劉玉婷,鄔明權(quán),牛錚,黃文江
(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司,長沙 410007;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;3.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;4.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中尺度范圍約為10-3~102μm的固態(tài)、液態(tài)微粒與氣態(tài)載體共同組成的多相體系。大氣氣溶膠不僅對氣候系統(tǒng)存在直接和間接輻射強(qiáng)迫[1],同時(shí)也對局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境以及人類健康產(chǎn)生危害,并通過參與大氣中的化學(xué)作用,對全球氣候變化產(chǎn)生重要的影響[2]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,北京地區(qū)人為排放的氣溶膠對生態(tài)環(huán)境以及人類生活的影響增大。為解決北京空氣質(zhì)量問題,國家及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門針對性地提出了相應(yīng)的政策及治理措施。開展氣溶膠光學(xué)特性與長時(shí)序特征及原因分析,有助于了解近十幾年北京地區(qū)氣溶膠時(shí)序變化趨勢,以及環(huán)境政策和措施對氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)的影響。
利用多波段光度計(jì)監(jiān)測氣溶膠光學(xué)厚度具有精度高、時(shí)間連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),是目前氣溶膠監(jiān)測手段中最準(zhǔn)確的方法。氣溶膠地基遙感觀測網(wǎng)絡(luò)(aerosol robotic network,AERONET)數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星遙感結(jié)果檢校。鄔明權(quán)等[3]將MODIS氣溶膠產(chǎn)品與實(shí)測氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,顯示AOD_550與實(shí)測觀測的氣溶膠變化相似;齊玉磊等[4]利用MODIS和MISR與地面AERONET數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,來確定不同傳感器(MISR和MODIS)觀測的氣溶膠光學(xué)厚度在我國北方地區(qū)的精度以及適用性;楊東旭等[5]使用北京站、香河站、北京_CAMS站和北京_RADI站數(shù)據(jù)對所提出的高反射率地區(qū)氣溶膠反演算法的結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。AERONET數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于氣溶膠性質(zhì)研究,王曉玲等[6]利用AERONET數(shù)據(jù)資料深入了解了香河地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性。
然而,這些研究多為對研究區(qū)氣溶膠的反演及其精度驗(yàn)證,或基于AERONET觀測網(wǎng)站年均值進(jìn)行時(shí)序分析,基于季節(jié)尺度更精細(xì)的長時(shí)序及區(qū)域AERONET氣溶膠數(shù)據(jù)光學(xué)特性的原因分析研究較少。針對這一問題,本文使用北京地區(qū)4個(gè)AERONET站點(diǎn)(北京(2005—2018年)、北京_RADI(2010—2018年)、北京_CAMS(2013—2018年)和北京_PKU(2016—2018年))月均值地基氣溶膠數(shù)據(jù),使用統(tǒng)計(jì)方法分析該區(qū)域氣溶膠類型特性以及AOD的年內(nèi)、季節(jié)、長時(shí)序變化特征,并結(jié)合環(huán)保相關(guān)政策、措施以及重大事件等影響因素進(jìn)行分析。
北京市污染物排放總量較高,且處于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位,地形呈“簸箕型”,不利于污染物擴(kuò)散,該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,降水季節(jié)分配很不均勻,全年降水量的80%集中在夏季6—8月[7]。在此背景下,一旦氣象條件轉(zhuǎn)差,很容易形成區(qū)域性重污染[8]。
4個(gè)站點(diǎn)的地理位置分別為:北京站(39.977°N,116.381°E)、北京_RADI站(40.005°N,116.379°E)、北京_CAMS站(39.933°N,116.317°E)、北京_PKU站(39.992°N,116.310°E)。
AERONET網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用法國CIMEL公司標(biāo)準(zhǔn)太陽光度計(jì)和極化太陽光度計(jì)兩種。由于該站點(diǎn)數(shù)據(jù)每年都會因?yàn)閮x器標(biāo)定有部分缺測,缺測的數(shù)據(jù)會一定程度上影響分析結(jié)果,因此本文主要使用AERONET的1 020、870、675、440 nm 4個(gè)波段測量的光學(xué)厚度以及氣溶膠波長指數(shù)(α_440~870 nm)進(jìn)行分析,以便更好進(jìn)行氣溶膠長期變化特征和年際變化趨勢的研究。本次分析同時(shí)使用了1.5級(云掩碼處理)與2.0級(云掩碼、校正以及質(zhì)量控制)月均值(monthly averages)數(shù)據(jù)和每日實(shí)測數(shù)據(jù)(all points)[9]。
總體技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 技術(shù)路線圖
基于文獻(xiàn)[10-12]提出的使用AOD及α進(jìn)行氣溶膠劃分的標(biāo)準(zhǔn),高嵩等[13]根據(jù)北京地區(qū)氣溶膠特點(diǎn)對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整,本研究參照該標(biāo)準(zhǔn)將氣溶膠大致分為4類。
1)AOD<0.15,α<1.4時(shí),為煤煙型氣溶膠(bituminous coal aerosol,BC);
2)AOD>0.20,α>1.3時(shí),為城市污染型氣溶膠(urban industry aerosol,UI);
3)AOD>0.30,α<1.2時(shí),為沙塵型氣溶膠(desert dust aerosol,DD);
4)剩余部分為難以簡單識別的氣溶膠類型,統(tǒng)稱為混合型氣溶膠(mixed type aerosol,MT)。
1)AOD和α_440~870 nm月均值變化特征。使用2018年北京站點(diǎn)AOD及α的月均值生成相應(yīng)的變化圖,總結(jié)該年氣溶膠的變化規(guī)律,并結(jié)合北京地區(qū)所處地理位置情況、氣候類型以及2018年北京地區(qū)天氣資訊信息,分析該站點(diǎn)年內(nèi)氣溶膠特性及原因。
2)AOD季節(jié)變化特征。將2018年北京站點(diǎn)日實(shí)測數(shù)據(jù)分別按照4個(gè)季節(jié)氣溶膠進(jìn)行統(tǒng)計(jì),季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月),將四季的氣溶膠分別劃分為4類,并得到各類氣溶膠在4個(gè)季節(jié)中的占比,總結(jié)四季的主導(dǎo)型氣溶膠以及各類氣溶膠在各季節(jié)的變化情況,并分析出現(xiàn)該特征的原因。
年內(nèi)變化特征主要分析了氣候因素對氣溶膠的影響,此外,考慮到環(huán)保政策措施從頒布實(shí)施到后續(xù)對氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)生影響是一個(gè)長期的過程,本文后續(xù)使用AOD年均值、季均值、各類型氣溶膠年占比以及四季占比進(jìn)行了長時(shí)序分析。
1)AOD年均值、季均值年際變化。作出4個(gè)站點(diǎn)的AOD年均值時(shí)序變化圖,分析各站點(diǎn)時(shí)序變化,選擇北京站站點(diǎn)數(shù)據(jù)求取各季節(jié)的季均值并得到AOD季均值的時(shí)序變化圖,在計(jì)算季均值時(shí)舍棄數(shù)據(jù)不完整的季度??偨Y(jié)變化特征并進(jìn)行原因分析。
2)各類型氣溶膠年際變化。統(tǒng)計(jì)各類型氣溶膠在每年的占比以及各類氣溶膠在各年四季的占比,總結(jié)出年占比以及季節(jié)占比的時(shí)序變化特征及規(guī)律,結(jié)合北京地區(qū)在該時(shí)間段的天氣報(bào)道資訊信息、相關(guān)政策以及重大事件進(jìn)行原因分析。
1)AOD和α_440~870 nm月均值變化特征。圖2為北京站2018年4個(gè)波長的AOD、α以及平均相對濕度的月變化特征圖。以440 nm為例,該年AOD年均值為0.71,月均值在0.29~1.49之間波動,7月AOD月均值隨著平均相對濕度的增大而增大,為全年最高(1.49),此時(shí)的平均相對濕度也為全年最高,為73.9%;其次是3月(0.96),AOD月均值最小值出現(xiàn)在12月。α年均值為1.06,全年處于0.76~1.35之間,最低值出現(xiàn)在5月,最高值出現(xiàn)在8月。北京2018年7月風(fēng)向主要為南風(fēng),風(fēng)力主要為2級,下雨天數(shù)達(dá)12 d,平均氣溫32 ℃,高溫高濕的天氣使氣溶膠表現(xiàn)出一定的吸濕性,同時(shí)來自北京南部的氣溶膠粒子也會增加氣溶膠光學(xué)厚度;3月北京地區(qū)中度污染-嚴(yán)重污染天數(shù)達(dá)8 d,輕度污染達(dá)9 d,為全年空氣污染最嚴(yán)重的月份;4月北京地區(qū)有揚(yáng)沙、浮塵天氣,即該月的α_440~870 nm值最低;冬季12月劇烈的北風(fēng)多攜帶自西伯利亞、蒙古國、東北等地的清潔氣團(tuán),一方面快速取代本地污染氣團(tuán),另一方面來自于高空的冷氣團(tuán)快速移動,增大本地混合層高度,近地層的污染物擴(kuò)散加快,從而迅速降低AOD值。
圖2 2018年氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)及平均相對濕度變化
2)AOD季節(jié)變化特征。圖3為北京站2018年各類氣溶膠在四季的占比圖。北京秋冬季供暖期間燃煤燃油排放了大量煤煙型氣溶膠使得秋冬季節(jié)煙煤型氣溶膠所占比較高。北京夏季風(fēng)向主要為偏南風(fēng),部分城市污染型氣溶膠來源于北京南部以及西南部重工業(yè)城市,同時(shí)高溫天氣促進(jìn)的“氣-?!鞭D(zhuǎn)換也會在一定程度上增加該類型氣溶膠的含量。沙塵型氣溶膠在春季占比最大,夏季其次,研究表明:北京地區(qū)的沙塵天氣的形成原因可分為周邊及遠(yuǎn)距離輸送和局地?fù)P沙兩類[14]。春季,西北地區(qū)地表土層松散、干燥,且植被覆蓋率低,蒸發(fā)量大而降水量少,大風(fēng)天氣多,沙塵主體會隨天氣系統(tǒng)的移動向處于下風(fēng)向的北京傳輸,使北京春季頻繁出現(xiàn)沙塵暴天氣。2018年初夏,內(nèi)蒙古中東部地區(qū)降水偏少,在低氣壓系統(tǒng)的作用下,沙子被吹到空中,再由高空西北風(fēng)輸送到北京,使處于初夏階段的北京仍出現(xiàn)沙塵天氣。此外,夏季是施工最頻繁的季節(jié),城市建筑工地以及裸露地表的局部揚(yáng)塵也在一定程度上增加了夏季沙塵氣溶膠的含量?;旌闲蜌馊苣z在夏季占比最高,因?yàn)橄募据^高的混合層高度有利于各種氣溶膠的混合。
圖3 各類氣溶膠在四季所占比例
1)AOD年均值、季均值年際變化。圖4為北京地區(qū)4個(gè)站點(diǎn)氣溶膠光學(xué)特性參數(shù):AOD與α_440~870 nm的年均值時(shí)序變化圖。從圖中可以看到,4個(gè)站點(diǎn)AOD年均值變化總體趨勢相似,近14年的AOD年均值呈逐年減少的趨勢,α_440~870 nm值上下波動不大,無顯著性變化,這說明北京實(shí)施的生態(tài)環(huán)境治理措施取得了積極成效。
圖4 北京地區(qū)4個(gè)站點(diǎn)氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)年均值的時(shí)序變化圖
圖5是北京站點(diǎn)AOD_440 nm季均值的時(shí)序變化圖,該圖基于北京站2005、2006、2010、2011、2013、2014、2016、2018年較為完整年份的數(shù)據(jù)(保證每月都有日實(shí)測值)。從圖5可以看出,北京站春季在2007、2010、2011、2016、2017年呈現(xiàn)明顯的低谷區(qū);夏季氣溶膠逐年上升,2008年達(dá)到峰值,然后整體呈下降趨勢;2008年前后秋季AOD在0.76~0.86之間,在2011年之后逐年降低,2018年有所回升;2008年后兩年的冬季AOD值在逐年降低。春季、夏季和冬季AOD值在2014年后都有明顯下降趨勢。
圖5 北京站AOD_440 nm季均值的時(shí)序變化圖
由于應(yīng)2008年北京奧運(yùn)會的要求,北京市在防治機(jī)動車、工業(yè)、煙煤、揚(yáng)塵污染以及生態(tài)保護(hù)和建設(shè)等方面共實(shí)施超過200項(xiàng)措施[15]。奧運(yùn)會后,我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。文獻(xiàn)[16-17]的研究也表明,2008年北京奧運(yùn)會期間的治污措施較好地提升了北京的空氣質(zhì)量,北京生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2008年前后兩年得到顯著改善,但由于2008年AERONET北京站數(shù)據(jù)大多是春季和夏季,這兩個(gè)季節(jié)的AOD值在四季中都有較高值,所以致使2008年北京站AOD年均值升高。2013年,為落實(shí)國務(wù)院《大氣污染防治行動計(jì)劃》,北京市發(fā)布實(shí)施《北京市2013—2017年清潔空氣行動計(jì)劃》,AOD_440 nm的年均值從2014年的0.80逐年下降至2017年的0.36,空氣質(zhì)量改善成效顯著。彭妍君等[18]利用模型WRF-Chem(weather research forecast-chemistry)進(jìn)行數(shù)值模擬研究也發(fā)現(xiàn),“大氣十條”政策的實(shí)施對空氣質(zhì)量的影響起了主導(dǎo)作用,約占大氣氣溶膠-輻射相互作用減弱導(dǎo)致全國平均PM2.5濃度下降的88%。
2)各類型氣溶膠年際變化。圖6為4類氣溶膠的年占比變化圖,煙煤型氣溶膠的年占比在2006—2010年、2012—2014年呈現(xiàn)低谷區(qū),在2015—2017年上升,2018年開始下降。城市污染型氣溶膠的年占比在2006、2009、2010年分別為14.12%、20.45%、19.12%,在2015年之后年占比下降至30%以下。混合型氣溶膠年占比在2008年最低,其值為23.39%,在其余年份上下波動幅度不大。沙塵型氣溶膠年占比在14年間整體呈下降的趨勢,在2010年后下降至30%以下,甚至在2016、2017年降至20%以下。2018年煙煤型氣溶膠和城市污染型氣溶膠均相對于2017年有所下降,但是由于2018年春季的3個(gè)月均不同程度上受到沙塵天氣的影響,導(dǎo)致空氣質(zhì)量爆表,因此沙塵型氣溶膠年占比從2017年的14.25%升高到2018年的29.65%,最終導(dǎo)致2018年AOD年均值升高。
圖6 4類氣溶膠在各年的占比變化圖
圖7為各類氣溶膠在四季中的年際變化,從圖7(a)中可以看到,在2005—2010年的春季,沙塵型氣溶膠占主導(dǎo)地位,2011年春季開始出現(xiàn)混合型氣溶膠占比比沙塵型氣溶膠高的情況,沙塵型氣溶膠的占比在2014—2017年下降幅度較大,且在2017年的春季取得最低占比23.99%。同時(shí)可以看到在春季中,煙煤型氣溶膠的占比普遍為最低,均在20%以下。
從圖7(b)中可以看到,在2011年后,夏季沙塵型氣溶膠占比急劇下降,降至21.30%以下;城市污染型氣溶膠的占比在2007—2009年呈下降趨勢,隨后變化曲線呈“M”型,兩個(gè)峰值出現(xiàn)在2012和2014年,該類氣溶膠在近3年的占比保持在40.30%以下;煙煤型氣溶膠在2005—2014年間的占比都在20%以下;混合型氣溶膠相比其他3類波動較小,一般保持在20%~30%之間。
北京市于2011年落實(shí)《北京清潔空氣行動計(jì)劃(2011—2015年大氣污染控制措施)》,嚴(yán)格控制施工揚(yáng)塵污染,在一定程度上降低了沙塵型氣溶膠的占比。2005年,國務(wù)院批準(zhǔn)首鋼實(shí)施搬遷、結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境治理方案。2007年,八部門聯(lián)合發(fā)布了《北京市關(guān)于加快退出高污染、高耗能、高耗水工業(yè)企業(yè)的意見》[19]。同時(shí),北京在2008年奧運(yùn)期間對機(jī)動車也采取了限行等相關(guān)措施,趙曉光等[20]對奧運(yùn)會前及奧運(yùn)會后限行時(shí)期進(jìn)行同期比較,發(fā)現(xiàn)在限行政策實(shí)施期間,北京城市大氣中的二氧化氮和可吸入顆粒物的濃度均有所降低,北京市機(jī)動車限行政策的實(shí)行對空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)有一定的貢獻(xiàn),使得城市污染型氣溶膠的占比在奧運(yùn)會的前后逐漸下降。2013年《大氣污染防治行動計(jì)劃》啟動以來,以控車減油為重點(diǎn),進(jìn)行行業(yè)車輛結(jié)構(gòu)調(diào)整。在工業(yè)企業(yè)整治調(diào)退工作方面,《關(guān)于建設(shè)項(xiàng)目主要污染物總量控制管理有關(guān)規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》加快推進(jìn)污染企業(yè)退出,2014年后城市工業(yè)型氣溶膠在夏季的占比逐漸下降。
從圖7(c)中可以看到,秋季總地來看,4類氣溶膠占比在2013年以后都保持在35%以下,且相互之間的差值也相對減少。北京的秋季天氣靜穩(wěn),沙塵型氣溶膠、城市污染型氣溶膠、煙煤型氣溶膠變化規(guī)律不明顯。
圖7(d)為各類氣溶膠在冬季的年際變化,煙煤型氣溶膠在2006、2007、2009、2010、2013年呈現(xiàn)明顯的低谷區(qū),所占比例在13%~17%之間,在其余年份里該類氣溶膠多為冬季的主導(dǎo)氣溶膠,其在2018年冬季所占比例相對2017年有所下降;在2006、2010、2014年,城市污染型氣溶膠的低谷區(qū)與煙煤型氣溶膠相似;沙塵型氣溶膠在2010年后為冬季占比最低的氣溶膠;在煙煤型氣溶膠與城市污染型氣溶膠同時(shí)進(jìn)入低谷區(qū)時(shí),混合型氣溶膠在冬季所占比例較高。
圖7 各類氣溶膠在四季中的占比變化
2013年《大氣污染防治行動計(jì)劃》將工業(yè)作為污染源之一首先進(jìn)行管制,京津冀區(qū)域也對此展開了一次“空氣凈化運(yùn)動”,城市污染型氣溶膠在冬季的占比降低,但北京冬季的煙煤型氣溶膠占比并沒有因此降低,因?yàn)?013發(fā)布的《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》中所提到煤改氣本身成本較高,一般發(fā)生在北方重污染區(qū)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域,此舉措對空氣質(zhì)量的影響并不顯著。另一方面,該細(xì)則并沒有要求禁絕農(nóng)村和城鄉(xiāng)結(jié)合部的村莊采用散煤采暖,散煤燃燒不充分,排放的煙氣中顆粒物的平均濃度高[21]。2016年,十三五計(jì)劃要求到2020年實(shí)現(xiàn)北京整個(gè)平原地區(qū)“無煤化”,削減散煤被放到了第一位[22],近兩年煙煤型氣溶膠在冬季的占比開始降低。
結(jié)合城市氣溶膠光學(xué)厚度以及氣溶膠波長指數(shù)可以反映大氣污染的污濁程度,在北京地區(qū)4個(gè)站點(diǎn)的地基原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對氣溶膠進(jìn)行分類并使用統(tǒng)計(jì)方法分析了氣溶膠光學(xué)厚度與氣溶膠波長指數(shù)的年內(nèi)、季節(jié)、時(shí)序變化特征,得到的主要結(jié)論如下。
1)北京地區(qū)2018年氣溶膠光學(xué)厚度的最大值在夏季7月,該季節(jié)的主導(dǎo)型氣溶膠為城市污染型氣溶膠,主要是由于夏季南風(fēng)對污染物的區(qū)域性輸送和“氣-?!鞭D(zhuǎn)換會在一定程度上增加AOD值。北京春季揚(yáng)沙、浮塵天氣較多,AOD值也相對較高,主導(dǎo)型氣溶膠為沙塵型氣溶膠。冬季12月AOD值最小,該季節(jié)主導(dǎo)型氣溶膠為煙煤型氣溶膠,冬季的采暖會加大污染物排放量。
2)北京地區(qū)近14年的AOD年均值整體呈逐年減少的趨勢,AOD_440 nm的年均值在2017年達(dá)到該時(shí)間段內(nèi)最低值0.36,在一定程度上說明北京實(shí)施的生態(tài)環(huán)境治理措施取得了積極成效。
3)2013年《大氣污染防治行動計(jì)劃》出臺使得空氣質(zhì)量得到改善,北京地區(qū)AOD年均值、春季、夏季和冬季的季均值在2014年后下降趨勢明顯,此外,由于在該計(jì)劃中,工業(yè)作為污染源之一首先受到管制,城市污染型氣溶膠在夏季、秋季和冬季的占比也呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。
4)京津冀地區(qū)以北京奧運(yùn)會環(huán)境質(zhì)量保障為重點(diǎn),扎實(shí)推進(jìn)污染減排,使得北京地區(qū)城市污染型氣溶膠年占比和季節(jié)占比、沙塵型氣溶膠年占比、煙煤型氣溶膠的年占比和季節(jié)占比均在2008年前后的一至兩年內(nèi)都出現(xiàn)低谷區(qū),進(jìn)一步說明了環(huán)保工作取得了積極成效。
5)由于我國積極采取多種防風(fēng)固沙的有效措施,同時(shí)對道路、裸地和工地等區(qū)域的揚(yáng)塵采取有效管控,減少了空氣中揚(yáng)塵的含量,使得沙塵型氣溶膠在春季、夏季、冬季都整體呈下降趨勢。
氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空變化具有一定的規(guī)律性,氣象要素對其影響明顯且復(fù)雜,后期可對氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征與溫度、濕度、降水量等多種氣象要素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析,也可使用遙感數(shù)據(jù)分析2005—2018年北京市氣溶膠光學(xué)厚度趨勢,并與本研究結(jié)果進(jìn)行對比。