基于MAX-DOAS的淮北地區(qū)NO2柱濃度觀測研究

郭映映,齊賀香,李素文,牟福生

(淮北師范大學物理與電子信息學院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,大氣污染問題也引起廣泛關注。NO2是對流層內(nèi)重要的痕量氣體之一,其不僅嚴重影響著生態(tài)、環(huán)境和人類的身體健康,而且在酸雨、臭氧和光化學煙霧的形成過程中具有重要作用。NO2產(chǎn)生來源可以分為自然來源和人為來源,其中常見的人為來源有汽車尾氣和工廠排放[1,2]。研究NO2濃度的時空演變規(guī)律和空間分布,對掌握NO2濃度的變化趨勢和制定環(huán)境措施具有重要意義。

目前用于監(jiān)測NO2氣體的方式主要有地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測。地面監(jiān)測儀器有點式測量儀和地基被動差分吸收光譜儀等。點式測量儀監(jiān)測范圍小且無法得到大范圍的對流層NO2柱濃度分布信息[3]。光學被動式遙感監(jiān)測系統(tǒng)技術具有連續(xù)、實時、非接觸等優(yōu)勢,在環(huán)境監(jiān)測領域獲得了廣泛應用。多軸差分吸收光譜(Multi-axis differential optical absorption spectroscopy,MAX-DOAS)技術是一種新型的DOAS光學遙感技術,通過不同的仰角觀測太陽散射光來反演痕量氣體濃度[4,5]。MAX-DOAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本相對較低,有利于大規(guī)模的組網(wǎng)觀測,因此被廣泛應用于痕量氣體的監(jiān)測中[6,7]。國外不同研究組針對不同地區(qū)和反演算法開展了廣泛研究[8?10],2019年Schreier等[8]利用MAX-DOAS對奧地利維也納地區(qū)的NO2、HCHO、CHOCHO的空間和時間分布進行評估,2020年AbdulAziz等[9]利用DOAS方法測定了低濃度的NO2氣體。國內(nèi)2013年王楊等[11]研究了MAX-DOAS反演NO2等痕量氣體的對流層垂直廓線和垂直柱濃度的兩步反演方法,2014年王婷等[12]利用MAX-DOAS對華北地區(qū)香河站NO2對流層垂直柱濃度季節(jié)變化進行分析,2016年張杰等[13]利用OMI衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分析了中國中部平原地區(qū)NO2對流層柱濃度時空變化特征。本文基于2019年6月–2020年5月的MAX-DOAS觀測數(shù)據(jù)反演了淮北地區(qū)NO2對流層垂直柱濃度,分析了其月變化特征并和OMI測量結(jié)果進行對比。

1 基本原理

MAX-DOAS以太陽散射光為光源,利用氣體分子在紫外和可見波段的特征吸收得到多仰角的斜柱濃度(Slant column density,SCD)[14?16],即DSCα。由于平流層氣體的斜柱濃度基本不隨仰角的大小而發(fā)生改變,只與太陽天頂角有關,因此可以利用α≠90°時的斜柱濃度減去α=90°的柱濃度,來扣除平流層的斜柱濃度,得到差分斜柱濃度(Differential slant column density,dSCD),即DdSCα,其表達式為

再利用大氣質(zhì)量因子(Air mass factor,AMF),即FAMα,得到對流層污染物氣體的垂直柱濃度(Vertical column density,VCD),即DVC,其表達式為

FAMα可以利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN計算得到,也可以利用幾何近似的方法得到[17?19]。對于對流層吸收氣體,大氣質(zhì)量因子可以粗略地表示為

研究中采用幾何近似的方法來獲取FAMα,但是這種方法會產(chǎn)生一定的誤差。選取α=30°的仰角,來反演觀測時段內(nèi)的垂直柱濃度DVC。

2 實驗裝置

此次實驗采用的裝置是由中國科學院安徽光學精密機械研究所研制的一維MAX-DOAS[20],觀測地點(淮北師范大學物理樓,33°58′N,116°48′E)位于淮北北部郊區(qū),一維MAX-DOAS系統(tǒng)安裝在物理樓5樓樓頂,如圖1(a)所示。觀測時望遠鏡指向市區(qū)方向(方位角為177°,正北為0°)。實驗裝置分為兩部分,望遠鏡和步進電機放置在室外,光譜儀和計算機放置在室內(nèi),其中光譜儀需放置在溫度為20°C左右的溫控箱中,以減少因溫度變化對反演結(jié)果產(chǎn)生的誤差。太陽散射光通過望遠鏡匯聚,由光纖傳輸至光譜儀中獲得測量光譜,利用計算機實時、在線顯示測量的光譜,實驗裝置如圖1(b)所示。光譜儀為海洋光學的HR2000+,其分辨率為0.54 nm,波長范圍為290～420 nm。每條光譜測量100次進行平均,根據(jù)光譜的強度,自動調(diào)節(jié)積分時間,得到信噪比較高的光譜。在步進電機的轉(zhuǎn)動下望遠鏡的仰角發(fā)生改變,依次為1°、2°、3°、4°、5°、6°、8°、15°、30°、90°,一個循環(huán)大約 15 分鐘。

圖1 MAX-DOAS測量地點(a)和結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Measurement site(a)and structure diagram(b)of MAX-DOAS

3 實驗結(jié)果與對比分析

3.1 光譜反演

選取2019年6月–2020年5月觀測的光譜數(shù)據(jù)來反演NO2柱濃度,結(jié)合WINDOAS軟件利用DOAS算法,通過非線性最小二乘法在345～365 nm波段內(nèi)對測量光譜進行反演。在波長擬合過程中,允許波長有較小的漂移或擠壓,以補償由于光譜儀的不穩(wěn)定性引起的誤差。表1列出了DOAS反演過程中使用的所有氣體截面和擬合多項式的階數(shù)[21]。圖2是30°仰角測量光譜下的NO2擬合結(jié)果圖,圖中將2019年12月2日14:52的一條90°仰角的測量光譜作為夫瑯禾費參考光譜。由圖2可知,當α=30°時,NO2的DdSCα為6.35×1016molecules·cm?2,擬合的剩余噪聲為 2.15×10?3。

表1 NO2反演設置Table 1 NO2SCD retrieval fit settings

圖2 2019年12月2日14:57 30°仰角測量光譜反演示例Fig.2 Spectral retrieval example when elevation angle is 30°at 14:57 on December 2,2019

3.2MAX-DOAS和OMI NO2VCD月均值的時間序列

將MAX-DOAS 2019年6月–2020年5月期間的觀測數(shù)據(jù)進行月平均得到對流層NO2VCD月均值時序圖,如圖3(a)所示。由圖可知,NO2污染物濃度基本呈倒“U”型分布,夏季NO2柱濃度低于冬季,其中在8 月和 12 月分別出現(xiàn)了月均值最小值 (5.23×1015molecules·cm?2)和最大值 (2.13×1016molecules·cm?2)。冬季NO2濃度高的原因,一是冬季溫度低,NO2化學反應速率慢、壽命長,不易擴散,造成積累;二是冬季煤和石油等燃料使用較多,使得NO2污染物濃度增加;三是冬季大氣邊界層較低,容易出現(xiàn)逆溫,導致低空積累[12,16,25]。夏季溫度高,太陽光強度大,NO2化學分解速度快,壽命短,導致NO2濃度低[20]。觀測期間2020年2月濃度迅速下降,這是由于2月份是新冠肺炎疫情期間,交通和工業(yè)管制使得人為來源的排放大量減少。3月份開始,疫情得到初步控制,工廠復工和交通恢復導致NO2濃度又開始增加。利用OMI衛(wèi)星測量淮北地區(qū)同一時期的 NO2氣體濃度,選取經(jīng)緯度范圍為 116°23′E–117°02′E 和 33°16′N–34°14′N、格點為0.05°×0.05°、云系數(shù)FeC低于0.3的數(shù)據(jù)[26,27]。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理得到淮北地區(qū)對流層NO2VCD的時間序列,如圖3(b)所示。由圖可知淮北地區(qū)NO2對流層柱濃度在12月份月均值最大,8月份月均值最小,與MAX-DOAS地面監(jiān)測數(shù)據(jù)變化一致。

圖3 MAX-DOAS(a)和OMI(b)2019年6月–2020年5月對流層NO2VCD月均值時序圖Fig.3 Monthly mean time series of tropospheric NO2VCD observed by MAX-DOAS(a)and OMI(b)from June 2019 to May 2020

3.3 不同季節(jié)的平均日變化

圖4給出了2019年6月–2020年5月淮北地區(qū)不同季節(jié)對流層NO2VCD的平均日變化?？梢钥闯?淮北地區(qū)NO2VCD具有明顯的季節(jié)變化特征,總體表現(xiàn)為冬季濃度最高,秋季、春季次之,夏季最低。該結(jié)果與牟福生等[20]對合肥地區(qū)NO2季節(jié)變化特征的研究結(jié)果一致。對流層NO2VCD日變化在不同季節(jié)變化趨勢不同,在上午相差較小,下午差異較大。其中夏季NO2VCD普遍偏低,日變化最明顯;冬季NO2VCD普遍偏高,濃度持續(xù)增加,最高值出現(xiàn)在傍晚;春季和秋季均在上午和傍晚出現(xiàn)高值。這主要是因為四季溫度不同,導致NO2化學反應的速率不同。另一方面,上午溫度普遍低于下午溫度,導致下午NO2分解速率加快,濃度下降。

圖4 2019年6月–2020年5月不同季節(jié)對流層NO2VCD平均日變化Fig.4 Mean diurnal variations of tropospheric NO2VCD in averaged for different seasons from June 2019 to May 2020

3.4 幾何近似計算FAMα的誤差分析

為了驗證由幾何近似計算FAMα對反演結(jié)果的影響,這里給出了15°和30°兩個不同的觀測角度,計算得到2019年12月5–7日(晴天)07:00–17:00對流層NO2VCD,結(jié)果如圖5(a)所示。理論上不同的觀測角度得到的VCD應該是相同的。由圖可以看出,利用幾何近似計算得到的NO2VCD,在15°和30°觀測角度下的變化趨勢一致,并且NO2VCD的日均值[圖5(b)]相差較小,所得到的NO2VCD的誤差在10%以內(nèi)。表明利用幾何近似在晴朗天氣情況下,可以簡單有效地計算NO2VCD。

圖5 對流層NO2VCD在15°和30°觀測角度下的日變化(a)和日均值(b)Fig.5 Diurnal variations(a)and daily averaged value(b)of tropospheric NO2VCD at the observation angle of 15°and 30°

3.5 對流層NO2VCD高值月份濃度來源分析

對比MAX-DOAS和OMI觀測得到的對流層NO2VCD月均值時序圖,發(fā)現(xiàn)兩者都在2019年11和12月份達到高值。為分析高值產(chǎn)生的原因,基于OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出淮北及其周邊地區(qū)2019年11和12月份對流層NO2VCD月均值的空間分布(圖6),發(fā)現(xiàn)淮北市東北方向的徐州地區(qū)NO2污染物濃度較高,其他方向NO2污染物分布比較均勻。

圖6 OMI觀測淮北及其周邊地區(qū)2019年11月和12月對流層NO2VCD月均值分布Fig.6 Monthly mean distribution of tropospheric NO2VCD observed by OMI in November(a)and December(b),2019 in Huaibei and its surrounding areas

結(jié)合風場軌跡模型(Hybrid single particle lagrangian integrated trajectory,HYSPLIT)[28]分析了11月份和12月份觀測區(qū)域500 m高度風場對污染的影響(圖7)。模型中設置時間為08:00–16:00,軌跡間隔2小時。11月份主要為東南風場(占比63%)和西北風場(占比38%),如圖7(a)所示;12月份主要為偏北風場(占比86%)和偏南風場(占比14%),如圖7(b)所示。結(jié)果表明,淮北地區(qū)11月份NO2污染物濃度受徐州地區(qū)影響較小,可認為是本地積累;12月份徐州地區(qū)污染物濃度在東北風場(49%)的作用下向淮北地區(qū)輸送,導致淮北地區(qū)NO2污染物濃度增加。

圖7 2019年11月份(a)和12月份(b)風場后向軌跡分析Fig.7 Backward trajectory analysis of wind field in November(a)and December(b)2019

3.6MAX-DOAS測量對流層NO2VCD與OMI對比

圖8給出了淮北地區(qū)MAX-DOAS地面儀器測量和OMI衛(wèi)星測量2019年12月份每天12:00–14:00對流層NO2VCD的時序?qū)Ρ葓D[圖8(a)]和相關性圖[圖8(b)],其中OMI衛(wèi)星測量包括云系數(shù)為0

圖8 MAX-DOAS和OMI 12月份對流層NO2VCD日均值對比(a)和相關性(b)Fig.8 Tropospheric NO2VCD daily averaged value comparison between MAX-DOAS and OMI in December 2019(a)and the correlation coefficient between them(b)

4 結(jié) 論

基于MAX-DOAS觀測淮北地區(qū)從2019年6月–2020年5月期間的NO2VCD,分析了淮北地區(qū)NO2VCD的月均值變化特征,并與OMI衛(wèi)星測量結(jié)果進行對比。測量結(jié)果表明,MAX-DOAS和OMI測量的NO2污染物濃度基本都呈倒“U”形分布。由淮北地區(qū)對流層NO2VCD高值月份的空間分布可知,淮北地區(qū)11月和12月份東北方向污染物濃度較重,其他方向濃度分布均勻。分析11月和12月份淮北地區(qū)的風場可知,淮北地區(qū)11月份高值是由本地積累產(chǎn)生,12月份高值是受到徐州地區(qū)的影響。將12月份MAX-DOAS和OMI云系數(shù)分別為0