2014年北京地區(qū)一次嚴(yán)重霧霾過(guò)程的氣溶膠光學(xué)特性研究

韓晨超

(呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

北京是我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，城市化進(jìn)程快，同時(shí)污染也很?chē)?yán)重。2014年10月上旬北京市霧日超過(guò)了1976年以來(lái)同期霧日最多的歷史記錄，且10月北京地區(qū)霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，其中污染天數(shù)占50%，空氣質(zhì)量為優(yōu)僅占26.7%。2014年10月7日—11日北京地區(qū)發(fā)生了一次嚴(yán)重的霧霾污染天氣過(guò)程，能見(jiàn)度連續(xù)30多個(gè)小時(shí)僅為1 km以?xún)?nèi)。筆者結(jié)合太陽(yáng)光度計(jì)以及衛(wèi)星遙感多種觀測(cè)手段和遙感數(shù)據(jù)，以北京此次霧霾事件為例分析了霧霾期間氣溶膠的光學(xué)特性，并與北京APEC期間氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比，為北京地區(qū)霧霾的研究和監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 大氣柱氣溶膠光學(xué)厚度和波長(zhǎng)指數(shù)

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)是表征大氣光學(xué)特性的最基本參量，可以用來(lái)推算大氣氣溶膠的含量，確定氣溶膠尺度和譜分布，并在一定程度上能夠反映區(qū)域大氣的污染程度和污染類(lèi)型[1,2]。

圖1為北京站10月(a)和11月(b)1日—15日太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量的500 nm波段氣溶膠光學(xué)厚度和440 nm～870 nm Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)分布圖。由圖1(a)氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)可以看出，10月2日、5日和6日AOD值較低，均小于1。從10月6日起數(shù)值呈逐步上升的趨勢(shì)，于10月9日達(dá)到峰值4.51后開(kāi)始逐漸下降，并于13日降到最低接近0.0。從圖1(b)中可以看出,11月AOD值均比較低，范圍在0～2.8之間。11月1日、7日、11日和15日AOD較高，范圍在1.5～2.8之間。其余日期AOD數(shù)值均低于1。10月AOD最高值高于11月1.6倍，嚴(yán)重霧霾期間與APEC期間AOD差異較大。Angstrom指數(shù)α是表征氣溶膠粒子尺度譜特征的參數(shù)，其值越小說(shuō)明粒子越大[3]。α的范圍一般為0～2之間。從北京10月1日—15日Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)數(shù)據(jù)可以看出，北京10月1日—15日大氣Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)在0.1～1.8之間。10月1日—7日α比較穩(wěn)定，數(shù)值在1.5左右，7日—11日數(shù)值在0.75～1.5之間，呈逐漸下降趨勢(shì)，10月12日下降到0.1，10月13日α又開(kāi)始上升達(dá)到1。嚴(yán)重霧霾期間北京地區(qū)氣溶膠α值較高，均高于1.2，細(xì)粒子占主導(dǎo)，11日霧霾過(guò)程接近尾聲，粒子粒徑變大，α為0.75。與付培健，宋廣寧的研究結(jié)果相符[4]，α>1.2，氣溶膠粒子以細(xì)粒子為主。當(dāng)0.75<α<1.2時(shí)，粗、細(xì)粒子所占比例相對(duì)復(fù)雜；當(dāng)α<0.75時(shí)，氣溶膠粒子以粗粒子為主。圖1(b)顯示11月1日—15日α在0～1.6之間，11月上半月α分布較均勻，但是每一天的變化幅度很大，α的變化幅度最大值達(dá)到1.4，可能與人為因素有關(guān)。對(duì)比嚴(yán)重霧霾和APEC期間的α，10月上半月氣溶膠粒子細(xì)粒子所占比例較大，而11月上半月氣溶膠粒子較大，以粗粒子為主。

(a)

2 衛(wèi)星遙感

地面太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)可以得到較為準(zhǔn)確的氣溶膠信息，但是空間上有一定的局限性，利用衛(wèi)星遙感可以彌補(bǔ)這個(gè)不足，并獲得大范圍的遙感氣溶膠光學(xué)特性。

2.1 MODIS遙感結(jié)果

氣溶膠光學(xué)厚度為大氣消光系數(shù)在垂直高度上的積分，該值在很大程度上可以反映大氣污染情況[5]。AOD值大說(shuō)明污染嚴(yán)重，AOD值小說(shuō)明污染程度低，空氣質(zhì)量好。圖2為MODIS探測(cè)的112°E～120°E，35°E～43°N地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度，圖2(a)為2014年10月7日—11日嚴(yán)重霧霾期間該地區(qū)的AOD，圖2(b)為2014年10月該地區(qū)的AOD，圖2(c)為2014年11月3日—12日APEC期間該地區(qū)的AOD。從圖2中可以看出，北京地區(qū)10月7日—11日氣溶膠光學(xué)厚度均在0.18以上，西北部AOD相對(duì)較低為0.18～0.26，AOD由西北向東南逐漸增大，東南大部分地區(qū)AOD高于0.9，AOD數(shù)值大污染嚴(yán)重。10月7日—11日石家莊市和天津市AOD均超過(guò)了0.9，整個(gè)京津冀地區(qū)污染嚴(yán)重。河北省114°E～119°E，36°N～40.6°N區(qū)域內(nèi)90%的地區(qū)AOD超過(guò)0.9，可以看出，嚴(yán)重霧霾期間河北省南部污染嚴(yán)重，為北京南部的嚴(yán)重污染做出了貢獻(xiàn)。2014年10月北京地區(qū)AOD均值范圍在0.1～0.82之間，由西北向東南遞增，AOD值在0.1～0.42的區(qū)域占北京市的60%左右，較高值出現(xiàn)在北京市的東南部，東南角數(shù)值最高為0.82，與嚴(yán)重霧霾期間相比AOD小了很多。石家莊和天津AOD均值分別為0.5～0.58和0.82～0.9，河北省南部依然污染嚴(yán)重，部分地區(qū)AOD超過(guò)0.9，但與嚴(yán)重霧霾期間相比范圍減小了很多。APEC期間，

圖2 北京地區(qū)嚴(yán)重霧霾、2014年10月平均、APEC期間氣溶膠光學(xué)厚度分布特征

(a)

北京地區(qū)AOD普遍低于0.42，<0.1的地區(qū)占到了65%左右，北京地區(qū)南部的AOD大部分在0.26～0.42之間，AOD總體較低，空氣質(zhì)量較好。石家莊AOD為0.26～0.34，天津AOD為0.34～0.42，河北省大部分地區(qū)AOD<0.42，東南小部分地區(qū)AOD在0.42～0.82之間，APEC期間整個(gè)河北省空氣質(zhì)量有所改善。北京嚴(yán)重霧霾期間與APEC期間AOD數(shù)值差異顯著，APEC期間AOD最大值與嚴(yán)重霧霾期間AOD最小值基本相等，嚴(yán)重霧霾期間北京地區(qū)AOD最大值是APEC期間的2.1倍。北京10月AOD較高，霧霾較嚴(yán)重。嚴(yán)重霧霾期間AOD的高值對(duì)10月AOD值有很大貢獻(xiàn)。可以看出圖2(a)、(b)、(c)的AOD數(shù)值按順序依次下降，高值區(qū)范圍依次縮小，污染程度依次降低，其中嚴(yán)重霧霾期間污染最嚴(yán)重，APEC期間空氣質(zhì)量最好，與APEC期間一些控制污染源的措施有一定關(guān)系。

2.2 CALIPSO激光雷達(dá)遙感結(jié)果

北京地區(qū)位于115.7°～117.4°E， 39.4°～41.6°N，中心位于39°54′20″N， 116°25′29″E，圖3(a)為2014年北京地區(qū)10月7日—11日CALIPSO衛(wèi)星探測(cè)得到的532 nm波段總削弱后向散射系數(shù)垂直剖面圖，圖3(b)為北京地區(qū)2014年10月7日—11日垂直特征分布圖。7日北京地區(qū)6 km～10 km有明顯的紅、灰色區(qū)域，后向散射系數(shù)為0.02 km-1sr-1～0.1 km-1sr-1，1 km～3 km有大量黃-橙色區(qū)域，后向散射系數(shù)為0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1，結(jié)合圖3(b)可以看出6 km～10 km為云，1 km～3 km為氣溶膠，氣溶膠厚度為2 km。8日北京地區(qū)0～4 km黃-橙色區(qū)域的后向散射系數(shù)為0.02 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1，36.90°N，117.93°E處6 km～11 km有大量灰色區(qū)域和少量紅色區(qū)域，后向散射系數(shù)為0.04 km-1sr-1～0.1 km-1sr-1，結(jié)合圖3(b)看出0～4 km處為氣溶膠，氣溶膠厚度為4 km，6 km～11 km處為云。9日北京地區(qū)10 km左右有小部分黃、橙色區(qū)域，后向散射系數(shù)為0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1,2 km～4 km有明顯的大片黃色區(qū)域和少量橙色區(qū)域，后向散射系數(shù)為0.015 km-1sr-1～0.045 km-1sr-1，圖3(b)顯示10 km處為云，2 km～4 km為氣溶膠，氣溶膠厚度2 km。10日由于云層很厚無(wú)法探測(cè)出氣溶膠所以不予考慮。11日0～2 km黃-橙色區(qū)域后向散射系數(shù)為0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1,3 km以上無(wú)后向散射。對(duì)照?qǐng)D3(b)，0～2 km為氣溶膠，氣溶膠厚度為2 km，3 km以上無(wú)云，天氣晴朗，新的天氣形勢(shì)預(yù)示著霧霾過(guò)程的結(jié)束。后向散射回波信號(hào)是氣溶膠散射和分子散射之和。近地面(一般在5 km以下)氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于分子濃度，氣溶膠散射回波信號(hào)也遠(yuǎn)大于分子散射的貢獻(xiàn)[6]。

嚴(yán)重霧霾期間氣溶膠與趙繼芝[7]等的研究成果一致，通過(guò)后向散射垂直剖面圖，可以清晰直觀地分辨云、氣溶膠等的空間分布情況。從圖3中可以看出0～4 km主要為氣溶膠的分布區(qū)，云的分布比較高，一般都高于6 km，可達(dá)到10 km以上。嚴(yán)重霧霾期間北京地區(qū)0～4 km氣溶膠厚度很厚為2 km～4 km，即為邊界層高度。總削弱后向散射系數(shù)在0.015 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1之間，與Vaughan M A的研究結(jié)果一致，一般認(rèn)為波長(zhǎng)在532 nm的后向散射值在0.8×10-3～4.5×10-3km-1sr-1范圍的顆粒為氣溶膠。北京地區(qū)2014年10月7日—11日氣溶膠濃度很高，霧霾嚴(yán)重。

3 結(jié)論

嚴(yán)重霧霾期間太陽(yáng)光度計(jì)探測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度較高，峰值為4.51。APEC期間AOD值比較低，范圍在0～2.8，嚴(yán)重霧霾期間AOD最高值高于APEC期間1.6倍。北京10月1日—15日大氣Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)在0.1～1.8之間，嚴(yán)重霧霾期間北京地區(qū)氣溶膠α值較高，均高于1.2，細(xì)粒子占主導(dǎo)，11月1日—15日α在0～1.6之間，每一天的變化幅度很大，最大達(dá)到1.4。可能與人為因素有關(guān)。

衛(wèi)星產(chǎn)品遙感的北京地區(qū)嚴(yán)重霧霾期間AOD均在0.18以上，最高值超過(guò)了0.9；氣溶膠吸收光學(xué)厚度在0.011～0.11之間，高于0.044的區(qū)域占到了40%。2014年10月北京地區(qū)AOD均值范圍在0.1～0.82之間，氣溶膠吸收光學(xué)厚度在0.0～0.066之間。APEC期間，北京地區(qū)AOD普遍低于0.42，小于0.1的地區(qū)占到了65%左右，氣溶膠吸收光學(xué)厚度有50%的區(qū)域小于0.011。

APEC期間AOD最大值與嚴(yán)重霧霾期間AOD最小值基本相等，嚴(yán)重霧霾期間北京地區(qū)AOD最大值是APEC期間的2.1倍，氣溶膠吸收光學(xué)厚度最高值是APEC期間的2.5倍，是10月月均氣溶膠吸收光學(xué)厚度的1.66倍。通過(guò)后向散射系數(shù)垂直剖面圖和垂直特征分布圖可以清晰地分辨云、氣溶膠的空間分布情況。嚴(yán)重霧霾期間0～4 km主要為氣溶膠的分布區(qū)，氣溶膠厚度為2 km～4 km，總削弱后向散射系數(shù)在0.015 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1之間，北京地區(qū)2014年10月7日—11日氣溶膠濃度很高，散射系數(shù)大。