基于无人机平台的黑炭垂直变化监测

王晗煜，彭仲仁,2，王东生

（1.上海交通大学 智能交通与无人机应用研究中心，上海 200240； 2.佛罗里达大学 城市与区域规划系，美国 佛罗里达 盖斯维尔 32611）

近年随着经济的繁荣发展，大气环境污染问题突出，国内频繁出现严重且持久的雾霾污染[1-3]。作为细颗粒物（PM2.5，气体动力学直径小于等于2.5 μm的颗粒物）的重要组成部分，黑炭（black carbon， BC）不仅影响全球气候变化和区域空气质量，而且危害人类健康[4]。黑炭主要是由化石燃料和生物质不完全燃烧产生的，具有消光作用，从而降低大气能见度，有利于雾霾的产生[5]。自20 世纪80 年代中期开始，国内学者对城市地区进行黑炭的监测研究工作，从20世纪90 年代初开始，黑炭观测工作在全国各地广泛进行[6-9]，但基本都是地面观测，少有关于黑炭垂直探测的研究。杭州市临安区由于其独特的地理、环境等优势，成为长三角地区唯一大气本底站的建设地点，因此临安区已经成为了长三角地区大气成分观测研究的基地。文中给出了2014 年夏季和2015年冬季在临安运用无人机平台进行的黑炭气溶胶的垂直监测结果，并结合地面监测结果和气象数据，分析了黑炭的地面浓度变化和垂直浓度变化特点，进一步探讨了该区域黑炭的输送来源，为大气污染防治提供依据。

1 试验

1.1 区域及时间

试验区域位于浙江省杭州市临安区，无人机起飞地点位于长西线旁通运路，距杭州市区西北方向约10 km。该区域周围没有类似化工厂等明显的污染物排放源，因此有利于应用无人机平台监测黑炭气溶胶的垂直分布情况。

在2014 年夏天和2015 年冬天，运用无人机平台在2 天内共进行了8 次试验，试验时间分别为2014年8 月21 日（6：25-7：01，10：15-10：52，14：10-14：45，16：21-16：56）和 2015 年 2 月 5 日（8：07-8：46，10：43-11：22，14：12-14：51，15：23-16：00）。每天上午2 个航次，下午2 个航次，每个航次需要35 min 左右的飞行时间。

试验采用的是轻型固定翼无人机，首先人为操控起飞，到达300 m 高度时，沿着水平路线飞行一周，飞行范围为4 km×4 km，之后爬升至400 m，再水平盘旋一周，这样循环直至1000 m（如图1 所示），最后直接降落到地面。由于无人机燃料是汽油，为避免无人机自身排放的影响，水平飞行范围随着高度升高而缩小，并且只对无人机上升期间数据进行分析。

图1 无人机的飞行路径

1.2 试验设备及数据处理

试验采用的轻型固定翼无人机最大载荷约为3.5 kg，最长飞行时间约为2 h，机身总长1.8 m，翼展长2.4 m。采用Aethlabs 公司生产的MicroAeth®AE51 微型黑炭仪监测黑炭的质量浓度。该设备利用光学吸收衰减方法，将880 nm 处测量值转换成黑炭的质量浓度，测量范围为0～1 mg/m3，测量分辨率为0.001 μg/m3。数据记录时间间隔为1 s，该设备质量为 280 g。采用 Onset 公司生产的 HOBO®U12 Temp/RH Data Logger 监测温度和相对湿度，温度的测量范围为 0～50 ℃，在 25 ℃时测量分辨率为0.03 ℃；相对湿度的测量范围为10%～90%，测量分辨率为0.03%，数据记录时间间隔为2 s，该设备质量为46 g。通过Columbus 公司生产的探险家™ V-900插卡式多功能导航记录器定位记录无人机的路径点，记录的数据包括日期、时间、经度、纬度和高度等，数据记录时间间隔为1 s，该设备质量为55 g。

所有微型传感器都放置在专门定制的机舱里，设备均用减震塑料包裹，设备之间的间隙采用减震塑料填充，以减少飞机震动的影响。黑炭设备进气口处连接了一根约0.5 m 长的采样管，通过内置的气泵将空气样品抽入设备中。采样管的前进气段被固定在机身腹部，以减少大气湍流对进气的干扰[10]。温度和相对湿度设备也固定在机身腹部，以减少太阳直射和大气湍流等的影响。多功能导航记录器放置在机身背部，避免遮挡，使其能接受强卫星信号，以保证定位准确度。所有设备均自带存储功能。

为了保证数据的准确性，在试验之前，将黑炭设备与上海市浦东新区环境监测站的标准黑炭设备（Aethalometer™ AE31）以1 h 均值进行连续比对，比对结果如图 2 a 所示，得到两者的线性关系（y=1.93x-0.16， R2=0.88）。试验所采用的黑炭设备的测量值几乎是标准黑炭设备的2 倍，这应该与两种设备不同的测量原理有关。在无人机试验进行的同时，另一台与本试验同样型号的黑炭设备放置在地面，以同步获取地面黑炭的质量浓度。为了减少系统误差的影响，在试验开始之前，将放置在地面和无人机上的两台黑炭设备进行同步比对，比对结果如图2b 所示。两者的相关系数大于0.82，故系统误差在可接受范围内。为减小抽样误差，无人机上黑炭设备所测得的黑炭质量浓度取 300～1000 m 之间每隔100 m 所监测得到的所有值的平均值。

图2 设备比对结果

2 结果及分析

2.1 地面BC 的日变化情况

试验地点地面黑炭质量浓度半小时均值的日变化情况如图3 所示。由于受到设备电池容量和内存容量的影响，无法记录黑炭24 h 的变化情况。整体来说，2014 年8 月21 日和2015 年2 月5 日所测得地面黑炭质量浓度的均值分别为2.54、4.86 μg/m3，因此冬季黑炭的质量浓度要高于夏季，这与之前临安地面PM2.5观测结果一致[11]。2014 年8 月21 日上午和下午所测得的地面黑炭质量浓度的均值分别为2.36、2.82 μg/m3，2015 年2 月5 日上午和下午所测得的地面黑炭质量浓度的均值分别为6.42、1.80 μg/m3，因此上午冬季黑炭的质量浓度要远高于夏季，下午冬季黑炭的质量浓度却略低于夏季。

图3 BC 地面质量浓度日变化

图4 中的大气边界层高度日变化来源于美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）空气资源实验室。表1中的天气、温度、相对湿度、风速和风向等天气数据来源于中国空气质量在线监测分析平台。由表1 可知，2014 年8 月21 日温度较高，湿度大，整体风速变化不大，风向由上午的偏南风转至下午的偏东风。2015 年2 月5 日温度低，湿度低，整体风向变化不大，上午风速为1 m/s，下午风速增加至3 m/s。

图4 大气边界层高度日变化

2014 年8 月21 日上午6—9 点之间，黑炭质量浓度值略有波动，9—11 点之间，黑炭的质量浓度由3.23 μg/m3降低至0.78 μg/m3。因为上午风速减小，故这与大气边界层的快速扩展有关。14—15 点之间，黑炭的质量浓度由1.80 μg/m3升高至3.16 μg/m3。这是由于下午风速略有增加，风向由偏南风转成东北风，故这与增加的交通排放以及大气边界层的降低有关。16—17 点之间黑炭质量浓度值的变化不大。2015年2 月5 日上午7—12 点之间，黑炭的质量浓度先由9.53 μg/m3略微增加到9.87 μg/m3，然后迅速降低至3.04 μg/m3。可见上午7—8 点之间黑炭的质量浓度值是上午最低值的3 倍多，说明易形成黑炭污染。由于上午风速没有变化，故这与大气边界层的快速扩展有关。14—16 点之间，黑炭质量浓度值略有增加，这 与增加的交通排放以及大气边界层的降低有关，因为下午风速增加，故黑炭质量浓度只是略有增加。

表1 各监测航次地面天气状况

2.2 垂直BC 日变化情况

如图5 所示，通过无人机试验，在2014 年8 月21 日和2015 年2 月5 日总共获取了8 条黑炭的垂直廓线，上午和下午各进行2 次试验。夏季上午第一个航次从317～975 m 处，测得黑炭的质量浓度下降梯度为0.001 (μg/m3)/m；夏季上午第二个航次检测结果，测得325 m 处黑炭的质量浓度较高，325～655 m 处黑炭的质量浓度下降梯度为 0.005 (μg/m3)/m，655～ 981 m 处黑炭的质量浓度降低变缓，下降幅度为0.001 (μg/m3)/m，和第一个航次类似。夏季下午两个航次黑炭的质量浓度整体波动幅度不大，第三个航次和第四个航次的检测结果：黑炭的质量浓度均值分别为2.10、2.01 μg/m3，相差甚微。由图4 和图6 可知，夏季温度高，且上午10 点后大气边界层快速扩展，有利于对流条件的形成，也有利于污染物扩散到高空。故第二个航次于325 m 处测得的黑炭的质量浓度较高，到下午的时候，污染物上下混合均匀。

图5 黑炭垂直变化情况

图6 温度和相对湿度垂直变化

整体来看，2015 年2 月5 日从早到晚，黑炭的质量浓度呈现出明显的递减趋势。冬季上午第一个航次从294～983 m 处，测得黑炭的质量浓度下降梯度为0.004 (μg/m3)/m，均值为4.43 μg/m3；第二个航次从290～988 m 处，测得黑炭的质量浓度随着高度增加而缓慢降低，均值为3.67 μg/m3。由图6 可知，冬季上 午温度低，不利于黑炭的垂直扩散，相对湿度低，说明降雨少，不利于黑炭的清除。总体上，冬季下午两个航次中，测得黑炭的质量浓度随着高度的增加都呈现出递增的趋势。第三个航次从273～375 m 处，测得黑炭的质量浓度上升梯度为 0.004 (μg/m3)/m，从375～975 m 处，黑炭的质量浓度整体波动幅度较小；第四个航次从285～498 m 处，黑炭的质量浓度的上升梯度为0.003 (μg/m3)/m，从498～993 m 处，测得黑炭的质量浓度整体波动幅度较小。第三个航次和第四个航次测得黑炭的质量浓度均值分别为 1.89、1.61 μg/m3，呈减少趋势。由图4 可知，冬季上午边界层快速扩展，但下午却陡降，故冬季上午黑炭的质量浓度递减趋势快，但下午递减趋势趋缓。

2.3 BC 的来源

拉格朗日混合单粒子轨道模型（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model， HYSPLIT）中的后向轨迹（archive trajectories）可以用来计算和模拟大气污染物的输送和扩散轨迹[12-13]。因此，文中运用后向轨迹来分析无人机试验地点300 m 和1000 m 高度的气团在试验当天下午6 点之前48 h 的输送来源，运行结果如图7 所示。

图7 黑炭的输送来源

图7 a 所示的是2014 年8 月21 日18 点（即UTC 10 点）前48 h，无人机试验地点300 m 和1000 m 高度处大气污染物的输送轨迹。其中，300 m 处气团的输送轨迹为：从2014 年8 月19 日18 点到2014 年8月20 日18 点，气团来源于上海市，再输送到江苏省苏州市，然后到浙江省湖州市、杭州市和绍兴市，输送高度从1500 m 降至800 m 左右。从8 月20 日18点到8 月21 日2 点，气团输送方向在绍兴市诸暨市转向，由朝南输送变成往北输送。接下来到8 月21日8 点，气团往北输送到杭州市滨江区，输送高度由700 m 左右降至300 m 左右。最后到8 月21 日18 点，气团首先沿着偏北方向输送到杭州市余杭区，最后往西输送到临安区试验地点处，输送高度维持在300 m左右。1000 m 处气团的输送轨迹为：气团来源于上海市，在8 月20 日14 点前，气团沿西南方向输送，途径浙江省嘉兴市和杭州市，输送高度由1000 m 降至500 m，然后又升至1000 m。从8 月20 日14 点到8 月20 日20 点，气团输送方向在杭州市建德市转向，由朝南输送变成往偏北输送，输送高度维持在1000 m左右。接下来至8 月21 日18 点，气团在杭州市沿偏北方向输送到试验地点，输送高度依然维持在1000 m左右。由此可知，300 m 和1000 m 处气团48 h 前都来源于上海，且输送轨迹都在长三角区域，输送距离在200 km 以内。

图7b 所示的是2015 年2 月5 日18 点（即UTC 10 点）前48 h，无人机试验地点300 m 和1000 m 高度处大气污染物的输送轨迹。300 m 处气团的输送轨迹为：气团来源于蒙古境内，途径内蒙古自治区、河北省、北京市、山东省、江苏省、安徽省，最后到达浙江省杭州市临安区试验地点处，输送高度由2000 m处降至1000 m 左右，接着又缓慢降至300 m 左右。1000 m 处气团的输送轨迹为：气团来源于俄罗斯境内，经过蒙古到达国内，途径内蒙古自治区、河北省、北京市、山东省、江苏省、安徽省，最后到达浙江省杭州市临安区试验地点处，输送高度由2000 m 以上降至1500 m，然后又回升至2000 m 左右，接着又降至1000 m 左右。由此可知，300 m 和1000 m 处气团48 h 前输送轨迹相似，输送距离都在1000 km 以上。由于北方地区冬季供暖的原因，故冬季黑炭的质量浓度均值要高于夏季。

3 结论

通过个例分析，结果表明：

1）不论夏季还是冬季，上午地面黑炭的质量浓度都会随着边界层的升高而降低，下午由于交通排放的增加和边界层的降低，地面黑炭的质量浓度会略有增加。冬季早晨黑炭易聚积，故冬季上午地面黑炭的质量浓度日均值要远高于夏季。

2）不管是夏季还是冬季，上午和下午的两个航次中，黑炭的质量浓度随着高度的增加分别显示出了相似的变化规律。冬季上午的黑炭的质量浓度要远高于夏季上午，但下午黑炭的质量浓度相似。

3）夏季气团输送轨迹在长三角区域内，可见污染物主要来源于近距离输送，而冬季污染物主要来源于远距离输送。