比。

圖3 沙塵天氣過程京津冀地區(qū)PM10空間分布Fig.3 Spatial distributions of PM10 in Beijing-Tianjin-Hebei region during the dust pollution

圖4 沙塵天氣過程京津冀地區(qū)PM2.5空間分布Fig.4 Spatial distributions of PM2.5 in Beijing-Tianjin-Hebei region during the dust pollution

圖5 沙塵天氣過程激光雷達(dá)監(jiān)測的消光系數(shù)和退偏比Fig.5 Extinction coefficients and depolarization ratios measured by a Lidar during the dust pollution

由圖5可以看出,5月4日凌晨定陵站沙塵天氣過程發(fā)生時,高空消光系數(shù)明顯升高,沙塵天氣主體從3 km左右的高空進(jìn)入北京市,在2~3 km高度形成一條明顯的沙塵帶,并逐漸向地面滲透。高濃度沙塵帶降至1 km左右后開始向上輸送,地面沙塵濃度水平低于高空。琉璃河站消光系數(shù)變化特征與定陵站相似,沙塵發(fā)生時間有所滯后。從退偏比監(jiān)測可以看出,沙塵天氣發(fā)生時,定陵站高空整層大氣的退偏比均發(fā)生明顯的升高,覆蓋了地面到2 km高度的高空,隨后隨著沙塵主體的上升運動,高空3 km以下高度大氣的退偏比均出現(xiàn)明顯升高,符合沙塵天氣過境的特征[15]。琉璃河站退偏比變化趨勢與定陵站相似,只是沙塵前期的高空沙塵層厚度略低。激光雷達(dá)監(jiān)測可以看出,該次過程沙塵層厚度較高,覆蓋了地面至3 km的高度。

2.3PM2.5化學(xué)組分分析

圖6顯示了該次過程中PM2.5化學(xué)組分變化情況。

圖6 沙塵天氣過程PM2.5化學(xué)組分濃度變化Fig.6 Concentration variations of chemical compositions of PM2.5 during the dust pollution

2.4顆粒物數(shù)濃度及粒徑譜監(jiān)測

將SPAMS采集到的顆粒物利用MATLAB進(jìn)行處理,利用源解析命令進(jìn)行顆粒物來源解析,最終分為7大類,具體為揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動車尾氣、工業(yè)工藝源、燃煤、二次無機(jī)源以及其他源。各類源顆粒物數(shù)濃度堆疊時間序列與各類源顆粒數(shù)濃度比例時間序列分別如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可見,雖然SPAMS對沙塵天氣顆粒檢測效率較低,但仍可看到在SPAMS檢測到的顆粒物中,沙塵天氣影響期間揚(yáng)塵源所占比例顯著增加,同時生物質(zhì)燃燒源比例也顯著增加,說明沙塵天氣顆粒中含有大量K+等生物質(zhì)燃燒特征指示物,在沙塵天氣影響嚴(yán)重時間段,沙塵天氣源與生物質(zhì)燃燒源占比之和大于50%,最高值為67.6%。

圖7 各類源顆粒物數(shù)濃度堆疊時間序列Fig.7 Stacked time series of number concentrations of particulate matter in emission sources

圖8 各類源顆粒數(shù)濃度比例時間序列Fig.8 Time series of the ratios of number concentrationsof particulate matter in emission sources

TSI APS3321粒徑譜儀測得大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑譜時間序列如圖9所示。

圖9 TSI APS3321粒徑譜儀測得大氣 顆粒物數(shù)濃度粒徑譜時間序列Fig.9 Time series of size spectrum of number concentrations of particulate matter measured by TSI APS3321

從圖9可以看出,沙塵天氣影響過程開始于5月4日凌晨,結(jié)束于5月5日10:00前后。從粒徑譜儀觀測結(jié)果看,此次沙塵天氣影響過程受2股沙塵影響,第1股沙塵尚未完全消散,第2股沙塵即到達(dá)北京,第1股沙塵峰值出現(xiàn)在5月4日07:00—09:00,峰值粒徑為0.965~1.037 μm,第2股沙塵峰值出現(xiàn)在5月4日20:00—24:00,峰值粒徑與第1次過程基本一致。

3 結(jié)論

1)5月4日凌晨沙塵天氣開始影響北京市,延慶、官園和通州3個站點PM10質(zhì)量濃度均在 2 h 內(nèi)超過1 000 μg/m3,過程中各站點平均PM10質(zhì)量濃度分別為1 041、1 167、1 225 μg/m3,峰值濃度分別為2 091、2 245、2 590 μg/m3,PM10質(zhì)量濃度超過1 000 μg/m3的時間分別為21、25、24 h,體現(xiàn)了該次沙塵天氣影響程度之重。

2)在沙塵天氣影響的后期,隨著風(fēng)力的減弱以及高壓前部到達(dá)之前造成的靜穩(wěn)大氣擴(kuò)散條件,SO2和NO2質(zhì)量濃度均有所積累,體現(xiàn)了沙塵天氣后期同時疊加本地污染物積累的特征。與以往沙塵天氣過程不同的是,該次過程中PM2.5濃度與PM10變化一致,也達(dá)到重度污染的水平。

3)空間分析顯示該次過程沙塵天氣移動路徑是自區(qū)域西北至東南方向,激光雷達(dá)垂直監(jiān)測結(jié)果顯示,沙塵天氣主體從3 km左右的高空進(jìn)入北京市,隨后逐漸滲透至1 km高度以及地面,該次過程沙塵層厚度較高,覆蓋了地面至3 km的高度。

4)PM2.5組分監(jiān)測顯示,沙塵天氣過程中OM和Ca2+離子組分增幅最大。在線源解析結(jié)果表明,在沙塵天氣影響嚴(yán)重時間段,沙塵天氣源與生物質(zhì)燃燒源占比之和大于50%,最高值為67.6%。粒徑譜儀監(jiān)測顯示,沙塵天氣過程的峰值粒徑為0.965~1.037 μm。

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AnalysisonaDustPollutionEventinBeijinginMay, 2017BasedontheObservationofanAtmosphericSupersite

WANG Zhanshan1,2,LI Yunting1,2,LI Qian1,2,WANG Lihua1,2,LIU Baoxian1,2

1.Beijing Municipal Environmental Monitoring Centre,Beijing 100048,China2.Beijing Key Laboratory of Atmospheric Particulate Monitoring Technology,Beijing 100048,China

A dust pollution episode in May, 2017 was analyzed using regular pollutants observation, PM2.5chemical composition observation, lidar observation, number concentrations of particulate matter observation and size spectrum observation. The results showed that the dust reached Beijing at early morning on May 4. The peaks of PM10concentrations in Yanqing, Guanyuan and Tongzhou reached 2 091, 2 245, and 2 590 μg/m3, respectively. The variation of PM2.5concentration in this episode was consistent with that of PM10. The spatial analysis showed that the dust movement path was along the northwest to southeast of the region. Liar observation showed that the dust reached Beijing in the height of 3km, and then went down to the height of 1km and the ground. The dust layer was thick and covered the height of 0-3 km. The concentration increase of OM and Ca2+were the highest during the chemical compositions of PM2.5. Online source analysis showed that the contribution of dust and biomass burning accounted for more than 50% of the emission sources, with the highest contribution of 67.6%. The peak size spectrum of the dust was among 0.965-1.037 μm.

Beijing;dust pollution;chemical compositions of PM2.5;Lidar;size spectrum

X84

A

1002-6002(2017)05- 0028- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.05

2017-07-15;

2017-08-25

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B03)

王占山(1987-),男,山東濰坊人,碩士,工程師。

李云婷

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關(guān)于環(huán)境領(lǐng)域英文符號PM2.5 中文名稱的建議
PM2.5中文名
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