郭映映,齊賀香,李素文,牟福生

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大氣污染問題也引起廣泛關(guān)注。NO2是對(duì)流層內(nèi)重要的痕量氣體之一,其不僅嚴(yán)重影響著生態(tài)、環(huán)境和人類的身體健康,而且在酸雨、臭氧和光化學(xué)煙霧的形成過程中具有重要作用。NO2產(chǎn)生來源可以分為自然來源和人為來源,其中常見的人為來源有汽車尾氣和工廠排放[1,2]。研究NO2濃度的時(shí)空演變規(guī)律和空間分布,對(duì)掌握NO2濃度的變化趨勢(shì)和制定環(huán)境措施具有重要意義。

目前用于監(jiān)測(cè)NO2氣體的方式主要有地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。地面監(jiān)測(cè)儀器有點(diǎn)式測(cè)量?jī)x和地基被動(dòng)差分吸收光譜儀等。點(diǎn)式測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)范圍小且無法得到大范圍的對(duì)流層NO2柱濃度分布信息[3]。光學(xué)被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)具有連續(xù)、實(shí)時(shí)、非接觸等優(yōu)勢(shì),在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。多軸差分吸收光譜(Multi-axis differential optical absorption spectroscopy,MAX-DOAS)技術(shù)是一種新型的DOAS光學(xué)遙感技術(shù),通過不同的仰角觀測(cè)太陽散射光來反演痕量氣體濃度[4,5]。MAX-DOAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本相對(duì)較低,有利于大規(guī)模的組網(wǎng)觀測(cè),因此被廣泛應(yīng)用于痕量氣體的監(jiān)測(cè)中[6,7]。國外不同研究組針對(duì)不同地區(qū)和反演算法開展了廣泛研究[8?10],2019年Schreier等[8]利用MAX-DOAS對(duì)奧地利維也納地區(qū)的NO2、HCHO、CHOCHO的空間和時(shí)間分布進(jìn)行評(píng)估,2020年AbdulAziz等[9]利用DOAS方法測(cè)定了低濃度的NO2氣體。國內(nèi)2013年王楊等[11]研究了MAX-DOAS反演NO2等痕量氣體的對(duì)流層垂直廓線和垂直柱濃度的兩步反演方法,2014年王婷等[12]利用MAX-DOAS對(duì)華北地區(qū)香河站NO2對(duì)流層垂直柱濃度季節(jié)變化進(jìn)行分析,2016年張杰等[13]利用OMI衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了中國中部平原地區(qū)NO2對(duì)流層柱濃度時(shí)空變化特征。本文基于2019年6月–2020年5月的MAX-DOAS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了淮北地區(qū)NO2對(duì)流層垂直柱濃度,分析了其月變化特征并和OMI測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 基本原理

MAX-DOAS以太陽散射光為光源,利用氣體分子在紫外和可見波段的特征吸收得到多仰角的斜柱濃度(Slant column density,SCD)[14?16],即DSCα。由于平流層氣體的斜柱濃度基本不隨仰角的大小而發(fā)生改變,只與太陽天頂角有關(guān),因此可以利用α≠90°時(shí)的斜柱濃度減去α=90°的柱濃度,來扣除平流層的斜柱濃度,得到差分斜柱濃度(Differential slant column density,dSCD),即DdSCα,其表達(dá)式為

再利用大氣質(zhì)量因子(Air mass factor,AMF),即FAMα,得到對(duì)流層污染物氣體的垂直柱濃度(Vertical column density,VCD),即DVC,其表達(dá)式為

FAMα可以利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN計(jì)算得到,也可以利用幾何近似的方法得到[17?19]。對(duì)于對(duì)流層吸收氣體,大氣質(zhì)量因子可以粗略地表示為

研究中采用幾何近似的方法來獲取FAMα,但是這種方法會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。選取α=30°的仰角,來反演觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的垂直柱濃度DVC。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

此次實(shí)驗(yàn)采用的裝置是由中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的一維MAX-DOAS[20],觀測(cè)地點(diǎn)(淮北師范大學(xué)物理樓,33°58′N,116°48′E)位于淮北北部郊區(qū),一維MAX-DOAS系統(tǒng)安裝在物理樓5樓樓頂,如圖1(a)所示。觀測(cè)時(shí)望遠(yuǎn)鏡指向市區(qū)方向(方位角為177°,正北為0°)。實(shí)驗(yàn)裝置分為兩部分,望遠(yuǎn)鏡和步進(jìn)電機(jī)放置在室外,光譜儀和計(jì)算機(jī)放置在室內(nèi),其中光譜儀需放置在溫度為20°C左右的溫控箱中,以減少因溫度變化對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生的誤差。太陽散射光通過望遠(yuǎn)鏡匯聚,由光纖傳輸至光譜儀中獲得測(cè)量光譜,利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)、在線顯示測(cè)量的光譜,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(b)所示。光譜儀為海洋光學(xué)的HR2000+,其分辨率為0.54 nm,波長(zhǎng)范圍為290～420 nm。每條光譜測(cè)量100次進(jìn)行平均,根據(jù)光譜的強(qiáng)度,自動(dòng)調(diào)節(jié)積分時(shí)間,得到信噪比較高的光譜。在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下望遠(yuǎn)鏡的仰角發(fā)生改變,依次為1°、2°、3°、4°、5°、6°、8°、15°、30°、90°,一個(gè)循環(huán)大約 15 分鐘。

圖1 MAX-DOAS測(cè)量地點(diǎn)(a)和結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Measurement site(a)and structure diagram(b)of MAX-DOAS

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

3.1 光譜反演

選取2019年6月–2020年5月觀測(cè)的光譜數(shù)據(jù)來反演NO2柱濃度,結(jié)合WINDOAS軟件利用DOAS算法,通過非線性最小二乘法在345～365 nm波段內(nèi)對(duì)測(cè)量光譜進(jìn)行反演。在波長(zhǎng)擬合過程中,允許波長(zhǎng)有較小的漂移或擠壓,以補(bǔ)償由于光譜儀的不穩(wěn)定性引起的誤差。表1列出了DOAS反演過程中使用的所有氣體截面和擬合多項(xiàng)式的階數(shù)[21]。圖2是30°仰角測(cè)量光譜下的NO2擬合結(jié)果圖,圖中將2019年12月2日14:52的一條90°仰角的測(cè)量光譜作為夫瑯禾費(fèi)參考光譜。由圖2可知,當(dāng)α=30°時(shí),NO2的DdSCα為6.35×1016molecules·cm?2,擬合的剩余噪聲為 2.15×10?3。

表1 NO2反演設(shè)置Table 1 NO2SCD retrieval fit settings

圖2 2019年12月2日14:57 30°仰角測(cè)量光譜反演示例Fig.2 Spectral retrieval example when elevation angle is 30°at 14:57 on December 2,2019

3.2MAX-DOAS和OMI NO2VCD月均值的時(shí)間序列

將MAX-DOAS 2019年6月–2020年5月期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均得到對(duì)流層NO2VCD月均值時(shí)序圖,如圖3(a)所示。由圖可知,NO2污染物濃度基本呈倒“U”型分布,夏季NO2柱濃度低于冬季,其中在8 月和 12 月分別出現(xiàn)了月均值最小值 (5.23×1015molecules·cm?2)和最大值 (2.13×1016molecules·cm?2)。冬季NO2濃度高的原因,一是冬季溫度低,NO2化學(xué)反應(yīng)速率慢、壽命長(zhǎng),不易擴(kuò)散,造成積累;二是冬季煤和石油等燃料使用較多,使得NO2污染物濃度增加;三是冬季大氣邊界層較低,容易出現(xiàn)逆溫,導(dǎo)致低空積累[12,16,25]。夏季溫度高,太陽光強(qiáng)度大,NO2化學(xué)分解速度快,壽命短,導(dǎo)致NO2濃度低[20]。觀測(cè)期間2020年2月濃度迅速下降,這是由于2月份是新冠肺炎疫情期間,交通和工業(yè)管制使得人為來源的排放大量減少。3月份開始,疫情得到初步控制,工廠復(fù)工和交通恢復(fù)導(dǎo)致NO2濃度又開始增加。利用OMI衛(wèi)星測(cè)量淮北地區(qū)同一時(shí)期的 NO2氣體濃度,選取經(jīng)緯度范圍為 116°23′E–117°02′E 和 33°16′N–34°14′N、格點(diǎn)為0.05°×0.05°、云系數(shù)FeC低于0.3的數(shù)據(jù)[26,27]。對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到淮北地區(qū)對(duì)流層NO2VCD的時(shí)間序列,如圖3(b)所示。由圖可知淮北地區(qū)NO2對(duì)流層柱濃度在12月份月均值最大,8月份月均值最小,與MAX-DOAS地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化一致。

圖3 MAX-DOAS(a)和OMI(b)2019年6月–2020年5月對(duì)流層NO2VCD月均值時(shí)序圖Fig.3 Monthly mean time series of tropospheric NO2VCD observed by MAX-DOAS(a)and OMI(b)from June 2019 to May 2020

3.3 不同季節(jié)的平均日變化

圖4給出了2019年6月–2020年5月淮北地區(qū)不同季節(jié)對(duì)流層NO2VCD的平均日變化?？梢钥闯?淮北地區(qū)NO2VCD具有明顯的季節(jié)變化特征,總體表現(xiàn)為冬季濃度最高,秋季、春季次之,夏季最低。該結(jié)果與牟福生等[20]對(duì)合肥地區(qū)NO2季節(jié)變化特征的研究結(jié)果一致。對(duì)流層NO2VCD日變化在不同季節(jié)變化趨勢(shì)不同,在上午相差較小,下午差異較大。其中夏季NO2VCD普遍偏低,日變化最明顯;冬季NO2VCD普遍偏高,濃度持續(xù)增加,最高值出現(xiàn)在傍晚;春季和秋季均在上午和傍晚出現(xiàn)高值。這主要是因?yàn)樗募緶囟炔煌?導(dǎo)致NO2化學(xué)反應(yīng)的速率不同。另一方面,上午溫度普遍低于下午溫度,導(dǎo)致下午NO2分解速率加快,濃度下降。

圖4 2019年6月–2020年5月不同季節(jié)對(duì)流層NO2VCD平均日變化Fig.4 Mean diurnal variations of tropospheric NO2VCD in averaged for different seasons from June 2019 to May 2020

3.4 幾何近似計(jì)算FAMα的誤差分析

為了驗(yàn)證由幾何近似計(jì)算FAMα對(duì)反演結(jié)果的影響,這里給出了15°和30°兩個(gè)不同的觀測(cè)角度,計(jì)算得到2019年12月5–7日(晴天)07:00–17:00對(duì)流層NO2VCD,結(jié)果如圖5(a)所示。理論上不同的觀測(cè)角度得到的VCD應(yīng)該是相同的。由圖可以看出,利用幾何近似計(jì)算得到的NO2VCD,在15°和30°觀測(cè)角度下的變化趨勢(shì)一致,并且NO2VCD的日均值[圖5(b)]相差較小,所得到的NO2VCD的誤差在10%以內(nèi)。表明利用幾何近似在晴朗天氣情況下,可以簡(jiǎn)單有效地計(jì)算NO2VCD。

圖5 對(duì)流層NO2VCD在15°和30°觀測(cè)角度下的日變化(a)和日均值(b)Fig.5 Diurnal variations(a)and daily averaged value(b)of tropospheric NO2VCD at the observation angle of 15°and 30°

3.5 對(duì)流層NO2VCD高值月份濃度來源分析

對(duì)比MAX-DOAS和OMI觀測(cè)得到的對(duì)流層NO2VCD月均值時(shí)序圖,發(fā)現(xiàn)兩者都在2019年11和12月份達(dá)到高值。為分析高值產(chǎn)生的原因,基于OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出淮北及其周邊地區(qū)2019年11和12月份對(duì)流層NO2VCD月均值的空間分布(圖6),發(fā)現(xiàn)淮北市東北方向的徐州地區(qū)NO2污染物濃度較高,其他方向NO2污染物分布比較均勻。

圖6 OMI觀測(cè)淮北及其周邊地區(qū)2019年11月和12月對(duì)流層NO2VCD月均值分布Fig.6 Monthly mean distribution of tropospheric NO2VCD observed by OMI in November(a)and December(b),2019 in Huaibei and its surrounding areas

結(jié)合風(fēng)場(chǎng)軌跡模型(Hybrid single particle lagrangian integrated trajectory,HYSPLIT)[28]分析了11月份和12月份觀測(cè)區(qū)域500 m高度風(fēng)場(chǎng)對(duì)污染的影響(圖7)。模型中設(shè)置時(shí)間為08:00–16:00,軌跡間隔2小時(shí)。11月份主要為東南風(fēng)場(chǎng)(占比63%)和西北風(fēng)場(chǎng)(占比38%),如圖7(a)所示;12月份主要為偏北風(fēng)場(chǎng)(占比86%)和偏南風(fēng)場(chǎng)(占比14%),如圖7(b)所示。結(jié)果表明,淮北地區(qū)11月份NO2污染物濃度受徐州地區(qū)影響較小,可認(rèn)為是本地積累;12月份徐州地區(qū)污染物濃度在東北風(fēng)場(chǎng)(49%)的作用下向淮北地區(qū)輸送,導(dǎo)致淮北地區(qū)NO2污染物濃度增加。

圖7 2019年11月份(a)和12月份(b)風(fēng)場(chǎng)后向軌跡分析Fig.7 Backward trajectory analysis of wind field in November(a)and December(b)2019

3.6MAX-DOAS測(cè)量對(duì)流層NO2VCD與OMI對(duì)比

圖8給出了淮北地區(qū)MAX-DOAS地面儀器測(cè)量和OMI衛(wèi)星測(cè)量2019年12月份每天12:00–14:00對(duì)流層NO2VCD的時(shí)序?qū)Ρ葓D[圖8(a)]和相關(guān)性圖[圖8(b)],其中OMI衛(wèi)星測(cè)量包括云系數(shù)為0

圖8 MAX-DOAS和OMI 12月份對(duì)流層NO2VCD日均值對(duì)比(a)和相關(guān)性(b)Fig.8 Tropospheric NO2VCD daily averaged value comparison between MAX-DOAS and OMI in December 2019(a)and the correlation coefficient between them(b)

4 結(jié) 論

基于MAX-DOAS觀測(cè)淮北地區(qū)從2019年6月–2020年5月期間的NO2VCD,分析了淮北地區(qū)NO2VCD的月均值變化特征,并與OMI衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量結(jié)果表明,MAX-DOAS和OMI測(cè)量的NO2污染物濃度基本都呈倒“U”形分布。由淮北地區(qū)對(duì)流層NO2VCD高值月份的空間分布可知,淮北地區(qū)11月和12月份東北方向污染物濃度較重,其他方向濃度分布均勻。分析11月和12月份淮北地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)可知,淮北地區(qū)11月份高值是由本地積累產(chǎn)生,12月份高值是受到徐州地區(qū)的影響。將12月份MAX-DOAS和OMI云系數(shù)分別為0