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淮南市一次空氣重污染過(guò)程激光雷達(dá)走航觀測(cè)分析

2020-11-04 10:37童歡歡耿天召丁甫躍胡淑恒
關(guān)鍵詞:激光雷達(dá)顆粒物風(fēng)速

童歡歡, 耿天召, 丁甫躍, 祝 林, 胡淑恒

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,安徽 合肥 230031; 3.中南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染物的排放種類和數(shù)量不斷增加,大氣污染范圍逐漸擴(kuò)大[1-2]。大氣重污染會(huì)損害公共安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大氣能見(jiàn)度及人體健康,甚至影響全球的氣候變化[3-5]。大氣邊界層是人類活動(dòng)排放空氣污染物的載體,大量研究表明,短期內(nèi)在大氣污染物排放量變化不大的情況下,污染物濃度變化主要受氣象擴(kuò)散條件的制約,其中一個(gè)很重要的因素就是邊界層內(nèi)的大氣層結(jié)狀況[6-8]。氣象條件通過(guò)影響污染物的稀釋、擴(kuò)散、傳輸及轉(zhuǎn)化過(guò)程,進(jìn)而影響污染物的時(shí)空分布[9]。立體監(jiān)測(cè)體系可為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù),也可為環(huán)境污染控制管理提供決策支持,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)污染物的立體監(jiān)測(cè)進(jìn)行了不同程度的研究。立體監(jiān)測(cè)中激光雷達(dá)作為其核心部分,是目前大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)的有效手段,其原理是以激光為光源,通過(guò)與目標(biāo)物相互作用產(chǎn)生輻射信號(hào)從而遙感目標(biāo)物。

淮南市位于安徽省中部偏北,是全國(guó)重要的能源城市之一,城市人口113.7萬(wàn)人,城市建成區(qū)面積120 km2。該市經(jīng)濟(jì)以重工業(yè)為主,支柱產(chǎn)業(yè)為煤炭、化工、電力及制藥,是全國(guó)億噸煤基地、華東火電基地和煤化工基地[10]。由于淮南的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、污染現(xiàn)狀比較具有代表性,其在我國(guó)地理、能源方面的地位特殊,本文針對(duì)該城市的一次典型大氣重污染過(guò)程采取立體監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行剖析,以期為該區(qū)域重污染預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)參考和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

氣象數(shù)據(jù)采用國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)的報(bào)表數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)包括淮南市地面數(shù)據(jù)(風(fēng)向、風(fēng)速、能見(jiàn)度等)與探空數(shù)據(jù)(位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等),氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列為2017-11-07—2017-11-09,時(shí)間分辨率為1 h。PM10、PM2.5等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的小時(shí)值和日均值來(lái)源于國(guó)家級(jí)控制站點(diǎn)的實(shí)時(shí)對(duì)外發(fā)布數(shù)據(jù),PM10和PM2.5采用文獻(xiàn)[11]推薦的微量震蕩天平法和β射線法測(cè)定,儀器型號(hào)分別為Thermo公司的TE-1405RPF和METONE公司的BAM-1020。操作流程嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行,每天24 h 連續(xù)采樣,設(shè)備由技術(shù)人員定期檢查與維護(hù)保養(yǎng),有效數(shù)據(jù)捕獲率超過(guò)95%。質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)在時(shí)間上和空間上均可匹配。時(shí)間精度為1 h,質(zhì)量濃度精度為1 μg/m3。

采用的走航觀測(cè)儀器包括近地面觀測(cè)、污染物遙感觀測(cè)、氣象遙感觀測(cè)3個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)污染輸送通道觀測(cè)、污染成因解析、評(píng)估城市各區(qū)域?qū)ξ廴臼录呢暙I(xiàn)情況。本研究中雙波長(zhǎng)三通道氣溶膠激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)分別為355、532 nm,主要用于細(xì)粒子探測(cè),接收部分采用卡氏望遠(yuǎn)鏡(其中532 nm波長(zhǎng)接收通道分為532∥通道和532⊥通道),探測(cè)器均采用光電倍增管。

各點(diǎn)位的布設(shè)原則依據(jù)文獻(xiàn)[12]執(zhí)行,基本覆蓋了安徽省大部分空間地區(qū)和典型區(qū)域,可以有效監(jiān)控安徽省的整體空氣質(zhì)量變化。本文數(shù)據(jù)修約規(guī)則符合文獻(xiàn)[13]。污染物質(zhì)量濃度測(cè)定及空氣質(zhì)量指數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[14]進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染期間PM2.5時(shí)空分布

由地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)分析可知,該次重污染過(guò)程以PM2.5為首要污染物,2017年11月6—9日重污染過(guò)程安徽省16個(gè)城市PM2.5質(zhì)量濃度如圖1所示。6日全省大部分區(qū)域空氣質(zhì)量為良,黃山地區(qū)由于地處山區(qū)、森林覆蓋率較高等因素,其空氣質(zhì)量為優(yōu)[15]。7日全省過(guò)半?yún)^(qū)域出現(xiàn)輕度污染和中度污染,并且分布具有很明顯的地域特征,皖北地區(qū)(淮北、亳州)出現(xiàn)中度污染,江淮之間區(qū)域(淮南、合肥、馬鞍山、蕪湖、銅陵等城市)為輕度污染,皖南區(qū)域(池州、宣城、黃山)空氣質(zhì)量為良。8日全省絕大多數(shù)城市出現(xiàn)污染,皖北區(qū)域(亳州、阜陽(yáng))為重度污染,其他區(qū)域自北向南逐漸由中度污染轉(zhuǎn)為輕度污染和良。9日全省大部分區(qū)域?yàn)榱?僅六安、銅陵、安慶、池州為輕度污染??v觀該過(guò)程可發(fā)現(xiàn),安徽省三大區(qū)域出現(xiàn)峰值存在明顯的時(shí)間差,淮河以北峰值比江淮之間提前約6 h,江淮之間比長(zhǎng)江以南提前約8 h。

2017年11月6-9日重污染期間風(fēng)速、風(fēng)向信息如圖2所示。由圖1、圖2可知,6日和7日風(fēng)速為1~2 m/s,對(duì)應(yīng)PM2.5質(zhì)量濃度為70~130 μg/m3;8日風(fēng)速增長(zhǎng)至5 m/s且以北風(fēng)居多,PM2.5質(zhì)量濃度同時(shí)攀升至最高峰;9日風(fēng)速比8日增大,達(dá)到6 m/s,風(fēng)向依然以北風(fēng)為主,但PM2.5質(zhì)量濃度比8日顯著降低。

圖1 2017年11月6—9日重污染期間16個(gè)城市PM2.5質(zhì)量濃度

圖2 2017年11月7—9日重污染期間風(fēng)特征

綜合以上分析可知,此次污染過(guò)程PM2.5質(zhì)量濃度范圍在空間上存在自北向南由高轉(zhuǎn)低的趨勢(shì),可初步判斷此次重污染過(guò)程是一次典型污染物傳輸過(guò)程[16-18]。淮南市處于此次傳輸通道中,因此出現(xiàn)幾日持續(xù)性污染現(xiàn)象,且PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)為先增高后降低。

2.2 激光雷達(dá)觀測(cè)

下面利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演的消光系數(shù)和退偏振比,分析重霾期間顆粒物消光系數(shù)時(shí)空變化特征以及顆粒物類型的分布特征,結(jié)合氣象要素探空數(shù)據(jù)探討不同粒徑顆粒物在垂直方向上的變化特征,將重霾期間不同粒徑顆粒物消光作用的研究拓展到整個(gè)邊界層,對(duì)重污染過(guò)程中邊界層內(nèi)大氣顆粒物光學(xué)特性的垂直變化進(jìn)行探討[19]。

2.2.1 走航觀測(cè)

為了進(jìn)一步了解此次PM2.5污染傳輸過(guò)程的特征,對(duì)淮南和淮北2個(gè)城市進(jìn)行走航觀測(cè)和駐點(diǎn)觀測(cè)。2017年11月9日激光雷達(dá)走航觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。走航起點(diǎn)位于淮南市,天氣晴,溫度14 ℃,濕度60%,東南風(fēng)2~3級(jí);終點(diǎn)位于淮北市,天氣晴,溫度15 ℃,濕度60%,東南風(fēng)2級(jí)。走航時(shí)間為11月9日16:00—24:00,獲取觀測(cè)該段時(shí)間內(nèi)532 nm消光及532 nm退偏狀況。由于激光雷達(dá)存在接收回波盲區(qū)[20],本次研究設(shè)定接收回波盲區(qū)為100 m,即對(duì)100 m以下數(shù)據(jù)不進(jìn)行分析。

從圖3a可以看出,低空顆粒物主要位于高度0~0.8 km,532 nm消光系數(shù)約為0.20;20:00左右高空1.5~2.6 km之間存在著污染傳輸帶,且消光系數(shù)約為0.10。從圖3b可以看出,0.8 km以下顆粒物退偏振比小于0.10,說(shuō)明近地面顆粒物形體較接近圓球狀,而位于1.5~2.6 km的傳輸帶內(nèi)顆粒物退偏振比達(dá)到0.25~0.40,說(shuō)明此次區(qū)域傳輸?shù)牧W又饕苑乔蛐晤w粒物為主,推測(cè)可能為沙塵、揚(yáng)塵等[21]。

由圖3可知,淮南與淮北之間0.8 km高度內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度較大,該高度內(nèi)主要以球形粒子為主;高度為1.5 ~2.6 km之間顆粒物質(zhì)量濃度較低,主要以非球形粒子為主。

2.2.2 駐點(diǎn)觀測(cè)

本次駐點(diǎn)觀測(cè)位于淮北市,2017年11月10日走航結(jié)果如圖4所示。

觀測(cè)時(shí)間為00:19—08:00,天氣多云,溫度11~14 ℃,濕度70%~92%,北風(fēng) 2 級(jí)。

由圖4a可知,顆粒物具有明顯的高度變化趨勢(shì),地面消光系數(shù)相對(duì)于走航過(guò)程高;10日01:00—06:00 PM2.5所處高度主要位于0.1~2.0 km,06:00以后發(fā)生明顯PM2.5沉降現(xiàn)象,高度范圍降至0.8 km以內(nèi)的近地面。

圖4 2017年11月10日駐點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果

由圖4b可知,顆粒物退偏振比為0.25~0.38,并且高度從地面0.8 km以上降至地面0.3 km以上,說(shuō)明該過(guò)程非球形粒子高度發(fā)生降低。

根據(jù)以上結(jié)果推測(cè)該現(xiàn)象是由于高空外來(lái)污染沉降到地面致使近地面出現(xiàn)污染高值[22],并且粒子形態(tài)多為非球形粒子。

2.3 污染成因解析

(1) 外來(lái)源輸送特征。采用美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)開(kāi)發(fā)的HYSPLIT模式計(jì)算顆粒物來(lái)源,根據(jù)激光雷達(dá)探空資料中顆粒物高度,設(shè)置模擬高度為100、400、1 500 m,這3個(gè)高度分別對(duì)應(yīng)近地面顆粒物所處高度、傳輸帶高度、高空,后向軌跡結(jié)果如圖5所示。

圖5 2017年11月6—8日HYSPLIT模式后向軌跡分析

采用的數(shù)據(jù)同化方式為全球資料同化系統(tǒng)(Global Data Assimilation System,GDAS),地理空間網(wǎng)格為1°×1°。

由圖5可知,100 m高度上污染物主要來(lái)自周邊城市,污染物無(wú)法向外輸送,因此隨著污染源繼續(xù)排放,污染物在本地不斷累積使其質(zhì)量濃度逐漸增高[23];400 m高度污染物主要來(lái)自華北地區(qū),污染物于華北地區(qū)1 800 m高度處逐漸降低高度向淮南輸送;1 500 m高度處污染物來(lái)自我國(guó)西北地區(qū),氣團(tuán)自西北地區(qū)3 500 m高度處逐漸降低高度向淮南輸送。污染物主要位于100、400 m高度處,1 500 m高度處顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)小得多,因此可以判定此次重污染受到本地污染源排放和華北地區(qū)污染輸送共同作用。

(2) 本地氣象特征。污染過(guò)程主要是由污染物排放和不利的氣象擴(kuò)散條件引起的[24],不利的氣象條件會(huì)導(dǎo)致污染物的累積[17,25]。下面分析淮南市夜間00:00的各個(gè)位勢(shì)高度所對(duì)應(yīng)溫度。2017年11月7—9日夜間溫度層結(jié)特征如圖6所示。重污染日夜間均發(fā)生逆溫現(xiàn)象,7—9日夜間逆溫強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì),逆溫層底部高度為171~201 m,逆溫層頂高為833~864 m,并且逆溫強(qiáng)度由高度每增加100 m氣溫增加0.06 ℃升至0.67 ℃。逆溫層頂部與底部之間位置與激光雷達(dá)探空結(jié)果所示顆粒物所處高度相符,說(shuō)明逆溫層對(duì)顆粒物產(chǎn)生很大影響。

由圖5、圖6可知,夜間逆溫是導(dǎo)致幾日出現(xiàn)污染的重要原因之一,逆溫層的存在使大氣處于穩(wěn)定狀態(tài),阻礙空氣垂直運(yùn)動(dòng),使得污染物聚集在逆溫層下,從而加重大氣污染[26-27]。另一方面夜間風(fēng)速較小,大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài),而本地污染源不斷向大氣中排放污染物,使得顆粒物在此階段累積[28]。當(dāng)北風(fēng)增大時(shí),將華北地區(qū)污染物向淮南地區(qū)輸送,使得8日PM2.5質(zhì)量濃度顯著增大;至9日已完成一次顆粒物過(guò)境。因此,風(fēng)向不變情況下,風(fēng)速條件加強(qiáng)了顆粒物的擴(kuò)散和稀釋效果,使得PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低[29]。

圖6 2017年11月7—9日重污染日夜間逆溫狀況溫度層結(jié)特征

3 結(jié) 論

(1) 淮南市此次發(fā)生的大氣污染是一次典型高質(zhì)量濃度PM2.5污染過(guò)境現(xiàn)象,污染自11月7日發(fā)生,8日達(dá)到峰值,9日基本消退。

(2) 走航532 nm消光發(fā)現(xiàn),近地面0.1~0.8 km高度處顆粒物主要為球形粒子;高度1.5、2.6 km處存在非球形粒子顆粒物傳輸帶。駐點(diǎn)532 nm消光發(fā)現(xiàn),地面0.1~2.0 km高度處出現(xiàn)高質(zhì)量濃度非球形顆粒物,且伴隨沉降過(guò)程。

(3) 對(duì)此次重污染過(guò)程進(jìn)行HYSPLIT后向軌跡研究,發(fā)現(xiàn)近地面100 m高度內(nèi)污染物源于本地和周邊城市污染物排放,污染傳輸帶中顆粒物主要來(lái)自華北地區(qū)。

(4) 此次重污染期間夜間均出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,且前2 d風(fēng)速小于2 m/s,靜穩(wěn)氣象條件為污染物累積作出貢獻(xiàn)。8日主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)且風(fēng)速增大至4 m/s,為污染物輸送創(chuàng)造條件,9日風(fēng)速與8日相似,但該日風(fēng)對(duì)PM2.5起到稀釋和擴(kuò)散作用。

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