南京及周邊區(qū)域亞青期間大氣監(jiān)控預(yù)警走航觀測研究

張祥志，王自發(fā)，謝品華，王晨波，劉建軍，杜嵩山，何 源，湯莉莉

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇南京210036

2．中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029

3．中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽合肥230031

4．濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東濟(jì)南250013

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，大氣污染問題逐漸突出，持續(xù)性重污染事件頻發(fā)［1-2］。針對區(qū)域性大氣污染問題，通常采用地面監(jiān)測站網(wǎng)觀測結(jié)合遙感監(jiān)測，研究區(qū)域大氣污染特征［3］。但為了進(jìn)一步掌握了區(qū)域大氣污染分布和輸送規(guī)律，提升監(jiān)測系統(tǒng)大氣深度觀測解析和模式預(yù)報能力，走航觀測是解決此類問題的有效手段［4］。此類觀測可提供較大范圍的監(jiān)測結(jié)果，可以進(jìn)行實(shí)時測量，機(jī)動性較強(qiáng)。其中激光雷達(dá)、差分吸收光譜技術(shù)在氣溶膠、痕量氣體的垂直分布監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用［5］。

運(yùn)用被動DOAS技術(shù)，將天頂太陽散射光作為光源，通過測量天頂紫外/可見吸收光譜來研究整層大氣中痕量氣體的垂直柱密度和空間分布情況，其實(shí)時機(jī)動測量的優(yōu)點(diǎn)，得到國內(nèi)外研究者的青睞。Galle等人使用被動DOAS技術(shù)研究了火山排放氣體的成分組成情況［6］。McGonigle等人則用該技術(shù)對污染源污染氣體的排放進(jìn)行了測量［7］。陳敏東等利用AML-3車載式大氣環(huán)境污染激光雷達(dá)系統(tǒng)對近地面、高空的O3時空分布及溫度、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測與分析，總結(jié)北京地區(qū)的臭氧污染分布及影響因子［8］。謝晨波等研制車載式拉曼－米散射激光雷達(dá)，用于大氣能見度、垂直對流層氣溶膠和水汽混合比的探測［9］。謝品華、李昂等利用車載被動DOAS系統(tǒng)在奧運(yùn)前后分賽前和賽時不同時段，對北京市某大型鋼鐵企業(yè)污染氣體的排放通量進(jìn)行了連續(xù)觀測，采用圍繞區(qū)域一周連續(xù)進(jìn)行測量的方法，根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速，判斷進(jìn)、出該區(qū)域通量的差獲得凈通量［10］。吳豐成等利用車載DOAS技術(shù)分別在上海世博和廣州亞會期間，對上海及廣州重點(diǎn)工業(yè)區(qū)SO2、NO2進(jìn)行了監(jiān)測，并與站點(diǎn)點(diǎn)式儀器測量結(jié)果進(jìn)行對比［11-12］。但這些研究存在時間較短或者觀測范圍小等缺點(diǎn)。

為了解亞青會期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來源、時空分布和輸送規(guī)律，測試空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式模擬能力，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心聯(lián)合中科院大氣物理所、中科院安徽光機(jī)所、南京大學(xué)、南京市環(huán)境監(jiān)測中心站等15家單位，運(yùn)用4輛走航觀測車，開展了為期一個月的夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測，觀測區(qū)域覆蓋江蘇沿江8市及安徽部分地區(qū)。該次走航觀測有力支撐了亞青會的空氣質(zhì)量保障，為2014年青奧會空氣質(zhì)量保障積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 走航觀測方法

1.1 觀測原則

該次走航觀測原則上按照“三橫三縱”(見圖1)框架開展，該框架依托江蘇發(fā)達(dá)的高速公路網(wǎng)，綜合考慮夏季季風(fēng)、污染物傳輸通道和固定測站分布情況，觀測區(qū)域覆蓋了南京及其周邊區(qū)域。在實(shí)際走航觀測工作中，具體時間和路線則是在框架內(nèi)結(jié)合固定測站和模式預(yù)報的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高觀測的針對性和目的性。如固定測站和模式預(yù)報觀測到某地區(qū)的大氣污染物濃度明顯上升，那么監(jiān)測車即從南京出發(fā)，沿著框架路線向該地區(qū)行駛，并沿途進(jìn)行觀測，達(dá)到目的地后，再對目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行環(huán)繞掃描;如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，還可以進(jìn)行固定點(diǎn)位的觀測。

圖1 夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測期間移動觀測主要路線

1.2 觀測目的

觀測目的主要分兩個方面。一是了解亞青會期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來源、時空分布;二是了解南京及周邊地區(qū)夏季光化學(xué)污染物臭氧的傳輸特征。

1.3 觀測方案

1.3.1 南京及周邊地區(qū)移動觀測

根據(jù)數(shù)值預(yù)報模式的預(yù)報結(jié)果，出動4輛觀測車，沿“三橫三縱”路線開展走航觀測，從而了解亞青會期間南京及周邊地區(qū)主要污染物的整體空間分布和輸送規(guī)律，并與模式互相校驗(yàn)比對。

中科院大氣物理研究所的移動觀測車將主要以觀測各污染氣體為主，包括 NO、NO2、NOx、O3、SO2、CO等。濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測中心站移動觀測車則主要以氣溶膠激光雷達(dá)(ASL 300)和多普勒測風(fēng)雷達(dá)(WLS 70)觀測為主，以獲取垂直方向上的氣溶膠消光系數(shù)和氣象參量為主。因此大氣所和濟(jì)南環(huán)境監(jiān)測中心兩輛移動觀測車可以互相輔佐，同時兼顧地面和垂直，進(jìn)行協(xié)同觀測。

中科院安徽光機(jī)所兩臺移動監(jiān)測車，SOFFTIR，DOAS及風(fēng)廓線儀等污染源排放測量系統(tǒng)，與大氣所移動觀測車統(tǒng)一協(xié)調(diào)，沿著不同的路線，對區(qū)域和城市上空的VOC、SO2、NO2等進(jìn)行掃描測量，獲得區(qū)域SO2、NO2柱濃度水平分布圖，揭示區(qū)域/城市的污染氣體的水平分布特征。

1.3.2 重點(diǎn)工業(yè)區(qū)污染源排放移動監(jiān)測

沿工業(yè)區(qū)周邊/界面開展走航觀測，獲得測量路徑上 SO2、NO2、VOC、NOx、O3等光化學(xué)污染前體物的分布，結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)，模擬得到工業(yè)區(qū)的污染氣體排放通量，所獲取的數(shù)據(jù)用于更新數(shù)值預(yù)報模式中的污染源排放清單。

2 觀測結(jié)果分析

走航觀測自2013年8月4—23日，共累積開展了20個工作日的測量，走航行程超過了1 000 km，獲取了大量有效數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步綜合分析，初步揭示了以下2個結(jié)論。

2.1 內(nèi)源是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素

亞青會期間，雖然南京市采取了一定的管控措施，但內(nèi)源仍是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素。南京內(nèi)環(huán)走航觀測結(jié)果顯示(圖2)，機(jī)動車排放對NO2貢獻(xiàn)明顯，尤其在機(jī)動車流量密集地區(qū)，影響尤為明顯。南京小繞城走航觀測結(jié)果顯示(圖3)，南京揚(yáng)子石化等工業(yè)區(qū)排放的SO2、NO2明顯高于主城區(qū)，在東北風(fēng)作用下，會影響南京市區(qū)空氣質(zhì)量。

圖2 南京內(nèi)環(huán)走航觀測大氣污染物特征

圖3 南京小繞城走航觀測NO2、SO2特征

2.2 外源輸入對江蘇省空氣質(zhì)量有重要影響

江蘇地處平原，區(qū)內(nèi)地勢平坦，無論是來自北方沙塵的影響，還是來自南部污染物擴(kuò)散，都會直接影響到江蘇，從而使該省成為南北大氣污染物主要輸送通道。蘇南地區(qū)走航觀測結(jié)果顯示，8月份南通、蘇州兩市O3重污染天氣除受內(nèi)源影響外，來自省外東南方向的外源輸送貢獻(xiàn)不可小覷(圖4)。

從南京周邊地區(qū)走航觀測結(jié)果結(jié)合后向軌跡追蹤分析可知，受江蘇省外西南方向污染物傳輸?shù)挠绊?，南京部分地區(qū)的SO2、NO2濃度出現(xiàn)高值，見圖5。

圖4 南通市走航觀測臭氧特征

圖5 南京市周邊地區(qū)走航觀測NO2、SO2特征

3 結(jié)論

1)機(jī)動車移動源排放NO2對夏季南京空氣質(zhì)量影響明顯;

2)工業(yè)源排放的SO2、NO2對南京主城區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響;

3)造成南京及周邊區(qū)域夏季臭氧污染的原因一方面是由于內(nèi)源排放，另一方面來自省外東南方向的污染物傳輸;

4)江蘇省外西南方向排放的大氣污染物，對南京空氣質(zhì)量影響明顯。

［1］鐘流舉，鄭君瑜，雷國強(qiáng)，等．空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(2)：112-118．

［2］劉娟．長三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)警體系建設(shè)的思考［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28(4)：135-140．

［3］黃嫣旻，魏海萍，段玉森，等．上海世博會環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和原因分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(9)：58-63．

［4］陳煥盛，王自發(fā)，吳其重，等．空氣質(zhì)量多模式系統(tǒng)在廣州應(yīng)用及對PM10預(yù)報效果評估［J］．氣候與環(huán)境研究，2013，18(9)：427-435．

［5］周海金．大氣氣溶膠與痕量氣體廓線MAX-DOAS遙測方法研究［D］．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013．

［6］Galle B，Oppenheimer C，Geyer A，et al．A miniaturized ultraviolet spectrometer for remote sensing of SO2fluxes：a new tool for volcano surveillance［J］．Journal ofVolcanology and GeothermalResearch，2003，119(1)：241-254．

［7］McGonigle A J S，Oppenheimer C，Galle B，et al．Walking traverse and scanning DOAS measurements of volcanic gas emission rates［J］．Geophysical Research Letters，2002，29(20)：1-4．

［8］嚴(yán)茹莎，陳敏東，高慶先，等．北京夏季典型臭氧污染分布特征及影響因子［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2013，26(1)：43-49．

［9］謝晨波，韓永，李超，等．車載式激光雷達(dá)測量大氣水平能見度［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2005，17(7)：971-975．

［10］李昂，謝品華，竇科，等．奧運(yùn)期間北京某工業(yè)區(qū)排放通量的車載被動 DOAS遙測研究［J］．大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2009(5)：341-346．

［11］吳豐成，李昂，謝品華，等．城市污染氣體分布的車載被動差分光學(xué)吸收光譜遙測技術(shù)研究［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(3)：583-588．

［12］吳豐成，謝品華，李昂，等．基于車載 DOAS的污染氣體排放通量及區(qū)域污染氣體分布研究［J］．中國光學(xué)學(xué)會2011年學(xué)術(shù)大會摘要集，2011．