基于衛星遙感和地面觀測資料的汾渭平原一次空氣污染過程分析

高星星，桂海林，潘留杰，王 楠，王建鵬

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安 710014；2.中國氣象局大氣化學重點開放實驗室，北京 100081；3.國家氣象中心，北京 100081）

汾渭平原是黃河流域的汾河谷地、關中平原以及他們臺塬階地的統稱，包括山西省的呂梁、晉中、運城、臨汾，河南省的洛陽、三門峽，陜西省的寶雞、楊凌示范區、西咸新區、咸陽、西安、渭南、銅川，共11城2區。汾渭平原人口密度大，重化產業聚集，能源結構偏煤，產業結構偏重，運輸結構偏公路，污染物排放總量居高難下，再加上汾渭平原屬于河谷地帶，南面秦嶺，北接黃土高原，不利于污染物擴散，該區域的大氣污染嚴重。為響應并實現國務院《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，就汾渭平原大氣污染防治措施提出有針對性的建議，亟需開展汾渭平原大氣污染成因及對策方面的研究工作。

氣溶膠觀測資料主要來源于直接采樣分析和遙感。直接采樣分析主要包括地面、飛機、輪船和高空氣球探測。遙感包括地基和衛星遙感，與直接采樣分析相比，遙感能夠長時間地對氣溶膠光學特性進行監測。地基遙感氣溶膠觀測盡管能夠得到較為準確的氣溶膠信息，在衛星遙感和數值模式產品的驗證和評估方面發揮著重要作用，然而迄今為止該種方法僅能實現單點觀測，不能大規模地獲取氣溶膠光學屬性。借助衛星遙感能夠彌補該缺陷，能大范圍進行全球全天候的無間斷觀測，因此衛星遙感氣溶膠得到了推廣。被動式遙感衛星中分辨率成像光譜儀（Moderate -Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）能夠對氣溶膠的水平分布和傳輸有較好的觀測，但是無法提供氣溶膠垂直方向的信息。激光雷達遙感是主動式遙感手段，云—氣溶膠激光雷達和紅外探測者觀測衛星（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CA LIPSO）上搭載的正交偏振云和氣溶膠激光雷達（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CA LIOP）能夠以高分辨率觀測全球范圍內云和氣溶膠的垂直分布。目前一些學者已將MODIS或CALIPSO衛星資料用于對霾的觀測研究，如陳燁鑫等[1]、何月欣等[2]利用MODIS資料分別分析了蘇皖兩省和東北地區持續性的空氣污染過程的形成原因，許瀟鋒等[3]、高星星等[4-5]利用CALIPSO數據分析了空氣污染事件發生時我國華北區域氣溶膠垂直分布特征，于彩霞等[6]、鄭凱端等[7]基于CALIPSO資料對長江三角洲地區一次空氣污染過程的形成、特征及污染來源進行了分析。然而將MODIS和CALIPSO衛星資料聯合起來用于研究區域空氣污染過程的還很少，尤其是對汾渭平原地區。

2018年11月底至12月初，汾渭平原發生了一次持續時間長、影響范圍廣且污染程度重的空氣污染過程。本研究選取汾渭平原11個代表城市（西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川、呂梁、晉中、運城、臨汾、洛陽和三門峽），利用MODIS和CALIPSO衛星遙感資料，同時結合地面環境監測數據以及地面氣象要素數據，全面剖析了汾渭平原此次典型空氣污染事件的污染特征及其成因，而且初步研究了地面至3 km的大氣層中氣溶膠顆粒物在垂直方向的分布情況以及主要的氣溶膠粒子類型，繼而探討了導致這次空氣污染事件的可能原因以及顆粒物的所有可能來源，以期能對衛星遙感資料在大氣污染事件方面的研究工作上的廣泛應用和就大氣污染的防治工作和預報給出科學化的參考建議。

1 數據與方法

本研究所使用的AQI、細顆粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）、可吸入顆粒物（Inhalable Particulate Matter，PM10）、二氧化硫（Sulfur Dioxide，SO2）、一氧化碳（Carbon Monoxide，CO）、二氧化氮（Nitrogen Dioxide，NO2）、臭氧（Ozone，O3）逐小時質量濃度監測數據來自中國環境監測總站。能見度、相對濕度、天氣現象、風速、風向、海平面氣壓等地面氣象要素資料來自于氣象信息綜合分析處理系統（Meteorological Information Combine Analysis and Process System，MICAPS），時間分辨率為1 h。

MODIS是搭載于Terra和Aqua衛星上的一個重要傳感器。本文采用的是Terra探測衛星2018年11月20日—12月7日31°～41°N，105°～117°E區域內的大氣三級標準數據，具體產品包括日平均氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）資料，水平分辨率為1° × 1°[8]。

搭載于CALIPSO衛星上的星載激光雷達CALIOP提供5個級別數據。該研究采用的資料主要有2018年11月26日—12月3日2級廓線產品中的532 nm消光系數、532 nm粒子退偏振比、1 064 nm后向散射系數、532 nm總后向散射系數以及 2級垂直特征層分布產品中的Feature_Classification_ Flags。色比是利用2級廓線產品中的1 064 nm后向散射系數和532 nm總后向散射系數相除得到的[9-10]。

2 結果與分析

2.1 污染過程描述

2018年11月26日—12月3日，汾渭平原各代表城市AQI、PM2.5和PM10質量濃度均超過污染限值100。本研究采用MICAPS地面能見度（Visibility，VIS）和相對濕度（Relative Humidity，RH）資料，按照中國氣象局最新發布的《霾的觀測和預報等級》[11]氣象行業標準篩選出2018年11月26日—12月3日期間11個代表城市霧霾日，觀測資料為每天02、08、14和20時BT（北京時間）觀測值，本研究規定，如果上述4個時刻中有超過一半時刻出現霾，那么認為該天是霾天，如果上述4個時刻中有超過一半時間出現霧，那么認為該天是霧天，如果上述4個時刻中霾和霧出現時刻各占一半，那么認為該天為霧霾天。統計結果顯示，2018年11月26日—12月3日11個代表城市出現霾天時間最多，為79.5%，出現霧天時間最少，為4.5%，霧霾天時間為12.5%。因此，初步認為汾渭平原該次空氣污染過程是以霾為主的污染過程。

依據中國環境保護部發布的《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》[12]中的要求：AQI可劃分為＞300、201～300、151～200、101～150、51～100和0～50六檔，依次對應于空氣質量嚴重、重度、中度、輕度、良和優6個級別，AQI越大，級別越高，說明空氣污染越嚴重。因此，本研究根據11月20日—12月7日AQI日平均值對各代表城市污染持續時間和空氣質量級別做了統計（表1）。11個代表城市在11月20日—12月7日期間AQI值連續大于污染限值100的天數除呂梁（8 d）外，其余各代表城市均達10 d以上，西安、咸陽和運城污染持續時間最長，為14 d，其次是渭南和臨汾，為13 d。嚴重污染出現最多的是咸陽，為4 d，重度污染出現最多的是洛陽，為7 d。咸陽、洛陽大部分時間都處在重度污染、嚴重污染的狀態，西安、渭南、臨汾、運城和三門峽有接近一半或一半時間處在重度污染、嚴重污染的狀態。西安、咸陽、渭南污染最為嚴重，污染持續時間和嚴重污染天數均最多。11個城市中，銅川、呂梁和晉中污染持續時間相對最短，處于嚴重和重度污染狀態的天數均為0，因此污染相對較輕。中度、重度污染持續天數占總污染持續天數的百分比最高，為33.85%和28.46%，嚴重污染持續天數占總污染持續天數的百分比雖然是最低的，但也占到了10.00%。表1還按照《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》[12]中給出的首要污染物定義對污染期間各代表城市的首要污染物做了統計。污染期間首要污染物為PM2.5和PM10，其中，首要污染物為PM2.5的天數占總污染持續天數的百分比與首要污染物為PM10的天數占總污染持續天數的百分比分別為46.92%和53.08%。污染持續期間，西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川和呂梁首要污染物為PM10的天數大于首要污染物為PM2.5的天數，臨汾、運城和洛陽相反，晉中和三門峽首要污染物為PM10的天數等于首要污染物為PM2.5的天數。

表1 2018年11月20日—12月7日各代表城市空氣質量級別及首要污染物統計結果 d

2.2 污染期間AQI、PM2.5濃度、PM10濃度和AOD時空分布特征

11個代表城市AQI在污染期間均接近或超過污染限值100（圖1）。從21日開始，各代表城市AQI值均呈快速上升趨勢，到26日，11個代表城市AQI值均已超過100，且銅川、呂梁、晉中、臨汾分別達到各自第一個峰值，分別為179、182、183、220。27日，寶雞、運城和洛陽也分別達到各自第一個峰值，均為重度污染，其中以西安、咸陽、渭南和三門峽的AQI分別達到425、442、432和380最為嚴重。通過將各代表城市空氣污染物濃度峰值分別與其非污染過程期間的本底值（21日）比較，發現西安、咸陽、渭南、三門峽增幅最多，說明了該次空氣污染事件可能是由于從西北往東南傳輸顆粒物在與途徑城市空氣污染物混合之后，在汾渭平原累積而造成。之后各代表城市AQI經歷了先下降后上升趨勢，但期間依舊維持在污染限值100之上。12月1日，臨汾、運城、三門峽和洛陽分別達到各自第二個峰值，分別為291、238、290和255，均為重度污染。2日，銅川、呂梁和晉中也分別達到各自第二個峰值，依次為175、178和200，均為中度污染。3日，西安、咸陽、寶雞和渭南分別達到461、500、500和348，均為嚴重污染。4—6日，各城市AQI均陸續恢復正常水平。此外，圖中AOD、PM2.5和PM10質量濃度日變化趨勢與AQI日變化趨勢相似，說明AOD能較好地反映出此次空氣污染過程。

AQI區域平均值為224，為重度污染，PM2.5濃度、PM10濃度和AOD區域平均值依次為129 μg/m3、321 μg/m3和0.37。PM2.5和PM10質量濃度均較高，說明此次空氣污染過程粗細顆粒物共存，為是沙塵和霾的混合污染。AQI最大均值（316）出現在咸陽，為嚴重污染，其次是西安和渭南、呂梁、銅川、運城、晉中、洛陽和寶雞，均為重度污染，最小均值（141）出現在三門峽，為輕度污染（圖2）。各代表城市此次污染過程AQI均值均超過他們在2018年11—12月期間AQI月均值。咸陽、西安、渭南、運城、寶雞2018年11—12月AQI平均值分別為150、135、131、117和110，均為輕度污染。呂梁、銅川、晉中、洛陽、三門峽2018年11—12月AQI平均值分別為90、96、100、89、76，均為良。PM2.5、PM10和AOD空間分布情況與AQI空間分布情況基本一致，在關中地區污染最為嚴重，尤其是咸陽、西安和渭南。

圖3為利用2018年11月20日—12月7日汾渭平原11個代表城市共60個地面環境監測站點的AQI、PM2.5和PM10質量濃度觀測值、與地面監測站點最近的MODIS數據點位上的AOD值進行相關性分析的散點分布圖。結果顯示，MODIS衛星反演所得AOD與AQI、PM2.5濃度和PM10濃度地面觀測值的相關系數分別為0.52、0.48和0.52，且均通過0.05的顯著性檢驗。此結論表明，MODIS衛星觀測的大氣氣溶膠產品將在空氣質量監測方面得到更廣泛的應用，從而彌補地面空氣質量自動觀測站的一些缺點。

圖1 2018年11月20日—12月7日AQI、PM2.5、PM10和AOD逐日變化

2.3 氣溶膠垂直分布特征

目前，氣溶膠垂直分布是評價其輻射強迫和氣候環境影響需要重點考慮的諸多因素之一。在諸多影響觀察者視程的因素中，氣溶膠粒子對太陽輻射的消光被視為是影響大氣能見度的關鍵因素，研究氣溶膠粒徑大小和形狀，對其光學屬性的分析來說非常重要。因此，本文利用CALIPSO衛星遙感資料，針對汾渭平原此次空氣污染過程中氣溶膠粒徑和形狀在垂直方向的分布情況進行研究，并分析主要氣溶膠粒子類型。

圖2 2018年11月26日—12月3日汾渭平原AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）和AOD（d）均值空間分布

圖3 2018年11月20日—12月7日汾渭平原地面監測站點AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）值與MODIS AOD相關性散點分布

剔除掉缺測、衛星不過境研究區域以及研究區域上空有云覆蓋等質量不合格的資料，同時考慮到夜間大氣邊界層高度一般比較低，垂直擴散條件差，從而導致夜間污染加劇，因此，僅挑選衛星過境汾渭平原和其附近地區的夜間資料，得到圖4b所示的5個有效日期數據。對經緯度范圍在31°～41°N，105°～117°E內的這5個有效日期的CALIPSO衛星2級數據產品中的參數532 nm氣溶膠消光系數進行統計分析，得到圖4。區域31°～41°N，105°～117°E平均海拔為0.84 km。以下文章中出現高度均為相對地面高度。污染期間0～3 km區域平均消光系數為0.15 km-1。平均消光系數隨高度增加大體上呈下降趨勢，其大值對應高度基本靠近地面，平均最大氣溶膠消光系數值及其出現高度分別為0.49 km-1和0.04 km。該5個有效日期對應的地面至3 km以內AOD與總AOD柱的比值均＞62%，平均值為81%，說明污染物主要集中在地面至3 km以內的大氣中；污染期間最大氣溶膠消光系數值在0.06～0.57 km-1，相應高度在0.04～2.99 km。

退偏振比定義為垂直方向散射光分量與水平分量之比，退偏振比越大，粒子非球形越強，反之，粒子非球形越弱。色比值越大，表明顆粒物粒徑越大，反之，粒徑越小。研究表明：0＜退偏振比＜0.06，為球形粒子，而退偏振比＞0.06，為非球形粒子；0＜色比值＜0.50，為小粒徑粒子，而色比值＞0.50，為大粒徑粒子[13]。污染期間，0～3 km退偏振比和色比區域平均值分別為0.27和1.05。3 km以下退偏振比和色比隨高度增加大體上呈減小趨勢（圖5b），表明低層以非球形較強的大顆粒物為主。數據點主要集中在退偏振比＞0.06，色比值＞0.50的區域（圖5a），表明此次污染過程中，非球形氣溶膠粒子出現頻數＞球形氣溶膠粒子，大粒徑氣溶膠粒子出現頻數＞小粒徑氣溶膠粒子，這可能是由于低層大氣受到本地建筑活動、道路揚塵和重力影響，致使低層大氣中大粒子比重增加所致[14]。此次污染過程退偏振比和色比都比較高，按照劉璇等[15]給出的確定氣溶膠粒子類型方法可將此次污染過程氣溶膠類型確定為沙漠沙塵型氣溶膠，MICAPS地面填圖資料也顯示了污染期間在甘肅、寧夏、內蒙東部、陜北等上游地區有浮塵、揚沙天氣現象出現。

圖4 532 nm平均消光系數廓線（a）和最大消光系數、最大消光系數出現高度以及3 km內AOD與總AOD柱比值（b）

圖5 2018年11月26日—12月3日0～3 km退偏振比和色比散點圖（a）及其平均廓線（b）

在CALIPSO激光雷達系統中，根據探測到的氣溶膠高度、位置、下墊面類型、消光系數、雷達色比等參數可將氣溶膠分為潔凈海洋氣溶膠、潔凈大陸氣溶膠、沙漠沙塵、污染沙塵、污染大陸氣溶膠以及煙塵6種類型[16]。沙漠沙塵、污染沙塵、污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠隨高度增加呈減小趨勢，最大頻率出現在0～1.0 km，分別為24.15%、7.58%、3.16%和2.71%，潔凈大陸氣溶膠隨高度增加呈增加趨勢，最大頻率出現在2.5～3.0 km，為0.94%，煙塵隨高度增加呈先減小后增大趨勢，最小頻率為0.17%，出現在1～1.5 km（圖6）。6種類型中，潔凈大陸氣溶膠出現頻率最低，為2.39%。沙漠沙塵和污染沙塵出現頻率最高，分別為60.18%和25.72%，說明上一段中按照劉璇等給出的確定氣溶膠粒子類型方法將該次空氣污染事件中的氣溶膠粒子類型確定為沙漠沙塵型氣溶膠具有一定的合理性。也說明汾渭平原此次重污染事件污染物主要以沙漠沙塵和污染沙塵氣溶膠為主，這主要是由污染期間上游地區浮塵、揚沙天氣的沙塵粒子，經長距離輸送后與本地污染物疊加，并在靜穩天氣（風速小、大氣穩定等））影響下，逐漸積累濃度急劇上升所導致。其中，沙漠沙塵以粗模態粒子為主，CALIPSO氣溶膠分類算法中的污染沙塵包括人為污染和生物質燃燒，汾渭平原污染沙塵主要來源是人為污染，人為污染以細模態粒子為主，因此此次污染過程中，粗、細粒子共存。

圖6 基于CALIPSO反演的2018年11月26日—12月3日0～3 km氣溶膠垂直分類

2.4 氣象條件分析

污染物排放是造成霧霾的內因，氣象條件則是外因。利用地面天氣形勢圖7可知，26日12時BT前后冷空氣侵入到汾渭平原，受秦嶺山區阻擋沙塵囤積在關中地區，西安涇河站激光雷達消光系數圖（圖8）也顯示在26日12時BT之后有沙塵從高空輸送過來，并向下傳輸。此外，MICAPS地面填圖資料也顯示12月26日在甘肅、寧夏、內蒙、陜北等上游地區有浮塵、揚沙天氣現象，且地面以較強的偏北風為主，12月26日汾渭平原各站點PM10濃度也迅速升高，這些也都足以說明有沙塵從汾渭平原上游地區輸送過來。26—30日邊界層高度都較低，基本在1 km以下，較低的邊界層高度加劇了污染[17-18]。26日夜間之后汾渭平原等壓線稀疏，風速小，27日之后關中和河南西北部多受偏東風控制，抑制了沙塵向東輸送，由于天氣靜穩，此次過程沙塵自身的干沉降緩慢，同時，靜穩的天氣也利于細顆粒物的積累，此次過程中，粗、細顆粒物共存，霾和沙塵同時存在。

激光雷達圖顯示沙塵和霾層高度主要集中在1 km，西安涇河站11月27日—12月1日08時BT T-lnP圖顯示2 km以下受弱偏東風控制，不利于沙塵和細顆粒物的擴散，同時，每天08時BT都存在接地“逆溫”或多層“逆溫”現象，上暖下冷的大氣溫度層結穩定，不利于氣溶膠顆粒物擴散。12月2日08時BT上干下濕特征明顯，PM2.5在2日上午較高。

西安、洛陽和臨汾PM2.5、PM10與氣象要素變化趨勢顯示，西安12月26日偏北風向南輸送沙塵，受秦嶺地形阻擋作用轉為偏南風，26日之后主要以弱東北風或者靜風為主，沙塵持續時間長，且溫度露點差逐漸減小，空氣濕度大，有利于污染物吸濕增長和二次光化學反應，細顆粒物逐漸累積[19-20]；洛陽風速相對西安較大，26日偏西風將沙塵輸送過來，27日之后主要以東北風或者弱的偏南風影響，東北風阻礙了沙塵擴散，同時可能將河南東部、河北地區的細顆粒物傳輸至洛陽，PM10一直維持較高濃度；臨汾風速較小，主要以靜風天氣為主，PM10和PM2.5有明顯的日變化，26日弱西南風輸送沙塵至臨汾，26日夜間靜風，PM10較高，但低于西安和洛陽。

3 結論

（1）2018年11月26日—12月3日汾渭平原污染過程中，各代表城市AQI、AOD、PM2.5濃度、PM10濃度顯著偏高，PM2.5和PM10是首要污染物，說明此次污染過程中粗細顆粒物共存，小時PM2.5、PM10質量濃度高達334 μg/m3和1 023 μg/m3，AQI、PM2.5和PM10質量濃度在11月26日—12月3日均超過污染限值100。11個代表城市在11月20日—12月7日期間AQI連續超過污染限值100的天數除呂梁外，其余各代表城市均≥10 d，西安、咸陽和渭南的污染持續時間和嚴重污染天數最多，且西安、咸陽和渭南11月26日—12月3日AQI、PM2.5濃度和PM10濃度均值最大，因此西安、咸陽和渭南污染最為嚴重。該次污染過程持續時間久、污染程度重、影響范圍廣，屬于一次以沙塵和霾混合主導的典型重大氣污染事件。

圖7 11月26日14時BT（a）、11月27日14時BT（b）、11月29日14時BT（c）、12月01日08時BT（d）地面風場和氣壓場的空間分布

圖8 西安涇河站激光雷達消光系數

AOD、PM2.5、PM10質量濃度變化趨勢與AQI變化趨勢基本一致，相關性分析結果顯示AQI、PM2.5、PM10質量濃度分別與AOD線性相關系數為0.52、0.48、0.52，說明AOD亦能較好的反映出此次空氣污染過程。

（2）氣溶膠消光系數高值對應高度基本是在靠近地面的高度上，地面至3 km以內的AOD與總AOD柱的比值為81%，說明污染物主要集中在地面至3 km以內的大氣中，尤其是1 km以下。

此次污染過程中，球形氣溶膠粒子與非球形氣溶膠粒子共存，并且非球形氣溶膠粒子出現頻數大于球形氣溶膠粒子，大粒徑氣溶膠粒子出現頻數大于小粒徑氣溶膠粒子。沙漠沙塵出現頻率最高，為60.18%，其次是污染沙塵氣溶膠，為25.72%，說明汾渭平原此次空氣重污染事中污染物主要以沙漠沙塵和污染沙塵氣溶膠為主。

（3）26日12時BT左右沙塵自西向東傳輸，受秦嶺的阻擋作用，同時低層以偏東風或者靜風為主，大氣靜穩，無明顯冷空氣活動和降水產生，靜穩和高濕的天氣持續以及偏東風的阻擋和傳輸使得該次過程以沙塵和霾混合為主，持續時間長。

致謝：感謝美國航空航天局（NASA）提供的MODIS和CALIPSO資料，感謝中華人民共和國生態環境部提供的環境監測站點資料和中國氣象局提供的MICAPS資料。