北京春季一次沙塵氣溶膠污染過程觀測

楊 欣,陳義珍,2*,劉厚鳳,孔珊珊,趙妤希,唐 偉,柴發(fā)合(.中國環(huán)境科學研究院,北京 0002；2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 20044；.山東師范大學地理與環(huán)境學院,山東 濟南 25004)

北京春季一次沙塵氣溶膠污染過程觀測

楊 欣1,陳義珍1,2*,劉厚鳳3,孔珊珊3,趙妤希1,唐 偉1,柴發(fā)合1(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044；3.山東師范大學地理與環(huán)境學院,山東 濟南 250014)

利用大氣物理綜合觀測資料分析了2013年3月9日北京市一次沙塵過程前后的氣溶膠粒徑變化情況和垂直分布特性,比較了霾-沙交替的污染特征差異,并對沙塵來源及傳輸過程進行解析.結果表明:沙塵開始前近地面為細顆粒物主導的干霾氣溶膠污染,該過程在污染物出現(xiàn)分層抬升擴散后得到緩解,地面 ρ(PM2.5)/ρ(PM10)最高達 0.93.外源輸送抵達的浮塵分布在上空 800～2500m范圍內,退偏振比平均0.35,明顯高于霾氣溶膠層.沙塵初期的鋒前大風使邊界層抬升至900m以上,浮塵向下與本地揚塵混合,使近地污染轉為以粗顆粒增加為主,揚沙天氣爆發(fā),ρ(PM10)小時值增至920μg/m3,退偏振比增至0.4,地面上3000m范圍均有沙塵粒子分布.冷鋒配合蒙古氣旋是造成此次沙塵的主要天氣系統(tǒng),不斷加深發(fā)展的高空槽和地面氣旋上升氣流為外蒙沙塵推進和傳輸提供了動力條件.

北京；沙塵氣溶膠；特征；成因

大氣氣溶膠是由各種固態(tài)和液態(tài)微粒在大氣中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系,與大氣環(huán)境中許多物理化學過程的發(fā)生和大氣輻射傳輸密切相關

[1-2].每年春天,從我國西北沙漠源區(qū)因強風攜卷地面沙塵,并在特定大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的沙塵氣溶膠遠距離傳輸污染,對沙塵輸送下游地區(qū)的農業(yè)、人類生產生活和生態(tài)系統(tǒng)均造成一定危害,并嚴重影響著北方各大城市的空氣質量[3-4].

近年來,國內外科研工作者在起沙機制、沙塵組分物理化學特性及環(huán)境氣候效應等方面均進行了大量研究[5-10].激光雷達作為一種主動式大氣遙感探測技術也被廣泛運用到了沙塵氣溶膠空間垂直分布等方面的研究[11],其中依托由中國、日本、韓國等國聯(lián)合開展的區(qū)域沙塵暴地基激光雷達觀測網, Murayama等[12]結合模型對各點沙塵層高度與地面濃度變化進行對比,探討了沙塵傳輸路徑.Sugimoto等[13]對2008～2009年東北亞地區(qū)多點位春季沙塵污染的時空分布、沙塵層垂直結構及傳輸路徑進行了分析,并發(fā)現(xiàn)受一定條件下大氣結構影響,存在沙塵與地面污染混合現(xiàn)象.同時,因激光雷達所具有的高探測靈敏度、高時空分辨率以及廣闊的探測范圍,國內學者也開展了大量的觀測實驗.董旭輝等[14]利用雙波長偏振激光雷達對北京一次沙塵暴天氣的沙塵氣溶膠厚度、持續(xù)時間及污染特征進行了解析和探討,并給出了散射物質分類及沙塵天氣的判斷依據.姜學恭等[15]利用CALIPSO星載激光雷達探測資料對 2010年 3月 19～22日強沙塵暴過程不同階段沙塵垂直分布特征進行了初步分析,探討了沙塵在對流層-平流層內的遠距離輸送.徐文帥等[16]也依據氣象資料和激光雷達數(shù)據對北京市2010年春季沙塵天氣影響及對應的天氣類型進行劃分,分析了不同輸送路徑對北京市空氣質量的影響差異.但已有研究多集中于單一沙塵過程的污染分析,隨著近年我國供熱采暖期間頻現(xiàn)的灰霾污染成為關注熱點,在依賴大風破除霾污染的同時,忽略了春季大風帶來的沙塵污染影響,對霾-沙交替污染的垂直觀測和探討較少.

本文以北京市2013年3月9日出現(xiàn)的一次沙塵天氣為例,根據微脈沖激光雷達和全球地基氣溶膠觀測網(AERONET)等大氣物理觀測資料,分析霾-沙污染交替時的氣溶膠垂直演變,比較兩者污染特征差異,并對區(qū)域單點位沙塵傳輸和本地污染混合過程進行剖析,進而探究起塵成因及沙塵輸送規(guī)律,以期為城市氣溶膠污染過程的光學特性和空氣質量預報研究提供例證.

1 實驗觀測及沙塵簡況

1.1 實驗觀測

中國環(huán)境科學研究院大氣觀測站點位于北京市北部城區(qū)(40°02′27.8″N,116°24′44.8″E),本文采用的2013年3月8～10日沙塵過程前后觀測資料有:①Vaisala MAWS301型自動氣象站觀測取得研究時段內地面風向、風速、溫度、濕度、降水、太陽輻射和能見度(最大量程20km)等數(shù)據;②地面顆粒物濃度監(jiān)測采用TH-16A型大氣顆粒物采樣儀數(shù)據;③氣溶膠垂直光學特征探測采用 MPL-4B型微脈沖激光雷達,利用Fernald算法對探測到的激光回波信號求解雷達方程,得到氣溶膠消光系數(shù)、光學厚度(AOD)等光學特性參數(shù)和大氣邊界層結構分布[17],并根據交替發(fā)射線性偏振光得到的氣溶膠退偏振比(反映氣溶膠粒子的非球形特征)對氣溶膠類型定性判讀[18-19].

大氣氣溶膠粒徑分布情況由全球地基氣溶膠觀測網(AERONET)北京站點提供的全自動太陽光度計CE318level 2.0剔云數(shù)據得出;沙塵天氣形勢根據歐洲中期天氣預報中心(ECMWF) 0.125°×0.125°的再分析資料進行分析;沙塵前后氣流后向軌跡由美國國家海洋和大氣局(NOAA) Air Resources Laboratory給出.

1.2 沙塵簡況

2013年3月9日10:00左右北京地區(qū)由于受到西北強冷空氣影響,出現(xiàn)大風沙塵天氣,其中北部城區(qū)小時風速最大達到 17m/s,能見度最低至4.3km,地面 ρ(PM10)小時最大值達 920μg/m3, ρ(PM2.5)小時最大值達 209μg/m3,全市各測點實時AQI均達到六級嚴重污染,由此前的霾持續(xù)污染過程轉為沙塵過程.氣象衛(wèi)星沙塵監(jiān)測圖 1(a)顯示,由于冷空氣活動,新疆東部及中蒙邊界地區(qū)在3月8日14:20出現(xiàn)沙塵天氣,隨后9日凌晨內蒙中西部地區(qū)出現(xiàn)大風揚沙強降溫天氣,到9日中午華北地區(qū)、遼寧南部局地受西北大風影響也陸續(xù)出現(xiàn)沙塵或浮塵天氣,并有部分沙塵移至渤海上空,此時沙塵影響面積約為 55.7萬 km2,見圖1(b).

圖1 2013年3月8日14:20氣象衛(wèi)星沙塵監(jiān)測及此次沙塵簡況示意Fig.1 Dust storm monitoring diagram of meteorological satellite at 14:20 on Mar 8, 2013 and meteorogram

2 沙塵前后污染特征分析

2.1 氣象特征和大氣邊界層探測

從圖 2中觀測期間地面氣象參數(shù)和 MPL探測反演的大氣邊界層(PBL)高度變化情況可以看出,8日18:00前能見度低于10km,相對濕度＜80%,近地面 MPL探測返回信號較強,判識為干霾氣溶膠污染天氣[20],同時受 8日午后約7m/s的東偏南風影響,近地污染物稀釋擴散速度加快,該污染狀況有所緩解.到了夜間隨著風力持續(xù)減弱,相對濕度增加, 9日凌晨開始能見度逐漸下降,近地MPL回波信號也隨之增強.日出后,隨著早上 9:00開始急劇增大的偏北風影響,相對濕度迅速下降,能見度出現(xiàn)短時快速上升,近地霾污染過程得以清除.隨著大風持續(xù),沙塵氣溶膠抵達,能見度重新跌回 10km以下,最低至4.3km.到16:00以后,風速減小,能見度迅速增大(＞20km),沙塵結束.

PBL在3月8日白天至夜間均較低,平均僅330m,抑制了近地污染物的垂直擴散,在 9日10:00起風后迅速抬升至900m高度,11:00的小時平均值最高達到1008m,大氣底層湍流活動顯著.隨著沙塵過程結束,近地面風速減弱PBL高度有所回落,夜間平均 430m,到 10日日出后抬升到800m高度.

2.2 氣溶膠濃度與粒徑分布狀況

沙塵前后地面氣溶膠質量濃度變化情況見圖3.在沙塵開始前的3月8日霾污染過程中,由于受到午后近地風速增大影響,各粒徑顆粒物濃度均有所下降,夜間19:00～9日9:00期間變化不大,其中 ρ(PM2.5)平均 117.8μg/m3, ρ(PM10)平均190.2μg/m3, ρ(PM2.5)/ρ(PM10)則呈穩(wěn)步上升趨勢,并在9日早8:00達到最高0.93,說明沙塵前期地面氣溶膠主要以細粒子為主.在9日10:00沙塵開始后,地面ρ(PM10)迅速增大,最大值達920μg/m3, ρ(PM2.5)增速緩慢,最大為 209μg/m3, ρ(PM2.5)/ ρ(PM10)較前期霾過程明顯下降,最小降至 0.08,說明沙塵過程氣溶膠污染以粗顆粒增加為主,至16:00沙塵結束,大氣顆粒物濃度均顯著降低,細粒子占比開始緩慢增長.

圖4為太陽光度計反演的氣溶膠Angstrom系數(shù)和小顆粒比例(FMF)隨時間的變化情況,其中,Angstrom波長指數(shù)α和渾濁度系數(shù)β分別表征垂直氣柱內氣溶膠粒子尺寸和相對濃度,α越大粒子尺寸越小,β越高濃度越大[21](沙塵氣溶膠一般為-1≤α≤0.5[22],β≥0.2時代表相對渾濁天氣,β≤0.1時則代表清潔天氣[23]),小顆粒比例(FMF)表示為小顆粒(＜1.0μm)氣溶膠光學厚度與總氣溶膠光學厚度的比例[24].

由圖4可知,3月9日沙塵開始前08:00的早間霾時段α和FMF均低于8日14:00霾時,且β有所升高,表明垂直氣柱內氣溶膠粒子尺寸開始增大,濃度升高,對應圖3地面狀況顯示沙塵前的顆粒物濃度明顯低于8日,且以細粒子為主,因此推斷 9日早間垂直氣柱內的大粒徑顆粒物質存在于上層大氣中.到10:00沙塵爆發(fā)后,α和FMF明顯下降,α呈負值-0.1,FMF值0.03,β急增至1.9,說明沙塵過程顆粒物尺寸較前期霾過程均明顯增大,且污染更重.沙塵過后,β急劇降低,空氣質量好轉,α和FMF仍處于較低位置,反映出此時空氣中懸浮顆粒仍以粗粒子為主.10日早間采集數(shù)據顯示,α升至1.1,FMF升至0.56,與8日霾時相當,β較低平均僅0.08,說明大氣較清潔,小粒徑氣溶膠粒子為主控粒子.

圖2 2013年3月8日～10日各氣象要素及大氣邊界層(PBL)小時值的時間序列Fig.2 The time series of meteorological factors and PBL on Mar 8～10, 2013

圖3 2013年3月8～10日氣溶膠顆粒物質量濃度的時間序列Fig.3 The range of particle concentration variations on Mar 8～10, 2013

圖4 2013年3月8～10日氣溶膠Angstrom系數(shù)和小顆粒比例(FMF)的時間序列Fig.4 The temporal variation of Angstrom and FMF on Mar 8～10, 2013

2.3 氣溶膠光學特性分析

對沙塵過程前后的微脈沖激光雷達探測數(shù)據進行反演,得到氣溶膠垂直分布的光學特性參數(shù)分布見圖 5.從圖 5(a)大氣垂向消光系數(shù)變化可以看出,3月8日霾污染過程中近地800m以下消光系數(shù)均超過 1km-1,最高達 3.5km-1,到下午15:00,500m高度上開始出現(xiàn)抬升分層現(xiàn)象,分層后下層消光強度逐漸減弱,降至300m以下,上層消光物質在18:00抬升至1100m后消失,氣溶膠光學厚度 AOD在此階段出現(xiàn)明顯下降,表明霾污染減輕,與地面顆粒物濃度變化相對應.對比圖5(b)大氣氣溶膠退偏振比發(fā)現(xiàn),該過程上下層消光物質的退偏振比相差不大,均小于 0.3,因此分析認為此階段大氣消光均由局地細顆粒物氣溶膠所致,近地污染物的抬升可能是受地面風速短時增大,氣團通過對流上升突破邊界層頂導致[25], 500m以下消光作用減弱則與地面觀測的顆粒物下降有關.

圖5 2013年3月8日～10日大氣垂向消光系數(shù)、退偏振比及光學厚度(AOD)的時間序列Fig.5 The range of vertical atmospheric extinction coefficient and aerosol depolarization ratio and AOD variations on Mar 8～10, 2013

隨后,從8日20:00開始800～1000m高度上再次出現(xiàn)一個大氣消光層,消光系數(shù) 1～1.2km-1, AOD明顯增大,且從該層以上2500m范圍內退偏振比均維持在0.35,氣溶膠非球形特征較下層明顯增強,對應圖2中PBL變化可知,8日夜間的低邊界層使得該層消光物質無法下沉至地面,判斷該消光層可能為外地輸送至北京北部城區(qū)的浮塵層.到9日早10:00開始出現(xiàn)的大風使得近地面垂直擴散作用加強,邊界層抬升,地面積聚的氣溶膠得以擴散,AOD出現(xiàn)短時下降.同時,邊界層上的外來沙塵逐漸向下混合并延展至地面,地面上 3000m范圍內均有沙塵粒子分布,結

合大風引起的地面揚塵影響,大氣顆粒中粗粒子占比顯著上升,氣溶膠退偏振比增大至0.4,AOD升高后又呈波動變化.到16:00沙塵污染結束后,消光系數(shù)和退偏振比均明顯減小, AOD逐漸降到0.3以下.

3 污染成因分析

3.1 天氣形勢分析

圖6 2013年3月8日～9日沙塵過程前后地面和高空天氣Fig.6 The surface pressure and 500hPa weather map before and after dust on Mar 8～9, 2013

連續(xù)靜穩(wěn)的天氣形勢是導致區(qū)域霾污染發(fā)生的主要原因[26-28],冷鋒和蒙古氣旋是導致我國北方地區(qū)產生沙塵天氣的主要影響系統(tǒng)[29-31].結合天氣圖可知,在3月8日持續(xù)的霾污染過程中,華北地區(qū)地面多為弱低壓均壓場和鞍型場控制,污染物在不利于擴散的天氣條件下聚積于近地面形成污染.而對應圖6(a)、(b)發(fā)現(xiàn),此時上游外蒙地區(qū)處于高空低壓槽前,地面存在較強的鋒面氣旋(蒙古氣旋),中心氣壓低于990hPa,氣旋后部新疆北部存在一個中心超過 1040hPa的高壓系統(tǒng),壓差達50hPa以上,強梯度風導致該沙塵源區(qū)地面起沙嚴重.

受到圖 6(c)中在冷平流推動下東移并不斷加深發(fā)展的高空槽影響,大氣低層形成強烈的垂直上升運動和大風,為沿途內蒙沙源地的起沙及沙塵遠距離傳輸提供了有力的動力條件[28].隨著蒙古氣旋一路東移南下,華北地區(qū)于8日夜間開始受到沙塵傳輸影響,這與圖5中激光雷達觀測到的北京地區(qū)上空浮塵層相吻合.到3月9日上午,冷鋒過境,圖 6(d)北京地區(qū)近地面西北風迅速增強,霾污染結束,受本地大風揚沙與西北沙塵遠距離輸送共同作用,沙塵天氣爆發(fā).之后,蒙古氣旋東移入海,槽后干冷西北氣流盛行,地面高壓開始控制整個華北華東地區(qū),沙塵過程結束.

3.2 沙塵傳輸路徑

由以往對北方沙塵過程的追因研究可知,影響北京地區(qū)沙塵天氣的沙塵外來傳輸路徑以偏西路、西北路和偏北路為主[32-34].根據HYSPLIT后向軌跡模式對沙塵氣流軌跡進行模擬(圖略),沙塵開始時各高度的 24h后向軌跡均起源于北京沙塵傳輸?shù)钠髀贩较?其中 500m低空氣流經蒙古南部荒漠地區(qū)加強后,快速抵達內蒙東部地區(qū)并抬升至 1500m高空,并于沙塵開始前 2h在華北地區(qū)下沉.而沙塵結束后各高度的24h氣流均來自于西北內陸高空區(qū)域的冷空氣流輸送,無沙塵傳輸.因此,結合上述沙塵前后氣象條件及氣溶膠光學特性分析認為,此次沙塵氣溶膠污染天氣主要由沙塵遠距離輸送和大風引起的本地揚沙共同作用所致.

4 結論

4.1 2013年3月9日北京市沙塵過程前為細顆粒物主導的干霾氣溶膠污染過程,期間地面ρ(PM2.5)/ρ(PM10)最高達 0.93,霾氣溶膠出現(xiàn)的分層抬升使局地污染有所減輕.沙塵開始后,小時ρ(PM10)增至 920μg/m3, ρ(PM2.5)則呈下降趨勢,Angstrom波長指數(shù)α和小顆粒比例FMF降低明顯,氣溶膠退偏振比增大至 0.4,近地污染轉為以粗顆粒增加為主,地面上3000m范圍內均有沙塵粒子分布.

4.2 外源浮塵隨高空氣流輸送,于3月8日夜間即抵達北京上空,因受夜間的低邊界層影響無法下沉至地面,退偏振比均維持在0.35.在9日9:00開始的鋒前大風使邊界層抬升至900m以上高度,邊界層上的外來沙塵得以逐漸向下延展至地面,與本地大風揚塵混合.

4.3 冷鋒配合蒙古氣旋是造成此次沙塵的主要天氣系統(tǒng).受前低壓后高壓的強梯度風影響,西北沙塵源區(qū)地面起沙嚴重,不斷加深發(fā)展的高空槽和地面氣旋上升氣流為沙塵推進和傳輸提供了動力條件,外源浮塵得以東移南下輸送至北京.冷鋒的抵達破除了華北地區(qū)地面連續(xù)的弱低壓均壓場和鞍型場控制,從而使得霾過程結束,揚沙天氣爆發(fā).

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致謝：觀測期間太陽光度計數(shù)據由AERONET北京站點提供,在此表示感謝.

Measurement on a spring time dust aerosol pollution process in Beijing.

YANG Xin1, CHEN Yi-zhen1,2*, LIU Hou-feng3, KONG Shan-shan3, ZHAO Yu-xi1, TANG Wei1, CHAI Fa-he1
(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；3.College of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：87～94

An atmospheric dust aerosol process in Beijing was observed using a series of atmospheric monitoring instruments on March 9th, 2013. The aerosol particle size and vertical distribution characteristics were observed and analyzed with meteorological data before and after this process to study the differences of pollution characteristics between haze and dust. The results indicated that a dry aerosol haze pollution process was dominated by fine particles before the sand-dust period, with ρ(PM2.5)/ρ(PM10) up to 0.93. Aerosol depolarization ratio of floating dust at 800～2500m altitude from atmospheric transport was 0.35, which is significantly higher than the haze aerosol. Due to the strong winds with cold front, PBL height lifted up to more than 900m, making that the floating dust from outside source diffused down toward the surface and mixed with local dust, which leads to the increase of coarse particles near ground. The hourly value of ρ(PM10) at surface increased to 920μg/m3when the sand-dust process sustained. During the dust period, the aerosol depolarization ratio raised up to 0.4with distribution of dust aerosol from ground to about 3000m high. Results suggested that the cold front associated with the Mongolian cyclone was the main weather systems generating this dust process, and deepening development of the upper trough as well as the updrafts caused by ground cyclone was the driving force for the dust propulsion and transport.

Beijing；dust aerosol；characteristics；formation mechanism

X513

A

1000-6923(2017)01-0087-08

楊 欣(1989-),女,山東臨沂人,工程師,碩士,主要從事大氣物理觀測研究.發(fā)表論文4篇.

2016-05-19

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B05);國家環(huán)境保護公益科研專項(201309062)

* 責任作者, 研究員, chenyz@craes.org.cn