2005—2018年北京市地基氣溶膠光學厚度趨勢分析

劉玉婷，鄔明權，牛錚，黃文江

(1.湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，長沙 410007；2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.中國科學院空天信息創新研究院 遙感科學國家重點實驗室，北京 100101；4.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中尺度范圍約為10-3～102μm的固態、液態微粒與氣態載體共同組成的多相體系。大氣氣溶膠不僅對氣候系統存在直接和間接輻射強迫[1]，同時也對局部地區生態環境以及人類健康產生危害，并通過參與大氣中的化學作用，對全球氣候變化產生重要的影響[2]。隨著我國經濟的快速發展，北京地區人為排放的氣溶膠對生態環境以及人類生活的影響增大。為解決北京空氣質量問題，國家及當地環保部門針對性地提出了相應的政策及治理措施。開展氣溶膠光學特性與長時序特征及原因分析，有助于了解近十幾年北京地區氣溶膠時序變化趨勢，以及環境政策和措施對氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)的影響。

利用多波段光度計監測氣溶膠光學厚度具有精度高、時間連續等優點，是目前氣溶膠監測手段中最準確的方法。氣溶膠地基遙感觀測網絡(aerosol robotic network，AERONET)數據被廣泛應用于衛星遙感結果檢校。鄔明權等[3]將MODIS氣溶膠產品與實測氣溶膠數據進行了比較，顯示AOD_550與實測觀測的氣溶膠變化相似；齊玉磊等[4]利用MODIS和MISR與地面AERONET數據進行對比，來確定不同傳感器(MISR和MODIS)觀測的氣溶膠光學厚度在我國北方地區的精度以及適用性；楊東旭等[5]使用北京站、香河站、北京_CAMS站和北京_RADI站數據對所提出的高反射率地區氣溶膠反演算法的結果進行了對比驗證。AERONET數據被廣泛應用于氣溶膠性質研究，王曉玲等[6]利用AERONET數據資料深入了解了香河地區大氣氣溶膠光學特性。

然而，這些研究多為對研究區氣溶膠的反演及其精度驗證，或基于AERONET觀測網站年均值進行時序分析，基于季節尺度更精細的長時序及區域AERONET氣溶膠數據光學特性的原因分析研究較少。針對這一問題，本文使用北京地區4個AERONET站點(北京(2005—2018年)、北京_RADI(2010—2018年)、北京_CAMS(2013—2018年)和北京_PKU(2016—2018年))月均值地基氣溶膠數據，使用統計方法分析該區域氣溶膠類型特性以及AOD的年內、季節、長時序變化特征，并結合環保相關政策、措施以及重大事件等影響因素進行分析。

1 研究區概況和數據及預處理

1.1 研究區概況

北京市污染物排放總量較高，且處于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位，地形呈“簸箕型”，不利于污染物擴散，該區域屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，降水季節分配很不均勻，全年降水量的80%集中在夏季6—8月[7]。在此背景下，一旦氣象條件轉差，很容易形成區域性重污染[8]。

4個站點的地理位置分別為：北京站(39.977°N，116.381°E)、北京_RADI站(40.005°N，116.379°E)、北京_CAMS站(39.933°N，116.317°E)、北京_PKU站(39.992°N，116.310°E)。

1.2 數據及預處理

AERONET網絡統一采用法國CIMEL公司標準太陽光度計和極化太陽光度計兩種。由于該站點數據每年都會因為儀器標定有部分缺測，缺測的數據會一定程度上影響分析結果，因此本文主要使用AERONET的1 020、870、675、440 nm 4個波段測量的光學厚度以及氣溶膠波長指數(α_440～870 nm)進行分析，以便更好進行氣溶膠長期變化特征和年際變化趨勢的研究。本次分析同時使用了1.5級(云掩碼處理)與2.0級(云掩碼、校正以及質量控制)月均值(monthly averages)數據和每日實測數據(all points)[9]。

2 方法

2.1 總體技術路線

總體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2.2 分類

基于文獻[10-12]提出的使用AOD及α進行氣溶膠劃分的標準，高嵩等[13]根據北京地區氣溶膠特點對該標準進行了調整，本研究參照該標準將氣溶膠大致分為4類。

1)AOD<0.15，α<1.4時，為煤煙型氣溶膠(bituminous coal aerosol，BC)；

2)AOD>0.20，α>1.3時，為城市污染型氣溶膠(urban industry aerosol，UI)；

3)AOD>0.30，α<1.2時，為沙塵型氣溶膠(desert dust aerosol，DD)；

4)剩余部分為難以簡單識別的氣溶膠類型，統稱為混合型氣溶膠(mixed type aerosol，MT)。

2.3 年內變化特征分析

1)AOD和α_440～870 nm月均值變化特征。使用2018年北京站點AOD及α的月均值生成相應的變化圖，總結該年氣溶膠的變化規律，并結合北京地區所處地理位置情況、氣候類型以及2018年北京地區天氣資訊信息，分析該站點年內氣溶膠特性及原因。

2)AOD季節變化特征。將2018年北京站點日實測數據分別按照4個季節氣溶膠進行統計，季節劃分標準為：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)，將四季的氣溶膠分別劃分為4類，并得到各類氣溶膠在4個季節中的占比，總結四季的主導型氣溶膠以及各類氣溶膠在各季節的變化情況，并分析出現該特征的原因。

2.4 年際特征對比分析

年內變化特征主要分析了氣候因素對氣溶膠的影響，此外，考慮到環保政策措施從頒布實施到后續對氣溶膠光學厚度產生影響是一個長期的過程，本文后續使用AOD年均值、季均值、各類型氣溶膠年占比以及四季占比進行了長時序分析。

1)AOD年均值、季均值年際變化。作出4個站點的AOD年均值時序變化圖，分析各站點時序變化，選擇北京站站點數據求取各季節的季均值并得到AOD季均值的時序變化圖，在計算季均值時舍棄數據不完整的季度。總結變化特征并進行原因分析。

2)各類型氣溶膠年際變化。統計各類型氣溶膠在每年的占比以及各類氣溶膠在各年四季的占比，總結出年占比以及季節占比的時序變化特征及規律，結合北京地區在該時間段的天氣報道資訊信息、相關政策以及重大事件進行原因分析。

3 結果與分析

3.1 年內變化特征分析

1)AOD和α_440～870 nm月均值變化特征。圖2為北京站2018年4個波長的AOD、α以及平均相對濕度的月變化特征圖。以440 nm為例，該年AOD年均值為0.71，月均值在0.29～1.49之間波動，7月AOD月均值隨著平均相對濕度的增大而增大，為全年最高(1.49)，此時的平均相對濕度也為全年最高，為73.9%；其次是3月(0.96)，AOD月均值最小值出現在12月。α年均值為1.06，全年處于0.76～1.35之間，最低值出現在5月，最高值出現在8月。北京2018年7月風向主要為南風，風力主要為2級，下雨天數達12 d，平均氣溫32 ℃，高溫高濕的天氣使氣溶膠表現出一定的吸濕性，同時來自北京南部的氣溶膠粒子也會增加氣溶膠光學厚度；3月北京地區中度污染-嚴重污染天數達8 d，輕度污染達9 d，為全年空氣污染最嚴重的月份；4月北京地區有揚沙、浮塵天氣，即該月的α_440～870 nm值最低；冬季12月劇烈的北風多攜帶自西伯利亞、蒙古國、東北等地的清潔氣團，一方面快速取代本地污染氣團，另一方面來自于高空的冷氣團快速移動，增大本地混合層高度，近地層的污染物擴散加快，從而迅速降低AOD值。

圖2 2018年氣溶膠光學特性參數及平均相對濕度變化

2)AOD季節變化特征。圖3為北京站2018年各類氣溶膠在四季的占比圖。北京秋冬季供暖期間燃煤燃油排放了大量煤煙型氣溶膠使得秋冬季節煙煤型氣溶膠所占比較高。北京夏季風向主要為偏南風，部分城市污染型氣溶膠來源于北京南部以及西南部重工業城市，同時高溫天氣促進的“氣-粒”轉換也會在一定程度上增加該類型氣溶膠的含量。沙塵型氣溶膠在春季占比最大，夏季其次，研究表明：北京地區的沙塵天氣的形成原因可分為周邊及遠距離輸送和局地揚沙兩類[14]。春季，西北地區地表土層松散、干燥，且植被覆蓋率低，蒸發量大而降水量少，大風天氣多，沙塵主體會隨天氣系統的移動向處于下風向的北京傳輸，使北京春季頻繁出現沙塵暴天氣。2018年初夏，內蒙古中東部地區降水偏少，在低氣壓系統的作用下，沙子被吹到空中，再由高空西北風輸送到北京，使處于初夏階段的北京仍出現沙塵天氣。此外，夏季是施工最頻繁的季節，城市建筑工地以及裸露地表的局部揚塵也在一定程度上增加了夏季沙塵氣溶膠的含量。混合型氣溶膠在夏季占比最高，因為夏季較高的混合層高度有利于各種氣溶膠的混合。

圖3 各類氣溶膠在四季所占比例

3.2 年際對比分析

1)AOD年均值、季均值年際變化。圖4為北京地區4個站點氣溶膠光學特性參數：AOD與α_440～870 nm的年均值時序變化圖。從圖中可以看到，4個站點AOD年均值變化總體趨勢相似，近14年的AOD年均值呈逐年減少的趨勢，α_440～870 nm值上下波動不大，無顯著性變化，這說明北京實施的生態環境治理措施取得了積極成效。

圖4 北京地區4個站點氣溶膠光學特性參數年均值的時序變化圖

圖5是北京站點AOD_440 nm季均值的時序變化圖，該圖基于北京站2005、2006、2010、2011、2013、2014、2016、2018年較為完整年份的數據(保證每月都有日實測值)。從圖5可以看出，北京站春季在2007、2010、2011、2016、2017年呈現明顯的低谷區；夏季氣溶膠逐年上升，2008年達到峰值，然后整體呈下降趨勢；2008年前后秋季AOD在0.76～0.86之間，在2011年之后逐年降低，2018年有所回升；2008年后兩年的冬季AOD值在逐年降低。春季、夏季和冬季AOD值在2014年后都有明顯下降趨勢。

圖5 北京站AOD_440 nm季均值的時序變化圖

由于應2008年北京奧運會的要求，北京市在防治機動車、工業、煙煤、揚塵污染以及生態保護和建設等方面共實施超過200項措施[15]。奧運會后，我國在經濟發展的過程中注重對生態環境的保護。文獻[16-17]的研究也表明，2008年北京奧運會期間的治污措施較好地提升了北京的空氣質量，北京生態環境質量在2008年前后兩年得到顯著改善，但由于2008年AERONET北京站數據大多是春季和夏季，這兩個季節的AOD值在四季中都有較高值，所以致使2008年北京站AOD年均值升高。2013年，為落實國務院《大氣污染防治行動計劃》，北京市發布實施《北京市2013—2017年清潔空氣行動計劃》，AOD_440 nm的年均值從2014年的0.80逐年下降至2017年的0.36，空氣質量改善成效顯著。彭妍君等[18]利用模型WRF-Chem(weather research forecast-chemistry)進行數值模擬研究也發現，“大氣十條”政策的實施對空氣質量的影響起了主導作用，約占大氣氣溶膠-輻射相互作用減弱導致全國平均PM2.5濃度下降的88%。

2)各類型氣溶膠年際變化。圖6為4類氣溶膠的年占比變化圖，煙煤型氣溶膠的年占比在2006—2010年、2012—2014年呈現低谷區，在2015—2017年上升，2018年開始下降。城市污染型氣溶膠的年占比在2006、2009、2010年分別為14.12%、20.45%、19.12%，在2015年之后年占比下降至30%以下。混合型氣溶膠年占比在2008年最低，其值為23.39%，在其余年份上下波動幅度不大。沙塵型氣溶膠年占比在14年間整體呈下降的趨勢，在2010年后下降至30%以下，甚至在2016、2017年降至20%以下。2018年煙煤型氣溶膠和城市污染型氣溶膠均相對于2017年有所下降，但是由于2018年春季的3個月均不同程度上受到沙塵天氣的影響，導致空氣質量爆表，因此沙塵型氣溶膠年占比從2017年的14.25%升高到2018年的29.65%，最終導致2018年AOD年均值升高。

圖6 4類氣溶膠在各年的占比變化圖

圖7為各類氣溶膠在四季中的年際變化，從圖7(a)中可以看到，在2005—2010年的春季，沙塵型氣溶膠占主導地位，2011年春季開始出現混合型氣溶膠占比比沙塵型氣溶膠高的情況，沙塵型氣溶膠的占比在2014—2017年下降幅度較大，且在2017年的春季取得最低占比23.99%。同時可以看到在春季中，煙煤型氣溶膠的占比普遍為最低，均在20%以下。

從圖7(b)中可以看到，在2011年后，夏季沙塵型氣溶膠占比急劇下降，降至21.30%以下；城市污染型氣溶膠的占比在2007—2009年呈下降趨勢，隨后變化曲線呈“M”型，兩個峰值出現在2012和2014年，該類氣溶膠在近3年的占比保持在40.30%以下；煙煤型氣溶膠在2005—2014年間的占比都在20%以下；混合型氣溶膠相比其他3類波動較小，一般保持在20%～30%之間。

北京市于2011年落實《北京清潔空氣行動計劃(2011—2015年大氣污染控制措施)》，嚴格控制施工揚塵污染，在一定程度上降低了沙塵型氣溶膠的占比。2005年，國務院批準首鋼實施搬遷、結構調整和環境治理方案。2007年，八部門聯合發布了《北京市關于加快退出高污染、高耗能、高耗水工業企業的意見》[19]。同時，北京在2008年奧運期間對機動車也采取了限行等相關措施，趙曉光等[20]對奧運會前及奧運會后限行時期進行同期比較，發現在限行政策實施期間，北京城市大氣中的二氧化氮和可吸入顆粒物的濃度均有所降低，北京市機動車限行政策的實行對空氣質量的好轉有一定的貢獻，使得城市污染型氣溶膠的占比在奧運會的前后逐漸下降。2013年《大氣污染防治行動計劃》啟動以來，以控車減油為重點，進行行業車輛結構調整。在工業企業整治調退工作方面，《關于建設項目主要污染物總量控制管理有關規定及實施細則》加快推進污染企業退出，2014年后城市工業型氣溶膠在夏季的占比逐漸下降。

從圖7(c)中可以看到，秋季總地來看，4類氣溶膠占比在2013年以后都保持在35%以下，且相互之間的差值也相對減少。北京的秋季天氣靜穩，沙塵型氣溶膠、城市污染型氣溶膠、煙煤型氣溶膠變化規律不明顯。

圖7(d)為各類氣溶膠在冬季的年際變化，煙煤型氣溶膠在2006、2007、2009、2010、2013年呈現明顯的低谷區，所占比例在13%～17%之間，在其余年份里該類氣溶膠多為冬季的主導氣溶膠，其在2018年冬季所占比例相對2017年有所下降；在2006、2010、2014年，城市污染型氣溶膠的低谷區與煙煤型氣溶膠相似；沙塵型氣溶膠在2010年后為冬季占比最低的氣溶膠；在煙煤型氣溶膠與城市污染型氣溶膠同時進入低谷區時，混合型氣溶膠在冬季所占比例較高。

圖7 各類氣溶膠在四季中的占比變化

2013年《大氣污染防治行動計劃》將工業作為污染源之一首先進行管制，京津冀區域也對此展開了一次“空氣凈化運動”，城市污染型氣溶膠在冬季的占比降低，但北京冬季的煙煤型氣溶膠占比并沒有因此降低，因為2013發布的《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》中所提到煤改氣本身成本較高，一般發生在北方重污染區以及經濟發達區域，此舉措對空氣質量的影響并不顯著。另一方面，該細則并沒有要求禁絕農村和城鄉結合部的村莊采用散煤采暖，散煤燃燒不充分，排放的煙氣中顆粒物的平均濃度高[21]。2016年，十三五計劃要求到2020年實現北京整個平原地區“無煤化”，削減散煤被放到了第一位[22]，近兩年煙煤型氣溶膠在冬季的占比開始降低。

4 結束語

結合城市氣溶膠光學厚度以及氣溶膠波長指數可以反映大氣污染的污濁程度，在北京地區4個站點的地基原數據的基礎上，對氣溶膠進行分類并使用統計方法分析了氣溶膠光學厚度與氣溶膠波長指數的年內、季節、時序變化特征，得到的主要結論如下。

1)北京地區2018年氣溶膠光學厚度的最大值在夏季7月，該季節的主導型氣溶膠為城市污染型氣溶膠，主要是由于夏季南風對污染物的區域性輸送和“氣-粒”轉換會在一定程度上增加AOD值。北京春季揚沙、浮塵天氣較多，AOD值也相對較高，主導型氣溶膠為沙塵型氣溶膠。冬季12月AOD值最小，該季節主導型氣溶膠為煙煤型氣溶膠，冬季的采暖會加大污染物排放量。

2)北京地區近14年的AOD年均值整體呈逐年減少的趨勢，AOD_440 nm的年均值在2017年達到該時間段內最低值0.36，在一定程度上說明北京實施的生態環境治理措施取得了積極成效。

3)2013年《大氣污染防治行動計劃》出臺使得空氣質量得到改善，北京地區AOD年均值、春季、夏季和冬季的季均值在2014年后下降趨勢明顯，此外，由于在該計劃中，工業作為污染源之一首先受到管制，城市污染型氣溶膠在夏季、秋季和冬季的占比也呈現明顯下降的趨勢。

4)京津冀地區以北京奧運會環境質量保障為重點，扎實推進污染減排，使得北京地區城市污染型氣溶膠年占比和季節占比、沙塵型氣溶膠年占比、煙煤型氣溶膠的年占比和季節占比均在2008年前后的一至兩年內都出現低谷區，進一步說明了環保工作取得了積極成效。

5)由于我國積極采取多種防風固沙的有效措施，同時對道路、裸地和工地等區域的揚塵采取有效管控，減少了空氣中揚塵的含量，使得沙塵型氣溶膠在春季、夏季、冬季都整體呈下降趨勢。

氣溶膠光學厚度的時空變化具有一定的規律性，氣象要素對其影響明顯且復雜，后期可對氣溶膠光學厚度的變化特征與溫度、濕度、降水量等多種氣象要素的相關關系進行分析，也可使用遙感數據分析2005—2018年北京市氣溶膠光學厚度趨勢，并與本研究結果進行對比。