石家莊一次沙塵氣溶膠污染過程及光學特性

陳 靜,張艷品,楊 鵬,鈐偉妙,王曉敏,韓軍彩 (石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

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石家莊一次沙塵氣溶膠污染過程及光學特性

陳 靜*,張艷品,楊 鵬,鈐偉妙,王曉敏,韓軍彩 (石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

摘要：為掌握沙塵氣溶膠遠距離輸送特征及其規律,對2015年4月15日影響石家莊空氣質量的沙塵天氣背景、污染特征進行了分析,利用HYSPLIT—4模式分析了沙塵氣溶膠的后向軌跡,并利用微脈沖激光雷達和太陽光度計CE318監測資料分析了沙塵氣溶膠的垂直分布和光學特性演變,與大風無沙塵沉降另一過程進行了對比,探討了沙塵沉降對消光系數的影響,估算了沙塵沉降對地面P M10濃度的貢獻.結果表明:來自蒙古國的沙塵氣溶膠以西北路徑遠距離輸送沉降是導致石家莊PM10濃度驟升的主要因素;沙塵沉降對消光系數和地面PM10濃度具有重要貢獻;氣溶膠快速沉降時間與冷鋒過境、冷空氣下沉相一致;微脈沖激光雷達監測到整個沙塵氣溶膠輸送沉降過程,沉降之前沙塵氣溶膠主要分布在1500～3000m高空,氣溶膠消光系數隨高度上升而增大,輸送飄浮空中到沉降持續時間較長,為沙塵污染預警提供了“強信號”特征;氣溶膠光學厚度隨沙塵到達明顯上升,渾濁度較高,粒徑偏大,地面能見度隨氣溶膠光學厚度呈冪指數遞減.

關鍵詞：沙塵氣溶膠；激光雷達；太陽光度計；消光系數；光學厚度；后向軌跡

? 責任作者, 高級工程師, cj640212@163.com

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系,粒子的直徑多在10-3～102μm之間,其來源可分為自然源和人工源[1].以自然產生為主的沙塵氣溶膠又稱礦物氣溶膠,是大氣環境中組成復雜、危害較大的污染物之一[2-3].沙塵氣溶膠在一定的環流背景下遠距離輸送對下游地區的大氣環境[4]及生態環境[5-6]會造成較大影響,是影響地氣系統的的一個重要因子.它通過多種方式影響氣候[7].一方面,通過吸收和散射太陽短波輻射以及地氣系統發出的長波輻射,對地氣系統的能量收支平衡產生影響;另一方面,還通過改變云的特性影響降水發生率,對區域氣候及水循環產生影響[8-10].中國是全球沙塵主要發生和影響區之一,近年來對沙塵氣溶膠粒子譜特征[11-13]、光學特性[14-16]及源匯和輸送[17-18]方面進行了許多研究.如牛生杰等[19]研究得出在賀蘭山地區渾濁度系數增大和波長指數的減少可反映沙塵含量的增多和較大粒徑含量的比例增大.馬井會等[20]利用全球氣溶膠數據GADS (Global Aerosol Data Set)分析得出氣溶膠的消光系數和垂直厚度對光學厚度影響很大.曹賢潔等[21]利用激光雷達研究了蘭州沙塵氣溶膠的輻射特性,得出沙塵過程氣溶膠光學厚度時間演變呈雙峰型,氣溶膠主要集中在地面到1.5km高度層內.但沙塵氣溶膠的傳輸沉降對局地氣溶膠光學特性的影響及地面污染物貢獻方面的研究較少.

石家莊位于太行山東麓,受太行山的阻擋,沙塵天氣發生相對較少.近10年來石家莊市未出現過沙塵暴,但春季大風引起的揚沙以及上游沙塵輸送引起的浮塵時有發生.沙塵天氣常導致顆粒物濃度快速上升,出現沙塵污染,特別是當沙塵從蒙古國及中國西北地區遠距離輸送,在適合的環境背景影響下沉降,與本地大風引起的沙塵疊加,導致空氣質量惡化,出現重度或嚴重污染.為給大氣污染防治提供技術支撐,掌握沙塵天氣的污染特征及其輸送規律,在吸收以往研究成果的基礎上,對2015年4月15日影響石家莊空氣質量的沙塵天氣背景、污染特征、輸送路徑進行了綜合分析,利用微脈沖激光雷達和太陽光度計CE318聯合監測資料分析了沙塵氣溶膠的垂直分布和光學特性,探討了沙塵沉降對消光系數和地面PM10濃度的貢獻,以期為沙塵污染的防治及空氣質量預報預警提供參考.

1　數據資料及方法

1.1 數據資料

2015年4月15日沙塵過程分析應用空氣污染物濃度資料來源于石家莊市環境監測中心,氣象資料來源于石家莊市國家基本氣象站、石家莊機場探空資料、中國氣象局下發的Micaps資料及美國國家環境預報中心(NCEP)全球再分析資料.

1.2 觀測儀器及方法

1.2.1 微脈沖激光雷達 微脈沖激光雷達為北京伊孚和融科技有限公司生產的EV-LIDAE,安裝于石家莊國家基本觀測站觀測場南面,距觀測場約200m的地面,垂直向上.該雷達由激光器、同軸光學部分和控制箱體組成,工作波長532nm,單脈沖輸出能量為10μJ,脈沖重復頻率2500Hz,空間垂直分辨率為15m,工作方式為連續觀測,最大探測高度為30km,有效探測高度主要受天氣狀況影響.激光雷達數據進行反演之前經過預處理,即對激光雷達探測有影響的因子進行訂正.經過背景噪音訂正、低層重疊因子訂正和距離訂正[22].反演算法主要采用Fernal方法[23]得到消光系數,通過對消光系數的積分得到氣溶膠光學厚度.EV-LIDAE微脈沖激光雷達安裝調試完成后已得到相應的訂正參數,在激光雷達接收軟件中設置即可得到訂正,通過訂正可有效消除白天的邊界噪聲,但不能完全排除.激光雷達接收回波盲區設定為105m,105m以下數據不進行分析.利用激光雷達可連續探測大氣的優勢,對沙塵氣溶膠高空輸送、沉降的的時間演變情況進行了分析研究,并與CE318太陽光度計相結合研究沙塵氣溶膠的光學特性.

1.2.2 CE-318太陽光度計 CE-318太陽光度計,可觀測太陽輻射和天空輻射,用于反演大氣氣溶膠光學特性參量.CE-318有9個波段,中心波長分別為340, 380, 440, 500, 675, 870, 936,1020, 1640nm,帶寬為10nm[21].太陽光度計安裝于石家莊國家基本觀測站二樓平臺,距地面約6m.利用Angstrom方法[24-25],采用670nm和440nm波段氣溶膠光學厚度,擬合得到532nm、550nm氣溶膠光學厚度;計算了波長指數α和渾濁度系數β,對有無沙塵氣溶膠影響的光學特性進行討論.

2　結果分析

2.1 天氣背景

圖1　2015年4月15日14:00地面天氣圖(a)及衛星遙感監測的沙塵范圍圖(b)Fig.1　Surface meteorological chart (a) and dust image monitored by satellite (b) at 14:00BT 15 April 2015

2015年4月14日在蒙古國發展生成的蒙古氣旋,攜帶著大量沙塵于4月15日開始影響東北、華北地區,河北中北部、北京等地出現沙塵天氣,從圖1(a)可以看到,地面西北大風、沙塵區主要位于冷鋒后部甘肅、內蒙等地,冷鋒前部為西南大風區,石家莊位于氣旋的底部、冷鋒前部暖氣團影響區.從衛星遙感監測圖可以看出4月15日14:00石家莊北部已經出現沙塵,但14:00地面觀測無沙塵記錄.受干暖氣團及太行山焚風效應影響,4月15日白天石家莊氣溫較高,最高氣溫達到了34.1℃ ,為2015年入春以來氣溫最高值,空氣干燥,日平均相對濕度僅20%,14:00～20:00相對濕度不足10%.由圖2可知4月15日05:00石家莊風向由04:00東風轉為西風,風速從0.8m/s增大到2.5m/s,氣溫較前1h升高了5.8℃ ,相對濕度從43%下降到16%,達到強焚風標準[26],能見度明顯上升,從5.7km上升到10km.這是太行山焚風的一個明顯特點,主要表現為氣溫升高、濕度下降,霾消散,能見度轉好.05:00～18:00時逐小時10min平均風速大都在2～3m/s,極大風速5～6m/s,風向以西到西南風為主,能見度較好,均在8km以上,20:00前后冷鋒過境,風向由西風轉為西北風,風速增大, 10min平均風速增大到3.4m/s,20:37出現極大風速8.4m/s,21:00能見度下降到2.9km,之后風速在4m/s左右震蕩變化,能見度上升.

圖2　2015年4月15日石家莊市逐小時氣溫、相對濕度能見度(a)和風向(b)Fig.2　Variation of hourly temperature, relative humidity, visibility (a) and wind direction (b) of Shijiazhuang on 15 April 2015

垂直邊界層結構是影響污染物擴散的重要因素.圖3為4月15、16日02:00石家莊機場和15日08:00、20:00時邢臺探空觀測的氣溫、露點隨高度變化的垂直廓線.受暖氣團的影響02:00石家莊存在一個明顯的逆溫層,逆溫厚度達604m,逆溫強度0.8℃ /100m,空氣干燥, 500m～ 4000m溫度露點差均在30℃以上,地面溫度露點差也在10℃以上,邢臺08:00、20:00均存在淺層逆溫,逆溫厚度分別為165m 、65m, 逆溫強度為1.8℃ /100m和3℃ /100m,16日02:00隨著冷空氣的影響石家莊逆溫消失,高空氣溫出現明顯下降.從石家莊、邢臺的逆溫變化分析,逆溫層與15日凌晨形成,隨著太陽輻射的增強逆溫層變薄,但由于低空較強暖氣團的影響,到20:00前始終存在淺層逆溫.

圖3　2015年4月15～16日02:00石家莊機場溫度、露點垂直廓線和4月15日邢臺08:00、20:00溫度露點垂直廓線Fig.3　Vertical profiles of temperature and dew point of Shijiazhuang at 02:00 (LT) of 15～16 April 2015 and of Xingtai at 08:00 and 20:00 (LT) 15 April 2015

2.2 污染過程及污染特征

圖4a可見,4月15日地面揚塵污染比較明顯,PM10濃度較高, 08:00PM10、PM2.5出現第一個小峰值, AQI指數達到192,為四級中度污染,之后波動變化,空氣質量輕到中度污染,首要污染物由PM2.5轉為PM10,PM2.5/PM10值小于0.5,13:00之后小于0.4, PM2.5在PM10中所占比例進一步下降, 隨著冷鋒過境,20:00～21:00PM10濃度驟升,達到1436μg/m3,較前1h上升超過1000μg/m3,之后開始回落, 23:00由852μg/m3下降到432μg/m3, 24:00下降到319μg/m3,AQI從500下降到185,污染過程逐漸減輕.整個過程PM2.5濃度上升幅度較小,21:00較前一小時上升66.4μg/m3, PM2.5/PM10值僅12.9%,表明顆粒物粒徑偏大,主要影響PM10.

圖4　4月15日石家莊市PM2.5、PM10濃度及其比值和風速逐小時變化與PM10濃度梯度變化Fig.4　PM2.5 and PM10 concentration and its ratio and wind speed by hours, PM10concentration gradient change of Shijiazhuang on April 15

石家莊市環境監測梯度站位于世紀公園,設備安裝于電視塔平臺上,層次設置為20、86、116 和200m四個層次,觀測方法為雙通道振蕩天平法,為進一步了解沙塵氣溶膠對PM10濃度垂直分布影響,選取20、116和200m三個層次與世紀公園國控點(距地面5m)監測資料進行對比分析(圖4b).可以看出,世紀公園站與20m高度具有很好一致性,19:00之前兩者數據接近,僅在冷鋒過境前后峰值出現差異,20m高度峰值較國控點提前1h,其他各層峰值均出現在21:00,與地面監測相一致,這可能由于沙塵從空中沉降產生的時間差.00:00～03:00PM10濃度各層呈現相對穩定的變化,116m最低,20m最高,200m略低于20m,這種垂直分布特征可能由于夜間污染物在近地面沉積及200m高度附近存在殘留層所致; 04:00～ 09:00 20m與116,200m差異逐漸增大,07:00～ 09:00 20m和地面接近出現第一個峰值,但116,200m變化平穩,無峰值出現,表明早高峰對PM10的影響主要聚集在近地面,11:00～19:00熱力作用使各層充分混合,PM10濃度各層無明顯差異.這種垂直分布特點與白天受暖氣團影響,近地面逆溫層的存在密切相關,逆溫限制了污染物垂直擴散,除早高峰和沙塵影響時段外,各層PM10隨氣溫升高日變化特征不明顯,污染物被限制在低層.

本次冷空氣給石家莊市區帶來的風速并不太大,極大風速僅8.4m/s,與2015年4月12日的極大風速7.8m/s接近,冷鋒過境前后10min平均風速也比較相近,分別為4.1、4.7m/s,但因風速增大引起的PM10污染物濃度卻相差很大,表1為兩次過程極大風速及極大風速出現前后兩小時污染物濃度對比,說明4月15日冷鋒過境導致PM10污染物濃度驟升的因素不僅是本地風速增大引起的揚塵污染所致,外來沙塵在高空西北氣流的輸送下漂移沉降對石家莊市PM10濃度的增加具有重要貢獻.

表1　2015年4月12日和15日兩次冷空氣影響PM10濃度對比Table 1　Comparison of wind speed and PM10 during two cold air process on 12 and 15 April, 2015, respectively

為了解本次污染過程的來源,應用美國國家海洋大氣研究中心(NOAA)開發的供質點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式系統HYSPLIT-4(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4),以石家莊市(38.03°N,114.42°E)為參考點,利用NCEP全球再分析氣象資料,選取時間步長為3h,計算分析2015年4月16日08時過去24h高度100m、500m和1000m沙塵氣溶膠后向軌跡(圖5),從圖上半部可以清晰看出,距地面3個高度沙塵源均來自西北方向蒙古國的東部,在高空西北氣流影響下遠距離輸送,而圖5的下半部表明沙塵的輸送來自高空,北京時間14:00之前選定高度粒子軌跡均在高空3000m左右或以上,20:00前后開始沉降,這與冷鋒過境后,PM10濃度驟升的時間相一致,說明沙塵氣溶膠高空遠距離的輸送是導致PM10“爆表”的主要原因.

圖5　2015年4月16日08:00距地100、500、1000m高度24h后向軌跡Fig.5　24 hour backward trajectory over 100, 500, and 1000m height at 08:00 (LT) 16 April, 2015

2.3 光學特性

2.3.1 沙塵氣溶膠消光系數垂直分布 氣溶膠消光系數表示氣溶膠粒子通過散射和吸收作用,對某一波段太陽輻射單位面積、單位長度的削減程度.通常,排除云等的影響,氣溶膠消光系數越小,表明污染越輕,反之,污染重.2015年4月15日07:00左右,位于石家莊地面基本氣象觀測站的激光雷達就觀測到高空氣溶膠層的出現,該層位于1500～3000m高度,與地面氣溶膠層相脫離,表明該層為高空氣溶膠輸送層.圖6～7為4月15日01:00到16日08:00激光雷達反演的氣溶膠消光系數垂直廓線及典型時次垂直分布圖,可以清晰的看出,4月15日01:00～06:00氣溶膠主要分布在近地面300m以下,氣溶膠消光系數隨高度呈快速遞減,近地面最大消光系數為0.5km-1,但15 日07:00前后隨著高空氣溶膠層出現,500m以上氣溶膠消光系數隨高度升高而增大,1500m以上氣溶膠消光系數大于近地面層,并隨著時間的推移逐漸增大,表明空中氣溶膠濃度增大,污染有加重的趨勢,14:00～16:00高空氣溶膠消光系數有所減小,可能與對流、湍流交換增強以及水平擴散有關,17:00前后隨著空中氣溶膠層與近地面氣溶膠層混合,地面氣溶膠消光系數明顯增大,污染加重,空氣質量為中度污染,20:00地面消光系數大于1.0km-1,空氣質量達到重度污染,21:00前后高空氣溶膠沉降明顯,地面氣溶膠消光系數達到最大值1.5km-1, PM10濃度驟升到1436μg/m3.從 21:00氣溶膠消光系數的垂直分布分析,1300m高度以上為相對混合均勻的氣溶膠層,消光系數約0.5km-1,1300m以下氣溶膠消光系數大于0.5km-1,消光系數越接近地面越大.15日24:00前后2500m以上氣溶膠消光系數很低,不足0.1km-1,表明空氣比較清潔,高空氣溶膠層沉降到2500m以下,500～2000m氣溶膠混合均勻,消光系數0.2～0.3km-1,低空500m以下消光系數隨高度上升下降明顯,與之對應的地面消光系數也逐漸減小, 16日02:00近地面消光系數減小到0.5km-1以下,之后高空穩定氣溶膠污染層消失,表明沙塵氣溶膠污染輸送過程基本趨于結束.

圖6　2015年4月15日01:00到16日08:00氣溶膠消光系數垂直廓線Fig.6　Vertical profile of aerosol extinction coefficient during 01:00 (LT) 15th to 08:00BT 16th April, 2015

本次高空輸送的氣溶膠從出現到沉降間隔10多個小時,其快速沉降的時間與冷鋒過境、冷空氣下沉基本一致.分析表明利用激光雷達對氣溶膠的連續監測,結合天氣形勢預報,可有效開展上游沙塵天氣對本地空氣質量影響的預警,為外來沙塵的預報預警提供了思路.

圖7　2015年4月15日1:00到16日05:00典型時次氣溶膠消光系數隨高度的變化Fig.7　Variation of aerosol extinction coefficient with height at 01:00 (LT) 15th to 05:00BT 16th April, 2015

圖8　4月12日09:00～18:00典型時次消光系數垂直變化以及4月15日21:00、13:00消光系數和21:00沙塵沉降估測消光系數垂直變化Fig.8　Vertical distribution of extinction coefficient during 09:00～18:00 on April 12 and variation of the measured extinction coefficient at13:00 and 21:00, and the estimated extinction coefficient at 21:00 by dust setting on 15th April

2.3.2 沙塵沉降對消光系數的影響 4月12日與4月15日極大風速接近,但無沙塵沉降.由于在局地大風條件下污染擴散條件好,其他局地污染源對消光系數的貢獻較小,可近似認為激光雷達監測消光系數變化受局地大風揚塵影響.選擇4月12日逐小時10min平均風速≥3m/s(09:00～ 18:00)時段,分析局地大風沙塵對消光系數影響(圖8a).扣除云的影響,消光系數均小于0.3km-1, 對1200m以下高度消光系數垂直分布進行擬合,各時次消光系數隨高度呈指數遞減,其中極大風速出現最接近時次11:00消光系數擬合公式為:y=2423.6e-16x,相關系數R2=0.7856,14:00、17:00 相關系數R2分別為0.6695和0.6664,相關性較高,均通過α=0.001檢驗.4月12日極大風速出現時次11:00石家莊地面PM10濃度為一日峰值,該時次消光系數可近似做為局地大風引起背景值.為探討4月15日21:00沙塵氣溶膠沉降對消光系數的影響,以該時次消光系數扣除沙塵沉降前和局地大風消光系數背景值,估測沙塵沉降對消光系數的影響.4月15日12:00～14:00沙塵氣溶膠層懸浮于空中未沉降,地面及梯度監測該時段PM10濃度接近,故以4月15日13:00為沙塵沉降前消光系數背景值.為去除云影響,選擇1200m以下進行分析,圖8b為4月15日13:00、21:00及估測沙塵沉降消光系數,估測沙塵沉降消光系數105m接近0.9,最小值也在0.3左右,垂直高度上均大于4月12日大風時的最大值,表明沉降作用明顯.選擇4月12～16日石家莊梯度站200m高度PM10濃度與對應層次消光系數進行相關擬合,PM10濃度與消光系數呈明顯正相關,相關系數R2為0.5198,擬合公式:y=1.0636x+ 0.1294,以此估測沉降對地面PM10濃度的貢獻量為1009μg/m3,以21:00實況值扣除沉降貢獻值和沉降前PM10濃度背景值,測算本次沙塵污染過程中局地大風對PM10的貢獻為132μg/m3,該值與4月12日大風日1h最大升幅129.8μg/m3接近,說明利用激光雷達消光系數估測沙塵沉降的方法可行,具有一定的參考價值.

圖9　2015年4月15～16日典型時次退偏比垂直變化特征Fig.9　Vertical variation of depolarization on April 15～16, 2015

2.3.3 氣溶膠退偏振比的特征 線性退偏振比可作為氣溶膠粒子非球形程度的指示劑,其值越大非球形程度越高,是區分氣溶膠粒子類型的一個潛在工具[27].由圖9可以看出,4月15日02:00、05:00退偏比隨高度升高快速下降,300m以上退偏比值很小且變化不大,表明空中以球形粒子為主,而08:00 300m以上退偏比隨高度明顯增大, 1000m左右接近0.15,之后隨高度波動變化, 2500m以上大于0.2,表明高空非球形氣溶膠粒子濃度大,非球形氣溶膠于早晨前后到達本地上空,之后濃度呈增加的態勢,11:00～20:00低空1000m氣溶膠退偏比均在0.2以上,表明非球形氣溶膠高低空混合均勻,整層退偏比較大.研究認為沙塵氣溶膠退偏比一般大于0.2[28],依據激光雷達監測退偏比可判斷高空氣溶膠輸送層為沙塵氣溶膠;與高空氣溶膠退偏比對應的近地面,退偏比相對偏小,在0.1～0.2之間,說明高空氣溶膠非球形粒子濃度比近地面高.23:00后高空及近地面退偏比均呈減小趨勢,16日02:00高空退偏比減小到0.2以下,沙塵非球形粒子氣溶膠污染過程趨于結束.

對比4月12日大風期間退偏比,扣除云影響層,各層退偏比值均小于0.1,空中氣溶膠層以球形粒子為主,沙塵氣溶膠粒子較少,風速大的時段地面PM2.5/PM10比值小于0.5,最小值僅0.12出現在極大風速出現時次,表明局地大風沙塵對地面顆粒物貢獻以PM10為主.

2.3.4 氣溶膠光學厚度變化特征 氣溶膠光學厚度反映了整層大氣的透明程度,其值越大,表示大氣愈渾濁[29].由圖10可知沙塵氣溶膠過程前氣溶膠光學厚度(AOD)為0.1～0.3,4月15日07:00左右沙塵氣溶膠到達石家莊上空,氣溶膠光學厚度(AOD)急劇增大到0. 63,之后呈一直的上升,到13:00達到第一個峰值,但PM10和PM2.5濃度變化不大,表明受高空沙塵氣溶膠影響所致;14:00～ 17:00波動下降,但值仍然較高,AOD>0.8,其后再度上升,21:00達到峰值1.88,與PM10濃度峰值相對應,23:00～24:00氣溶膠光學厚度開始下降,污染過程減輕.

圖10　4月15日激光雷達監測逐小時平均氣溶膠光學厚度與PM10、PM2.5濃度日變化Fig.10　Diurnal variation of AODmeasured by Lidar, PM10, and PM2.5on 15thApril

太陽光度計測量分析是確定氣溶膠光學厚度的可靠方法之一[21,30].為了驗證激光雷達反演氣溶膠光學厚度的可靠性,利用CE318太陽光度計對激光雷達反演數據進行驗證.由于CE318太陽光度計不包含532nm 通道,文中采用670nm 和440nm波段資料,擬合得到532nm氣溶膠光學厚度.由圖11可以看出激光雷達反演與CE318觀測AOD趨勢一致,具有明顯的相關性,相關系數R2=0.833,表明激光雷達數據反演數據具有一定的可靠性.

圖11　4月14～16日石家莊激光雷達反演與CE-318觀測氣溶膠光學厚度散點圖Fig.11　Scattering point figure for AOD measured by Lidar and CE-318sunphotometer on April 14～16in Shijiazhuang

為了解不同天氣背景下氣溶膠光學厚度的變化特征,對沙塵影響前后氣溶膠光學厚度進行對比分析.4月12日因受云干擾,監測的氣溶膠光學厚度出現異常,不做討論.由圖12可以看出,4 月15日沙塵氣溶膠影響前13～14日空氣質量優良,550nm氣溶膠光學厚度平均為0.28～0.42,變化比較平穩,與1020nm、1640nm差異性比較明顯,滿足氣溶膠光學厚度隨波長增大而減小的一般規律,沙塵氣溶膠到達后3個波段氣溶膠光學厚度均呈一致上升,15日06:49 550nm增大到0.63,之后呈震蕩上升,12:23達到1.8,出現峰值,其后略有波動,但均大于1.0.1020nm、1640nm峰值與550一致,分別為1.73和1.60.沙塵到達期間3個波段氣溶膠光學厚度離散程度減小,1020nm 與550nm峰值接近,其值對隨波長增加減小的規律出現偏離,這可能與沙塵氣溶膠粒徑密切相關,后面將通過波長指數進行討論.利用550nm氣溶膠光學厚度與水平能見度進行相關分析,兩者呈明顯正相關,隨著氣溶膠光學厚度的增大,能見度呈冪指數下降,相關系數R2=0.253,通過α=0.01相關性檢驗.表明沙塵氣溶膠影響導致氣溶膠光學厚度增大,污染加重.

圖12　4月13～16日CE318監測不同波段氣溶膠光學厚度時間演變Fig.12　Variation of aerosol optical depth at different wavelengths monitored by CE-318 on 13～16, April

圖13　4月13～16日波長指數和渾濁度系數Fig.13　Angstrom exponent (α) and Angstrom turbidity coefficient (β) on 13～16April, 2015

2.3.5 渾濁度系數和波長指數 大氣渾濁度是表示大氣中氣溶膠含量(不包括云霧粒子)的大氣光學參數,常用來監測空氣的污染狀況[28].當通過太陽光度計測量得到兩個不同波長λ1、λ2處的氣溶膠光學厚度τaero(λ1)和τaero(λ2)時,求解以下方程組,即可得到Angstrom渾濁度系數β[21-22]:式中λ為波長.α為取決于散射粒子大小分布的波長指數,當大氣中氣溶膠較小的粒子所占的比重增大時,α值變大,反之則變小.

表2　2015年4月13～16日沙塵氣溶膠影響前后氣象要素、空氣質量和氣溶膠光學參數Table 2　Meteorological elements, air quality and aerosol optical parameters before and after the dust event on 13～16April, 2015

由圖13可見沙塵氣溶膠影響前4月13～14日混濁度系數β<0.2,空氣比較清潔,日均能見度在10km以上,對應的空氣質量優、良,沙塵氣溶膠影響日4月15日07:00 β>0.4,之后快速上升,10:00 β>1.0,之后維持較高值,平均值1.1,空氣相當混濁,對應空氣質量為中度污染,16日隨著沙塵氣溶膠的擴散,β明顯減小,但仍大于0.2,該日風速大,地面揚塵污染導致空氣混濁,首要污染物PM10,空氣質量輕度污染.波長指數α與β相反.4月13～14日α>1.2,表明空氣中較小的細粒子所占比重大,4月15日α<0.2,比前兩日明顯下降,說明空氣中粗粒子所占比重較大,16日α有所上升,但仍然偏小,對應的首要污染物仍為PM10.

3　結論

3.1 導致2015年4月15日石家莊PM10濃度

1h驟升超過1000μg/m3的主要原因是來自蒙古國中部沙塵氣溶膠,以西北路徑遠距離輸送沉降所致;漂浮在高空的沙塵氣溶膠快速沉降時間與冷鋒過境冷空氣下沉時間一致,這對沙塵氣溶膠影響空氣質量的預報預警具有指導作用.

3.2 激光雷達對沙塵氣溶膠影響過程能夠進行連續觀測.沙塵氣溶膠首先出現在高空,沉降前主要分布在1500～3000m高空,沙塵氣溶膠退偏比大于0.2,非球形粒子比重大;沙塵氣溶膠出現本地上空到沉降持續了10余個小時,利用激光雷達對其跟蹤監測可做為預報預警前置“強信號”,對沙塵天氣防范、空氣質量預報具有指示意義.

3.3 大風無沙塵沉降消光系數隨高度呈指數遞減,沙塵沉降對消光系數具有明顯的影響,利用激光雷達消光系數變化可估測沙塵沉降對消光系數及對地面PM10濃度的貢獻.本次沙塵污染過程僅21時沉降對地面PM10濃度的貢獻達到1000ug/m3以上.以局地大風沙塵污染特征為參考,驗證了該方法是可行的.

3.4 沙塵氣溶膠使光學厚度增大,平均值超過1.0,最大達到1.88,其日變化呈現雙峰型,最高峰出現時間與沙塵快速沉降、地面PM10濃度峰值相一致.激光雷達反演數據與CE-318監測氣溶膠光學厚度具有顯著相關性,其趨勢基本一致,說明雷達資料反演數據具有一定的可靠性,可與CE-318聯合觀測研究氣溶膠連續變化.

3.5 太陽光度計監測表明不同天氣背景下氣溶膠光學厚度具有明顯差異,空氣質量優良天氣氣溶膠光學厚度各波段均較小,符合隨波長增大而減小的一般規律,混濁度系數β<0.2,波長指數α較大,細粒子所占比重大;沙塵影響日混濁度系數β增大,波長指數α明顯減小,表明以粗粒子為主,各波段氣溶膠光學厚度均上升,但差異減小;地面能見度隨氣溶膠光學厚度增大呈冪指數遞減.

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致謝：衷心感謝中國氣象科學研究院車慧正研究員對本文英文部分的指導;感謝石家莊市環境監測中心提供的環境監測資料.

Pollution process and optical properties during a dust aerosol event in Shijiazhuang.

CHEN Jing*, ZHANG Yan-pin, YANG Peng, QIAN Wei-miao, WANG Xiao-min, HAN Jun-cai (Shijiazhuang Meteorological Bureau, Shijiazhuang 050081, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：979～989

Abstract：In order to investigate the properties and variation of dust aerosol transportation, the weather condition and pollutant characteristic that influenced air quality of Shijiazhuang on April 15th, 2015 were analyzed. The HYSPLIT-4model was applied to analyze the back trajectories of dust aerosols. The ground-based micro-pulse Lidar and CE-318sun photometer measurements were used to study the vertical distribution of dust particles and its optical properties variation. In addition, it was compared with another case with strong wind but non dust aerosol deposition. The dust deposition effect on extinction coefficient was discussed. And the contribution of dust deposition to surface PM10concentration was evaluated. The results indicated that the major factor of rapid increase PM10concentration in Shijiazhuang was due to the long-distance transportation and deposition of dust particles from Mongolia by the direction of northwest. Dust deposition had an important contribution to both extinction coefficient and PM10concentration. The rapid dust aerosol disposition was consistent with cold front movement and cold air sinking over Shijiazhuang region. The whole process of dust transportation and disposition had been monitored by the micro-pulse Lidar. It was found that the dust particles mainly distributed on the height of 1500m to 3000m before sinking, where the extinction coefficient increased with the altitude. The process from dust transportation to deposition lasted long time, which could be regarded as one strong alarm signal for dust pollution. When the dust particles arrived over Shijiazhuang region, the aerosol optical depth, turbidity, and particle size showed larger values and the visibility decreased exponentially with the aerosol optical depth.

Key words：dust aerosol；lidar；sun photometer；extinction coefficient；optical depth；back trajectory

作者簡介：陳 靜(1964-),女,河北曲陽人,高級工程師,主要研究方向為環境氣象及空氣質量預報預警.發表論文17篇.

基金項目：石家莊科技計劃項目(131550363A,151550083A);河北省氣象局項目(14ky22)

收稿日期：2015-09-28

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-0979-11