基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的黑炭垂直變化監(jiān)測(cè)

王晗煜，彭仲仁,2，王東生

（1.上海交通大學(xué) 智能交通與無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究中心，上海 200240； 2.佛羅里達(dá)大學(xué) 城市與區(qū)域規(guī)劃系，美國(guó) 佛羅里達(dá) 蓋斯維爾 32611）

近年隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，大氣環(huán)境污染問(wèn)題突出，國(guó)內(nèi)頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重且持久的霧霾污染[1-3]。作為細(xì)顆粒物（PM2.5，氣體動(dòng)力學(xué)直徑小于等于2.5 μm的顆粒物）的重要組成部分，黑炭（black carbon， BC）不僅影響全球氣候變化和區(qū)域空氣質(zhì)量，而且危害人類(lèi)健康[4]。黑炭主要是由化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的，具有消光作用，從而降低大氣能見(jiàn)度，有利于霧霾的產(chǎn)生[5]。自20 世紀(jì)80 年代中期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市地區(qū)進(jìn)行黑炭的監(jiān)測(cè)研究工作，從20世紀(jì)90 年代初開(kāi)始，黑炭觀測(cè)工作在全國(guó)各地廣泛進(jìn)行[6-9]，但基本都是地面觀測(cè)，少有關(guān)于黑炭垂直探測(cè)的研究。杭州市臨安區(qū)由于其獨(dú)特的地理、環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，成為長(zhǎng)三角地區(qū)唯一大氣本底站的建設(shè)地點(diǎn)，因此臨安區(qū)已經(jīng)成為了長(zhǎng)三角地區(qū)大氣成分觀測(cè)研究的基地。文中給出了2014 年夏季和2015年冬季在臨安運(yùn)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行的黑炭氣溶膠的垂直監(jiān)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合地面監(jiān)測(cè)結(jié)果和氣象數(shù)據(jù)，分析了黑炭的地面濃度變化和垂直濃度變化特點(diǎn)，進(jìn)一步探討了該區(qū)域黑炭的輸送來(lái)源，為大氣污染防治提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 區(qū)域及時(shí)間

試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省杭州市臨安區(qū)，無(wú)人機(jī)起飛地點(diǎn)位于長(zhǎng)西線(xiàn)旁通運(yùn)路，距杭州市區(qū)西北方向約10 km。該區(qū)域周?chē)鷽](méi)有類(lèi)似化工廠等明顯的污染物排放源，因此有利于應(yīng)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)監(jiān)測(cè)黑炭氣溶膠的垂直分布情況。

在2014 年夏天和2015 年冬天，運(yùn)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)在2 天內(nèi)共進(jìn)行了8 次試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間分別為2014年8 月21 日（6：25-7：01，10：15-10：52，14：10-14：45，16：21-16：56）和 2015 年 2 月 5 日（8：07-8：46，10：43-11：22，14：12-14：51，15：23-16：00）。每天上午2 個(gè)航次，下午2 個(gè)航次，每個(gè)航次需要35 min 左右的飛行時(shí)間。

試驗(yàn)采用的是輕型固定翼無(wú)人機(jī)，首先人為操控起飛，到達(dá)300 m 高度時(shí)，沿著水平路線(xiàn)飛行一周，飛行范圍為4 km×4 km，之后爬升至400 m，再水平盤(pán)旋一周，這樣循環(huán)直至1000 m（如圖1 所示），最后直接降落到地面。由于無(wú)人機(jī)燃料是汽油，為避免無(wú)人機(jī)自身排放的影響，水平飛行范圍隨著高度升高而縮小，并且只對(duì)無(wú)人機(jī)上升期間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 無(wú)人機(jī)的飛行路徑

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用的輕型固定翼無(wú)人機(jī)最大載荷約為3.5 kg，最長(zhǎng)飛行時(shí)間約為2 h，機(jī)身總長(zhǎng)1.8 m，翼展長(zhǎng)2.4 m。采用Aethlabs 公司生產(chǎn)的MicroAeth?AE51 微型黑炭?jī)x監(jiān)測(cè)黑炭的質(zhì)量濃度。該設(shè)備利用光學(xué)吸收衰減方法，將880 nm 處測(cè)量值轉(zhuǎn)換成黑炭的質(zhì)量濃度，測(cè)量范圍為0～1 mg/m3，測(cè)量分辨率為0.001 μg/m3。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為1 s，該設(shè)備質(zhì)量為 280 g。采用 Onset 公司生產(chǎn)的 HOBO?U12 Temp/RH Data Logger 監(jiān)測(cè)溫度和相對(duì)濕度，溫度的測(cè)量范圍為 0～50 ℃，在 25 ℃時(shí)測(cè)量分辨率為0.03 ℃；相對(duì)濕度的測(cè)量范圍為10%～90%，測(cè)量分辨率為0.03%，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為2 s，該設(shè)備質(zhì)量為46 g。通過(guò)Columbus 公司生產(chǎn)的探險(xiǎn)家? V-900插卡式多功能導(dǎo)航記錄器定位記錄無(wú)人機(jī)的路徑點(diǎn)，記錄的數(shù)據(jù)包括日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度和高度等，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為1 s，該設(shè)備質(zhì)量為55 g。

所有微型傳感器都放置在專(zhuān)門(mén)定制的機(jī)艙里，設(shè)備均用減震塑料包裹，設(shè)備之間的間隙采用減震塑料填充，以減少飛機(jī)震動(dòng)的影響。黑炭設(shè)備進(jìn)氣口處連接了一根約0.5 m 長(zhǎng)的采樣管，通過(guò)內(nèi)置的氣泵將空氣樣品抽入設(shè)備中。采樣管的前進(jìn)氣段被固定在機(jī)身腹部，以減少大氣湍流對(duì)進(jìn)氣的干擾[10]。溫度和相對(duì)濕度設(shè)備也固定在機(jī)身腹部，以減少太陽(yáng)直射和大氣湍流等的影響。多功能導(dǎo)航記錄器放置在機(jī)身背部，避免遮擋，使其能接受強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)，以保證定位準(zhǔn)確度。所有設(shè)備均自帶存儲(chǔ)功能。

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)之前，將黑炭設(shè)備與上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的標(biāo)準(zhǔn)黑炭設(shè)備（Aethalometer? AE31）以1 h 均值進(jìn)行連續(xù)比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖 2 a 所示，得到兩者的線(xiàn)性關(guān)系（y=1.93x-0.16， R2=0.88）。試驗(yàn)所采用的黑炭設(shè)備的測(cè)量值幾乎是標(biāo)準(zhǔn)黑炭設(shè)備的2 倍，這應(yīng)該與兩種設(shè)備不同的測(cè)量原理有關(guān)。在無(wú)人機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，另一臺(tái)與本試驗(yàn)同樣型號(hào)的黑炭設(shè)備放置在地面，以同步獲取地面黑炭的質(zhì)量濃度。為了減少系統(tǒng)誤差的影響，在試驗(yàn)開(kāi)始之前，將放置在地面和無(wú)人機(jī)上的兩臺(tái)黑炭設(shè)備進(jìn)行同步比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖2b 所示。兩者的相關(guān)系數(shù)大于0.82，故系統(tǒng)誤差在可接受范圍內(nèi)。為減小抽樣誤差，無(wú)人機(jī)上黑炭設(shè)備所測(cè)得的黑炭質(zhì)量濃度取 300～1000 m 之間每隔100 m 所監(jiān)測(cè)得到的所有值的平均值。

圖2 設(shè)備比對(duì)結(jié)果

2 結(jié)果及分析

2.1 地面BC 的日變化情況

試驗(yàn)地點(diǎn)地面黑炭質(zhì)量濃度半小時(shí)均值的日變化情況如圖3 所示。由于受到設(shè)備電池容量和內(nèi)存容量的影響，無(wú)法記錄黑炭24 h 的變化情況。整體來(lái)說(shuō)，2014 年8 月21 日和2015 年2 月5 日所測(cè)得地面黑炭質(zhì)量濃度的均值分別為2.54、4.86 μg/m3，因此冬季黑炭的質(zhì)量濃度要高于夏季，這與之前臨安地面PM2.5觀測(cè)結(jié)果一致[11]。2014 年8 月21 日上午和下午所測(cè)得的地面黑炭質(zhì)量濃度的均值分別為2.36、2.82 μg/m3，2015 年2 月5 日上午和下午所測(cè)得的地面黑炭質(zhì)量濃度的均值分別為6.42、1.80 μg/m3，因此上午冬季黑炭的質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)高于夏季，下午冬季黑炭的質(zhì)量濃度卻略低于夏季。

圖3 BC 地面質(zhì)量濃度日變化

圖4 中的大氣邊界層高度日變化來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）空氣資源實(shí)驗(yàn)室。表1中的天氣、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等天氣數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)。由表1 可知，2014 年8 月21 日溫度較高，濕度大，整體風(fēng)速變化不大，風(fēng)向由上午的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)至下午的偏東風(fēng)。2015 年2 月5 日溫度低，濕度低，整體風(fēng)向變化不大，上午風(fēng)速為1 m/s，下午風(fēng)速增加至3 m/s。

圖4 大氣邊界層高度日變化

2014 年8 月21 日上午6—9 點(diǎn)之間，黑炭質(zhì)量濃度值略有波動(dòng)，9—11 點(diǎn)之間，黑炭的質(zhì)量濃度由3.23 μg/m3降低至0.78 μg/m3。因?yàn)樯衔顼L(fēng)速減小，故這與大氣邊界層的快速擴(kuò)展有關(guān)。14—15 點(diǎn)之間，黑炭的質(zhì)量濃度由1.80 μg/m3升高至3.16 μg/m3。這是由于下午風(fēng)速略有增加，風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)成東北風(fēng)，故這與增加的交通排放以及大氣邊界層的降低有關(guān)。16—17 點(diǎn)之間黑炭質(zhì)量濃度值的變化不大。2015年2 月5 日上午7—12 點(diǎn)之間，黑炭的質(zhì)量濃度先由9.53 μg/m3略微增加到9.87 μg/m3，然后迅速降低至3.04 μg/m3?？梢?jiàn)上午7—8 點(diǎn)之間黑炭的質(zhì)量濃度值是上午最低值的3 倍多，說(shuō)明易形成黑炭污染。由于上午風(fēng)速?zèng)]有變化，故這與大氣邊界層的快速擴(kuò)展有關(guān)。14—16 點(diǎn)之間，黑炭質(zhì)量濃度值略有增加，這 與增加的交通排放以及大氣邊界層的降低有關(guān)，因?yàn)橄挛顼L(fēng)速增加，故黑炭質(zhì)量濃度只是略有增加。

表1 各監(jiān)測(cè)航次地面天氣狀況

2.2 垂直BC 日變化情況

如圖5 所示，通過(guò)無(wú)人機(jī)試驗(yàn)，在2014 年8 月21 日和2015 年2 月5 日總共獲取了8 條黑炭的垂直廓線(xiàn)，上午和下午各進(jìn)行2 次試驗(yàn)。夏季上午第一個(gè)航次從317～975 m 處，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度下降梯度為0.001 (μg/m3)/m；夏季上午第二個(gè)航次檢測(cè)結(jié)果，測(cè)得325 m 處黑炭的質(zhì)量濃度較高，325～655 m 處黑炭的質(zhì)量濃度下降梯度為 0.005 (μg/m3)/m，655～ 981 m 處黑炭的質(zhì)量濃度降低變緩，下降幅度為0.001 (μg/m3)/m，和第一個(gè)航次類(lèi)似。夏季下午兩個(gè)航次黑炭的質(zhì)量濃度整體波動(dòng)幅度不大，第三個(gè)航次和第四個(gè)航次的檢測(cè)結(jié)果：黑炭的質(zhì)量濃度均值分別為2.10、2.01 μg/m3，相差甚微。由圖4 和圖6 可知，夏季溫度高，且上午10 點(diǎn)后大氣邊界層快速擴(kuò)展，有利于對(duì)流條件的形成，也有利于污染物擴(kuò)散到高空。故第二個(gè)航次于325 m 處測(cè)得的黑炭的質(zhì)量濃度較高，到下午的時(shí)候，污染物上下混合均勻。

圖5 黑炭垂直變化情況

圖6 溫度和相對(duì)濕度垂直變化

整體來(lái)看，2015 年2 月5 日從早到晚，黑炭的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)。冬季上午第一個(gè)航次從294～983 m 處，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度下降梯度為0.004 (μg/m3)/m，均值為4.43 μg/m3；第二個(gè)航次從290～988 m 處，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度隨著高度增加而緩慢降低，均值為3.67 μg/m3。由圖6 可知，冬季上 午溫度低，不利于黑炭的垂直擴(kuò)散，相對(duì)濕度低，說(shuō)明降雨少，不利于黑炭的清除?？傮w上，冬季下午兩個(gè)航次中，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度隨著高度的增加都呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。第三個(gè)航次從273～375 m 處，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度上升梯度為 0.004 (μg/m3)/m，從375～975 m 處，黑炭的質(zhì)量濃度整體波動(dòng)幅度較??；第四個(gè)航次從285～498 m 處，黑炭的質(zhì)量濃度的上升梯度為0.003 (μg/m3)/m，從498～993 m 處，測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度整體波動(dòng)幅度較小。第三個(gè)航次和第四個(gè)航次測(cè)得黑炭的質(zhì)量濃度均值分別為 1.89、1.61 μg/m3，呈減少趨勢(shì)。由圖4 可知，冬季上午邊界層快速擴(kuò)展，但下午卻陡降，故冬季上午黑炭的質(zhì)量濃度遞減趨勢(shì)快，但下午遞減趨勢(shì)趨緩。

2.3 BC 的來(lái)源

拉格朗日混合單粒子軌道模型（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model， HYSPLIT）中的后向軌跡（archive trajectories）可以用來(lái)計(jì)算和模擬大氣污染物的輸送和擴(kuò)散軌跡[12-13]。因此，文中運(yùn)用后向軌跡來(lái)分析無(wú)人機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)300 m 和1000 m 高度的氣團(tuán)在試驗(yàn)當(dāng)天下午6 點(diǎn)之前48 h 的輸送來(lái)源，運(yùn)行結(jié)果如圖7 所示。

圖7 黑炭的輸送來(lái)源

圖7 a 所示的是2014 年8 月21 日18 點(diǎn)（即UTC 10 點(diǎn)）前48 h，無(wú)人機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)300 m 和1000 m 高度處大氣污染物的輸送軌跡。其中，300 m 處氣團(tuán)的輸送軌跡為：從2014 年8 月19 日18 點(diǎn)到2014 年8月20 日18 點(diǎn)，氣團(tuán)來(lái)源于上海市，再輸送到江蘇省蘇州市，然后到浙江省湖州市、杭州市和紹興市，輸送高度從1500 m 降至800 m 左右。從8 月20 日18點(diǎn)到8 月21 日2 點(diǎn)，氣團(tuán)輸送方向在紹興市諸暨市轉(zhuǎn)向，由朝南輸送變成往北輸送。接下來(lái)到8 月21日8 點(diǎn)，氣團(tuán)往北輸送到杭州市濱江區(qū)，輸送高度由700 m 左右降至300 m 左右。最后到8 月21 日18 點(diǎn)，氣團(tuán)首先沿著偏北方向輸送到杭州市余杭區(qū)，最后往西輸送到臨安區(qū)試驗(yàn)地點(diǎn)處，輸送高度維持在300 m左右。1000 m 處氣團(tuán)的輸送軌跡為：氣團(tuán)來(lái)源于上海市，在8 月20 日14 點(diǎn)前，氣團(tuán)沿西南方向輸送，途徑浙江省嘉興市和杭州市，輸送高度由1000 m 降至500 m，然后又升至1000 m。從8 月20 日14 點(diǎn)到8 月20 日20 點(diǎn)，氣團(tuán)輸送方向在杭州市建德市轉(zhuǎn)向，由朝南輸送變成往偏北輸送，輸送高度維持在1000 m左右。接下來(lái)至8 月21 日18 點(diǎn)，氣團(tuán)在杭州市沿偏北方向輸送到試驗(yàn)地點(diǎn)，輸送高度依然維持在1000 m左右。由此可知，300 m 和1000 m 處氣團(tuán)48 h 前都來(lái)源于上海，且輸送軌跡都在長(zhǎng)三角區(qū)域，輸送距離在200 km 以?xún)?nèi)。

圖7b 所示的是2015 年2 月5 日18 點(diǎn)（即UTC 10 點(diǎn)）前48 h，無(wú)人機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)300 m 和1000 m 高度處大氣污染物的輸送軌跡。300 m 處氣團(tuán)的輸送軌跡為：氣團(tuán)來(lái)源于蒙古境內(nèi)，途徑內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、北京市、山東省、江蘇省、安徽省，最后到達(dá)浙江省杭州市臨安區(qū)試驗(yàn)地點(diǎn)處，輸送高度由2000 m處降至1000 m 左右，接著又緩慢降至300 m 左右。1000 m 處氣團(tuán)的輸送軌跡為：氣團(tuán)來(lái)源于俄羅斯境內(nèi)，經(jīng)過(guò)蒙古到達(dá)國(guó)內(nèi)，途徑內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、北京市、山東省、江蘇省、安徽省，最后到達(dá)浙江省杭州市臨安區(qū)試驗(yàn)地點(diǎn)處，輸送高度由2000 m 以上降至1500 m，然后又回升至2000 m 左右，接著又降至1000 m 左右。由此可知，300 m 和1000 m 處氣團(tuán)48 h 前輸送軌跡相似，輸送距離都在1000 km 以上。由于北方地區(qū)冬季供暖的原因，故冬季黑炭的質(zhì)量濃度均值要高于夏季。

3 結(jié)論

通過(guò)個(gè)例分析，結(jié)果表明：

1）不論夏季還是冬季，上午地面黑炭的質(zhì)量濃度都會(huì)隨著邊界層的升高而降低，下午由于交通排放的增加和邊界層的降低，地面黑炭的質(zhì)量濃度會(huì)略有增加。冬季早晨黑炭易聚積，故冬季上午地面黑炭的質(zhì)量濃度日均值要遠(yuǎn)高于夏季。

2）不管是夏季還是冬季，上午和下午的兩個(gè)航次中，黑炭的質(zhì)量濃度隨著高度的增加分別顯示出了相似的變化規(guī)律。冬季上午的黑炭的質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)高于夏季上午，但下午黑炭的質(zhì)量濃度相似。

3）夏季氣團(tuán)輸送軌跡在長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)，可見(jiàn)污染物主要來(lái)源于近距離輸送，而冬季污染物主要來(lái)源于遠(yuǎn)距離輸送。