地基气溶胶光学厚度趋势分析

2005北京市地基气溶胶光学厚度趋势分析

刘玉婷，邬明权，牛铮，黄文江(1.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，长沙410007；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083；3.中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京100101；4.中国科学院大学，北京100049)0引言大气气溶胶是指悬浮在大气中尺度范围约为10-3～102μm的固态、液态微粒与气态载体共同组成的多相体系。大气气溶胶不仅对气候系统存在直接和间接辐射强迫[1]，同时也对局部地区生态环境以及人类健康产生危害，并通过参与大气中的化学作用，对全球气候变化产生重要的影响[2]。随着我国经济的快速发展，北京地区人为排放的气溶胶对生态环境以及人类生活的影响增大。为解决北京空气质量问题，国家及当地环保部门针对性地提出了相应的政策及治理措施。开展气溶胶光学特性与长时序特征及原因分析，有助于了解近十几年北京地区气溶胶时序变化趋势，以及环境政策和措施对气溶胶光学厚度(aerosolopticaldepth，AOD)的影响。利用多波段光度计监测气溶胶光学厚度具有精度高、时间连续等优点，是目前气溶胶监测手段中最准确的方法。气溶胶地基遥感观测网络(aerosolroboticnetwork，AERONET)数据被广泛应用于卫星遥感结果检校。邬明权等[3]将MODIS气溶胶产品与实测气溶胶数据进行了比较，显示AOD_550与实测观测的气溶胶变化相似；齐玉磊等[4]利用MODIS和MISR与地面AERONET数据进行对比，来确定不同传感器(MISR和MODIS)观测的气溶胶光学厚度在我国北方地区的精度以及适用性；杨东旭等[5]使用北京站、香河站、北京_CAMS站和北京_RADI站数据对所提出的高反射率地区气溶胶反演算法的结果进行了对比验证。AERONET数据被广泛应用于气溶胶性质研究，王晓玲等[6]利用AERONET数据资料深入了解了香河地区大气气溶胶光学特性。然而，这些研究多为对研究区气溶胶的反演及其精度验证，或基于AERONET观测网站年均值进行时序分析，基于季节尺度更精细的长时序及区域AERONET气溶胶数据光学特性的原因分析研究较少。针对这一问题，本文使用北京地区4个AERONET站点(北京(2005—2018年)、北京_RADI(2010—2018年)、北京_CAMS(2013—2018年)和北京_PKU(2016—2018年))月均值地基气溶胶数据，使用统计方法分析该区域气溶胶类型特性以及AOD的年内、季节、长时序变化特征，并结合环保相关政策、措施以及重大事件等影响因素进行分析。1研究区概况和数据及预处理1.1研究区概况北京市污染物排放总量较高，且处于华北平原与太行山脉、燕山山脉的交接部位，地形呈“簸箕型”，不利于污染物扩散，该区域属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水季节分配很不均匀，全年降水量的80%集中在夏季6—8月[7]。在此背景下，一旦气象条件转差，很容易形成区域性重污染[8]。4个站点的地理位置分别为：北京站(39.977°N，116.381°E)、北京_RADI站(40.005°N，116.379°E)、北京_CAMS站(39.933°N，116.317°E)、北京_PKU站(39.992°N，116.310°E)。1.2数据及预处理AERONET网络统一采用法国CIMEL公司标准太阳光度计和极化太阳光度计两种。由于该站点数据每年都会因为仪器标定有部分缺测，缺测的数据会一定程度上影响分析结果，因此本文主要使用AERONET的1020、870、675、440nm4个波段测量的光学厚度以及气溶胶波长指数(α_440～870nm)进行分析，以便更好进行气溶胶长期变化特征和年际变化趋势的研究。本次分析同时使用了1.5级(云掩码处理)与2.0级(云掩码、校正以及质量控制)月均值(monthlyaverages)数据和每日实测数据(allpoints)[9]。2方法2.1总体技术路线总体技术路线如图1所示。图1技术路线图2.2分类基于文献[10-12]提出的使用AOD及α进行气溶胶划分的标准，高嵩等[13]根据北京地区气溶胶特点对该标准进行了调整，本研究参照该标准将气溶胶大致分为4类。1)AOD<0.15，α2)AOD>0.20，α>1.3时，为城市污染型气溶胶(urbanindustryaerosol，UI)；3)AOD>0.30，α4)剩余部分为难以简单识别的气溶胶类型，统称为混合型气溶胶(mixedtypeaerosol，MT)。2.3年内变化特征分析1)AOD和α_440～870nm月均值变化特征。使用2018年北京站点AOD及α的月均值生成相应的变化图，总结该年气溶胶的变化规律，并结合北京地区所处地理位置情况、气候类型以及2018年北京地区天气资讯信息，分析该站点年内气溶胶特性及原因。2)AOD季节变化特征。将2018年北京站点日实测数据分别按照4个季节气溶胶进行统计，季节划分标准为：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)，将四季的气溶胶分别划分为4类，并得到各类气溶胶在4个季节中的占比，总结四季的主导型气溶胶以及各类气溶胶在各季节的变化情况，并分析出现该特征的原因。2.4年际特征对比分析年内变化特征主要分析了气候因素对气溶胶的影响，此外，考虑到环保政策措施从颁布实施到后续对气溶胶光学厚度产生影响是一个长期的过程，本文后续使用AOD年均值、季均值、各类型气溶胶年占比以及四季占比进行了长时序分析。1)AOD年均值、季均值年际变化。作出4个站点的AOD年均值时序变化图，分析各站点时序变化，选择北京站站点数据求取各季节的季均值并得到AOD季均值的时序变化图，在计算季均值时舍弃数据不完整的季度。总结变化特征并进行原因分析。2)各类型气溶胶年际变化。统计各类型气溶胶在每年的占比以及各类气溶胶在各年四季的占比，总结出年占比以及季节占比的时序变化特征及规律，结合北京地区在该时间段的天气报道资讯信息、相关政策以及重大事件进行原因分析。3结果与分析3.1年内变化特征分析1)AOD和α_440～870nm月均值变化特征。图2为北京站2018年4个波长的AOD、α以及平均相对湿度的月变化特征图。以440nm为例，该年AOD年均值为0.71，月均值在0.29～1.49之间波动，7月AOD月均值随着平均相对湿度的增大而增大，为全年最高(1.49)，此时的平均相对湿度也为全年最高，为73.9%；其次是3月(0.96)，AOD月均值最小值出现在12月。α年均值为1.06，全年处于0.76～1.35之间，最低值出现在5月，最高值出现在8月。北京2018年7月风向主要为南风，风力主要为2级，下雨天数达12d，平均气温32℃，高温高湿的天气使气溶胶表现出一定的吸湿性，同时来自北京南部的气溶胶粒子也会增加气溶胶光学厚度；3月北京地区中度污染-严重污染天数达8d，轻度污染达9d，为全年空气污染最严重的月份；4月北京地区有扬沙、浮尘天气，即该月的α_440～870nm值最低；冬季12月剧烈的北风多携带自西伯利亚、蒙古国、东北等地的清洁气团，一方面快速取代本地污染气团，另一方面来自于高空的冷气团快速移动，增大本地混合层高度，近地层的污染物扩散加快，从而迅速降低AOD值。图22018年气溶胶光学特性参数及平均相对湿度变化2)AOD季节变化特征。图3为北京站2018年各类气溶胶在四季的占比图。北京秋冬季供暖期间燃煤燃油排放了大量煤烟型气溶胶使得秋冬季节烟煤型气溶胶所占比较高。北京夏季风向主要为偏南风，部分城市污染型气溶胶来源于北京南部以及西南部重工业城市，同时高温天气促进的“气-粒”转换也会在一定程度上增加该类型气溶胶的含量。沙尘型气溶胶在春季占比最大，夏季其次，研究表明：北京地区的沙尘天气的形成原因可分为周边及远距离输送和局地扬沙两类[14]。春季，西北地区地表土层松散、干燥，且植被覆盖率低，蒸发量大而降水量少，大风天气多，沙尘主体会随天气系统的移动向处于下风向的北京传输，使北京春季频繁出现沙尘暴天气。2018年初夏，内蒙古中东部地区降水偏少，在低气压系统的作用下，沙子被吹到空中，再由高空西北风输送到北京，使处于初夏阶段的北京仍出现沙尘天气。此外，夏季是施工最频繁的季节，城市建筑工地以及裸露地表的局部扬尘也在一定程度上增加了夏季沙尘气溶胶的含量。混合型气溶胶在夏季占比最高，因为夏季较高的混合层高度有利于各种气溶胶的混合。图3各类气溶胶在四季所占比例3.2年际对比分析1)AOD年均值、季均值年际变化。图4为北京地区4个站点气溶胶光学特性参数：AOD与α_440～870nm的年均值时序变化图。从图中可以看到，4个站点AOD年均值变化总体趋势相似，近14年的AOD年均值呈逐年减少的趋势，α_440～870nm值上下波动不大，无显著性变化，这说明北京实施的生态环境治理措施取得了积极成效。图4北京地区4个站点气溶胶光学特性参数年均值的时序变化图图5是北京站点AOD_440nm季均值的时序变化图，该图基于北京站2005、2006、2010、2011、2013、2014、2016、2018年较为完整年份的数据(保证每月都有日实测值)。从图5可以看出，北京站春季在2007、2010、2011、2016、2017年呈现明显的低谷区；夏季气溶胶逐年上升，2008年达到峰值，然后整体呈下降趋势；2008年前后秋季AOD在0.76～0.86之间，在2011年之后逐年降低，2018年有所回升；2008年后两年的冬季AOD值在逐年降低。春季、夏季和冬季AOD值在2014年后都有明显下降趋势。图5北京站AOD_440nm季均值的时序变化图由于应2008年北京奥运会的要求，北京市在防治机动车、工业、烟煤、扬尘污染以及生态保护和建设等方面共实施超过200项措施[15]。奥运会后，我国在经济发展的过程中注重对生态环境的保护。文献[16-17]的研究也表明，2008年北京奥运会期间的治污措施较好地提升了北京的空气质量，北京生态环境质量在2008年前后两年得到显著改善，但由于2008年AERONET北京站数据大多是春季和夏季，这两个季节的AOD值在四季中都有较高值，所以致使2008年北京站AOD年均值升高。2013年，为落实国务院《大气污染防治行动计划》，北京市发布实施《北京市2013—2017年清洁空气行动计划》，AOD_440nm的年均值从2014年的0.80逐年下降至2017年的0.36，空气质量改善成效显著。彭妍君等[18]利用模型WRF-Chem(weatherresearchforecast-chemistry)进行数值模拟研究也发现，“大气十条”政策的实施对空气质量的影响起了主导作用，约占大气气溶胶-辐射相互作用减弱导致全国平均PM2.5浓度下降的88%。2)各类型气溶胶年际变化。图6为4类气溶胶的年占比变化图，烟煤型气溶胶的年占比在2006—2010年、2012—2014年呈现低谷区，在2015—2017年上升，2018年开始下降。城市污染型气溶胶的年占比在2006、2009、2010年分别为14.12%、20.45%、19.12%，在2015年之后年占比下降至30%以下。混合型气溶胶年占比在2008年最低，其值为23.39%，在其余年份上下波动幅度不大。沙尘型气溶胶年占比在14年间整体呈下降的趋势，在2010年后下降至30%以下，甚至在2016、2017年降至20%以下。2018年烟煤型气溶胶和城市污染型气溶胶均相对于2017年有所下降，但是由于2018年春季的3个月均不同程度上受到沙尘天气的影响，导致空气质量爆表，因此沙尘型气溶胶年占比从2017年的14.25%升高到2018年的29.65%，最终导致2018年AOD年均值升高。图64类气溶胶在各年的占比变化图图7为各类气溶胶在四季中的年际变化，从图7(a)中可以看到，在2005—2010年的春季，沙尘型气溶胶占主导地位，2011年春季开始出现混合型气溶胶占比比沙尘型气溶胶高的情况，沙尘型气溶胶的占比在2014—2017年下降幅度较大，且在2017年的春季取得最低占比23.99%。同时可以看到在春季中，烟煤型气溶胶的占比普遍为最低，均在20%以下。从图7(b)中可以看到，在2011年后，夏季沙尘型气溶胶占比急剧下降，降至21.30%以下；城市污染型气溶胶的占比在2007—2009年呈下降趋势，随后变化曲线呈“M”型，两个峰值出现在2012和2014年，该类气溶胶在近3年的占比保持在40.30%以下；烟煤型气溶胶在2005—2014年间的占比都在20%以下；混合型气溶胶相比其他3类波动较小，一般保持在20%～30%之间。北京市于2011年落实《北京清洁空气行动计划(2011—2015年大气污染控制措施)》，严格控制施工扬尘污染，在一定程度上降低了沙尘型气溶胶的占比。2005年，国务院批准首钢实施搬迁、结构调整和环境治理方案。2007年，八部门联合发布了《北京市关于加快退出高污染、高耗能、高耗水工业企业的意见》[19]。同时，北京在2008年奥运期间对机动车也采取了限行等相关措施，赵晓光等[20]对奥运会前及奥运会后限行时期进行同期比较，发现在限行政策实施期间，北京城市大气中的二氧化氮和可吸入颗粒物的浓度均有所降低，北京市机动车限行政策的实行对空气质量的好转有一定的贡献，使得城市污染型气溶胶的占比在奥运会的前后逐渐下降。2013年《大气污染防治行动计划》启动以来，以控车减油为重点，进行行业车辆结构调整。在工业企业整治调退工作方面，《关于建设项目主要污染物总量控制管理有关规定及实施细则》加快推进污染企业退出，2014年后城市工业型气溶胶在夏季的占比逐渐下降。从图7(c)中可以看到，秋季总地来看，4类气溶胶占比在2013年以后都保持在35%以下，且相互之间的差值也相对减少。北京的秋季天气静稳，沙尘型气溶胶、城市污染型气溶胶、烟煤型气溶胶变化规律不明显。图7(d)为各类气溶胶在冬季的年际变化，烟煤型气溶胶在2006、2007、2009、2010、2013年呈现明显的低谷区，所占比例在13%～17%之间，在其余年份里该类气溶胶多为冬季的主导气溶胶，其在2018年冬季所占比例相对2017年有所下降；在2006、2010、2014年，城市污染型气溶胶的低谷区与烟煤型气溶胶相似；沙尘型气溶胶在2010年后为冬季占比最低的气溶胶；在烟煤型气溶胶与城市污染型气溶胶同时进入低谷区时，混合型气溶胶在冬季所占比例较高。图7各类气溶胶在四季中的占比变化2013年《大气污染防治行动计划》将工业作为污染源之一首先进行管制，京津冀区域也对此展开了一次“空气净化运动”，城市污染型气溶胶在冬季的占比降低，但北京冬季的烟煤型气溶胶占比并没有因此降低，因为2013发布的《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》中所提到煤改气本身成本较高，一般发生在北方重污染区以及经济发达区域，此举措对空气质量的影响并不显著。另一方面，该细则并没有要求禁绝农村和城乡结合部的村庄采用散煤采暖，散煤燃烧不充分，排放的烟气中颗粒物的平均浓度高[21]。2016年，十三五计划要求到2020年实现北京整个平原地区“无煤化”，削减散煤被放到了第一位[22]，近两年烟煤型气溶胶在冬季的占比开始降低。4结束语结合城市气溶胶光学厚度以及气溶胶波长指数可以反映大气污染的污浊程度，在北京地区4个站点的地基原数据的基础上，对气溶胶进行分类并使用统计方法分析了气溶胶光学厚度与气溶胶波长指数的年内、季节、时序变化特征，得到的主要结论如