南京北郊硫酸鹽氣溶膠性質實驗觀測

楊少波,曹念文

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南京北郊硫酸鹽氣溶膠性質實驗觀測

楊少波,曹念文*

(南京信息工程大學,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇南京 210044)

通過南京北郊的微脈沖激光雷達(MPL)對氣溶膠進行了連續觀測,結合溫度、濕度以及SO2濃度等資料分析了氣溶膠的變化規律,結果表明,近地面(300m)氣溶膠的退偏振比在00:00~10:00出現較大值,最大值可達0.163,峰值出現在05:00左右;該高度處的退偏振比與溫度存在負相關性,與相對濕度、SO2濃度呈強的正相關性;在較低溫度、較高的相對濕度以及較高SO2濃度條件下,SO2更容易被氧化生成非球形較明顯的硫酸鹽氣溶膠顆粒,使得氣溶膠退偏振比偏大.

激光雷達；硫酸鹽氣溶膠；退偏振比；溫度；濕度；SO2濃度

目前我國大氣污染逐漸呈現為復合型污染[1],氣溶膠污染對人民的生活和健康產生了越來越嚴重的危害[2],研究氣溶膠對于治理氣溶膠污染提供決策支持,國內外有許多學者對不同地區的氣溶膠做了研究,包括利用激光雷達對氣溶膠的光學性質進行研究,得到不同區域氣溶膠的日變化和季節變化規律,不同天氣條件對氣溶膠的影響,以及氣溶膠與云的互相影響等[3-8].除此之外,還利用模式分析研究不同地區氣溶膠的來源以及擴散途徑,得到了不同城市不同類型氣溶膠所占的比重,以及不同氣象條件下氣溶膠擴散途徑[9].

南京位于長江三角洲,這一地區工業發展迅速,人民生活出行等因素帶來的空氣污染比較嚴重,因此對這一地區的氣溶膠污染的規律以及變化進行研究,有助于深入了解氣溶膠的性質,為下一步治理改善提供依據.本文研究觀測地點位于南京北郊的南京信息工程大學校內,學校東面緊鄰寧六高速公路,車流量較大,東偏南方向3km內為南京鋼鐵集團公司,東偏北方向10km左右為南京化工企業較為密集的南京化學工業園,其中包括了揚子石化等南京重點化工企業,因此學校所處的南京北郊地區是污染較為嚴重的地區,也可以作為污染嚴重的工業城市的典型代表進行研究.

本文對2009年4、5月兩段連續的微脈沖激光雷達觀測資料進行反演,結合SO2的日變化情況以及溫度、濕度等氣象要素進行研究,分析南京北郊氣溶膠的變化規律.

1 數據與方法

1.1 觀測儀器與數據

本實驗使用的MMPL-C-532型微脈沖激光雷達系統(MPL)安裝在中國氣象局南京綜合觀測基地(32.2°N,118.7°E),由激光發射系統、光學接收系統和數據采集系統3部分組成.激光器發射的激光進入大氣后,受到大氣分子、氣溶膠等粒子的散射和吸收作用,其中后向散射的光子被光學接收系統接收后由分光系統將平行和垂直偏振光分別送到信號接收單元的探測器,數據采集系統中的光子計數器累加所得到的信號并存儲.本實驗所使用MPL的主要技術參數如下表.

表1 微脈沖激光雷達性能參數

本文數據的分辨率為30m,由于實驗使用的激光雷達為收發不同軸,存在雷區盲區,雷達盲區為90m以下,激光雷達的幾何重疊因子隨著高度增加逐漸增大,到一定高度趨近于1,然而在90~240m范圍內幾何重疊因子卻出現了先增大后減小的現象,這明顯與理論有較大的差距,故為保障數據質量結合平時觀測,本文研究的近地面的激光雷達數據均選取在300m高度處.

實驗分析過程中溫度、濕度資料均來自于WunderGround網站[10],可獲得南京地區氣象站每個小時的氣溫、濕度、露點、能見度等氣象資料.

1.2 研究方法

本次實驗使用Fernald方法[11]反演氣溶膠的消光系數,其后向反演的表達式如下:

式中:下標1、2分別表示氣溶膠與空氣分子;表示高度;()=()2,()代表不同高度處的距離校正信號;(z)為激光雷達系統接收到的不同高度處的回波信號;為消光后向散射比,即激光雷達比[12-15],定義為消光系數與后向散射系數的比值,即(為消光系數,為后向散射系數); 為大氣分子的消光后向散射比,為常數,即,大氣分子的消光系數2根據美國1976標準大氣模式[16]經過NASAEOS[17]訂正得到;氣溶膠的消光散射比1與氣溶膠的特性有關[18-20],取值范圍一般在10~100之間,中國大陸地區氣溶膠的消光后向散射比常取一個常數,即1=50; 為標定高度,在處理數據過程中,往往選取距離校正信號對數廓線中較為光滑區間的中點作為標定高度;標定處的消光系數借鑒Collis方法[21],在信號較為光滑區域中,氣溶膠分布較為均勻,則該處的消光系數,在實際處理過程中往往將該區域內的信號使用最小二乘法進行擬合[22],求得其斜率,根據以上公式,即可得到標定高度處的消光系數.

該激光雷達為偏振激光雷達,可利用散射光偏振的變化測量退偏振量[23-25],偏振激光束在大氣中遇到球形粒子(如大氣分子)發生散射時,偏振被保存[26],只有平行的組分被觀測到;遇到非球形顆粒發生散射時,垂直組分也會被觀測到,因此定義退偏振比(DPR)為

2 數據分析與討論

2.1 初步分析

利用微脈沖激光雷達可實現連續監測,可監測邊界層內氣溶膠的時空變化情況以及云的生成消散過程.本文研究兩段連續觀測的數據,分別為2009年4月26~30日和5月26~30日,兩次觀測得到117和120小時的數據,兩次觀測的前一天即4月25日和5月25日的天氣情況分別為晴和中雨,其中4月30日21:00~23:00雷達數據缺失.

由于雨水對氣溶膠的濕沉降作用明顯,為保證本文研究不受特殊天氣過程(沙塵等)或者污染事件的影響,選擇雨后的數據作為參照.

(a)

(b)

圖1 (a)2009年4月26~30日、(b)5月26~30日消光系數

Fig.1 Extinction coefficient of (a) April 26~30, 2009; (b) May 26~30, 2009

圖1(a)(b)為2009年4月26~30日以及5月26~30日的消光系數時空變化圖,從圖中可以看出,氣溶膠大多分布在邊界層內(邊界層高度大致在3km以下),而在邊界層以上出現的消光大值區域為云區.從消光系數的時空序列圖中看出氣溶膠的日變化情況,在觀測期間有些日期如4月26日、5月26、27、28日0:00~12:00邊界層以下的消光系數總體較12:00~24:00偏大,但是在具體高度層上并非變現這樣的規律.300m高度處的消光系數的每小時平均值如圖2所示,氣溶膠消光系數會受風速、太陽輻射等因素影響,其日變化并未呈現明顯的規律.

(a)

(b)

圖3 (a)2009年4月26~30日、(b)5月26~30日退偏振比

Fig.3 Depolarization ratio of (a) April 26~30, 2009; (b) May 26~30, 2009

對比退偏振比時空序列圖可以監測不同形狀氣溶膠顆粒的變化情況,特別是云的組成性質以及變化情況,如圖3所示.在觀測期間均出現了每日0:00~10:00 3km以下有退偏振比大值區域出現的現象,在高空也有退偏振比大值區域,結合對應的消光系數時空圖可以判斷,高空退偏振比大值區域為云區,如圖中黑色長方形區域所示,在26日4~6km高度處退偏振比大致為0.15左右,結合其出現的高度,此處氣溶膠層應該為以水珠等球形顆粒為主的水云;圖中黑色橢圓圈中區域內退偏振比最高可達0.4,結合其高度對比可判斷出該區域為以冰晶等非球形顆粒為主的冰云.

需要說明的是在圖3(b)中,5月26日00:00~ 03:00時以及21:00~23:00近地面出現的退偏振比在圖中呈現馬賽克狀,其原因為此時段由于儀器等原因信號質量較差,故在后續分析,均將此段數據刪除.由于未能獲取高空的其他相關數據,我們的研究重點放在近地面處.如前文提到的,我們將激光雷達300m處的資料視為近地面資料.

2.2 退偏振比變化特點分析

圖4(a)(b)分別為2009年4月26~30日、5月26~30日300m高度處退偏振比日變化曲線,將退偏振比數據每小時進行平均,觀測期間每天05:00左右出現退偏振比的峰值,且峰值大小逐日減小,退偏振比每日呈現先增大后減小的規律,每日的00:00~10:00左右退偏振比較大.經過相關性分析,觀測期間消光系數與退偏振比未呈現明顯相關性.由于觀測地點處于化工企業密集區域且靠近公路,SO2等污染氣體的排放較為明顯,SO2等氣體在一定條件下與大氣中其他氣溶膠產生氧化反應,生成硫酸鹽氣溶膠,硫酸鹽氣溶膠在一定條件下形成非球形的粒子使得探測得到的退偏振比偏大.

根據高晉徽[31]對南京北郊SO2等污染氣體濃度變化的研究,2009年春季 SO2的平均日變化曲線如圖5所示.

SO2濃度在上午09:00出現峰值,15:00出現低谷,在0:00~9:00左右SO2濃度相對較大,對兩段連續觀測得到的每日的退偏振比與SO2濃度分別進行相關性分析,如圖6所示,相關系數分別為0.560、0.514,表現為較強的正相關性.

觀測期間的濕度日變化曲線如圖7所示,在00:00~8:00濕度較大,09:00~23:00濕度較小.圖8是兩段觀測期間溫度的日變化,觀測期間每日溫度呈現先增大后減小的趨勢,在14:00左右達到峰值,總體來看00:00~08:00溫度較低,09:00~ 23:00溫度較高.

對濕度、溫度分別與退偏振比做相關性分析如圖9、10所示,退偏振比與相對濕度在兩段觀測時間段內的相關系數分別為0.718、0.751,表現為強正相關性;與溫度的相關系數分別為-0.778、-0.774,表現為負相關性.

一些學者的研究表明,硫酸鹽是大氣氣溶膠的重要化學成分,大氣中的SO2可通過氣相或者液相氧化反應生成硫酸鹽,SO2是形成氣溶膠二次顆粒的主要氣態前體物[32].大氣中的SO2發生氧化反應的重要途徑是在氣溶膠表面的多相反應,太陽輻射、相對濕度對于二次氣溶膠的生成具有重要影響,研究表明光照對SO2起到一定的抑制作用[33-34].其中,濕度對SO2的液相轉化起關鍵作用[35],二次氣溶膠(硫酸鹽等)的質量濃度、總質量分數和氣溶膠單次散射反照率分別隨相對濕度的增加而生高,相對濕度的增加有利于二次氣溶膠的不斷形成[36].一些學者也對氣溶膠的形態做了研究,總體來說,不同形貌的顆粒其元素組成是不同的,但是具有相同形貌的顆粒未必具有相同的元素組成.其中,棱柱形長棒晶粒等非球形顆粒具有特定的組成,為鈣的硫酸鹽[37].

以上研究也進一步印證了實驗觀察到的退偏振比較大值應該是由于無光少光條件對SO2的氧化反應抑制較小,較高相對濕度進一步促進了其氧化生成硫酸鹽氣溶膠,硫酸鹽氣溶膠的形態可能為棱柱形或者立方形晶粒.

根據對兩次實驗觀測得到的數據進行分析可以看出,退偏振比與濕度、SO2濃度均存在較強的正相關性,與溫度存在較強負相關性.將實驗數據匯總分析,即圖11,由于退偏振比在近地面處的變化范圍較小,為把退偏振比的變化凸顯出來,圖示為10′lg(DPR′100)的分布情況.從圖中可以看出,在相對濕度較高、SO2濃度也較高但溫度較低時,退偏振比更可能出現大值,更有利于SO2發生氧化反應,生成非球形硫酸鹽氣溶膠的可能性較大.

3 結論

3.1 觀測期間南京北郊地區氣溶膠退偏振比總體上每天呈現先增大后減小的趨勢,呈單峰型分布,在5:00左右出現峰值.

3.2 氣溶膠退偏振比與SO2濃度的變化呈較強正相關性,在一定濕度、溫度條件下,SO2被氧化經過二次反應生成硫酸鹽氣溶膠.

3.3 硫酸鹽氣溶膠的退偏振比與濕度呈現較強的正相關性,與溫度呈現較強的負相關性,說明SO2在較高的濕度以及較低的溫度條件下更容易被氧化生成非球形的硫酸鹽氣溶膠,其退偏振比偏高.

[1] 吳 兌.近十年中國灰霾天氣研究綜述[J]. 環境科學學報, 2012,32(2):257-269.

[2] 張小曳,孫俊英,王亞強,等.我國霧-霾成因及其治理的思考[J]. 科學通報, 2013,58(13):1178-1187.

[3] 施建中,曹念文.南京北郊對流層氣溶膠激光雷達觀測[J]. 激光與光電子學進展, 2012,49(10):73-81.

[4] 曹念文,楊豐愷,施建中,等.南京地區低空霧霾氣溶膠的拉曼-瑞利-米激光雷達測量[J]. 應用光學, 2012,33(5):979-984.

[5] 邱金桓,鄭斯平,黃其榮,等.北京地區對流層中上部云和氣溶膠的激光雷達探測[J]. 大氣科學, 2003,27(1):1-7.

[6] 何鎵祺,于興娜,朱 彬,等.南京冬季氣溶膠消光特性及霾天氣低能見度特征[J]. 中國環境科學, 2016,36(6):1645-1653.

[7] 劉一鳴,洪瑩瑩,張舒婷,等.珠江三角洲秋季典型氣溶膠污染的過程分析[J]. 中國環境科學, 2014,34(12):3017-3025.

[8] 李 琦,銀 燕,顧雪松,等.南京夏季氣溶膠吸濕增長因子和云凝結核的觀測研究[J]. 中國環境科學, 2015,35(2):337-346.

[9] 徐祥德,周 麗,周秀驥,等.城市環境大氣重污染過程周邊源影響域[J]. 中國科學:地球科學, 2004,34(10):958-966.

[10] www.wunderground.com.

[11] Fernald F G. Analysis of atmospheric lidar observations: Some comments [J]. Applied Optics, 1984,23(5):652-653.

[12] 張朝陽,蘇 林,陳良富.中國典型地區氣溶膠激光雷達比反演與分析[J]. 中國激光, 2013,12(5):222-227.

[13] 張亞宜,趙嶷飛.反演卷云激光雷達比的新方法[J]. 光電子·激光, 2013,24(9):1768-1773.

[14] 王向川,饒瑞中.大氣氣溶膠和云霧粒子的激光雷達比[J]. 中國激光, 2005,32(10):1321-1324.

[15] 宋躍輝,時麗麗,王玉峰,等.氣溶膠激光雷達比的迭代反演[J]. 中國激光, 2016,43(1):191-198.

[16] Krueger A J, Minzner R A. A Mid Latitude Ozone Model for the 1976 U.S. Standard Atmosphere [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1976,81(24):4477-4481.

[17] Franch B, Vermote E F, Sobrino J A, et al. Analysis of directional effects on atmospheric correction [J]. Remote Sensing of Environment, 2013,128(1):276-288.

[18] 王治華,賀應紅,李振聲,等.氣溶膠后向散射消光對數比對消光系數反演的影響研究[J]. 量子電子學報, 2006,23(3):335-340.

[19] 孫景群.激光遙測大氣消光系數的誤差分析[J]. 氣象學報, 1989,47(3):78-82.

[20] 林常青,楊東偉,李成才,等.北京地區大氣氣溶膠的激光雷達觀測及反演算法研究[J]. 北京大學學報自然科學版, 2013,49(3):426-434.

[21] Collis R T H. Lidar: A new atmospheric probe [J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1967,92(398):220- 230.

[22] 賀應紅,鄭玉臣,程 娟,等.最小二乘法擬合大氣激光雷達回波信號估算消光系數邊界值[J]. 量子電子學報, 2004,21(6):879- 883.

[23] Toshiyuki M, Hajime O, Naoki K, et al. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1999,104(D24):31781–31792.

[24] Sakai T, Shibata T, Kwon S A, et al. Free tropospheric aerosol backscatter, depolarization ratio, and relative humidity measured with the Raman lidar at Nagoya in 1994~1997: Contributions of aerosols from the Asian Continent and the Pacific Ocean [J]. Atmospheric Environment, 2000,34(3):431-442.

[25] Iwasaka Y, Shibata T, Nagatani T, et al. Large depolarization ratio of free tropospheric aerosols over the Taklamakan Desert revealed by lidar measurements: Possible diffusion and transport of dust particles [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2003,108(23): 3047-3049.

[26] 董旭輝,祁 輝,任立軍,等.偏振激光雷達在沙塵暴觀測中的數據解析[J]. 環境科學研究, 2007,20(2):106-111.

[27] 祝存兄,曹念文,楊豐愷,等.南京地區微脈沖激光雷達氣溶膠觀測[J]. 激光與光電子學進展, 2015,52(5):16-22.

[28] Hu Y. Depolarization ratio–effective lidar ratio relation: Theoretical basis for space lidar cloud phase discrimination [J]. Geophysical Research Letters, 2007,341(11):224-238.

[29] 劉 東,戚福弟,金傳佳,等.合肥上空卷云和沙塵氣溶膠退偏振比的激光雷達探測[J]. 大氣科學, 2003,27(6):1093-1100.

[30] 遲如利,劉厚通,王珍珠,等.偏振-米散射激光雷達對卷云的探測[J]. 強激光與粒子束, 2009,21(9):1295-1300.

[31] 高晉徽,朱 彬,王東東,等.南京北郊O3、NO2和SO2濃度變化及長/近距離輸送的影響[J]. 環境科學學報, 2012,32(5):1149- 1159.

[32] 崔淑華,倪艷姝.城市主要氣體污染物與PM2.5相關性建模分析[J]. 森林工程, 2016,32(2):65-68.

[33] 崔虎雄.非均相化學反應對礦質顆粒物光學特性的影響[D]. 上海:復旦大學, 2010.

[34] 邰菁菁.SO2與大氣氣溶膠典型組分的光化學反應研究[D]. 上海:復旦大學, 2008.

[35] 陳 辰,高志球,徐惟琦,等.APEC前后北京SO2垂直分布特征及其對二次硫酸鹽生成的影響[J]. 環境科學學報, 2016,36(6): 2131-2141.

[36] 湯莉莉,張運江,孫業樂,等.南京持續霧霾天氣中亞微米細顆粒物化學組分及光學性質[J]. 科學通報, 2014,36(20):1955- 1966.

[37] 祁建華.青島地區大氣氣溶膠及其中微量金屬的形態表征和干沉降通量的研究[D]. 青島:中國海洋大學, 2003.

Experimental observations of sulfate aerosol properties in Northern Suburb of Nanjing.

YANG Shao-bo, CAO Nian-wen*

(Key Laboratory of Aerosol-Cloud Precipitation of China Meterological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2017,37(8)：2813~2821

The data of consecutive observations of Micro Pulse Lidar (MPL), achieved at in the northern suburb of Nanjing, was analysed and variations of the aerosol with temperature, humidity and SO2concentration data were preliminary discussed. It was showed that at the near surface (300m) depolarization ratio of aerosol was larger at 0~10 o’clock with the peak value up to 0.163 at 05:00AM; the depolarization ratio had a negative correlation with temperature, strong positive correlation with humidity and SO2concentration; under the conditions of low temperature, high relative humidity and high SO2level, SO2was more likely to be oxidized to produce non spherical, sulfate aerosol particles.

lidar；sulfate aerosol；depolarization ratio；temperature；humidity；SO2concentration

X513

A

1000-6923(2017)08-2813-09

楊少波(1990-),男,河南洛陽人,南京信息工程大學博士研究生,主要研究方向為激光大氣遙感與探測.

2016-12-26

國家自然科學基金資助項目(41375044,41175033);公益性行業科研專項(GYHY201006047-5)

* 責任作者, 教授, nwcao@nuist.edu.cn