安徽省壽縣氣溶膠消光系數(shù)變化特征分析

陳玉寬,王朔,徐學(xué)哲,趙衛(wèi)雄,蓋艷波,方波,張為俊*

(1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣物理化學(xué)研究室,安徽 合肥 230031;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

0 引言

氣溶膠是由懸浮于大氣中的固體及液體微粒共同組成的多相體系[1],是大氣的重要組成部分,也是影響氣候變化的一個非常重要的因素。它對太陽輻射存在散射與吸收作用,能直接影響到地氣系統(tǒng)能量收支平衡[2-4]。Horvath[5]研究顯示,氣溶膠顆粒物對大氣光學(xué)特性(如消光系數(shù)和散射系數(shù))的影響可達(dá)99%。在不同的地區(qū)和不同天氣下,氣溶膠光學(xué)特性的變化情況也相當(dāng)復(fù)雜[6,7]。此外,大氣氣溶膠粒子還影響云降水過程。另外,氣溶膠也是大氣中的一類重要污染物,大氣中氣溶膠濃度的增長是城市空氣污染日益嚴(yán)重、能見度下降的根本原因,是目前大氣環(huán)境的研究熱點(diǎn)[8]。

消光系數(shù)是表征大氣氣溶膠顆粒物光學(xué)特性的重要參數(shù)[9],為散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和。它是研究氣溶膠輻射效應(yīng)及其對大氣污染、能見度影響的重要基礎(chǔ)。消光系數(shù)依賴于大氣中氣溶膠化學(xué)組分的含量和類別,能直接影響能見度。氣溶膠化學(xué)組分不同,其光學(xué)特性往往也不同,并且其消光貢獻(xiàn)差別很大[10]。研究表明,除了與化學(xué)組分變化密切相關(guān)外,消光系數(shù)和氣溶膠質(zhì)量濃度也有很好的相關(guān)性,因此,對消光系數(shù)的研究也是實(shí)時獲得大氣污染狀況的重要途徑。

國內(nèi)外學(xué)者針對消光系數(shù)的測量展開了一系列研究。1988年Sappey等[11]通過腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS)測量了大氣顆粒物的消光系數(shù),他們在355 nm與532 nm波長處采用研發(fā)的CRDS設(shè)備展開測量,結(jié)果表明532 nm處測得的消光截面明顯低于355 nm處測得的值;2006年Thompson等[12]采用非相干寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜(IBBCEAS)技術(shù)對氣溶膠消光系數(shù)展開測量,在實(shí)驗(yàn)室測量了587 nm波長處氣溶膠的消光系數(shù),裝置探測靈敏度達(dá)0.35 Mm-1;2007年Abo Riziq等[13]利用CRDS技術(shù)測量了不同氣溶膠在532 nm波長處的消光截面,裝置探測靈敏度達(dá)0.38 Mm-1;2011年Li等[14]在實(shí)驗(yàn)室利用CRDS技術(shù)對聚苯乙烯氣溶膠展開研究,同時對上海市的實(shí)際消光系數(shù)進(jìn)行實(shí)時測量,裝置探測靈敏度達(dá)0.61 Mm-1;2011年董美麗等[15]搭建了基于氙燈的IBBCEAS系統(tǒng),并將其應(yīng)用于532 nm波長處不同濃度氣溶膠消光系數(shù)的測量,裝置探測靈敏度達(dá)0.18 Mm-1;2016年潘孫強(qiáng)等[16]采用532 nm脈沖激光和高反射率腔鏡研制完成了一套測量氣溶膠的CRDS系統(tǒng),用于氣溶膠消光系數(shù)的測定,該裝置的探測靈敏度為0.3 Mm-1?？傮w來看,測量氣溶膠消光系數(shù)常用的技術(shù)主要包括CRDS技術(shù)以及CEAS技術(shù),這些新型高靈敏度激光光譜技術(shù)近年來發(fā)展迅速。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所自主研制了氣溶膠消光光譜儀,該儀器采用高反射率透鏡組成的高精度諧振腔,使得吸收光程增加至數(shù)千米以上,探測靈敏度高于0.2 Mm-1。另外,本儀器基于藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)的IBBCEAS技術(shù),與單波長CRDS相比,使用的寬帶光源可以同時測量多個信號,該技術(shù)能通過擬合的方法定量獲取氣溶膠消光系數(shù)和痕量氣體濃度,可較好地解決當(dāng)前儀器觀測氣溶膠時易受氣體吸收影響的問題。

本文利用氣溶膠消光光譜儀于安徽省壽縣站點(diǎn)開展長期觀測,并結(jié)合氣溶膠散射系數(shù)、PM2.5質(zhì)量濃度及風(fēng)向風(fēng)速等分析了觀測結(jié)果的時間序列變化及日變化規(guī)律,同時比較了消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度、散射系數(shù)的相關(guān)關(guān)系,以及風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ谠撜军c(diǎn)消光系數(shù)的影響。本文的工作可為安徽省壽縣大氣氣溶膠的污染防治以及大氣消光系數(shù)的建模提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 觀測站點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 觀測站點(diǎn)

觀測站點(diǎn)選擇位于安徽省中部的壽縣國家氣候觀象臺(32°25′47.8′′N,116°47′38.4′′E),如圖1所示。本站點(diǎn)地處淮河流域的南岸,屬于中國南北氣候過渡帶。由于受到東亞季風(fēng)的影響,該區(qū)域天氣狀況較為復(fù)雜,夏季和秋季潮濕多雨,冬季和春季干旱少雨,屬于我國梅雨天氣頻發(fā)區(qū)以及降水變化率最大的區(qū)域之一。壽縣國家氣候觀象臺屬于中國五個國家氣候觀象臺試點(diǎn)之一,能進(jìn)行長期、連續(xù)、立體的氣候系統(tǒng)多圈層綜合觀測。它屬于鄉(xiāng)村站點(diǎn),周圍很少受到工業(yè)和生活污染的影響,常被用作背景站點(diǎn)。除了代表東亞季風(fēng)區(qū)的基本氣候與生態(tài)條件外,另一方面,該地區(qū)也是我國農(nóng)業(yè)活動的典型地區(qū),非常適合進(jìn)行大氣光學(xué)特性的觀測與分析[17,18]。

圖1 壽縣觀測站點(diǎn)所處位置Fig.1 Location of Shouxian Observation Station

氣溶膠光學(xué)測量的采樣地點(diǎn)是壽縣觀象臺的大氣成分室,周邊為農(nóng)田,無建筑物阻擋,本地人為氣溶膠主要來源是距其約1 km省道上的機(jī)動車尾氣排放和周邊居民的生活污染,以及在農(nóng)作物收割時節(jié)和冬季取暖期間的秸稈燃燒。另外,來自周邊區(qū)域污染物的傳輸也是造成該站點(diǎn)污染事件發(fā)生的重要因素。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

觀測期間使用自主研制的氣溶膠消光光譜儀[19]進(jìn)行大氣氣溶膠消光系數(shù)測量,該光譜儀的原理與樣機(jī)圖如圖2所示。該儀器的工作波長在440～480 nm,中心波長為461 nm。實(shí)際大氣氣溶膠經(jīng)氣旋切割器(BGI,VSCC 2.654)切割并經(jīng)干燥管干燥以獲取干燥后的[相對濕度(RH)小于40%]PM2.5粒子,之后進(jìn)入消光光譜儀,采樣流量為1.3 L·min-1。光譜儀工作中使用實(shí)際大氣經(jīng)過過濾和干燥后作為腔鏡兩端保護(hù)氣,流量為0.1 L·min-1。

圖2 氣溶膠消光光譜儀原理(a)與樣機(jī)(b)Fig.2 Principle(a)and prototype(b)of aerosol extinction spectrometer

此外,壽縣國家氣候觀象臺同時具備連續(xù)觀測的氣象自動觀測站、三波長積分濁度計(Aurora 3000)、環(huán)境顆粒物分析儀(Grimm 180)。其中濁度計用于測量干燥后的大氣總懸浮顆粒物(TSP,其粒徑范圍小于100 μm)在波長為450、525、635 nm處的散射系數(shù);環(huán)境顆粒物分析儀可獲取PM10、PM2.5、PM1的質(zhì)量濃度。所有數(shù)據(jù)結(jié)果均采用北京時間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 時間序列變化

圖3為2016年5–12月壽縣觀測站點(diǎn)風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)、氣溶膠質(zhì)量濃度(MC)、散射系數(shù)bsca及消光系數(shù)bext的變化情況。由圖可知,在2016年壽縣觀測期間,6–9月份風(fēng)速較小(平均值小于2m·s-1),12月份平均風(fēng)速最大(2.6m·s-1)。春季末(5月份)受到當(dāng)?shù)亟斩捜紵录挠绊懹袀€別污染事件出現(xiàn),5月份輕度污染(24 h PM2.5平均濃度大于50 μg·m-3,小于150 μg·m-3)為16天,沒有重度污染天(PM2.5日平均濃度大于150 μg·m-3)。夏季(6、7、8月份)氣溶膠濃度、散射和消光系數(shù)處于較低水平,PM2.5濃度均低于150 μg·m-3,其中清潔天數(shù)為70天,輕度污染天氣為9天。秋季(9、10、11月份)9、10月份實(shí)測PM2.5濃度均低于150 μg·m-3,其中清潔天數(shù)為44天,輕度污染天數(shù)為32天;11月份顆粒物濃度、散射和消光系數(shù)均有增大趨勢,在某些時段有個別污染事件發(fā)生,這一方面與秋末觀測站點(diǎn)周邊的燃燒事件有關(guān),另一方面,北方供暖也是致使污染天氣增多的重要因素之一。12月份消光系數(shù)明顯高于其他月份,且波動較為明顯,說明壽縣冬季污染事件頻繁,其中清潔天氣為3天,輕度污染天氣為23天,有1天為重度污染,這與冬季觀測站點(diǎn)周邊居民的生活方式由以燃?xì)鉃橹鞯揭越斩捘静牡热紵秊橹鞯霓D(zhuǎn)變有關(guān)。此外,北方污染物的傳輸對壽縣冬季的污染事件發(fā)生也有重要影響[20]。圖4分別為PM2.5質(zhì)量濃度、氣溶膠散射系數(shù)bsca及PM2.5消光系數(shù)bext的頻率分布,其頻率最高時對應(yīng)的值分別為23.4 μg·m-3、250 Mm-1、93.8 Mm-1。

圖3 觀測期間風(fēng)速(a)、風(fēng)向(b)、氣溶膠質(zhì)量濃度(c)、濁度計多波長散射系數(shù)(d)和消光光譜儀所測460 nm處的消光系數(shù)(e)Fig.3 Wind speed(a),wind direction(b),aerosol mass concentration(c),multi-wavelength scattering coefficient by nepholemeter(d)and extinction coefficient at 460 nm measured by extinction spectrometer(e)during observation period

圖4 PM2.5質(zhì)量濃度(a)、氣溶膠散射系數(shù)(b)和消光系數(shù)(c)的頻率分布Fig.4 Frequency distribution of PM2.5 mass concentration(a),aerosol scattering coefficient(b)and extinction coefficient(c)

2.2 氣溶膠消光系數(shù)與質(zhì)量濃度及散射系數(shù)的相關(guān)性

為了檢驗(yàn)氣溶膠消光光譜儀所測得的消光系數(shù),比較了消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度、散射系數(shù)的相關(guān)性。圖5(a)展示了消光系數(shù)隨PM2.5濃度的變化趨勢,可看到兩者呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.91。圖5(b)為450 nm處散射系數(shù)與消光系數(shù)的對比結(jié)果,二者的相關(guān)系數(shù)是0.83。濁度計所測450 nm處的散射系數(shù)稍大于消光光譜儀所測的消光系數(shù),這是因?yàn)闈岫扔嬎鶞y的為干燥后實(shí)際大氣總懸浮顆粒物的散射系數(shù),而消光光譜儀所測為干燥后PM2.5的消光系數(shù)。由于兩種儀器測量的氣溶膠粒徑范圍不同,粗模態(tài)氣溶膠的增多會導(dǎo)致圖5(b)中存在部分相關(guān)性明顯變差的數(shù)據(jù)點(diǎn);此外,消光系數(shù)為氣溶膠散射和吸收系數(shù)之和,散射性氣溶膠比例增加也會導(dǎo)致這些異常點(diǎn)出現(xiàn)。

圖5 460 nm處PM2.5消光系數(shù)與質(zhì)量濃度(a)、450 nm處散射系數(shù)(b)的相關(guān)性Fig.5 The correlation of PM2.5 extinction coefficient at 460 nm with mass concentration(a)and scattering coefficient at 450 nm(b)

2.3 不同風(fēng)向?qū)?yīng)的頻率、風(fēng)速大小及氣溶膠消光系數(shù)

圖6 為觀測期間不同風(fēng)向?qū)?yīng)的頻率、平均風(fēng)速及氣溶膠消光系數(shù)變化情況,其中風(fēng)向以16個方位劃分。壽縣站點(diǎn)以東風(fēng)(E)為主,約占13%;北風(fēng)(N)所占比例最低,僅占2%。受東北偏北風(fēng)(NNE)影響時風(fēng)速較大,最大平均風(fēng)速為3m·s-1,受偏南風(fēng)影響時風(fēng)速相對較小。消光系數(shù)的平均最高值出現(xiàn)在西北風(fēng)(NW)天氣中,約為256.6 Mm-1,此時對應(yīng)的風(fēng)速大小和頻數(shù)大多處于較低水平,分別為3.7%和2m·s-1,而平均最低值出現(xiàn)在東南偏南風(fēng)(SSE)天氣中,約為176.4 Mm-1。即壽縣站點(diǎn)受西北風(fēng)影響時空氣質(zhì)量易變差,而受到東南風(fēng)影響時空氣質(zhì)量較好。類似地,Liu等[21]分析的2013–2018年平均PM2.5質(zhì)量濃度區(qū)域分布結(jié)果表明,壽縣北部與西北部污染更為嚴(yán)重,而東南部PM2.5質(zhì)量濃度則偏低。

圖6 不同風(fēng)向?qū)?yīng)的頻率(a)、風(fēng)速(b)及消光系數(shù)(c)Fig.6 Wind frequency(a),wind speed(b)and extinction coefficient(c)under different wind directions

2.4 日變化

觀測期間壽縣站點(diǎn)風(fēng)速(WS)、氣溶膠質(zhì)量濃度(MC)以及散射系數(shù)bsca和消光系數(shù)bext日變化情況如圖7所示?？梢钥闯?壽縣站點(diǎn)風(fēng)速日出后增加,在14:00前后達(dá)到最高值(2.9m·s-1),午后開始減小,18:00之后穩(wěn)定在1.5m·s-1左右。PM2.5質(zhì)量濃度、實(shí)際大氣氣溶膠散射系數(shù)和PM2.5消光系數(shù)與風(fēng)速的日變化呈相反趨勢,它們均在日出后開始減小,午后有最低值,分別為39.5 μg·m-3、504 Mm-1和178 Mm-1,這是因?yàn)殡S著日間邊界層的發(fā)展,向上的湍流輸送使得近地面氣溶膠含量減少;15:00之后,邊界層高度持續(xù)降低,氣溶膠在底層累積,地面觀測的氣溶膠濃度增大;夜間人為活動減少,氣溶膠濃度和光學(xué)觀測值趨于平穩(wěn)。

圖7 風(fēng)速(a)、PM2.5質(zhì)量濃度(b)、450 nm處實(shí)際大氣氣溶膠散射系數(shù)(c)和460 nm處PM2.5消光系數(shù)(d)的日變化規(guī)律Fig.7 Daily variation of wind speed(a),PM2.5 mass concentration(b),actual atmospheric aerosol scattering coefficient at 450 nm(c)and PM2.5 extinction coefficient at 460 nm(d)

3 結(jié)論

觀測期間,利用消光光譜儀測定了壽縣站點(diǎn)大氣中干燥后PM2.5的消光系數(shù)。同時,綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素、PM2.5質(zhì)量濃度和散射系數(shù)等,探究了壽縣站點(diǎn)的大氣污染特征和氣溶膠光學(xué)特性,結(jié)果表明:

1)壽縣地區(qū)大氣消光系數(shù)時間序列變化與日變化特征明顯,且受到氣象要素影響明顯。該站點(diǎn)秋冬季節(jié)的消光系數(shù)、PM2.5質(zhì)量濃度及散射系數(shù)顯著增大,在12月份出現(xiàn)最大值,這與壽縣周邊居民冬季生活方式的轉(zhuǎn)變有關(guān)。從日變化來看,消光系數(shù)、PM2.5質(zhì)量濃度及散射系數(shù)均是在白天波動較大,并在午后出現(xiàn)最低值,而在夜間則趨于平穩(wěn),其中消光系數(shù)的日變化最大值出現(xiàn)在早上08:00左右,最小值出現(xiàn)在下午16:00左右。

2)氣溶膠消光光譜儀所測消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度和濁度計所測氣溶膠散射系數(shù)變化趨勢一致,與PM2.5質(zhì)量濃度和450 nm處氣溶膠散射系數(shù)呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別是0.91和0.83,說明研制的消光光譜儀同其他商用儀器的測量結(jié)果具有很好的一致性。