北京一次嚴重霧霾過程氣溶膠光學特性與氣象條件

王 朔,趙衛(wèi)雄,徐學哲,張啟磊,錢曉東,方 波,王 靜,張為俊,3

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北京一次嚴重霧霾過程氣溶膠光學特性與氣象條件

王 朔1,2,趙衛(wèi)雄1,徐學哲1,2,張啟磊1,2,錢曉東1,2,方 波1,王 靜4,張為俊1,3*

(1.中國科學院安徽光學精密機械研究所,安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學研究生院,安徽合肥 230026；3.中國科學技術大學環(huán)境科學與光電技術學院,安徽 合肥 230031；4.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044)

對北京地區(qū)2013年10月2~7日一次嚴重霧霾過程中的氣溶膠光學特性開展研究,分析了氣象條件對霧霾過程的影響,并結合HYSPLIT模型分析污染物的來源.結果表明,在污染天氣中氣溶膠光學厚度、?ngstr?m波長指數(shù)、細模態(tài)體積尺度譜峰值濃度遠高于清潔天.10月5日霧霾最為嚴重,440nm波長處氣溶膠光學厚度高達3.89.在霧霾發(fā)生前后,單次散射反照率日均值隨波長增大而增大,而在10月5日,單次散射反照率值隨波長增加先增大后減小,在675nm波長處達到最大值0.965.霧霾過程中大氣氣溶膠以強散射型細粒子為主,人為因素貢獻較大,且受氣象條件影響明顯.

氣溶膠；霧霾；光學特性；氣象條件

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱,粒子的空氣動力學直徑多在0.001~100μm之間.氣溶膠的來源可分為為自然源和人為源,自然源主要有土壤、海洋、火山和生物圈等,人為源主要包括生物質燃燒和化石燃料的燃燒等過程[1].20世紀以來,隨著社會工業(yè)化進程的空前快速發(fā)展,,這是因為大氣中較高濃度氣溶膠對太陽輻射的強吸收和散射作用,Horvath[2]研究表明,氣溶膠粒子對大氣

光學性質的影響可達99%;由于不同類型、不同粒徑氣溶膠的吸收和散射能力在不同波長處有很大差別[3-4],在不同地區(qū)不同天氣條件下氣溶膠光學特性變化情況也十分復雜[5-8].

目前氣溶膠光學特性的研究內容主要包括光學厚度(AOT)、?ngstr?m波長指數(shù)(AE)、單次散射反照率(SSA),復折射指數(shù)(CRI)等.近年來我國氣溶膠光學特性方面的研究取得了很大進展.段婧等[7]對長江三角洲地區(qū)大氣氣溶膠AOT的分布特征和季節(jié)變化特點的分析結果表明,山區(qū)城市群AOT在春季達到峰值,而平原地區(qū)城市群AOT峰值出現(xiàn)在夏季,并且山區(qū)城市群的氣溶膠光學厚度增加速度要小于平原城市群; Che等[9]人對中國北部一次持續(xù)的區(qū)域污染過程研究發(fā)現(xiàn),農村、郊區(qū)和城市站點的氣溶膠光學屬性和輻射特性的變化趨勢一致,但數(shù)值有明顯差別;而李霞等[10]對沙塵天氣下氣溶膠光學特性的研究發(fā)現(xiàn),沙塵天氣AE值接近于0,以粗粒子為主,這與于興娜等[8]在北京霧霾天氣下氣溶膠光學特性研究結果有明顯不同;許萬智[11]在北京觀測期間發(fā)現(xiàn)人為活動對單次散射反照率的影響有明顯的日變化,且SSA受相對濕度的影響較大;此外,徐政]研究發(fā)現(xiàn)濟南霾天和非霾天條件下SSA日變化相似峰型,均呈現(xiàn)中午高、早晚低的變化趨勢,但霾天SSA的值高于非霾天.綜上所述,雖然氣溶膠光學特性在不同地區(qū)有一些相似特征,但受污染源和氣象條件的影響,即使在同一地區(qū),不同污染過程中氣溶膠光學特性也有很大變化.

霧霾事件的發(fā)生,除內在的大氣污染物源排放因素外,很大程度上依賴于氣象條件[13],這是因為大氣對污染物的稀釋擴散能力受氣象條件影響非常明顯,在不同氣象條件下,同一污染源的排放所造成地面污染物濃度可有幾十倍甚至上百倍的差別[14].因此,研究氣象條件對霧霾天氣的影響,從而,是一項十分重要課題[15].

本文利用AERONET提供的氣溶膠光學特性觀測數(shù)據和反演資料,分析北京地區(qū)一次嚴重霧霾過程中氣溶膠體積尺度譜分布和光學厚度、?ngstr?m波長指數(shù)、單次散射反照率、復折射指數(shù)等光學特征參量的變化規(guī)律,以及氣象因子(風向、風速、相對濕度)和天氣形勢對霧霾過程的影響,并結合HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型分析霧霾前中后期氣團后向軌跡.

1 方法

1.1 數(shù)據來源

AERONET(Aerosol Robotic Network)是由美國國家宇航局(NASA)建立并發(fā)展起來的,在全球范圍的自動觀測站點超過600個,且各站點的觀測數(shù)據可以從AERONET網站下載(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/).AERONET采用的觀測儀器為法國CIMEL公司生產CE318系列全自動太陽光度計[16],該儀器在可見光至近紅外設有8個觀測通道,儀器的視場角為1.2°,太陽跟蹤精度為0.1°,它不僅能自動跟蹤太陽做太陽直射測量,也可進行太陽主平面掃描、太陽平緯圈天空掃描,AERONET提供的觀測數(shù)據可靠性較高,AOT的觀測誤差為0.01~0.02,反演參數(shù)SSA的誤差約為0.03,復折射指數(shù)實部和虛部的誤差分別為0.04和0.4[17].觀測時間一般為每天08:00~17:00,平均10~15min 1組數(shù)據. 本文中氣溶膠光學特性研究采用AERONET提供的氣溶膠觀測數(shù)據(如AOT、AE等)以及反演數(shù)據(如體積尺度譜分布、SSA、CRI等).

此外,地面常規(guī)氣象數(shù)據來源于http: //www. wunderground.com,每半小時記錄一次天氣狀況;海平面氣壓為精度為1°′1°的格點數(shù)據,來源于NCEP/NCAR FNL再分析資料.污染物擴散傳輸模式采用-4(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, http: //ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php),它是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空間資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型,該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的較為完整的輸送、擴散和沉降模式,已被廣泛地應用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散的研究中[18],本次研究中輸入數(shù)據為NCEP的GDAS資料(1°′1°).

1.2 站點介紹

研究選取北京為對象,觀測站點設于中國科學院大氣物理研究所樓頂(39.977°N,116.381°E),周圍主要以交通污染為主.北京位于華北平原的西北側,背靠太行山山脈和燕山山脈,受到特殊地形的影響,在弱流場情況下,北京地區(qū)會出現(xiàn)空氣滯留現(xiàn)象,導致污染物難以消散.北京秋冬季受到人為氣溶膠影響較為明顯[19],在低氣壓、靜穩(wěn)的氣象條件下,偏南風輸送大量外來污染物進入北京地區(qū),之后,隨著風力減小,空氣流動性變小,大氣擴散能力很弱,北京地區(qū)內污染物不斷積累,最終壓在城市上空,可形成嚴重污染層[20-23].

2013年10月2~7日北京出現(xiàn)該年最為嚴重的霧霾天氣,在此之前北京有一次強霧霾過程,10月1日的中雨對霧霾天氣的改善有了很大貢獻,10月2、3日天氣晴好,10月4日霧霾開始形成,能見度明顯下降,傍晚不足2km,5、6日早晚多為汽霧,中午多霧霾現(xiàn)象,嚴重時能見度不足200m,7日日出后天氣轉晴,能見度提高,霧霾過程結束.本文選取該次霧霾天氣過程為研究對象,分析氣溶膠的光學特性,以及氣象條件對霧霾過程的影響.

2 結果與討論

2.1 氣溶膠光學特性

2.1.1 日平均體積尺度譜分布 圖1為10月2~7日由AERONET觀測數(shù)據反演得到的氣溶膠粒子體積尺度譜分布,可以看出,霧霾過程期間氣溶膠粒子體積尺度譜呈明顯的雙峰分布,10月2日粗細模態(tài)的峰值均處于較低值,Guo等[24]基于在線的粒譜和成分測量發(fā)現(xiàn),該日有大量的新粒子生成,之后隨著粒子的吸濕和碰并增長,粗細模態(tài)峰值均有不同程度增加;4日粗細模態(tài)粒子體積濃度均有所增加,峰值濃度相當,細粒子體積尺度譜分布峰值對應的粒徑增長到0.25μm;5日為霧霾最為嚴重時期,氣溶膠粒子細模態(tài)峰值濃度明顯增大,超過0.34μm3/μm2,粗模態(tài)峰值濃度相比于4日無明顯變化,但粗細粒子尺度譜分布峰值所對應半徑均變小;7日霧霾天氣基本消失,天氣晴好,氣溶膠粒子體積濃度峰值明顯下降,細模態(tài)體積濃度峰值下降到0.07μm3/μm2以下.說明此次霧霾過程中的氣溶膠粒子以細粒子為主,這與沙塵天氣過程氣溶膠粒子體積尺度譜分布有明顯不同[25].

2.1.2 光學厚度和?ngstr?m波長指數(shù)的日變化 氣溶膠光學厚度是表征氣溶膠粒子消光性質的一個重要參數(shù),表示垂直大氣柱氣溶膠對太陽輻射衰減的能力,是評價大氣污染程度的一個重要指標;?ngstr?m指數(shù)是表征氣溶膠粒子大小的一個光學參數(shù),其值越小說明粒子越大,反之則說明氣溶膠粒子越小.圖2A為AERONET觀測到的氣溶膠光學厚度(440nm)與?ngstr?m波長指數(shù)(440~870nm)的日變化規(guī)律,可以看出,兩者整體變化較為一致,均有先增大后減小的趨勢,這主要是因為該次污染過程中的氣溶膠粒子以細粒子為主,氣溶膠的細粒子模態(tài)增大可使得光學厚度與?ngstr?m波長指數(shù)出現(xiàn)較高值[26].10月2日天氣晴好,全天光學厚度值低于0.4,?ngstr?m波長指數(shù)明顯增加;10月3日,氣溶膠粒子由核膜態(tài)(<0.05)向積聚模態(tài)(0.05~2μm)過渡[24],粒子數(shù)濃度減少,氣溶膠光學厚度整體呈上升趨勢,但其值低于1.5;?ngstr?m波長指數(shù)早上呈上升趨勢,10:00之后變化較為平穩(wěn).10月4日霧霾天氣過程開始發(fā)生,AOT值有明顯增大,全天光學厚度值在1.8以上,15:00左右有最大值,?ngstr?m波長指數(shù)上午呈上升趨勢,午后出現(xiàn)峰值.10月5、6日霧霾最為嚴重,5日全天光學厚度值高于2.9,上午光學厚度有最大值,達3.89,且AOT與AE有明顯相反的變化趨勢.10月7日上午9:00前有霧霾,之后天氣轉晴,全天AOT小于0.9.概括而言,霧霾天氣下,氣溶膠光學厚度和?ngstr?m波長指數(shù)有較大值,且有明顯的日變化特征.

圖2B為AERONET反演得到的霧霾過程期間粗細粒子在441nm處的消光光學厚度,可以明顯看出,此次污染事件氣溶膠細粒子消光貢獻遠高于粗粒子,且細粒子消光貢獻波動較為明顯,呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,與光學厚度變化較為一致,而粗粒子光學厚度一直處于較低值,且無明顯變化.

2.1.3 單次散射反照率日變化 單次散射反照率反映了氣溶膠粒子散射在總消光中所占比例,決定了氣溶膠輻射強迫的正、負效應,其微小變化會對輻射強迫值產生很大影響,是評估氣溶膠氣候效應的關鍵參數(shù)之一.Dubovik等[27-28]的研究表明,單次散射反照率的光譜特性不僅決定于氣溶膠的類別,還和氣溶膠的尺度大小有關,由圖3可見,10月2日由于光學厚度值低于0.4,無法反演出SSA值.在霧霾發(fā)生前后(3日和7日)以及霧霾開始發(fā)生(4日),SSA值隨波長增大而增大,而在霧霾最為嚴重時(5日),SSA在675nm處有最大值0.965,而后隨波長遞減,這與北京地區(qū)沙塵天氣下氣溶膠單次散射反照率的光譜特性不同[29],主要是因為此次霧霾過程中的污染物主要以細粒子為主,氣溶膠粒子在波長與氣溶膠粒子尺寸相當時,散射能力最強.10月4和5日在440nm處日平均SSA值分別為0.946和0.952,高于南京典型霧霾期間的最大值0.929[30],遠高于于興娜等[8]選取的2002~2008年北京霧霾天氣下氣溶膠單次散射反照率的平均值(0.91),進一步說明此次霧霾過程期間污染物主要為強散射型氣溶膠[31].同時,Guo等[24]成分測量結果表明,在霧霾較為嚴重的10月5、6日, 有機物、硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽等散射性成分有明顯增多,黑碳等吸收性氣溶膠所占比重較少;且在由清潔天氣到污染天氣轉化過程中氣溶膠粒子伴隨有明顯的稀釋增長,從而導致了此次霧霾過程中較高的SSA值.

2.1.4 復折射指數(shù)日均值變化 氣溶膠復折射指數(shù)與氣溶膠的粒子組成、尺度大小以及形狀有密切關系,是氣溶膠最基本的光學參數(shù),其實部和虛部分別代表氣溶膠散射和吸收能力相對大小,實部值越大,虛部值越小,表明其散射能力越強,反之,吸收能力越強[32-34].從圖4A可以看出,整體上復折射指數(shù)實部值隨波長增大有增加趨勢,但在870nm處具有明顯降低,與王靜等[30]對南京一次霧霾的研究結果有所不同,這是因為兩地氣溶膠類別、尺度大小有很大區(qū)別.在王靜等研究的霧霾過程中有粗模態(tài)粒子的導入和人為產生細模態(tài)氣溶膠粒子的生成,使得實部值在霧霾爆發(fā)的2d呈現(xiàn)不同的變化;而在本次霧霾過程中主要以二次氣溶膠為主,細模態(tài)粒子所占比重較大,峰值濃度約為粗粒子的2.5倍.在霧霾發(fā)生時復折射指數(shù)虛部值均明顯降低(圖4B),在霧霾結束后開始升高,這主要是因為北京地區(qū)在2013年10月2日有大量新粒子生成,在霧霾發(fā)生過程中新粒子吸濕增長,同時有大量硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠生成,使得氣溶膠散射性增強[24].

2.2 氣象條件對霧霾過程的影響

氣象要素和天氣形勢為霧霾事件的發(fā)生提供一定條件,又是霧霾過程維持和發(fā)展的決定性因素,就單站點而言,氣象條件如相對濕度、風速風向等與霧霾過程有著明顯的相關性[35],張人禾等[13]指出,霧霾天氣區(qū)域內的表面風速及其上空對流層中低層的水平風垂直切變對霧霾天氣過程具有動力作用;對流層中低層的層結不穩(wěn)定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點差對霧霾天氣的演變可以產生熱力影響.本文從氣象要素和北京地區(qū)天氣形勢的演變分析此次霧霾事件的形成、發(fā)展和衰亡原因.

2.2.1 霧霾過程中氣象要素的變化情況 Guo等[24]對北京2013年9月26日至11月13日灰霾天氣的研究結果表明,風速風向的變化與PM2.5濃度的變化有很好的相關性.圖5為10月2~7日天氣狀況、能見度、風向、風速、相對濕度的日變化情況(不嚴格區(qū)分霧、汽霧和霧靄,統(tǒng)稱為霧霾,有云、多云和晴間多云統(tǒng)稱為有云),在霧霾發(fā)生前(10月2日),相對濕度均值為50%,最大風速達22km/h;3日平均相對濕度較2日有所增加,風速減小,多為偏南風;4日霧霾天氣過程開始發(fā)生,風速與前一天相比有所減小,濕度增大,相對濕度高達94%,傍晚能見度不足2km;10月5日早上能見度不足1km,相對濕度高達94%,風速較小,日出后為霾,相對濕度小于60%,入夜后隨著濕度加大、風力減小,能見度進一步變差,此時北京的氣象條件不利于污染物擴散和稀釋,最終導致污染物長時間滯留空氣中;10月6日早上8:30,出現(xiàn)濃霧,能見度不足200m,相對濕度高達96%,午后相對濕度降低到70%以下,多為靜風;10月7日上午9:00前為汽霧,之后天氣轉晴,多偏北風,風速最大值達到19km/h,相對濕度早上高達88%,午后降低到40%以下.綜上所述,在霧霾發(fā)生前后,北京多受偏北大風的影響,白天相對濕度具有較低值,而在霧霾較嚴重時,北京地區(qū)多較弱的偏南風,空氣滯留明顯,且相對濕度日平均值較大.

2.2.2 天氣形勢對霧霾過程的影響 如圖6所示,10月5日08:00,北京位于高壓底部,周圍等壓線稀疏,下午14:00位于高壓的底后部低壓底前部,盛行偏南風,輸送南部工業(yè)城市污染物;6日08:00原位于北京西北部的低壓中心繼續(xù)向東移動,但北京尚未受到明顯影響,霧霾依然很嚴重;10月7日08:00,位于北京西北部的低壓移至北京東北部,另有一高壓移至西北部,此時北京位于高壓的底前部,低壓的底后部,受到明顯北部干潔冷空氣的影響,污染擴散條件好,霧霾現(xiàn)象開始消失.

2.2.3 污染物后向軌跡分析 氣溶膠的后向軌跡模擬不僅能夠解釋污染物的來源以及氣團的運動方向,而且與光學厚度、單次散射反照率以及氣柱中的含水量有密切關系,Xia等[36]對北京地區(qū)5年的污染物后向軌跡進行聚類分析,指出移動較慢的氣溶膠軌跡通常具有較高的光學厚度和單次散射反照率,以及較大的含水量.圖7為北京站點10月2日08:00~10日7日08:00在500m高度處24h污染物后向軌跡模擬結果,可以看出,在污染天氣(10月4、5、6日)主要來自于偏南部工業(yè)污染較為嚴重的地區(qū),氣團移動緩慢,且500m高度處的污染物來源主要是大氣底層,受到靜穩(wěn)天氣的影響,氣團垂直方向隨時間波動不明顯;而在大氣較為清潔時期(10月2、3、7日),影響北京地區(qū)的氣團多來自西北向,氣團移動速度較快.

3 結論

3.1 霧霾發(fā)生期間氣溶膠體積尺度譜呈明顯雙峰分布,細粒子峰值濃度高于粗粒子;10月2~7日氣溶膠光學厚度與?ngstr?m波長指數(shù)整體變化趨勢一致,均有先增大后減小的趨勢,細粒子消光光學厚度遠高于粗粒子,說明大量細模態(tài)粒子的產生是造成此次霧霾發(fā)生的主要原因.霧霾發(fā)生時單次散射反照率值增大,復折射指數(shù)虛部明顯下降,說明此次污染過程中氣溶膠粒子以強散射粒子為主.

3.2 霧霾發(fā)生期間早上和傍晚相對濕度較大,在10月5、6日,北京為靜穩(wěn)天氣,周圍等壓線稀疏,多弱的偏南氣流,大氣擴散能力較弱;而在10月7日 8:00北京地區(qū)周圍等壓線密集,受偏北大風的影響,開始由污染天氣向干凈天氣轉變.

3.3 北京站點500m高度污染物后向軌跡表明,霧霾嚴重時期氣團來向為北京南部和東南部的污染城市,而在大氣較為潔凈時,多受西北向輸送的氣團影響.

3.4 晴天大氣下大量新粒子生成和國慶期間人為因素產生的污染是此次霧霾事件的根源,大氣中充足的水汽和持續(xù)靜穩(wěn)天氣是霧霾形成和維持的重要因素.

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* 責任作者, 研究員, wjzhang@aiofm.ac.cn

Analysis of aerosol optical properties and meteorological parameters in a severe haze-fog episode in Beijing

WANG Shuo1,2, ZHAO Wei-xiong1, XU Xue-zhe1,2, ZHANG Qi-lei1,2, QIAN Xiao-dong1,2, FANG Bo1, WANG Jing4, ZHANG Wei-jun1,3*

(1.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；2.Graduate School, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；3.School of Environmental Science and Optoelectronic Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；4.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2016,36(5)：1305~1312

Results of aerosol optical properties research during a severe haze-fog episode from 2 October to 7 October 2013 in Beijing were studied. The meteorological effects on the haze-fog process were investigated, and the pollution sources were analyzed with the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model. The values of aerosol optical thickness (AOT), ?ngstr?m wavelength exponent (AE), and the peak of aerosol volume size concentration in fine mode in polluted days were much higher than that of clean days. The daily average single scattering albedo (SSA) increased with the increasing of wavelength in the earlier and later period of the intensive haze-fog episode. On October 5, the most serious haze process was happened and the AOT of wavelength 440nm was raised as much as 3.89. The SSA firstly increased and then decreased with the increasing of wavelength. The maximum SSA value was 0.965 at the wavelength of 675nm. During the haze-fog episode, fine particles with strong scattering characteristics were dominated which was mainly contributed by human factors, and was significantly influenced by meteorological parameters.

aerosol；haze-fog process；optical properties；meteorological parameters

X513

A

1000-6923(2016)05-1305-08

王 朔(1993-),女,河南商丘人,中國科學院安徽光學精密機械研究所碩士研究生,主要從事大氣氣溶膠物理化學特性研究.

2015-09-30

國家自然科學基金(41330424);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201406039);安徽省杰出青年科學基金(1508085J03)