基于太阳光度计的天津城区气溶胶光学特性

刘敬乐,姚 青,蔡子颖,韩素芹



基于太阳光度计的天津城区气溶胶光学特性

刘敬乐1*,姚 青1,2,蔡子颖1,2,韩素芹1

(1.天津市气象科学研究所,天津300074；2.天津市环境气象中心,天津 300074)

利用2013~2014年天津大气边界层观测站的CE318太阳光度计观测资料,分析天津气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数()的分布特征.结果表明,天津地区AOD440nm和AOD500nm均值分别为0.99±0.34和0.87±0.30,波长500nm下AOD月均最高值为1.41±0.79,出现在2013年6月,最低值为0.49±0.92,出现在2013年11月.AOD的季节变化特征为春季受沙尘天气影响,最低(0.85±0.32),夏季受高温天气条件影响,新生小粒子占比较多,最高(1.16±0.29),根据分布特点,影响天津地区的主要气溶胶类型为城市—工业气溶胶.造成春季AOD高值(AOD³2)情况出现是受粗、细模态气溶胶粒子共同影响,夏季AOD高值出现主要是受细模态粒子影响,同时细粒子吸湿增长特性对AOD增长有较大影响.冬季AOD高值出现同样主要受细模态气溶胶粒子影响,其气溶胶粒子粒径高于夏季.对比沙尘、霾及非污染天气条件下AOD和的差别,发现霾天气下AOD和最高,分别为1.41±0.68和1.17±0.29,沙尘天气下AOD为0.99±0.62,最低,为0.55±0.22.非污染天气下AOD最低,为0.53±0.46.不同天气条件下,随AOD增长均有先升高后降低的特征.

气溶胶光学厚度；波长指数；太阳光度计；天津

气溶胶光学厚度(AOD)和Ångström波长指数()是表征大气光学特性的基本参量,在一定程度上能够反映区域大气的污染程度和污染类型, 可用于确定气溶胶尺度和谱分布,是研究气溶胶气候效应的关键因子[1-2].在气溶胶光学特性研究中,地基遥感被认为是精度较高的方法,常用于卫星产品的检验[3-5].目前,我国的气溶胶地基遥感观测台网主要有NASA建立的AERONET[6],中国生态系统研究网络大气科学分中心建立的CSHNET[7]和中国气象局建立的气溶胶光学特性观测网(CARANET)[8],这些联合观测网络为全面研究我国区域大气气溶胶特性提供了重要的数据基础.

由于受地形和人为活动共同影响,京津冀地区是我国气溶胶区域污染比较突出的地区之一,近年来秋冬季雾霾和低能见度天气频发.诸多学者研究了北京城区[6,9-10]、上甸子[11]、香河[6]、石家庄[12]等地AOD和α的年际、日、季节变化特征及其影响因素等开展大量富有成果的研究.天津市作为京津冀区域的重点城市之一,随着环渤海区域经济快速发展和机动车保有量迅速增长,颗粒物主要来源不仅包括一次排放的开放源、煤烟尘和机动车尾气尘,还包括由气态前体物二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO)、挥发性有机物(VOCs)转化生成的二次硫酸盐、二次硝酸盐和二次有机碳等.颗粒物来源呈现出显著的复杂化,颗粒物的主要源类相比之前更多,各主要源类贡献分担率间的差异越来越小[13-15].目前天津市的环境空气污染呈现冬季以煤烟型污染为主,其它季节以复合污染为主的双污染类型的特征,针对不同季节和不同天气条件下气溶胶消光特性开展了一些研究[16-19],但基于地基遥感的气溶胶光学特性研究还开展较少.本文利用2013~2014年天津大气边界层观测站的太阳光度计数据,结合气象要素和污染物数据,分析不同时间和天气条件下AOD和的变化特征,旨在对影响天津污染物来源区分,为利用卫星进一步掌握天津地区气溶胶分布奠定基础.及了解重污染地区存在的气象—气溶胶—气象的反馈机制提供参考.

1 资料与方法

采样点位于中国气象局天津大气边界层观测站(39°06′N、117°10′E,海拔2.2m,台站编号为54517),位于天津市城区南部,能够代表典型城区,北距快速路约200m,东距友谊路约50m,西、南面为住宅区,交通源对其有一定影响.观测时间为2013年1月1日~2014年11月30日.

AOD数据由测站内CE-318型自动跟踪扫描太阳光度计观测得出,该仪器属于中国气象局气溶胶光学特性观测网(CARANET)[20],CE-318光度计滤光片中心波长分别为340,380,440,500, 670,870,936,1020,1640nm,各波段带宽为10nm,仪器视场角为1°,太阳跟踪精度小于0.1.每年使用传递法法对仪器进行一次标定[12].观测期间有效观测天数为489d.其中夏季降水较频繁,观测日数偏少,2013年10月份由于仪器标定,观测日数较少.PM2.5质量浓度由美国Thermo公司TEOM系列RP1400a环境颗粒物检测仪测定.RP1400a采样流量为16.7L/min,检测限为0.06μg/m3,测量范围为0~1500μg/m3,质量分辨率为0.01μg/m3.

Ångström波长指数()[21]由下式得出:

式中:为观测波段的波长,τ是对应波长气溶胶光学厚度,文中使用波长指数为(440-870)nm.较小的代表较大粒径的气溶胶粒子为主控粒子,反之较大的代表较小粒径的气溶胶粒子为主控粒子,沙尘气溶胶一般为-1££0.5[22],海盐气溶胶为1.1££1.8[23],生物质燃烧气溶胶为1.2££2.3[24],城市-工业气溶胶一般为1.1££2.4[24].

2 结果与讨论

2.1 气象背景分析

观测期间,天津城区平均气温为(14.7± 11.2)℃,相对湿度为(51±22)%,风速为(1.4±0.8)m/ s.按照3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季,12~2月为冬季来进行季节划分,较之近30年(1980~2010年)天津城区气候标准值,冬季温度偏高2.3℃,风速偏低0.5m/s,秋季相对湿度为(54±22)%,较近30年偏低约7%,夏季多雨,相对湿度较其他季节高,气温较近30年偏高1.2℃.根据气象行业标准《霾的观测和预报等级》[25],以能见度日均值低于10km,相对湿度日均值小于80%,PM2.5质量浓度日均值大于75μg/m3的天气条件视为霾日,观测期间冬季霾日数为94d,占冬季日数的63%.按照《地面气象观测规范》[26]的规定以地面观测记录中扬沙、浮尘或沙尘暴天气记录出现的情况视为沙尘日,观测期间出现沙尘天数61d,其中春季沙尘天数占总沙尘天数的82%.根据《地面气象观测规范》[26]和气象行业标准《霾的观测和预报等级》[25],以能见度日均值大于10km,PM2.5质量浓度日均值小于75μg/m3,且无降水的天气视为非污染天气.观测期间春季、夏季、秋季、冬季非污染天数分别为107d,79d,80d和55d.

综上所述,观测期间天津气象特点主要为春季多沙尘天气,夏季高温高湿,秋季较往年干燥,冬季气温偏高,多雾霾天气.

2.2 AOD和α的月、季节分布特征

表1 部分地区AOD观测结果

2013~2014年观测期间天津地区AOD440nm和AOD500nm均值分别为0.99±0.34、0.87±0.30(以月均值统计得出).表1中给出国内部分城市AOD的长期观测结果,可见天津地区AOD与北京城区[9,12],长三角地区[27-28]及周边城市[29-30]观测值接近,高于中部地区[31],南方沿海城市[32]及大气本底站结果[14,33].天津地区气溶胶在观测期间处于较高水平.

研究显示,观测期间8个波段的AOD变化趋势一致,AOD随波长增加而递减,这一特征符合一般大陆型气溶胶光学厚度与波长的关系[34].为了与TERRA/AQUA-MODIS传感器的Level2AOD反演产品进行星地对比研究[35],本文选择能够代表研究区域内气溶胶粒子在整个短波谱段消光平均状况的500nm处的AOD500nm观测值为分析对象(后文中不再特殊说明)

天津地区AOD月变化如图1所示,AOD月均值最高为1.41±0.79,出现在2013年6月,最低值为0.49±0.92,出现在2013年11月,各月内AOD值变化明显,最低值差别较小,最高值均达到2.0以上,多数情况下各月均值高于中位值,2013年1、3、6月和2014年2、3、8、10月AOD的75%分位值均达到1.5以上.

图1 AOD月变化

中间线、空心点、顶端、底部值分别代表中位值、平均值、75%、25%,上下误差棒分别代表最高及最低值

图2显示,不同季节天津市AOD分布存在夏季>春季>冬季>秋季的特征.AOD夏季较高的特征与以往多数城市环境地区的研究结果一致[9,12,27,30,36].从AOD季节变化可以发现,各季节最低值较为接近,最高值出现在冬季,且冬季中位值与75%分位值差别较大,可见冬季AOD变化幅度较大,其次为夏季、春季,秋季变化幅度相对较小.天津春季易受到北方沙尘天气南下或局地扬尘影响[37],沙尘气溶胶的长距离输送对应较低PM2.5值时出现的较高AOD情况,局地扬尘污染的滞留会造成春季AOD短期快速增长.夏季,高温、强太阳辐射和低风速的气象条件有助于光化学反应产生的二次污染物生成和累积,造成气溶胶消光性增强[38].高湿度条件使得气溶胶吸湿增长,相对于观测到的干气溶胶质量浓度,其AOD明显增高.同时,由于夏季对流运动强盛,气溶胶随对流运动混合均匀[39],甚至出现气溶胶质量浓度高低空分布反置,近地面气溶胶浓度较低时,仍可出现高AOD的情况.天津秋季以干冷天气为主,冷空气活动频繁,风速增强,湿度较低,污染物不易积聚,地面细颗粒物质量浓度和AOD均较低.冬季,大气层结稳定,逆温出现频率高,污染物扩散条件差,特别是在雾霾天气中AOD会出现明显升高[40],2013~2014年冬季天津出现了多次严重雾霾过程是造成地面污染物浓度和AOD均较高的主要原因.

一般情况下范围为0~2.由图4可见,季节分布特点表现为,夏季(1.16±0.29)>冬季(1.08±0.29)>秋季(0.96±0.34)>春季(0.85±0.32).这种分布特征与北京[9]、徐州[30]以及郑州[36]的结果接近.春季,的75%分位值低于1.1,根据城市-工业气溶胶一般为1.1α2.4[24],沙尘气溶胶一般为-1α0.5[22],可见天津春季是受细粒径的城市工业气溶胶气溶胶和粗粒径的沙尘气溶胶共同影响.夏季,的25%分位值高于1.0,中位值高于1.25,可见天津夏季是以较细粒径的城市-工业气溶胶为主控模态,这可能与夏季持续高温条件下光化学反应加速细粒子的生成有关.秋、冬季,主要分布在0.9~1.2之间.可见,根据的季节分布特点,天津主要受城市-工业气溶胶类型的气溶胶影响.夏、冬季主要以人为活动排放气溶胶为主的结果与卫星反演结果比较一致[41].

图2 AOD季节变化

图4 α季节变化

2.3 各季节气溶胶类型区分

根据Gobbi[42]提出的图形坐标系方法, Ångström波长指数随波长的变化=(440-670)nm-(670-870)nm为负时,说明以细模态气溶胶为主,而正值反映了粗、细模态共同影响.以折射率=1.4-0.001为参考,采用双模态、对数正态分布的(440-870)nm和函数建立坐标系,通过计算Ångström波长指数曲率d/d,用和(440-870)nm的散点分布来区分气溶胶类型,从而得到细模态气溶胶对AOD670nm的贡献比例()和细模态粒子的尺度.同时,根据气溶胶细粒子的吸水性会导致气溶胶粒径增长和的增加,而云干扰仅会导致的增加,气溶胶细粒子粒径保持不变,从而区分AOD670nm的增加是由于细模态粒子的吸湿增长还是由于云干扰使粗模态粒子增加的原因引起的.

从图5a可以看出,春季AOD高值(AOD³2)的情况主要出现在>0,<30%的区域和<0,约为70%的区域.这说明天津城区春季受粗模态粒子和细模态粒子的共同影响.对比其他季节,>0,<30%的区域内AOD高值点明显增多,这是由于春季多沙尘天气造成粗模态气溶胶较多.图5b中,夏季AOD³2的高值情况主要出现在<0,70%<<90%的区域,气溶胶粒径大小约在0.15~0.25μm之间,并随减小有所增长、有所下降.这说明,天津城区夏季高AOD情况主要为细模态粒子影响,同时细粒子的吸水性对AOD增长有很大影响.秋季(图5c)较其他季节AOD³2的情况出现较少,高AOD的情况主要分布在<0,70%<<90%的区域.冬季(图5d)高AOD (AOD³2)的情况集中出现在<0,70%<<90%,气溶胶粒径约为0.2μm的区间内.可见,冬季仍以细模态气溶胶粒子对AOD的影响为主,与夏季相比,冬季气溶胶粒子粒径较大.根据以往研究结果[43],在冬季AOD较高的污染天气条件下,较高的气溶胶浓度会造成气溶胶碰并增加,同时二次硫酸盐气溶胶的吸湿过程和黑碳气溶胶的老化过程均会使气溶胶粒径增长,减小.

图5 各季节δα随AOD670nm和α的变化

2.4 霾、沙尘和非污染天气中AOD与α的分布特征

表2 不同等级霾天气下的AOD和α

通过对比天津城区在沙尘、霾和非污染天气条件下的AOD和,可以发现,不同天气条件下的AOD和存在较大差别.其中霾天气下的AOD(1.41±0.68)和(1.17±0.29)均为最高.沙尘天气下的AOD为0.99±0.62,其(0.55±0.22)最低,非污染天气下AOD(0.53±0.46)最低.此结果与北京沙尘天气[44]和雾霾[45]天气AOD和分布比较接近.同时,此结果与龙凤山[33]沙尘和霾天气下的分布较一致,但区别于其AOD分布,天津霾天气AOD较高,说明天津地区是以城市-工业气溶胶为主要的污染类型.

由图7可以看到,随AOD升高,均先增高而后降低.沙尘天气下AOD<2时变化范围较大(0.06~0.9),说明大气受地面扬尘、沙尘和城市-工业气溶胶的共同影响, AOD³2时明显降低(0.39±0.15),可见沙尘等粗粒径气溶胶对消光作用影响较大.霾天气下,在AOD<2时,随AOD增长有所升高,说明细粒径气溶胶对AOD增长起主要作用,当AOD³2时,随AOD增长有所下降,这种分布形式与北京污染天气下的结果比较相似[46],造成下降的原因可能与污染天气下较高的气溶胶浓度造成气溶胶碰并过程增多,二次硫酸盐气溶胶吸湿及黑炭气溶胶老化有一定关系[47-49].表2中给出了不同等级霾[25]中AOD和分布,可见随着霾等级升高AOD有所增长,各等级霾α均高于1.1.非污染天气条件下(图7c),AOD主要分布在1.5以下,且随AOD增长升高,可见细粒径的城市-工业气溶胶对AOD增长起主要作用.在非污染天气下,地面污染物浓度低,AOD³1.5的情况出现较少,且随AOD增长明显下降,其原因可能与沙尘等粗模态气溶胶随高空气流远距离传输有关[50].

图6 沙尘、霾和无污染天气条件下AOD和α

图7 沙尘、霾和无污染天气条件下AOD和α的关系

3 结论

3.1 2013年1月~2014年11月间,天津地区AOD440nm和AOD500nm均值分别为0.99±0.34和0.87±0.30,AOD月均最高值出现在2013年6月,为1.41±0.79,最低值出现在2013年11月,为0.49±0.92,各月AOD值变化显著.AOD的季节变化主要表现为,夏季>春季>冬季>秋季.春季受沙尘天气影响为各季节最低(0.85±0.32),夏季受气象条件影响为各季节最高(1.16±0.29),根据分布特点,影响天津的主要气溶胶类型为城市-工业气溶胶类型.

3.2 春季天津AOD高值出现时受粗、细模态气溶胶粒子共同影响,夏季AOD高值出现时主要受细模态粒子影响,同时细粒子吸湿增长特性对AOD增长有较大影响.冬季AOD高值出现时同样主要受细模态气溶胶粒子影响,气溶胶粒子粒径高于夏季.

3.3 对比天津沙尘、霾及非污染天气条件下AOD和的差别,发现霾天气中AOD和最高,值分别为1.41±0.68和1.17±0.29,沙尘天气下AOD为0.99±0.62,最低为0.55±0.22.非污染天气下AOD最低为0.53±0.46.对比天津沙尘、霾和非霾天气下AOD与的关系,发现随AOD增长有先升高后降低的特征.

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Analysis on aerosol optical characteristics with sun photometer in Tianjin.

LIU Jing-le1*, YAO Qing1,2, CAI Zi-ying1,2, HAN Su-qin1

(1.Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074, China；2.Tianjin Environmental Meteorological Center, Tianjin 300074, China)., 2017,37(11)：4013~4021

Based on the data of CE-318 sunphotometer at Tianjin boundary layer station from 2013 to 2014, the distribution characteristics of aerosol optical depth and Ångström exponent were analyzed. The results showed that, the average value of the aerosol optical depth (AOD) under 440nm and 500nm spectral band were 0.99±0.34 and 0.87±0.30, respectively. The monthly average of AOD under 500nm was highest in June 2013 the value equal to 1.41±0.79 and lowest in November 2013 the value equal to 0.49±0.92. For the reason of sand and dust weather the Ångström exponent was lowest in spring which value equal to 0.85±0.32. For the reason of high temperature weather the Ångström exponent was highest in summer which value equal to 1.16±0.29.The urban-industrial aerosol was the dominant type in Tianjin by the analysis of the distribution characteristics of Ångström exponent. By the joint effect of fine mode and coarse mode aerosol, AOD was higher than 2in spring. By the main effect of fine mode aerosol, AOD was higher than 2in summer. And hygroscopic character of aerosol made AOD increased in summer. The situation of AOD higher than 2in winter also by the effect of fine mode aerosol but the partical size was larger than summer. In the condition of haze day the AOD and Ångström exponent were higher than dust day and non-pollution day which value were 1.41±0.68 and 1.17±0.29. In the condition of dust day the AOD was 0.99±0.62 and the Ångström exponent was 0.55±0.22 which was lower than haze day and non-pollution day. In condition of non-pollution day the AOD was lower than dust day and haze day which the value was 0.53±0.46. Increasing with AOD the Ångström exponent had trend of increased at first and decreased subsequently.

aerosol optical depth；Ångström exponent；sunphotometer；Tianjin

X513

A

1000-6923(2017)11-4013-09

刘敬乐(1986-),男,天津人,南京信息工程大学硕士研究生,工程师,主要从事大气环境研究.发表论文1篇.

2017-04-08

国家国际科技合作专项(2015DFA20870-02);环保公益行业专项(201409001);国家科技支撑计划(2014BAC23B01, 2014BAC16B04)

* 责任作者, 工程师, liujinglexxx@163.com