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廣州市春季一次沙塵天氣過程綜合觀測

2017-11-07 11:22劉文彬黃祖照陳彥寧鄺俊俠張金譜邱曉暖
中國環(huán)境監(jiān)測 2017年5期
關鍵詞:消光過境偏振

劉文彬,黃祖照,陳彥寧,鄺俊俠,張金譜,邱曉暖

廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030

廣州市春季一次沙塵天氣過程綜合觀測

劉文彬,黃祖照,陳彥寧,鄺俊俠,張金譜,邱曉暖

廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030

2017年4月21—23日廣州市經歷了一次遠距離傳輸的沙塵天氣過程,為了解沙塵過程對廣州市空氣質量的影響,基于廣州市大氣超級站,利用單顆粒氣溶膠質譜(SPAMS)、氣溶膠激光雷達觀測數據并結合HYSPLIT后向軌跡模型分析了沙塵過程細顆粒物組分及污染來源貢獻變化和沙塵氣溶膠的來源及路徑。結果表明:受沙塵過境影響,PM10濃度大幅升高,PM2.5/PM10最小值僅為12.1%;沙塵過境期間影響近地面顆粒物的沙塵高度主要分布在1 km以下區(qū)域,近地面顆粒物消光系數均值為100.11 Mm-1,探測到最大退偏振比為0.28。SPAMS研究發(fā)現沙塵過境期間含硅酸鹽顆粒物(SI)的細顆粒物數濃度比例達25.9%,是沙塵過境前的1.4倍;PM2.5中揚塵貢獻率明顯增大,達到了17.3%,是沙塵過境前的 1.9倍。后向軌跡模型HYSPLIT顯示此次沙塵為典型的北方沙塵傳輸,沙塵源自中國西北地區(qū),傳輸方向為自西北輸送至華東地區(qū)后,轉為東南方向影響廣州市。

沙塵;PM2.5;激光雷達;單顆粒氣溶膠質譜;來源解析

氣溶膠是指液態(tài)或固態(tài)微粒均勻散布在氣體中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系,其粒徑區(qū)間為0.001~100 μm,氣溶膠在諸多的大氣過程中扮演著重要角色,與大氣環(huán)境中許多物理化學過程的發(fā)生和大氣輻射傳輸密切相關,是大氣邊界層的垂直結構和時空變化觀測的天然載體[1-3]。沙塵天氣是由于強風將地面沙塵卷到空中,在特定大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的一種災害性天氣[4]。每年春季從中國西北沙漠源區(qū)因強風攜卷地面沙塵,并在大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的沙塵氣溶膠遠距離傳輸影響范圍較廣,尤其是對其傳輸影響的下游地區(qū)環(huán)境空氣質量影響較大[5-6]。近年來,國內外很多學者開展了大量沙塵天氣過程及其對大氣顆粒物污染影響的研究,馮鑫媛等[7]研究發(fā)現2000—2008年中國北方環(huán)保重點城市春季顆粒物高污染狀況主要與沙塵天氣有關,影響程度自西向東降低。楊欣等[8]對北京市2013年春季沙塵過程進行了研究,比較了霾-沙交替的污染差異。劉文彬等[9]研究廣州2013年春季浮塵天氣過程,分析了沙塵傳輸路徑及對廣州空氣質量的影響。但在珠三角地區(qū)利用多種在線手段監(jiān)測沙塵傳輸過程及對顆粒物的污染貢獻研究的報道較少。

研究利用在線高分辨率觀測手段,針對2017年4月21—23日廣州市出現的沙塵天氣過程,對PM2.5、PM10、消光及退偏振比垂直分布、顆粒物組分等進行在線監(jiān)測,并利用SPAMS在線源解析系統(tǒng)分析了沙塵天氣過程PM2.5主要化學成分及其污染來源貢獻,以期為廣州市大氣細顆粒物精細化治理和空氣質量持續(xù)改善提供科學支撐。

1 實驗部分

1.1采樣時間與地點

采樣時間為2017年4月21—23日,采樣地點為廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站大氣超級站(地理坐標為23°07′59″N,113°15′35″E)。該地點位于廣州市中心,周圍無建筑遮擋,視野開闊,周圍無明顯工業(yè)污染源,觀測結果能夠反映廣州城區(qū)大氣污染特征。

1.2監(jiān)測儀器

采用美國BAM-1020顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測PM10和PM2.5質量濃度,數據分辨率為1 h;采用美國Aethalometer-AE31黑碳儀監(jiān)測黑碳質量濃度,使用880 nm光源,黑碳質量衰減系數(σ)取16.6 m2/g,數據分辨率為5 min;采用澳大利亞Aurora 1000 Nephelometer積分式濁度儀監(jiān)測大氣氣溶膠散射系數,波長為525 nm,測量范圍為0~2 000 Mm-1,積分角度為10°~170°;采用SPAMS 0525在線單顆粒氣溶膠質譜儀(中國)監(jiān)測PM2.5化學組分及進行PM2.5來源解析,設置儀器時間分辨率為1 h;采用高能偏振-米散射雷達監(jiān)測氣溶膠消光及退偏振比,工作波長為532 nm,垂直分辨率為7.5 m,有效探測高度主要受天氣狀況影響,激光雷達數據進行反演之前經過背景噪音訂正、低層重疊因子訂正和距離訂正;同步采用維薩拉氣象六參數儀觀測氣象因子(表1)。

表1 監(jiān)測項目與儀器方法

1.3氣溶膠吸收消光計算

bap=8.28×MBC+2.23

式中:MBC為黑碳氣溶膠的質量濃度,μg/m3。

1.4單顆粒氣溶膠質譜數據分析方法

將顆粒物的粒徑質譜信息輸入到MATLAB 7.12上運行的SPAMS Data Analysis V 3.2軟件包進行處理。首先通過自適應共振理論神經網絡算法(ART-2a)對采集到的顆粒進行自動分類,再根據化學成分特征,通過人工將其合并為8類:EC、有機碳(OC)、元素碳有機碳混合碳(ECOC)、富鈉鉀顆粒(NaK-Rich)、左旋葡聚糖顆粒(LEV)、重金屬顆粒(HM)、富硅酸鹽顆粒(SI)和其他,它們占總顆粒數的96%,粒徑為0.2~2.0 μm。最后,根據各類污染源的排放特征,采用示蹤離子法將采集到的環(huán)境顆粒物分為移動源、燃煤、工業(yè)工藝源、揚塵、生物質燃燒、二次無機及其他等7種源類。

1.5廣州市受沙塵天氣影響判斷識別

廣州市沙塵天氣的判斷識別基于中國沙塵暴網監(jiān)測公布信息;中國環(huán)境監(jiān)測總站《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規(guī)定》中沙塵天氣PM2.5/PM10比值變化特點; 后向軌跡; 日常監(jiān)測工作記錄; 激光雷達監(jiān)測高空散射強度和退偏振比等參數。

2 結果與分析

2.1氣象條件及顆粒物濃度

2017年4月14日開始,中國內蒙古中西部、甘肅西部、寧夏北部、華北北部、新疆南疆盆地等地出現了揚塵,局地出現沙塵暴天氣,沙塵氣溶膠隨著大氣環(huán)流不斷南下,4月21—23日逐漸影響廣州。圖1為沙塵過程監(jiān)測點顆粒物濃度及氣象條件變化,按照中國環(huán)境監(jiān)測總站《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規(guī)定》中關于沙塵天氣影響起始和結束時間確定方法,即“以城市PM2.5與PM10小時濃度比值小于等于前6 h比值平均值的50%作為受影響起始時間;以城市PM10小時平均濃度首次降至與沙塵天氣前6 h PM10平均濃度相對偏差小于等于10%作為沙塵天氣影響結束時間”作為判定依據,將沙塵影響過程劃分為3階段:第1階段為沙塵過境前階段(4月21日10:00—23:00),沙塵前鋒尚未來到測點上空,相對濕度較高,PM10和PM2.5變化趨勢一致,PM2.5在PM10中占比為52.1%;第2階段為沙塵過境階段(4月22日00:00—23日13:00),其中4月22日10:00—21:00為沙塵影響較為嚴重時段,相對濕度明顯降低,粗顆粒物濃度迅速飆

升,最大小時濃度達到82 μg/m3,PM10和PM2.5小時濃度均值分別為56.09、9.23 μg/m3,PM2.5/PM10比值下降至16.5%,4月22日22:00—23日13:00為沙塵影響的持續(xù)時段,PM2.5濃度略有回升;第3階段為沙塵過境后階段(4月23日14:00—23:00),相對濕度升高,PM2.5迅速升高,PM10和PM2.5小時均值分別為65.4、48 μg/m3,PM2.5/PM10比值達到73.4%,顆粒物表現出以細顆粒物為主的污染特征。觀測期間平均風速為1.8 m/s,最大風速為4.3 m/s,出現在第2階段的4月22日02:00,風向以偏北風為主。平均溫度為17~33 ℃,相對濕度為56%~94%。觀測期間出現了短時降水,其中沙塵過境前(4月21日15:00)降水量達到了8.3 mm,本地污染物得到濕沉降的有效清除,其中PM10和PM2.5下降幅度明顯。沙塵過程期間也出現了短時降水,但雨量較小。

圖1 PM10和PM2.5濃度及氣象參數變化趨勢Fig.1 Time series of PM10,PM2.5 and meteorological parameters during the floating dust case

2.2氣溶膠消光及退偏振比垂直分布

氣溶膠消光系數反映大氣中不同氣溶膠粒子通過散射和吸收作用,對某一波段太陽輻射衰減綜合的描述,消光系數值越大,說明能見度越低;退偏振比值反映氣溶膠和云粒子的非球形特征,沙塵過程期間粗顆粒所占比例較高,多為不規(guī)則粒子,其產生退偏振比值較高。研究認為沙塵氣溶膠退偏振比一般大于0.2[11],因此通常利用氣溶膠激光雷達退偏振比數據判斷沙塵氣溶膠。利用Fernald方法對4月21—23日氣溶膠激光雷達探測Mie散射信號進行反演,對偏振通道數據進行處理和分析,得到氣溶膠消光系數與退偏振比的垂直分布如圖2所示。

從圖2可以看到,沙塵前鋒初期,大風把邊界層抬高(云底以下),邊界層高度約1.5 km。外來輸送的沙塵進入邊界層,沙塵逐步下沉并與地面揚塵混合。測點上空1 km以下區(qū)域退偏振比明顯增大,0.8 km左右退偏振比達到了0.28,氣溶膠非球形特征明顯增強。隨著沙塵氣溶膠的沉降,近地面PM10濃度開始快速攀升,顆粒物以粗顆粒物污染為主。激光雷達獲得測點上空顆粒物消光系數值較低,消光系數均小于0.2 km-1。這與前期降雨沖刷,濕沉降對本地顆粒物進行了有效清除,而沙塵輸送粗顆粒物產生消光能力較弱有關。

圖2 激光雷達探測氣溶膠消光和退偏振比垂直分布Fig.2 The vertical profile of aerosol light extinction and depolarization ratio detected by Lidar

由于激光雷達存在200 m盲區(qū),為了解近地面測點顆粒物消光系數變化,對近地面顆粒物消光進行同步觀測。圖3為觀測期間近地面濁度儀和黑碳儀獲得顆粒物的散射消光和吸收消光變化趨勢圖。

圖3 顆粒物散射消光及吸收消光逐時變化Fig.3 Time series of scattering extinction coefficients and absorb extinction coefficients of particle

從圖3可以看到顆粒物消光系數以散射消光為主,并且消光系數與PM2.5濃度變化趨勢一致,在沙塵過境前后,近地面細顆粒物比例較高,消光系數較大。而沙塵過境期間,顆粒物以粗顆粒物污染為主,粗顆粒物對能見度的影響較小。這與吳兌等[12]對粗顆粒物氣溶膠遠距離輸送過程光學特性研究結論一致。另外,研究表明廣州市灰霾天氣顆粒物主要以細顆粒物污染為主,劉文彬等[13]對廣州市灰霾天氣消光特性研究結果表明廣州市灰霾天氣期間顆粒物散射消光和吸收消光均值分別約為382.99、85.11 Mm-1。而沙塵過境期間顆粒物消光系數均值為100.11 Mm-1,其中散射消光和吸收消光均值分別為86.44、13.67 Mm-1。

2.3PM2.5單顆粒氣溶膠化學組成

2.3.1 化學組分質譜特征

對顆粒物分類后獲得的7類顆粒物的質譜特征進行了分析,各類顆粒物的質譜特征分別為

EC:正負質譜圖中均含有一系列的EC峰(m/z=±12n,n≥1)。

NaK-Rich:質譜圖比較干凈,正質譜圖中只含有Na+和K+的特征峰。

HM:正質譜圖中含有Al+(m/z=29),Mn+(m/z=55),Fe+(m/z=56),Cu+(m/z=63、65),Pb+(m/z=206~208)等,負質譜圖中有比較強的Cl-(m/z=-35、-37),此類型顆粒物很可能來自工藝源排放。

2.3.2 化學組分變化特征

圖4為4月21—23日PM2.5主要化學組分占比變化,觀測期間大氣中含EC、OC、ECOC、LEV、HM、NaK-Rich和SI的占比分別為29.8%、12.1%、5.5%、7.6%、10.6%、12.2%和21.6%,其中含EC和SI占比最多。沙塵過境前后大氣中含EC顆粒物的細顆粒物最為豐富,EC主要由化石燃料和生物質燃料的不完全燃燒產生,并由污染源直接排放,常作為一次源排放的示蹤物,主要來自本地一次污染源排放。沙塵的遠距離輸送沉降并與本地細顆粒物混合使得細顆粒物中化學組分的占比發(fā)生了較大變化。沙塵過境期間,大氣環(huán)境中富含SI的細顆粒物占比明顯增大,其占比已達25.9%,是沙塵過境前的1.4倍。

圖4 8類顆粒物成分比例變化Fig.4 Percentage change of 8 types of fine particles

2.4沙塵氣溶膠來源及對PM2.5污染貢獻

利用廣州市建立的本地源譜,對觀測期間細顆粒物的來源進行了解析。沙塵過程不同階段各類來源對PM2.5的貢獻如表2和圖5所示。

表2 沙塵過程不同階段PM2.5污染來源貢獻Table 2 The source contribution to PM2.5 duringdifferent process of dust case %

圖5 PM2.5污染來源貢獻變化趨勢Fig.5 Time series of source contribution of PM2.5

觀測期間,移動源、燃煤、工業(yè)工藝、生物質燃燒、揚塵、二次無機和其他來源的貢獻率分別為18.8%、21.6%、10.4%、19.4%、13.5%、12.1%、4.2%。觀測期間PM2.5的污染來源發(fā)生了較大的變化,各類源的貢獻隨著沙塵過程的發(fā)展也表現出此消彼長的態(tài)勢。與沙塵過境前比較,沙塵過境期間燃煤和移動源的貢獻率出現大幅下降,分別由27%和18.9%下降至20.9和10.9%。而揚塵和生物質燃燒的貢獻率則大幅增加,其中揚塵的貢獻率增加最多,由9.1%增大至17.3%,比廣州市PM2.5來源解析的研究結果[16](揚塵貢獻率為7.5%)高出了9.8%。沙塵過境后揚塵的貢獻率大幅下降,由17.3%下降至12.9%,而移動源的貢獻率則出現大幅增加,由10.9%增加至29.8%。

為研究4月22—23日沙塵氣溶膠傳輸路徑,利用NOAA的HYSPLIT模式進行氣溶膠軌跡倒推,計算點選擇廣州市(23°07′59″N,113°15′35″E),高度選取近地面以及118、168 m 3個高度點,回算時間選擇4月21日19:00(UTC),對應近地面監(jiān)測站點PM10開始升高、PM2.5/PM10比值降低并且測點上空氣溶膠退偏振比出現高值的時刻。后向軌跡顯示(http://www.arl.noaa.gov/index.php)此次沙塵為典型的北方沙塵傳輸,對廣州市的傳輸方向為西北至東南。從圖6中氣團后向軌跡可見,沙塵氣溶膠來自中國西北地區(qū)。4月20日00:00(UTC)氣團起始高度為2 500 m左右,沙塵氣溶膠隨著氣團運動,垂直剖線高度逐漸降低,到達廣州地區(qū)時垂直剖線高度由2 500 m下降到100 m,造成近地面PM10濃度高值及PM2.5中揚塵源貢獻率的增大。

圖6 氣團后向軌跡Fig.6 Air mass back-trajectory by HYSPLIT4 model

3 結論

基于廣州市大氣超級站,利用單顆粒氣溶膠質譜(SPAMS)、氣溶膠激光雷達觀測數據并結合HYSPLIT后向軌跡模型分析了沙塵過程細顆粒物組分及污染來源貢獻變化和沙塵氣溶膠的來源及路徑,主要結論如下:

1)受沙塵過境影響,PM10濃度大幅升高,PM10最大小時濃度為82 μg/m3,PM2.5/PM10比值最小值僅為12.1%,顆粒物以粗顆粒物污染為主;沙塵過境期間近地面顆粒物消光系數均值約為100.11 Mm-1,退偏振比為0.28,顆粒物非球形特征明顯。

2)SPAMS在線源解析結果表明沙塵過境期間含SI的細顆粒物比例顯著升高,是沙塵過境前的1.4倍;揚塵對PM2.5貢獻率明顯增大,達到了17.3%,是沙塵過境前的1.9倍。

3)HYSPLIT后向軌跡模型表明此次沙塵源自中國西北地區(qū),傳輸方向為自西北輸送至華東地區(qū)后,轉為東南方向影響廣州市。

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ObservationStudiesonaDustCaseintheSpringofGuangzhou

LIU Wenbin, HUANG Zuzhao, CHEN Yanning, KUANG Junxia, ZHANG Jinpu, QIU Xiaonuan

Guangzhou Environmental Monitoring Centre,Guangzhou 510030,China

A dust case had occurred in Guangzhou in 21st-23rd, Apr 2017. In order to understand its effect to the air quality of Guangzhou, the chemical composition, source apportionment of fine particle along with the source and tracks of dust aerosol were analyzed by aerosol Lidar, single particle aerosol mass(SPAMS)and air mass backward trajectory model at the Guangzhou Atmospheric Supersite. The results indicated as follows: Influenced by dust, the concentration of PM10increased significantly and the minimum value of PM2.5/PM10was only 12.1%.Then the dust aerosol which influenced the concentration of PM10mainly distributed below 1 km region. In addition, the average value of particle extinction coefficient was 100.11 Mm-1and the maximum of depolarization ratio reached to 0.28. Besides, SPAMS system results indicated that the proportion of SI type particle in atmosphere was 25.9%, 1.4 times of that before the dust crossing. While the contribution of dust to PM2.5increased significantly during the dust process, whose proportion was 17.3%, 1.9 times of that before the dust crossing. Finally the result of the air mass backward trajectory model of HYSPLIT showed that this dust process was a typical north dust transmission, and the dust was came from the northwest of China, while transmission direction was from northwest transport to the east region of China, then turned into southeast direction and affected Guangzhou.

dust;PM2.5;Lidar;SPAMS;source apportionment

X84

A

1002-6002(2017)05- 0042- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.07

2017-05-25;

2017-07-11

廣州市科技計劃項目(201604020006)

劉文彬(1982-),男,安徽蕭縣人,碩士,高級工程師。

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