北京地區(qū)大氣溫濕廓線對氣溶膠 垂直分布的影響

王偉齊，王章軍，臧增亮，胡俊忠，張誠杰，莊全風(fēng)

（1.中國人民解放軍66199 部隊，北京 100041；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

隨著我國城市化和工業(yè)化進程的發(fā)展，大氣環(huán)境問題日益凸顯，PM2.5、PM10等氣溶膠顆粒物是目前大部分地區(qū)的主要污染物。盡管政府已經(jīng)采取很多措施降低氣溶膠顆粒物，但在不利的氣象條件下，依然會出現(xiàn)比較嚴重的氣溶膠污染事件[1-3]。已有很多針對氣象條件與氣溶膠濃度之間關(guān)系的研究，張仁健 等[4]研究了北京地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度及其譜分布特征與相對濕度的關(guān)系。林俊等[5]統(tǒng)計分析了上海地區(qū)不同粒徑大氣氣溶膠的數(shù)濃度與溫度、相對濕度和風(fēng)速等氣象因素之間的關(guān)系。

受制于氣溶膠垂直分布觀測手段的不足，研究大多針對地面的污染物和氣象變量進行，但大氣環(huán)境是三維的，特別是垂直方向的大氣穩(wěn)定度對氣溶膠的擴散起重要作用，因此掌握氣溶膠的垂直分布特征對于深入了解氣溶膠污染過程十分重要[6]。隨著國內(nèi)外激光雷達的應(yīng)用，雷達廓線資料為研究氣溶膠的垂直分布提供了依據(jù)。Raman 等[7]將中國喜馬拉雅測得的37個氣溶膠垂直分布數(shù)據(jù)與云和氣溶膠偏振激光雷達（CALIPSO）數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)秋、冬兩季的垂直分布結(jié)構(gòu)基本相似，而春、夏兩季在海拔低于3 km 時差異明顯。呂陽等[8]選取北京地區(qū)2013 年1 月灰霾天氣和2 月晴天天氣進行氣溶膠垂直分布對比研究，發(fā)現(xiàn)晴好天氣溶膠的垂直分布不均勻，易出現(xiàn)垂直分層現(xiàn)象，而灰霾天氣溶膠主要集中在垂直高度1 km 以下，基本無分層現(xiàn)象。許瀟峰等[9]分析了2013 年12月華北地區(qū)一次典型大范圍霧霾污染事件中氣溶膠的分布特征，發(fā)現(xiàn)霾日和清潔日的消光系數(shù)在低層差異很大，隨高度增加，差異減小。

雖然對特定季節(jié)或是特別污染天氣背景下氣溶膠垂直分布特征進行了較多研究，但對于長時間范圍 內(nèi)不同污染條件下氣溶膠的垂直分布及其與氣象條件的關(guān)系研究仍較少。文中利用2017 年9 月至2018年8 月08 時和20 時北京地區(qū)的激光雷達廓線資料反演氣溶膠消光系數(shù)，并結(jié)合探空觀測的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)保部發(fā)布的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，對不同污染條件下氣溶膠垂直分布和大氣溫濕廓線進行分析，探索其影響機制。

1 數(shù)據(jù)分析處理

1.1 激光雷達數(shù)據(jù)

本研究使用的激光雷達數(shù)據(jù)來自山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自主研發(fā)的多波長氣溶膠激光雷達[10-11]，該設(shè)備在北京進行持續(xù)觀測實驗，積累了2017 年9 月至2018 年8 月的全年觀測數(shù)據(jù)。

激光雷達接收到距離z 處的后向散射信號可以表示為：

式中：z 為探測距離；P 表示高度z 處的大氣回波信號功率；P0為激光發(fā)射功率；C 為系統(tǒng)常數(shù)；β為后向散射系數(shù)；α 為消光系數(shù)；下標a、m 分別代表氣溶膠、大氣分子。利用激光雷達接收的回波信號可以反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)等信息，本研究采用的 532 nm 氣溶膠消光系數(shù)利用Fernald 算法[12]反演獲得。利用Fernald 反演算法計算氣溶膠消光系數(shù)時，標定高度zc以下高度（后向積分）和zc以上高度（前向積分）的消光系數(shù)表達式分別為：

式中：X(z)=P(z)·z·z，分子消光系數(shù)αm可由理論計算得到，Sm、Sa分別為分子和氣溶膠的消光散射比，Sm=αm/βm=8π/3，Sa的取值取決于發(fā)射激光的波長、氣溶膠的尺度譜分布、折射指數(shù)和地理位置，取值范圍一般在10～100 sr 之間，可以根據(jù)不同觀測地點、不同天氣情況而事先給定，文中反演532 nm 波長的消光系數(shù)時，將Sa取值50 sr。相比于氣溶膠或云粒子，大氣分子的性質(zhì)比較穩(wěn)定。標定高度zc的設(shè)定可選取近乎不含氣溶膠粒子的清潔大氣層所在的高度（大氣介質(zhì)僅被視為分子），如視大氣狀況選定在10 km 或其他高度。在參考高度，氣溶膠消光系數(shù)臨界值可由1+βa(zc)/ βm(zc)=1.01 確定。

為匹配探空觀測時間，研究選取激光雷達每天08 時和20 時的消光系數(shù)廓線，從210 m 開始進行數(shù)據(jù)對比分析。

1.2 探空氣象數(shù)據(jù)

美國國家氣候數(shù)據(jù)中心整合了一套全球范圍內(nèi)的高質(zhì)量探空站點數(shù)據(jù)集-IGRA(the Integrated Global Radiosonde Archive)[13]。IGRA 數(shù)據(jù)集包括11 個數(shù)據(jù)源整合的全球1538 個探空站經(jīng)過質(zhì)量控制的探空數(shù)據(jù)。在垂直層次上，該探空數(shù)據(jù)集包括標準等壓面、特性層以及風(fēng)層的資料[14]。探測要素包括位勢高度、氣溫、露點溫度差、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等。文中收集了2017 年9 月至2018 年8 月北京站的探空觀測數(shù)據(jù)。

1.3 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

PM2.5濃度觀測資料來自于全國空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，目前該平臺提供全國375 個城市1649 個監(jiān)測站的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5的逐小時濃度值，以及空氣質(zhì)量指數(shù)AQI。文中收集了研究期間北京市官園站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，該站距離激光雷達觀測站和探空站的距離均小于10 km，能夠較好地代表局地的污染狀況。

除了空間上匹配外，還要進行時間上的匹配。探空觀測僅在北京時08 時和20 時進行，本研究將激光 雷達資料和PM2.5數(shù)據(jù)在相應(yīng)時刻進行匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠消光系數(shù)特征分析

由地面PM2.5濃度和激光雷達210 m 氣溶膠消光系數(shù)的基本統(tǒng)計量可知，相比于1 年730 個（每天2次）樣本而言，兩者的有效樣本量均比較高，均達到85%以上。PM2.5濃度最小值僅為1.000 μg/m3，最大值達到298.000 μg/m3，平均值為54.402 μg/m3。近地面氣溶膠消光系數(shù)的變化幅度也比較大，最小值僅為0.004 km-1，最大值達3.296 km-1，平均值為0.395 km-1。

月均值地面PM2.5濃度、210 m 氣溶膠消光系數(shù)和地面相對濕度的時間序列如圖1 所示，可以看出，地面PM2.5濃度和210 m 氣溶膠消光系數(shù)的時間序列有很好的一致性。對相同時刻匹配后PM2.5濃度和 210 m 氣溶膠消光系數(shù)數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析顯示，兩者的相關(guān)系數(shù)達到0.77。值得注意的是，夏季（6—8月）的地面PM2.5濃度明顯偏低，但210 m 氣溶膠消光系數(shù)卻未明顯偏低，甚至在7 月份有較明顯的增大。這主要是由于夏季邊界層高度比較高，PM2.5濃度擴散的高度也比較高，造成地面PM2.5濃度偏低，但夏季近地層水汽濕度較大，特別是在7 月份（見圖1c），PM2.5吸濕增長致使消光特性增強[15]。冬季（12、1 和2 月）的210 m 氣溶膠消光系數(shù)偏低，但地面PM2.5濃度卻未明顯偏低。冬季往往有貼地逆溫層存在，由于PM2.5和水汽常集中在該逆溫層以下，導(dǎo)致地面PM2.5濃度偏高；210 m 可能已經(jīng)處于貼地逆溫層以上，PM2.5濃度較低，相對濕度也較小，故氣溶膠消光系數(shù)偏低。北京冬季08 時和20 時貼地逆溫層出現(xiàn) 頻數(shù)和逆溫層頂高度的統(tǒng)計特征見表1，可以看出，08 時和20 時大部分情況下均存在貼地逆溫層，其中貼地逆溫層頂高度最小值為21 m，最大值可達500 m以上，平均高度均低于210 m。

圖1 月均值地面PM 2.5 濃度、210 m 氣溶膠消光系數(shù)和地面相對濕度的時間序列

表1 北京冬季08 時和20 時貼地逆溫層出現(xiàn)頻數(shù)和 逆溫層頂高度的統(tǒng)計特征

選取冬、夏季節(jié)各一個樣本進行說明。如圖2 所示，2018 年1月19 日08 時地面PM2.5濃度為89 μg/m3， 達到輕度污染水平，但210 m 氣溶膠消光系數(shù)僅為0.21 km-1。2018 年8 月20 日08 時，地面PM2.5濃度為29 μg/m3，210 m 氣溶膠消光系數(shù)卻達到0.32 km-1。由當時的氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線可以看出，1 月19 日08 時在210 m 高度以下有明顯的貼地逆溫層，抑制了PM2.5濃度的垂直擴散，使地面PM2.5濃度偏大[16]。210 m 高度位置在貼地逆溫層頂部，相對濕度也比較小，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)偏小。8 月20 日08 時在210 m 高度以下無逆溫層，空氣垂直對流比較充分，且地面至210 m 高度，大氣相對濕度一直在80%以上，PM2.5吸濕增長明顯，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)偏大。

圖2 氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對濕度廓線

2.2 大氣溫濕廓線對氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的影響

季節(jié)平均的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布如圖3 所示，可以看出，在大氣底層，春季和夏季的消光系數(shù)相對較大，冬季的消光系數(shù)最小，這應(yīng)該和相對濕度有關(guān)。同時，相對濕度對邊界層以上消光系數(shù)的影響也很大，造成垂直分布的波動較大。特別是當有云存在時，云的消光系數(shù)要比氣溶膠的消光系數(shù)大得 多[17]。2018 年3 月30 日08 時氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖4 所示，可以看出，氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布特征與相對濕度在垂直高度上的變化趨勢結(jié)果相近。圖4a、c 的消光系數(shù)和相對濕度均從地面開始減小，在1000 m 高度附近達到最小值，然后相對濕度開始增大。當相對濕度增加到50%時，氣溶膠消光系數(shù)開始緩慢增大。當相對濕度增加到80%時，氣溶膠消光系數(shù)開始迅速增加，在2000 m高度均達到最大值，說明在2000 m 高度附近可能存在云區(qū)。此外，春季的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布波動較大，還受外來輸送的沙塵氣溶膠影響。2018 年3月28 日20 時氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖5 所示，可以看出，此時大氣垂直相對濕度均小于35%，且溫度廓線沒有逆溫存在，但氣溶膠消光系數(shù)在800 m 高度以上存在一個明顯的高值區(qū)。當天北京 市氣象臺發(fā)布了沙塵藍色警報，說明該消光系數(shù)高值區(qū)可能就是由沙塵造成的。

圖3 季節(jié)平均的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布

圖4 2018 年3 月30 日08 時受云影響的氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對濕度廓線

圖5 2018 年3 月28 日20 時受沙塵影響的氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對濕度廓線

為了降低云對氣溶膠消光系數(shù)廓線的影響，對每條氣溶膠消光系數(shù)廓線及其對應(yīng)的大氣相對濕度廓線進行云剔除。首先尋找氣溶膠消光系數(shù)和相對濕度均存在峰值的區(qū)域，然后判斷此區(qū)域的相對濕度是否大于80%，如果大于80%，則將消光系數(shù)開始快速增長的起始高度作為云底高，否則不作處理，最后將云底高以上數(shù)據(jù)全部剔除。如圖4 中的1730 m 高度即為云底高，做云剔除時，將1730 m 高度以上的氣溶膠消光系數(shù)和大氣溫濕廓線數(shù)據(jù)剔除。此外，對于云區(qū)較低，不易區(qū)分消光系數(shù)的變化是由云還是氣溶膠引起的，就將整個廓線剔除，所以經(jīng)過云剔除后的樣本量略有減少。各季節(jié)的受云影響樣本的平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖6 所示，可以看出，夏季有云樣本最多，冬季有云樣本最少。此外，通過比較有云樣本不同季節(jié)的大氣相對濕度廓線，可以看出，夏季的云多為低于1500 m 的云，而其他三個季節(jié)的云多為高于1500 m 的云。這主要是由于夏季大氣中水汽充分，對流凝結(jié)高度和抬升凝結(jié)高度均比較低，易出現(xiàn)低云，而其他季節(jié)，尤其是冬季，大氣中水汽含量較低，多為中高云。

2.3 不同污染條件下氣溶膠消光系數(shù)垂直分布特征分析

為更好比較清潔和污染條件下氣溶膠垂直分布與大氣溫濕廓線的關(guān)系，將匹配的數(shù)據(jù)按PM2.5濃度分為兩類：一類是PM2.5小時濃度小于50 μg/m3對應(yīng)的樣本，代表清潔條件；一類是PM2.5小時濃度大于等于50 μg/m3對應(yīng)的樣本，代表污染條件。不同條件下各季節(jié)的平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖7 所示。整體上看，各個季節(jié)的氣溶膠消光系數(shù)均從地面開始迅速減小，夏季減小的速率較慢，而冬季減小較快。這主要是由于夏季的大氣邊界層較高，污染物擴散得高，而冬季的大氣邊界層高度較低，污染物擴散得低。

圖6 受云影響樣本的平均氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對濕度廓線

比較圖7 中清潔和污染條件下氣溶膠消光系數(shù)的廓線，可以看出，春季、秋季和冬季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的5 倍，夏季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的3 倍。這主要是由于夏季大氣水汽含量較大，在PM2.5吸濕增長后，其折射指數(shù)和粒子的眾數(shù)半徑也隨之改變，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)在污染和清潔條件下的差異變小。此外，相較清潔條件下，污染條件下各季節(jié)的大氣溫度垂直遞減率均偏小，而低層（1000 m 以下）大氣相對濕度均偏大。大氣溫度垂直遞減率越小，說明大氣層結(jié)越穩(wěn)定，抑制對流發(fā)展，進而影響PM2.5的垂直擴散，導(dǎo)致地面PM2.5濃度增大，反之亦然。低層大氣相對濕度較大，PM2.5吸濕增長，當空氣濕度較大而未發(fā)生沉降作用時，PM2.5吸水懸浮在低空不易擴散，從而造成PM2.5高濃度污染[17]。

圖7 平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫度和相對濕度廓線

3 結(jié)論

文中利用2017 年9 月至2018 年8 月08 時和20時北京地區(qū)的氣溶膠消光系數(shù)和探空數(shù)據(jù)，通過匹配PM2.5濃度數(shù)據(jù)，分析了大氣溫濕廓線對不同污染條件下氣溶膠垂直分布的影響，得到如下結(jié)論。

1）地面PM2.5濃度和210 m 氣溶膠消光系數(shù)的時間序列有很好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)達到0.77。

2）受近地層大氣溫度層結(jié)和相對濕度影響，夏季地面PM2.5濃度偏低，冬季210 m 氣溶膠消光系數(shù)偏低。

3）春季、秋季和冬季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的5 倍，夏季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的3 倍。相比清潔條件下，污染條件下各季節(jié)的大氣溫度垂直遞減率偏小，并且低層大氣相對濕度偏大。

4）大氣溫度廓線代表大氣層結(jié)穩(wěn)定性，影響氣溶膠的擴散高度，而相對濕度廓線與氣溶膠吸濕增長密切相關(guān)，兩者對氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布都有重要影響。