張祥志，王自發(fā)，謝品華，王晨波，劉建軍，杜嵩山，何 源，湯莉莉

1．江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇南京210036

2．中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029

3．中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽合肥230031

4．濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濟(jì)南250013

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，大氣污染問題逐漸突出，持續(xù)性重污染事件頻發(fā)［1-2］。針對(duì)區(qū)域性大氣污染問題，通常采用地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)觀測(cè)結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)，研究區(qū)域大氣污染特征［3］。但為了進(jìn)一步掌握了區(qū)域大氣污染分布和輸送規(guī)律，提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大氣深度觀測(cè)解析和模式預(yù)報(bào)能力，走航觀測(cè)是解決此類問題的有效手段［4］。此類觀測(cè)可提供較大范圍的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。其中激光雷達(dá)、差分吸收光譜技術(shù)在氣溶膠、痕量氣體的垂直分布監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用［5］。

運(yùn)用被動(dòng)DOAS技術(shù)，將天頂太陽散射光作為光源，通過測(cè)量天頂紫外/可見吸收光譜來研究整層大氣中痕量氣體的垂直柱密度和空間分布情況，其實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，得到國內(nèi)外研究者的青睞。Galle等人使用被動(dòng)DOAS技術(shù)研究了火山排放氣體的成分組成情況［6］。McGonigle等人則用該技術(shù)對(duì)污染源污染氣體的排放進(jìn)行了測(cè)量［7］。陳敏東等利用AML-3車載式大氣環(huán)境污染激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)近地面、高空的O3時(shí)空分布及溫度、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，總結(jié)北京地區(qū)的臭氧污染分布及影響因子［8］。謝晨波等研制車載式拉曼－米散射激光雷達(dá)，用于大氣能見度、垂直對(duì)流層氣溶膠和水汽混合比的探測(cè)［9］。謝品華、李昂等利用車載被動(dòng)DOAS系統(tǒng)在奧運(yùn)前后分賽前和賽時(shí)不同時(shí)段，對(duì)北京市某大型鋼鐵企業(yè)污染氣體的排放通量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，采用圍繞區(qū)域一周連續(xù)進(jìn)行測(cè)量的方法，根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速，判斷進(jìn)、出該區(qū)域通量的差獲得凈通量［10］。吳豐成等利用車載DOAS技術(shù)分別在上海世博和廣州亞會(huì)期間，對(duì)上海及廣州重點(diǎn)工業(yè)區(qū)SO2、NO2進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與站點(diǎn)點(diǎn)式儀器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比［11-12］。但這些研究存在時(shí)間較短或者觀測(cè)范圍小等缺點(diǎn)。

為了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來源、時(shí)空分布和輸送規(guī)律，測(cè)試空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式模擬能力，江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合中科院大氣物理所、中科院安徽光機(jī)所、南京大學(xué)、南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站等15家單位，運(yùn)用4輛走航觀測(cè)車，開展了為期一個(gè)月的夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測(cè)，觀測(cè)區(qū)域覆蓋江蘇沿江8市及安徽部分地區(qū)。該次走航觀測(cè)有力支撐了亞青會(huì)的空氣質(zhì)量保障，為2014年青奧會(huì)空氣質(zhì)量保障積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 走航觀測(cè)方法

1.1 觀測(cè)原則

該次走航觀測(cè)原則上按照“三橫三縱”(見圖1)框架開展，該框架依托江蘇發(fā)達(dá)的高速公路網(wǎng)，綜合考慮夏季季風(fēng)、污染物傳輸通道和固定測(cè)站分布情況，觀測(cè)區(qū)域覆蓋了南京及其周邊區(qū)域。在實(shí)際走航觀測(cè)工作中，具體時(shí)間和路線則是在框架內(nèi)結(jié)合固定測(cè)站和模式預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高觀測(cè)的針對(duì)性和目的性。如固定測(cè)站和模式預(yù)報(bào)觀測(cè)到某地區(qū)的大氣污染物濃度明顯上升，那么監(jiān)測(cè)車即從南京出發(fā)，沿著框架路線向該地區(qū)行駛，并沿途進(jìn)行觀測(cè)，達(dá)到目的地后，再對(duì)目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行環(huán)繞掃描;如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，還可以進(jìn)行固定點(diǎn)位的觀測(cè)。

圖1 夏季聯(lián)合強(qiáng)化觀測(cè)期間移動(dòng)觀測(cè)主要路線

1.2 觀測(cè)目的

觀測(cè)目的主要分兩個(gè)方面。一是了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)大氣污染物的來源、時(shí)空分布;二是了解南京及周邊地區(qū)夏季光化學(xué)污染物臭氧的傳輸特征。

1.3 觀測(cè)方案

1.3.1 南京及周邊地區(qū)移動(dòng)觀測(cè)

根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果，出動(dòng)4輛觀測(cè)車，沿“三橫三縱”路線開展走航觀測(cè)，從而了解亞青會(huì)期間南京及周邊地區(qū)主要污染物的整體空間分布和輸送規(guī)律，并與模式互相校驗(yàn)比對(duì)。

中科院大氣物理研究所的移動(dòng)觀測(cè)車將主要以觀測(cè)各污染氣體為主，包括 NO、NO2、NOx、O3、SO2、CO等。濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站移動(dòng)觀測(cè)車則主要以氣溶膠激光雷達(dá)(ASL 300)和多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)(WLS 70)觀測(cè)為主，以獲取垂直方向上的氣溶膠消光系數(shù)和氣象參量為主。因此大氣所和濟(jì)南環(huán)境監(jiān)測(cè)中心兩輛移動(dòng)觀測(cè)車可以互相輔佐，同時(shí)兼顧地面和垂直，進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)。

中科院安徽光機(jī)所兩臺(tái)移動(dòng)監(jiān)測(cè)車，SOFFTIR，DOAS及風(fēng)廓線儀等污染源排放測(cè)量系統(tǒng)，與大氣所移動(dòng)觀測(cè)車統(tǒng)一協(xié)調(diào)，沿著不同的路線，對(duì)區(qū)域和城市上空的VOC、SO2、NO2等進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得區(qū)域SO2、NO2柱濃度水平分布圖，揭示區(qū)域/城市的污染氣體的水平分布特征。

1.3.2 重點(diǎn)工業(yè)區(qū)污染源排放移動(dòng)監(jiān)測(cè)

沿工業(yè)區(qū)周邊/界面開展走航觀測(cè)，獲得測(cè)量路徑上 SO2、NO2、VOC、NOx、O3等光化學(xué)污染前體物的分布，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬得到工業(yè)區(qū)的污染氣體排放通量，所獲取的數(shù)據(jù)用于更新數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的污染源排放清單。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

走航觀測(cè)自2013年8月4—23日，共累積開展了20個(gè)工作日的測(cè)量，走航行程超過了1 000 km，獲取了大量有效數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步綜合分析，初步揭示了以下2個(gè)結(jié)論。

2.1 內(nèi)源是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素

亞青會(huì)期間，雖然南京市采取了一定的管控措施，但內(nèi)源仍是影響南京市空氣質(zhì)量的主要因素。南京內(nèi)環(huán)走航觀測(cè)結(jié)果顯示(圖2)，機(jī)動(dòng)車排放對(duì)NO2貢獻(xiàn)明顯，尤其在機(jī)動(dòng)車流量密集地區(qū)，影響尤為明顯。南京小繞城走航觀測(cè)結(jié)果顯示(圖3)，南京揚(yáng)子石化等工業(yè)區(qū)排放的SO2、NO2明顯高于主城區(qū)，在東北風(fēng)作用下，會(huì)影響南京市區(qū)空氣質(zhì)量。

圖2 南京內(nèi)環(huán)走航觀測(cè)大氣污染物特征

圖3 南京小繞城走航觀測(cè)NO2、SO2特征

2.2 外源輸入對(duì)江蘇省空氣質(zhì)量有重要影響

江蘇地處平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，無論是來自北方沙塵的影響，還是來自南部污染物擴(kuò)散，都會(huì)直接影響到江蘇，從而使該省成為南北大氣污染物主要輸送通道。蘇南地區(qū)走航觀測(cè)結(jié)果顯示，8月份南通、蘇州兩市O3重污染天氣除受內(nèi)源影響外，來自省外東南方向的外源輸送貢獻(xiàn)不可小覷(圖4)。

從南京周邊地區(qū)走航觀測(cè)結(jié)果結(jié)合后向軌跡追蹤分析可知，受江蘇省外西南方向污染物傳輸?shù)挠绊?，南京部分地區(qū)的SO2、NO2濃度出現(xiàn)高值，見圖5。

圖4 南通市走航觀測(cè)臭氧特征

圖5 南京市周邊地區(qū)走航觀測(cè)NO2、SO2特征

3 結(jié)論

1)機(jī)動(dòng)車移動(dòng)源排放NO2對(duì)夏季南京空氣質(zhì)量影響明顯;

2)工業(yè)源排放的SO2、NO2對(duì)南京主城區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響;

3)造成南京及周邊區(qū)域夏季臭氧污染的原因一方面是由于內(nèi)源排放，另一方面來自省外東南方向的污染物傳輸;

4)江蘇省外西南方向排放的大氣污染物，對(duì)南京空氣質(zhì)量影響明顯。

［1］鐘流舉，鄭君瑜，雷國強(qiáng)，等．空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2007，23(2)：112-118．

［2］劉娟．長(zhǎng)三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)的思考［J］．中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(4)：135-140．

［3］黃嫣旻，魏海萍，段玉森，等．上海世博會(huì)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和原因分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(9)：58-63．

［4］陳煥盛，王自發(fā)，吳其重，等．空氣質(zhì)量多模式系統(tǒng)在廣州應(yīng)用及對(duì)PM10預(yù)報(bào)效果評(píng)估［J］．氣候與環(huán)境研究，2013，18(9)：427-435．

［5］周海金．大氣氣溶膠與痕量氣體廓線MAX-DOAS遙測(cè)方法研究［D］．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013．

［6］Galle B，Oppenheimer C，Geyer A，et al．A miniaturized ultraviolet spectrometer for remote sensing of SO2fluxes：a new tool for volcano surveillance［J］．Journal ofVolcanology and GeothermalResearch，2003，119(1)：241-254．

［7］McGonigle A J S，Oppenheimer C，Galle B，et al．Walking traverse and scanning DOAS measurements of volcanic gas emission rates［J］．Geophysical Research Letters，2002，29(20)：1-4．

［8］嚴(yán)茹莎，陳敏東，高慶先，等．北京夏季典型臭氧污染分布特征及影響因子［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2013，26(1)：43-49．

［9］謝晨波，韓永，李超，等．車載式激光雷達(dá)測(cè)量大氣水平能見度［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2005，17(7)：971-975．

［10］李昂，謝品華，竇科，等．奧運(yùn)期間北京某工業(yè)區(qū)排放通量的車載被動(dòng) DOAS遙測(cè)研究［J］．大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5)：341-346．

［11］吳豐成，李昂，謝品華，等．城市污染氣體分布的車載被動(dòng)差分光學(xué)吸收光譜遙測(cè)技術(shù)研究［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(3)：583-588．

［12］吳豐成，謝品華，李昂，等．基于車載 DOAS的污染氣體排放通量及區(qū)域污染氣體分布研究［J］．中國光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集，2011．