基于微脈沖激光雷達的上海浦東地區不同強度霾研究

王 苑,耿福海,*,陳勇航*,賀千山,,張 華,潘 鵠,毛曉琴 (.東華大學環境科學與工程學院,上海060；.上海市氣象局,上海 005；.中國氣象局國家氣候中心,北京 0008)

由于經濟快速發展、人口車輛密集,霾已經成為影響上海大氣環境質量的主要污染現象,給人體健康、生態環境和交通安全等帶來了嚴重危害[1],是困擾政府及民眾的急需解決的重要環境問題.

地面氣象觀測規范[2]定義:“霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中,使水平能見度小于 10km 的空氣普遍混濁現象,霾的特征或成因是大量極細微塵粒,均勻浮游空中,使空氣普遍渾濁”.近年來,有關霾的研究受到國內外學者的關注[3-6],在城市霾天氣的判定[7]、霾的成因分析[8]、源解析[9-10]、氣溶膠特性[11-13]、能見度及其影響因素[14]等方面取得了重要進展,認為城市霾頻繁出現是由于經濟迅速發展和城市化進程加快,人類活動影響加劇使大氣氣溶膠污染日趨嚴重造成的, 表現為細粒子PM2.5增多造成的能見度下降[15].以往對大氣氣溶膠的研究主要是通過地面采樣分析其組分[16-18],近年來衛星遙感氣溶膠光學特性的研究取得了長足進展,如吳兌等[19]通過 EOS/MODIS衛星遙感分析探討了珠三角一次典型霾過程的整層大氣氣溶膠特性,徐婷婷等[20]利用 CALIPSO星載激光雷達監測上海地區霾氣溶膠消光系數的垂直分布,劉瓊等[21]也利用 CALIPSO資料分析了上海地區發生不同強度干霾時氣溶膠的垂直分布特征,為霾研究提供了新的角度.但是衛星遙感由于過境時間的限制難以提供連續的實時氣溶膠觀測數據.而作為主動遙感的地面微脈沖激光雷達(簡稱MPL),以其高時間分辨率能夠提供從近地面至高空的氣溶膠的垂直分布情況,因而是一個強有力的實時監測工具[22].

目前,國內外學者在利用地面微脈沖激光雷達監測大氣氣溶膠[23-25]、大氣邊界層[26]、研究氣候變化[27]等方面已做了許多工作,在測量大氣能見度方面也有較多應用.陳敏等[28]提出了利用激光雷達多仰角探測方法對大氣斜程積分能見度進行測量, 唐磊等[29]利用自行研制的半導體激光雷達能見度儀探測大氣水平及斜程能見度.但利用激光雷達進行城市霾污染的研究仍然較少.Noh等[30]利用拉曼散射激光雷達研究了韓國光州一次重度霾氣溶膠的光學特性和微物理特性.李禮等[31]利用Mie散射激光雷達分析了重慶地區2009年11月23-27日一次典型灰霾天氣條件下連續的氣溶膠演化過程.

本文主要利用地面微脈沖激光雷達消光系數的Fernald反演資料,結合地面其他氣溶膠觀測和氣象資料,研究了2008年12月1日至2010年11月31日期間上海地區不同強度霾氣溶膠消光特性的垂直分布特征,并從其日變化和季節變化特征角度將不同強度霾及非霾天氣進行對比,期望能為認識和區分中-重度霾提供參考依據.

1 資料與方法

大氣氣溶膠消光系數數據來自 MPL_4B型微脈沖激光雷達系統(MPL)的 Fernald反演資料,MPL安裝于上海市城市環境氣象中心(31°13’16.6”N,121°32’54.8”E)三樓觀測平臺上的恒溫室內(23.3℃),由激光發射系統、光學收發系統、探測器和數據采集系統四部分組成.其主要技術參數有:波長527nm;激光器類型ND:YLF;單次脈沖能量6～8μJ;脈沖寬度 24ns;脈沖重復頻率 2.5kHz;激光發散度為 0.00286°;接收視場0.00573°;距離分辨率為 30m;積分時間是 30s;探測盲區為200m.采用Fernald遠端求解法反演激光雷達消光系數.

表1 霾預報等級[32]Table 1 Forecast level of haze[32]

結合2010年6月1日中國氣象局實施的《霾的觀測和預報等級》[32]和相關研究[7],霾為能見度小于10.0km,相對濕度小于95%時,除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙霧、吹雪、雪暴等天氣現象造成的視程障礙以外的低能見度大氣污染現象,并據此定義: 當研究時段內(一般為 1h)平均能見度小于 10.0km,平均相對濕度小于 95%,且排除該時段內出現降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣,則認為出現霾天氣,定義該時段為霾時;平均相對濕度小于 80%的霾定義為干霾,平均相對濕度在 80%～95%之間的霾則定義為濕霾;8:00～18:00期間,霾時出現2次以上,則定義該日為霾日;按能見度大小將霾等級分為重度(0～2km)、中度(2～3km)、輕度(3～5km)和輕微霾(5～10km).大氣能見度、相對濕度、風速等氣象數據采用芬蘭Vaisala公司Milos500七要素自動監測儀觀測.降水、沙塵暴等天氣現象的判斷來自浦東氣象站觀測員目測.

2 結果與討論

2.1 不同程度霾的時間分布特征

圖1和表2給出了不同強度霾的季節分布頻率.夏冬兩季重度霾的發生比例為 7.9%和 6.3%,而春秋兩季發生重度霾的比例僅為4.9%和3.1%,夏冬兩季發生重、中度霾的比例高于春秋兩季,說明夏冬兩季發生霾時的污染程度較重.冬季易發生重度霾可能是因為氣溫低,大氣垂直湍流較弱,邊界層較低,不利于氣溶膠的擴散和輸送.夏季易發生重霾則可能是由于夏季濕度較高,而高濕度的霾天產生的消光更強[33],從而易導致低能見度的發生.有研究表明,當相對濕度達到 70%～80%時,水分可以貢獻氣溶膠總質量的 50%,甚至更多[34].

2.2 不同強度霾消光系數垂直分布日變化

圖1 不同強度霾的季節分布特征Fig.1 Seasonal distribution characteristics of different intensity of haze

表2 不同強度霾的季節頻率分布(%)Table 2 Seasonal frequency distribution of different intensity of haze(%)

圖2～圖5反映了春、夏、秋、冬四季上海浦東地區無霾(V≥10.0km)、輕微輕度霾(3.0km≤V＜10.0km)及中-重度霾(V＜3.0km)氣溶膠消光系數垂直廓線日變化趨勢,并以 08:00,12:00,15:00,18:00四個時次分別代表一日的清晨、中午、下午和傍晚時段.HUANG等[35]在黃土高原地區利用微脈沖雷達觀測發現,在晚上與清晨,氣溶膠層大多維持在 2km 以下,而在下午和傍晚,氣溶膠層出現在 1～3km,3～10km 范圍內氣溶膠消光散射系數很小.上海浦東地區激光雷達數據顯示 3km 以上消光系數很小,因此本節主要對3km以下的氣溶膠消光系數進行分析.

從圖2可以看出,春季無霾時段的2km以下小時平均消光系數波動范圍約在 0～0.2km-1(除早8:00),2km以上大幅度波動,可能受云層干擾;輕微輕度霾時段平均消光系數波動范圍約為0～0.5km-1,中-重度霾時段平均消光系數范圍增加到 0～1.2km-1,分別是無霾和輕度霾的 6倍和2.4倍.無霾和輕度霾時段的消光系數日變化不明顯,波動無規律.而圖 2c顯示中-重度霾消光系數小時均值呈現先升高再降低的過程,早8:00在210m和450m處各出現一個消光高峰,峰值分別約為 0.37km-1和 0.27km-1;到中午 12:00,消光高峰降低至 300m,消光峰值增大為日間最大值 1.11km-1;下午 15:00氣溶膠層抬升至 330m,但消光系數減小至 0.46km-1;到了傍晚,氣溶膠層開始下降(降至 270m),而消光系數重新上升,達到 0.64km-1,可能是受下班晚高峰的影響,交通運輸污染排放導致污染加重.中-重度霾過程氣溶膠層始終維持在330m以下的低空層中.

圖 3是夏季不同強度霾消光系數垂直分布特征.夏季中-重度霾消光系數范圍在 0～0.7km-1,無霾時段的消光仍維持在 0.2km-1以內,輕微輕度霾的消光系數范圍在 0～0.4km-1.從圖 3c可以看出,夏季早 8:00,首個消光高峰出現在 360m,為0.36km-1;之后的消光系數日變化經歷了與春季中-重度霾相似的過程,消光系數均值先升高再降低,午時達到最大值0.65km-1(270m).整體氣溶膠層維持在500m以下.

圖4表明秋季中-重度霾發生時消光系數在0～0.7km-1范圍內波動,無霾時段除早8:00消光均在 0.2km-1以內,輕微輕度霾的消光系數范圍在0～0.4km-1.從圖 4c可以看出,與春夏不同的是,上午8:00在800m處有一個較高的消光高峰值區.中午12:00的氣溶膠層降低至400m左右,同樣出現午時高峰.15:00消光降到最低,觀察不到明顯的峰值.傍晚18:00消光增大.

從圖 5可以看出,冬季消光系數的波動幅度較大,沒有明顯的日變化規律,這可能是由于冬季天氣條件較差、邊界層結構易受人為熱源影響而不穩定[36],或者云系的干擾造成.

圖2 上海浦東地區春季不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線日變化Fig.2 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of spring in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

圖3 上海浦東地區夏季不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線日變化Fig.3 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of summer in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

圖4 上海浦東地區秋季不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線日變化Fig.4 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of autumn in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

圖5 上海浦東地區冬季不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線日變化Fig.5 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of winter in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

從圖2～圖5可以看出,隨著高度的增加,中-重度霾時段氣溶膠消光系數迅速減少,中-重度霾時氣溶膠層大多在 1km以下,1km以上的大氣氣溶膠消光基本為零.對比不同強度霾日及無霾日的消光系數垂直廓線圖可以發現,隨著水平能見度降低,污染程度逐漸加重,氣溶膠消光系數值逐漸增加,氣溶膠層高度則不斷降低.無霾和輕度霾無明顯的消光系數日變化規律.中-重度霾時段,早上 8:00,氣溶膠層比較容易在低空(210m左右)聚集(除秋季),這主要是由于夜間溫度較低,地表長波輻射冷卻使地面溫度迅速降低,近地層大氣易形成逆溫,顆粒物不易擴散,也有可能受城市交通早高峰、大量機動車尾氣排放影響,因此上午是比較容易出現污染的時段;之后一直到下午 15:00,聚集的氣溶膠層不斷向高處抬升,這是由于日出之后,受太陽輻射作用,地表溫度逐漸升高,熱量向大氣傳遞,湍流運動充分發展,逆溫層削弱并逐漸消散,邊界層抬升,氣溶膠被輸送至較高高度;至傍晚,隨著日照減弱,邊界層降低,氣溶膠層也隨之降低.一天之中,長江三角洲地區逆溫出現時間約在傍晚,并在第2d早晨或中午消散[37],這與圖2～圖5所示中午的大氣消光系數最高,氣溶膠濃度最大,下午的氣溶膠濃度最小(除冬季)具有一致性,表明逆溫是限制顆粒物擴散的重要原因.一天中下午的大氣層結較不穩定,大氣邊界層發展,擴散條件有利,空氣質量比較好.

2.3 不同強度霾消光系數垂直分布季節變化

圖6 上海浦東地區不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線季節變化Fig.6 Seasonal variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

圖 6 分別反映了上海浦東地區無霾 (V≥10.0km)、輕微輕度霾(3.0km≤V＜10.0km)及中-重度霾(V＜3.0km)氣溶膠消光系數垂直廓線季節變化.不同季節的消光系數變化范圍有明顯差異.圖6a表明,無霾時段2km以上氣溶膠消光呈現春＞冬＞秋＞夏變化特征,1～2km 氣溶膠消光系數則為冬＞秋＞春＞夏,1km 以下氣溶膠消光系數呈現冬＞夏＞秋＞春的特點,但是在 210m 左右,夏季平均消光系數出現一個高峰,遠遠高過其他季節.夏季大氣濕度相對較高,大氣吸濕性導致低層大氣消光較高;春季大氣頻繁受來自于北方的揚沙天氣影響,因此高層大氣消光系數較高;而冬秋兩季趨勢都是隨高度增加消光逐漸降低,冬季消光波動劇烈;秋季由于西北干燥高壓天氣影響,空氣較潔凈,大氣消光波動平緩.

圖6b、圖6c中不同強度霾時段與無霾時段的消光系數季節變化規律相似,但霾天氣高空大氣消光系數更小,低空大氣消光更大,消光系數范圍更加離散.中-重度霾天氣近地面出現氣溶膠污染高值區,與人類活動污染物排放——特別是機動車尾氣排放較多,致使大量的污染物積聚在大氣低層密切相關.

圖7 上海浦東地區不同強度霾氣溶膠消光系數垂直廓線Fig.7 Different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of spring, summer, autumn, winter in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

圖7 反映了上海浦東地區無霾、輕微輕度霾及中-重度霾氣溶膠消光系數范圍.從圖4可以看出,中-重度霾時段氣溶膠層主要聚集于500m以下低空中,其最大值分別能達到 0.29km-1(春240m)、0.17km-1(夏 240m)、0.045km-1(秋 210m)、0.26km-1(冬 240m),春＞冬＞夏＞秋,這說明冬春兩

季不僅較易出現霾天氣,而且出現重度霾時污染程度也更嚴重.春季北方沙塵的遠距離輸送、冬季大氣層結的穩定性是主要原因.夏季太陽輻射強烈,日間地表輻射增強,大氣不穩定度增加,對流邊界層旺盛發展,從而使得污染物較易擴散.低空大氣氣溶膠消光系數總體呈現中-重度霾＞輕度霾＞無霾(除秋季).而在 500m 以上大氣中,中-重度霾時段大氣氣溶膠均遠小于非霾時段和輕度霾時段,非霾時段和輕度霾消光系數相差不大.霾層上方大氣消光系數迅速減小是霾污染大氣消光的重要特征,有研究表明,這一高度大氣氣溶膠顆粒物數濃度明顯減少[38].

3 結論

3.1 夏冬兩季較易發生中、重度霾,即發生霾時的污染程度較重,而春秋兩季發生輕度霾和輕微霾的比例較高.

3.2 隨著霾污染程度逐漸加重,氣溶膠消光系數值逐漸增加,氣溶膠層高度則不斷降低.無霾和輕度霾無明顯的消光系數日變化規律.中-重度霾時段,早上8:00,氣溶膠層比較容易在低空聚集.一天之中,中午的氣溶膠濃度最大,下午的氣溶膠濃度最小.春、夏、秋三季無霾時段小時平均消光系數波動范圍約在 0～0.2km-1;輕微輕度霾時段平均消光系數波動范圍約為 0～0.5km-1,中-重度霾時段平均消光系數范圍增加到0～1.2km-1,分別是無霾和輕度霾的6倍和2.4倍.冬季消光系數的波動幅度較大,沒有明顯的日變化規律.

3.3 夏季低層大氣消光較高,春季高層大氣較高,冬秋兩季隨高度增加消光逐漸降低.重、中度霾日的氣溶膠主要分布在 500m 以下.低空大氣氣溶膠消光系數整體呈現中-重度霾＞輕度霾＞無霾,其中中-重度霾時段消光系數春＞冬＞夏＞秋.500m以上大氣中,中-重度霾時段大氣氣溶膠遠小于非霾時段和輕度霾時段,非霾時段和輕度霾消光系數相差不大.

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