结合激光雷达分析2014年春季南京地区一次大气污染过程

利用环境监测数据、气象数据以及数值模拟结果,结合激光雷达数据反演的气溶胶消光系数,分析了2014年5月26日至6月1日南京地区一次典型的大气污染过程.本次污染过程受到外源性沙尘和烟尘输入以及本地污染排放叠加影响.气象因素对污染物的生消起到了重要作用,低压、逆温等因素阻碍污染物扩散,最终强降雨的出现使本次污染过程终结.整个污染过程中大气边界层高度偏低且变化不大,大气形势稳定,污染物扩散困难.激光雷达可以有效探测气溶胶的垂直分层结构,能直观准确地反映出污染物的分布聚集情况以及时空变化,对大气污染监测具有重要意义.     

偏振激光雷达在沙尘暴观测中的数据解析

阐述了日本国立环境研究所(NIES)研制的双波长偏振激光雷达的工作原理和主要工作参数,探讨了激光雷达方程在沙尘暴监测中的应用条件,并对激光雷达获取的各种信息进行直观图视化处理.分别用光学强度、后向散射强度、退偏振率、消光系数以及双波长信号比等对沙尘天气的污染特征进行了解析,并对垂直方向沙尘浓度的分布进行了计算.研究表明:退偏振率大于10%时,即可判断为沙尘天气;双波长信号比(P(1 064)/P(532))大于0.4,则表示该期间为沙尘天气;利用消光系数表示气溶胶浓度时,NIES激光雷达观测沙尘气溶胶消光系数超过0.3 km-1(ρ(TSP)约为500　μg/m3),且持续时间超过3　h的沙尘天气现象即可判断为一次沙尘事件.根据激光雷达特有物理量对沙尘气溶胶的不同判定标准,对沙尘事件的强度、持续时间、沙尘云厚度以及沙尘天气的污染特征进行了解析和探讨.      

2005年春季亚洲尘的激光雷达观测

呼和浩特的激光雷达自2003年设置以来不间断地进行着测定。观测结果表明2005年春季沙尘发生次数较少。从1月到5月只观测到5次，其中3次发生在4月份。2004年的沙尘季节出现较早，在3月份就发生过多次。与其相比今年沙尘发生的季节较晚。在所有发生的沙尘现象中最大规模的沙尘现象发生在2005年4月28—29日。激光雷达观测到的消光系数超过2km^-1。（相当于重量浓度为3．5mg／m^3）该沙尘层的高度达到2km，沙尘浓度最高的区域分布在自地面至1km高处。（北京的观测结果表明，在高度2km附近有漂浮的沙尘层。另外，利用CFORS模型模拟的后向轨迹线的解析结果推断其发生源在蒙古南部地区。2005年的特征是在中国境内产生的次数较少，在蒙古发生的次数较多。因此，推断这主要是由于蒙古国境内积雪较少的原因所致。）     

利用微脉冲激光雷达分析上海地区一次灰霾过程

通过分析2008年6月至2009年5月期间浦东新区灰霾天气出现的特征,并以2008年12月19日至2008年12月21日一次典型的灰霾天气过程为例,利用激光雷达(Light laser detection and ranging,简称Lidar)数据资料反演得到气溶胶消光系数及其强度图和廓线图,结合地面气象数据和气溶胶观测资料,分析了此次灰霾天气形成的原因.一年的观测资料表明,上海地区冬季和春季易产生灰霾天气,冬季出现重度霾最多,秋季和夏季灰霾天气较少.较弱的太阳辐射以及静风、小风是导致灰霾天气发生的重要原因,且高湿度的霾天气对能见度影响更大.大气边界层(以下简称边界层)高度变化决定着灰霾天气发生的强度,当边界层高度在1km左右时,易发生轻微霾天气,当边界层高度降至600m左右时,易发生中度、重度霾天气,而太阳辐射强度变化决定着边界层高度的变化.轻微霾天气下,大气气溶胶垂直分布最强消光值约为0.15km-1,而重霾天气下可达0.30km-1以上.本次霾过程还受地面颗粒物排放的影响,主要是PM1和PM2.5,且在消光作用中散射性气溶胶的贡献大于吸收性气溶胶.轻微霾天气下PM2.5浓度为50μg·m-3,黑碳浓度为5000ng·m-3,浊度为200Mm-1,而重度霾时则分别达到200μg·m-3、24000ng·m-3和1400Mm-1.随着此次霾的出现,整层大气气溶胶光学厚度(AOD,550nm)不断增加,在重度霾时达到0.6左右,Angstrom指数在重度霾时显著降低,表明有大颗粒物导入,说明此次重度霾天气的发生还与气溶胶的输送有关.     

石家庄一次沙尘气溶胶污染过程及光学特性

为掌握沙尘气溶胶远距离输送特征及其规律,对2015年4月15日影响石家庄空气质量的沙尘天气背景、污染特征进行了分析,利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘气溶胶的后向轨迹,并利用微脉冲激光雷达和太阳光度计CE318监测资料分析了沙尘气溶胶的垂直分布和光学特性演变,与大风无沙尘沉降另一过程进行了对比,探讨了沙尘沉降对消光系数的影响,估算了沙尘沉降对地面PM₁₀浓度的贡献.结果表明:来自蒙古国的沙尘气溶胶以西北路径远距离输送沉降是导致石家庄PM₁₀浓度骤升的主要因素;沙尘沉降对消光系数和地面PM₁₀浓度具有重要贡献;气溶胶快速沉降时间与冷锋过境、冷空气下沉相一致;微脉冲激光雷达监测到整个沙尘气溶胶输送沉降过程,沉降之前沙尘气溶胶主要分布在1500~3000m高空,气溶胶消光系数随高度上升而增大,输送飘浮空中到沉降持续时间较长,为沙尘污染预警提供了"强信号"特征;气溶胶光学厚度随沙尘到达明显上升,浑浊度较高,粒径偏大,地面能见度随气溶胶光学厚度呈幂指数递减.     

一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征研究

采用CALIPSO卫星的星载激光雷达资料,分析了2007年3月28日~4月2日由西向东途经新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、河北、北京、山东、江苏、上海、台湾等省、市、自治区的一次远程强沙尘污染传输过程,对后向散射系数、退偏比、色比等光学特性参数进行了研究.结果表明,这次过程中,较大的沙尘颗粒大多出现在近地面附近,而相对小的沙尘颗粒在对流层中高层垂直剖面上分布比较均匀.CALIPSO卫星资料能够较好地反映强沙尘远程传输过程中沙尘气溶胶光学特性的垂直分布特征及其粒子大小、不规则性随高度的变化特征.     

2015年春季北京市一次沙尘天气过程分析

采用观测数据与轨迹模拟相结合的方法,综合分析了2015年3月26日-4月1日北京市一次沙尘天气过程中沙尘输送路径、天气形势、污染物浓度的变化特征,结果发现:此次外来沙尘路径为西北路径,沙尘源地位于蒙古国南部的戈壁地区;沙尘在冷空气和地面低压系统作用下快速移动,造成延庆、奥体中心、永乐店3站点PM_(10)2 h左右浓度维持1 000μg/m~3,能见度低于1 km,空气质量急剧恶化;沙尘过境时PM_(10)浓度明显上升,PM_(2.5)浓度受到的影响相对较小,SO_2、NO_2、CO浓度变化不明显;沙尘回流时携带区域污染物进入北京,各项污染物及颗粒物组分浓度出现一定程度的上升;受沙尘影响,Mg~(2+)、Ca~(2+)、Na~+浓度明显上升,峰值浓度分别为0.13、1.29、0.70μg/m~3,分别是年均浓度的1.86倍、2.80倍、2.06倍;沙尘天气过后,扩散条件转差,沙尘与污染天气相继共造成北京市空气质量连续4 d维持中度污染级别。     

2010年春季东亚地区沙尘气溶胶和PM10的模拟研究

利用区域空气质量模式系统RAQMS,模拟研究了2010年3月东亚地区PM10气溶胶的时空演变,研究了19~23日沙尘暴暴发的过程,并将模拟结果与中国16个城市的PM10地面观测数据进行了比较.结果显示,模式对于PM10和沙尘具有好的模拟能力,可以合理地反映东亚地区PM10的时空分布和沙尘暴的演变过程;观测值和模拟值的总体相关系数达到0.705,两者平均值分别为124.8,165.5mg/m3.2010年3月份东亚地区PM10平均浓度处在较高水平,沙尘气溶胶是PM10的主要组分.3月东亚地区沙尘排放量约110.4Mt,其中68%重新沉降到地表.     

重庆市冬季一次沙尘天气过程综合观测

2017年12月29日-2018年1月1日,重庆市经历了一次沙尘影响污染过程。结合天气背景图、气溶胶激光雷达观测数据等分析了沙尘气溶胶的来源和路径。结果表明:沙尘影响期间PM10急剧增加。地面监测结果和天气背景图显示随着冷高压的往东往南移动,北方干冷空气携带沙尘粒子经过长距离输送进入四川盆地。气溶胶激光雷达显示沙尘影响期间,污染边界层抬升,气溶胶退偏比增大,气溶胶粗颗粒特征明显。HYSPLIT后向轨迹模型显示此次沙尘为源自我国西北地区。可通过科学治沙防沙、保护植被环境和加强污染管控等措施,以减少沙尘天气对空气质量的影响,保护生态环境。     

半干旱区春季沙尘气溶胶谱分布的观测研究

为研究半干旱区沙尘细粒子的粒谱特征,利用WPS粒谱仪对内蒙古朱日和地区春季粒径为0.01~10.0mm的沙尘气溶胶进行了40多天的连续观测,得到不同天气条件下的气溶胶谱分布.研究表明,沙尘气溶胶有明显的日分布规律,不同天气背景下的沙尘气溶胶浓度变化特征不同,受气象要素影响较大.非沙尘日和沙尘日均有浓度变化较稳定的粒径段,沙尘日出现稳定粒径段的粒径小于非沙尘日,2种天气背景下的平均谱在0.07~0.20mm;非沙尘日、沙尘日和沙尘时段的气溶胶谱型在0.01~0.1mm、0.1~1.0mm和1.0~10mm 3个粒径段分布明显不同,分别符合对数正态分布、Lorentz分布和负指数分布.     

2012—2014年冬季北京上甸子气溶胶观测研究

为了分析冬季上甸子本底站气溶胶的变化特征,利用2012—2014年每年1月上甸子本底站的能见度、ρ(PM_2.5)、ρ(BC)、ρ(CO)等数据,结合气象资料对上甸子地区气溶胶特性进行分析. 结果表明:2012—2014年每年1月地面月均风速分别为2.5、2.4和2.4 m/s,RH(相对湿度)分别为45.6%、59.5%和45.8%,ρ(PM_2.5)分别为38.6、54.7和45.2 μg/m3,MSE(气溶胶质量散射系数)分别为5.3、5.9和4.9 m2/g. 虽然地面风速基本没有变化,但2013年1月的RH比2012年和2013年1月平均高出30%,并且同期ρ(PM_2.5)和MSE也高于2012年和2013年1月. ρ(PM_2.5)的增加导致太阳辐射减弱,但对SSA(气溶胶单次反照率)影响不大. 对2013年1月数据分析可知,各种RH区段下,能见度与ρ(PM_2.5)均呈负相关,其中在80.0%10 km时,b_ext和B_ext(分别以能见度和大气组分计算的大气消光系数)基本相当,二者在这3年的拟合斜率平均值高达0.99;当能见度<5 km时,2014年1月的b_ext和B_ext之间不存在线性关系,2012年和2013年1月的b_ext和B_ext的R2分别是0.88和0.92.      

2010年1月北京城区大气消光系数重建及其贡献因子

于2010年1月1～31日在北京城区每天采集PM2.5样品.利用热光碳分析仪、离子色谱和X荧光光谱仪分别分析样品中有机碳/元素碳、水溶性离子和土壤元素,同步收集了大气散射系数(bsp)、吸收系数(bap)和气象数据.利用IMPROVE方程重建大气消光系数,并与实测大气消光系数进行对比.结果发现,PM2.5日均值质量浓度为(144.3±89.1)μg.m-3,实测值bap、bsp和消光系数(bext)分别为(67.4±54.3)、(328.5±353.8)和(395.9±405.2)Mm-1.IMPROVE方程适用于观测期间北京大气消光系数的解析.观测期间计算值b’ext均值为(611±503)Mm-1,(NH4)2SO4、NH4NO3、OM、EC和FS对b’ext的贡献分别为24.6%、11.6%、45.5%、11.9%和6.4%.     

北京城区PM_(2.5)不同组分构成特征及其对大气消光系数的贡献

为研究北京城区PM2.5不同组分对大气消光系数的贡献率,于2013年10月—2014年8月使用3台PQ200采样器在北京市环境保护科学研究院采集PM2.5样品并进行质量重建,采用IMPROVE方程计算大气消光系数并分析各组分的贡献率.结果表明:1北京城区ρ(PM2.5)年均值为(90.3±8.1)μg/m3,相比2005年有所下降,颗粒物呈弱碱性,NH4+略有剩余.2PM2.5质量重建后,化学构成为OM〔32.1%,为ρ(OM)占ρ(PM2.5)比例,下同〕、NO3-(13.6%)、SO42-(13.9%)、NH4+(11.1%)、Cl-(3.8%)、其他离子(4.0%)、EC(元素碳,5.0%)、FS(土壤尘,8.9%)、微量元素(1.3%)和未知物质(6.7%);与2005年相比,OM、NO3-、NH4+等二次污染物质量浓度占ρ(PM2.5)比例均显著增加,ρ(水溶性离子)占ρ(PM2.5)的比例随空气污染加重而增加.3北京城区大气消光系数年均值为(504.6±49.3)Mm-1,OM、(NH4)2SO4、NH4NO3、EC和FS的贡献率分别为37.5%、28.3%、25.2%、7.6%和1.4%;冬季由于ρ(PM2.5)高,大气消光系数最高,为(589±124.3)Mm-1,约是春季的2倍;夏季由于相对湿度大,PM2.5吸湿粒径增大,大气消光系数仅次于冬季.OM对大气消光系数贡献率为冬季最高,而(NH4)2SO4的贡献率在冬夏季均大于NH4NO3.     

2015年春节北京市空气质量分析

对2015年春节(2月18~24日)期间北京市PM2.5、PM10、SO2、NO2的浓度及PM2.5组分进行了分析,并基于PM2.5/CO比值法定量估算了除夕夜烟花爆竹PM2.5排放量.结果表明,春节期间北京市PM2.5、PM10、SO2、NO2的平均浓度分别为116.85、184.71、22.14、36.27μg·m-3,比2014年同期分别增长52.61%、92.41%、-40.15%、-0.46%;除夕夜01:00PM2.5、PM10、SO2、NO2峰值浓度分别为412.69、541.63、152.73、51.09μg·m-3,比2014年同期峰值浓度分别增长19.02%、14.37%、76.57%、11.35%;污染物峰值浓度空间分布上人口密集地区浓度水平明显较高;具有烟花燃放特征的指示性PM2.5组分ρ(Cl-)、ρ(K+)、ρ(Mg2+)峰值浓度分别是2013~2014年各项离子年均浓度的18.85、66.72、70.10倍;烟花爆竹燃放会在短时间内造成严重的大气污染,除夕夜北京市区烟花爆竹排放PM2.5总量约为2.13×105kg.进一步分析显示春节半月期间污染源排放量大幅降低对北京市空气质量的改善效果明显.     

成都春季生物质燃烧和沙尘期间气溶胶散射特征及其重建

于2009年4月19日～5月17日在成都城区每天采集PM2.5样品.利用热光碳分析仪、离子色谱、X荧光光谱仪和高效阴离子交换色谱分别分析样品中有机碳/元素碳、水溶性离子、地壳元素和左旋葡聚糖,同步测量了大气散射系数(bsp)和气象数据.利用IMPROVE方程重建大气散射系数,并与实测大气散射系数进行对比.结果发现,PM2.5浓度均值为133.2μg.m-3,大气散射系数为530 Mm-1.左旋葡聚糖和地壳元素能很好地反映生物质燃烧和沙尘事件.观测期间成都城区计算值b’sp为504 Mm-1,(NH4)2SO4、NH4NO3、OM(organic matter)、FS(fine soil)和CM(coarse mass)贡献率分别为26%、15%、53%、4%和2%.DS(dust storm)期间,计算值b’sp为575 Mm-1,FS和CM贡献率达到17%和21%.BB(biomass burning)期间,计算值b’sp为635 Mm-1,OM贡献率达到62%.     

2011年春季辽宁一次沙尘天气过程及其对不同粒径颗粒物和空气质量的影响

利用2011年5月11—12日辽宁沙尘天气过程的相关资料,分析了沙尘天气对不同粒径颗粒物及空气质量的影响及此次沙尘过程的天气成因.结果表明:沙尘天气发生前后可吸入颗粒物PM₁₀、PM_2.5和PM₁的浓度变化很大,沈阳、鞍山、本溪和丹东4城市PM₁₀、PM_2.5的小时浓度最大值都增大了1.5~20倍;粗粒子PM_(2.5~10)的数量浓度分别增加了30~41倍,质量浓度分别增加了27~30倍;细粒子PM_(1~2.5)的质量浓度分别增加了30~35倍,数量浓度分别增加了15~30倍;微粒子的数量浓度和质量浓度各城市表现不同,沈阳微粒子的数量浓度和质量浓度最大值增大了3倍和5倍,而鞍山PM₁的数量浓度和质量浓度分别减少了50%和10%.受蒙古气旋的影响内蒙古地区产生大风降温天气,大风将内蒙古地区的沙尘带到高空并随西风带向东移动进入辽宁,由于辽宁地区风速比较小,造成了辽宁大部分地区的浮尘天气,并对辽宁各地空气质量造成了严重影响,除丹东外辽宁其他13个城市空气质量都达到了轻微污染到重度污染的级别,铁岭、阜新、沈阳和抚顺的污染指数分别超过了300,达到了重度污染的级别.     

16届亚运会期间广州城区PM2.5化学组分特征及其对霾天气的影响

于2010年11月4～30日在广州城区每天昼夜各采集一个PM2.5样品.对样品进行有机碳、元素碳和水溶性离子分析,同步收集了在线PM2.5浓度、大气消光系数(bext)以及气象因子,探讨了PM2.5特征及其与大气消光系数的关系,并利用修正后的IMPROVE消光系数方程重建大气消光系数.结果发现:亚运期间PM2.5日均值质量浓度为(77.0±24.4)μg·m-3,比亚运前低27.8%.PM2.5和相对湿度是导致霾天气的重要因素.亚运期间大气消光系数为418 Mm-1,比亚运前低28.3%,(NH4)2SO4、POM(particulate organic material)和LAC(light-absorbing carbon)是主要贡献因子,贡献率达到87.0%.广州及其周边城市采取的减排措施对于缓解亚运期间广州城区的霾天气作用明显.     

Changes in visibility with PM2.5 composition and relative humidity at a background site in the Pearl River Delta region

In fall–winter, 2007–2013, visibility and light scattering coefficients(b sp) were measured along with PM_(2.5)mass concentrations and chemical compositions at a background site in the Pearl River Delta(PRD) region. The daily average visibility increased significantly(p 0.01) at a rate of 1.1 km/year, yet its median stabilized at ~13 km. No haze days occurred when the 24-hr mean PM_(2.5)mass concentration was below 75 μg/m~3. By multiple linear regression on the chemical budget of particle scattering coefficient(b sp), we obtained site-specific mass scattering efficiency(MSE) values of 6.5 ± 0.2, 2.6 ± 0.3, 2.4 ± 0.7 and 7.3 ± 1.2 m2/g,respectively, for organic matter(OM), ammonium sulfate(AS), ammonium nitrate(AN) and sea salt(SS). The reconstructed light extinction coefficient(b ext) based on the Interagency Monitoring of Protected Visual Environments(IMPROVE) algorithm with our site-specific MSE revealed that OM, AS, AN, SS and light-absorbing carbon(LAC) on average contributed 45.9% ± 1.6%,25.6% ± 1.2%, 12.0% ± 0.7%, 11.2% ± 0.9% and 5.4% ± 0.3% to light extinction, respectively.Averaged b ext displayed a significant reduction rate of 14.1/Mm·year(p 0.05); this rate would be 82% higher if it were not counteracted by increasing relative humidity(RH) and hygroscopic growth factor(f(RH)) at rates of 2.5% and 0.16/year-1(p 0.01), respectively, during the fall–winter, 2007–2013. This growth of RH and f(RH) partly offsets the positive effects of lowered AS in improving visibility, and aggravated the negative effects of increasing AN to impair visibility.     

南京北郊冬春季大气能见度影响因子贡献研究

为研究南京北郊气象要素以及气溶胶对大气能见度的影响,利用2014年1~5月的能见度、相对湿度、温度、颗粒物浓度及其化学成分等观测数据,探讨了气溶胶不同化学组分对消光系数的贡献,提出了该地区能见度基于不同参数的拟合方案.结果表明,观测期间平均能见度为(5.78±3.64)km,能见度与相对湿度、PM_(2.5)存在明显的负相关,相关系数分别为-0.66、-0.48.冬季平均消光系数为(398.72±219.88)Mm~(-1),Organic、NH_4NO_3、(NH_4)_2SO_4和EC对消光的贡献率分别为38.81%、27.81%、23.95%和7.15%;春季平均消光系数为(248.36±78.42)Mm~(-1),Orgamic、NH_4NO_3、(NH_4)_2SO_4和EC对消光的贡献率分别为31.59%、24.36%、32.63%和8.64%.对比不同的能见度拟合方案时,基于颗粒物成分的能见度拟合方案优于基于散射系数的.不同相对湿度区间内PM_(2.5)对能见度的影响程度不同,基于PM_(2.5)、相对湿度和温度的能见度拟合方案说明:低相对湿度的条件下,PM_(2.5)对能见度的影响较大;随相对湿度增大,相对湿度成为更为重要的影响因子.     

嘉兴市春季一次持续雾霾过程中气象条件与污染物变化特征分析

2015年5月17~20日嘉兴市发生了一次持续性雾霾过程,本研究根据5月17~22日污染气体(O_3、SO_2、NO_2和CO)、PM_(10)、PM_(2.5)、10 nm~10μm气溶胶数浓度、气象要素及边界层探空数据,分析了这次过程的成因及其不同污染物的变化特征.结果表明,副高位置北抬、均压场结构、地面静小风和边界层中逆温层为这次雾霾过程的发生和维持提供了水汽、动力和热力条件.这次雾霾过程包含1次降雨和2次雾过程(雨雾和辐射-平流雾).雾霾过程中NO_2、CO、PM_(10)和PM_(2.5)的浓度较高,SO_2和O_3的浓度较低.强降雨对PM_(10)、PM_(2.5)和SO_2清除作用较大,弱降雨会加重污染过程.雨雾的发展过程中,PM的浓度持续积聚;辐射-平流雾过程中,PM浓度先快速下降然后再增加.不同过程中气溶胶数浓度谱均为单峰型分布,但是谱型差异较大,干净天、降雨、雾霾过程、雨雾和辐射-平流雾过程中气溶胶数浓度谱峰值分别位于20~30 nm、100 nm、30~60nm、120 nm和90 nm.表面积浓度谱在干净天、降雨、雾霾和雨雾过程中均为三峰型分布,辐射-平流雾为四峰型分布.