北京地区3500m高空内污染物的时空分布特征

陈鹏飞,张 蔷,权建农,高 扬,赵德龙,孟筠旺 (.北京市人工影响天气办公室,北京 00089；2.中国气象局北京城市气象研究所,城市气象与城市灾害博士后科研工作站,北京 00089)

北京地区3500m高空内污染物的时空分布特征

陈鹏飞1,2,张 蔷1*,权建农1,高 扬1,赵德龙1,孟筠旺1(1.北京市人工影响天气办公室,北京 100089；2.中国气象局北京城市气象研究所,城市气象与城市灾害博士后科研工作站,北京 100089)

利用2007～2010年北京地区3500m高空内飞机探测的大气污染物(NOx、SO2、CO和O3)数据资料,分析其时空分布特征.结果表明:在4～11月期间,NOx、SO2和CO月均值有比较明显的一致性变化规律,NOx、SO2和CO月均值随高度增加而减小,而O3月均值随高度增加,出现先增大后减小的变化规律.温度较高月份(7～10月)值较小,而温度较低月份(4～6月、11月)值较大,但O3月均值季节变化规律为夏季5～9月的较大,春秋季4月、10～11月的较小.不同的高度大气污染物浓度白天逐时变化并不一致,其变化率是1500m以下的比1500～3500m的明显高.北京地区大气污染物区域分布特征是,除城区四环明显较高外,城区正北面、西南面(北京-保定方向)、东南面(北京-天津方向)较高,西北面(北京-张家口方向)较低.

大气污染；氮氧化物；臭氧；空间分布；飞机探测；北京地区

随着城市建设和交通事业的高速发展,城市大气污染问题愈来愈成为备受关注的热点问题[1-2].对大气污染物浓度的观测有不同的观测手段,国内外均是地面观测实验较多,如 Helmut等[3]、Statheropoulo等[4]、Tie等[5]研究了国外城市大气污染物分布特征及稀释规律等;丁国安等[6]、安俊琳等[7]、韩素芹[8]等研究了国内城市大气污染的分布及与气象因数的关系等.但随着气球[9]、飞机[10-11]、火箭等运载工具的发展,人们不断地探索在空中直接测量不同高度上大气污染物浓度的方法.目前国内利用大量飞机探测资料,来统计分析研究城市大气污染物的垂直分布特征的工作还不多见[12-15].本文利用北京地区连续4年飞机探测的大气污染物资料,时间上涉及到春、夏、秋3个季节,空间区域覆盖了北京市城区及周边地区,研究北京地区大气污染物的时空分布特征,旨在为制定有效的城市环境调控政策提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 仪器设备

飞行探测实验使用的飞机是由中国哈尔滨飞机制造公司研制的轻型双发多用途运输机(Y12II型飞机 B-3830).根据大气探测实验的需要,结合飞机的设计特点及系统、结构布局情况,在机上布置安装大气探测设备(表1)和实验相关辅助设备,进行了北京地区上空3500m内主要气体污染物的飞行探测.

表1 飞机大气探测的主要仪器Table 1 Instruments of atmospheric measurements in aircraft

1.2 飞行方案

飞机探测方案主要是针对北京城区及其周边区域(114～118°E,38.5～41.5°N)的非雨天的大气化学探测.北京城区上空飞行探测:环城路线位于4环和5环之间,垂直盘旋时,最先探测高度为2100m,之后向下每隔300m水平探测1圈,最低水平探测高度为 600m.北京近郊和周边地区飞行探测:北京市近郊主要是城区正北(沙河)、西北(延庆)、和西南(良乡)开展垂直探测;北京市周边地区,西北到张家口,西南到保定,东南到天津武清及塘沽开展垂直探测,飞机呈螺旋式上升和下降,最高探测高度为3600m,最低600m.

图1 2007～2010年飞机大气探测飞行轨迹Fig.1 Aircraft flight paths of atmospheric sounding from 2007 to 2010

1.3 数据处理

统计了2007～2010年4～11月的飞行大气探测资料,其中2007年63d,2008年71d,2009年55d, 2010年81d,共计270d探测数据,详细廓线数据见表2.借助计算机Fortran 95语言编程,Microsoft Excel 2007和Origin 7.5统计软件,对污染物浓度及GPS等数据资料进行处理和分析.飞机探测时,气体分析仪每秒存取一组数据,由于所得数据量很大,加之仪器的系统误差、故障及传输记录过程中的某些原因,会出现一些虚假、有误的数据,分析时对数据进行剔除和订正.作污染物浓度廓线时,取飞行的上升和下降阶段,计算每50m的污染物浓度平均值(文中不特别说明的污染物浓度均指的是污染物平均体积比浓度,即×10-9),然后得出污染物浓度的垂直廓线.

表2 飞行探测污染物廓线数据Table 2 Vertical profiles of pollutants flight measurements

2 结果与讨论

2.1 污染物浓度廓线的逐月变化

图2 不同污染物4年月平均浓度廓线Fig.2 Vertical profiles of monthly average concentrations of different pollutants in four years

通过对资料的统计分析,一共得到409条污染物浓度垂直廓线,由图2可知,0～3500m内,4种污染物的浓度随高度变化的共同特征是,浓度变化高空有一个比较明显的分界线(约 1500m), 1500m 以上,月内的污染物浓度变化梯度较小, 1500m以下,污染物浓度变化梯度较大,每月的污染物浓度的极大值均在此高度范围内出现.NOx月浓度最大值出现在 4月份高空 300m处,约40×10-9;SO2、CO月浓度最大值出现在11月份的近地面和高空约250m处,分别约为28×10-9和 5.8×10-6;O3月浓度最大值出现在 6月份高空约1000m处,约110×10-9.不同月份SO2、NOx和CO浓度垂直廓线不同,廓线峰值出现的高度存在差异,有研究表明[16-17],浓度廓线随高度变化均和逆温结构相关,污染物浓度峰值对应逆温层下界面.O3每月平均浓度廓线有一致的变化规律,即随高度增加,先增大后减小.此研究结果,可参考郑向东等利用国产臭氧探空仪及双池型电化学(ECC型)臭氧探空对2002年10～11月北京的臭氧垂直分布数据的对比研究[18],虽然臭氧探空仪研究尺度大,精度低于飞机观测,但其分析结果中同高度的O3廓线的分布趋势与本研究结果一致.本研究结果与宗雪梅[19]研究结果也比较一致.

污染物浓度垂直分布规律出现的原因:太阳辐射加热了下垫面和低空大气,产生对流并使气团充分混合,形成对流混合层,并在混合层顶(在晴天约 1000m)附近形成逆温层.对流混合把低空包括水汽和大气污染物向上输送,但受逆温层阻挡,上升的气团在逆温层附近扩散减弱,所以 SO2、CO、NOx浓度变化高空有一个比较明显的分界线.近地面NOx的高值和太阳辐射的相对低值,使NO与 O3反应较强,消耗O3;随着高度增加,NO值减少,O3消耗减弱,同时太阳辐射相对加强,NO2与O2反应增强,O3值增大;但由于逆温或等温层(混合层内)的存在,不利于地面NOx的垂直扩散[20],到一定高度(约1000m)后NOx浓度明显减小,其混合反应对O3值影响变小,而且其他O3前体物浓度也随高度增大而减小,导致O3值减小,所以O3浓度廓线出现了先增大后减小的变化规律.

由时间上分析,4～11月期间,北京地区高空0～3500m内, SO2、NOx和CO月均浓度值,有明显的一致性月变化规律,均是温度较高的月份(7～10月)的浓度值较低,而温度较低的月份(4～6月、11月)的浓度值较高,尤其11月份近地面浓度明显高于其他月份,这与11月下旬北京开始采暖,锅炉排放等使污染物浓度增加有关[21].而O3月均浓度值季节变化规律为5～9月的O3均值较大,春秋季4月、10～11月均值较小,这与光化学反应的复杂机理有密切关系[22],夏季由于温度高、日照强,因此,易发生一系列光化学反应而生成 O3,而春秋季的低温和相对较弱的太阳辐射不利于O3的生成,造成各层O3夏季高于春秋季.此外,氮氧化物、有机物等前体物浓度的垂直分布也是影响各层 O3分布的重要因子[23].

2.2 污染物浓度廓线的逐时变化

由图3可知,各污染物每时的平均浓度廓线与其每月平均浓度廓线有一致的变化趋势,各污染物浓度变化梯度在1500m以上明显小于其在1500m以下.不同的高度污染物浓度随时间变化并不一致,近地面变化大,主要是近地面的受人为活动扰动大,影响因素较多;而高空变化相对较小,影响因素少,主要是受区域输送的影响等.

图3 不同污染物4年小时平均浓度廓线Fig.3 Vertical profiles of hourly average concentrations of different pollutants in four years

高空1500m以上,NOx、SO2、CO和O3浓度在 09:00～19:00随时间变化幅度较小,分别在(5～10)×10-9、(3～8)×10-9、(1.5～3)×10-6、(70～80)× 10-9之间波动.1500m以下,污染物浓度变化幅度上午较下午大,边界层不稳定时尤为明显,随着湍流作用的减弱,边界层趋于稳定,污染物浓度小时变化率也相应变小(图3)[24]. NOx浓度较大值多出现在上午09:00～10:00和中午12:00～13:00,较小值出现在下午 18:00～19:00;SO2浓度较大值出现在上午09:00～10:00和中午 12:00～13:00,较小值出现在下午14:00～15:00和18:00～19:00;CO浓度较大值出现在上午 09:00～10:00,较小值出现在下午 18:00～19:00,O3浓度较大值出现在下午 15:00～16:00和17:00～18:00,较小值出现在上午09:00～10:00.

太阳辐射强度在 09:00～12:00逐渐加强,太阳辐射的最大值出现在中午 12:00,下午逐渐减弱,而近地面最高温度一般出现在约 14:00,高度1500m以下的O3浓度日变化规律和太阳辐射及温度的日变化规律比较相似,但O3浓度最大值比温度最大值出现时间滞后约 1h,这说明 O3的产生与太阳辐射和温度密切相关.

2.3 污染物浓度水平区域分布

城市大气污染物除了具有明显的垂直分布特征外,还存在区域性差别,将探测气体浓度平均统计到0.05°×0.05°的经纬度格内(图4).由图4知,在 1500m内飞行探测集中在北京城区的周边, NOx、CO、SO2和O3浓度变化较大,存在一些明显的污染高值区,多零星分布;但总体来看,北京城区四环及近周边地区较高,且以城区北部和西部的更高.主要是由于污染物浓度空间分布与污染源分布及源强有直接关系[25-26],污染物由污染源排放后,短时间内在一定区域聚集或垂直扩散而没有大面积水平扩散,所以导致一些高值区域的出现.如城区车流量比城区外的大,有大量的机动车排放源,易出现污染物高值.另外,地形特征也是影响空气质量水平的重要客观因素之一[26],北京的西部和北部为山脉,东南部为平原,是典型的“簸箕”状地形,当中低空吹偏南风或者偏东风的时候,污染物在风的输送作用下易在山前的平原地区汇聚,即造成市区污染物累积而浓度升高.1500m以下,城区四环上空的污染物浓度并不是最高的,如工业排放源对CO和SO2的影响较大,一些工业厂区主要在北京城区的周边而不在城区,所以导致城区四环外的CO和SO2浓度高值区较多,且高于四环上空;O3浓度四环也低于四环近周边区域.由于高NOx浓度条件下O3生成效率较低[27],北京城区的 NOx浓度较高,致使 O3浓度相对城外郊区及周边区域偏低.

高空(1500～3500m)的飞行探测涉及的面积范围比较大(图4),污染物浓度变化高空均小于低空,高空污染物相对扩散均匀,以一次污染物NOx、SO2和CO浓度水平分布的高低空差异比较明显,而二次污染物 O3浓度的此差异不明显.此处,也可证明北京高空3500m内污染物受地面及低空的垂直输送影响较大,且二次污染物水平分布随高度变化幅度比一次污染物的小.北京城区四环及近周边地区NOx、SO2、CO和O3浓度明显较高[28],大范围来看,它们的浓度分布均是北京城正北面、西南面(北京-保定方向)、东南面(北京-天津方向)较高,西北面(北京-张家口方向)较低.此处与以往关于北京地区污染物水平输送研究结论相符,即北京及周边外来污染物存在常驻性输送通道,按照风场流场特征分为东风型、西南风型和东南风型输送通道[29-30].

3 结论

3.1 北京地区高度0～3500m内, NOx、SO2、CO和O3浓度随高度变化的共同特征是,浓度变化高空有一个比较明显的分界线(约 1500m),1500m以上,月内的污染物浓度变化梯度较小,此空间处于混合层以上,气团运动受下垫面影响较小,输送作用可能对污染物浓度的影响更加显著;1500m以下,污染物浓度变化梯度较大,每月的污染物浓度的极大值均在此高度范围内出现,O3每月平均浓度随高度增加,均出现先增大后减小趋势.

3.2 在4～11月期间, NOx、SO2和CO月均浓度值有比较明显的一致性月变化规律,均是温度较高月份(7～10月)的浓度值较低,夏季的气象条件有利于污染物的稀释和扩散,大气环境质量相对较好;而温度较低月份(4～6月、11月)的浓度值较高,尤其 11月份近地面浓度明显高于其他月份,而O3浓度的季节变化规律为夏季(5～9月)的O3均值较大,春秋季4月、10～11月均值较小,这与光化学反应的复杂机理有一定关系.

图4 不同污染物4年平均浓度的水平区域分布(0～3500m)Fig.4 Horizontal distributions of mean concentrations of different pollutants in four years (0～3500m)

3.3 在 09:00～19:00时段,不同的高度污染物浓度逐时变化并不一致,污染物浓度每小时变化率1500m以下的比 1500～3500m的明显高,近地面变化大,主要是近地面的受人为活动扰动大,影响因素较多;而高空变化相对较小,影响因素较近地面少,主要是受区域输送的影响等.

3.4 北京城区四环NOx、SO2、CO和O3浓度明显较高,大范围来看,它们的浓度分布是北京城区正北面、西南面(北京-保定方向)、东南面(北京-天津方向)较高,西北面(北京-张家口方向)较低.

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Temporal and spatial distribution of atmospheric pollutants by aircraft sounding in 3500m altitude of Beijing area.

CHEN Peng-fei1,2, ZHANG Qiang1*, QUAN Jian-nong1, GAO Yang1, ZHAO De-long1, MENG Jun-wang1(1.Beijing Weather Modification Office, Beijing 100089, China；2.Post-Doctoral Scientific Research Workstation of Urban Meteorology and Urban Disasters, Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2012,32(10)：1729～1735

Based on the aircraft sounding concentrations data of nitrogen oxides (NOx), Sulfur dioxide (SO2), Carbon monoxide (CO) and ozone (O3) over Beijing area from 2007 to 2010, the temporal and spatial distribution of atmospheric pollutants concentrations from the ground surface to 3500m altitude were studied. Vertical profiles of monthly average concentrations of NOx, SO2and CO were in good agreement during April to November, that decreased with the raising of altitude, but concentrations of O3first increased and then decreased. Low concentrations of NOx, SO2and CO appeared in the high temperature months (July to October) and their high concentrations appeared in the low temperature months (April to June, November), and O3concentrations were lower in spring and autumn (April, October to November), but that were higher in summer (May to September). In a daytime, pollutants concentrations at different altitude change with time were not consistent, and hourly change of pollutants concentrations below 1500m altitude, were significantly higher than that in 1500～3500m altitude. The characteristic of regional horizontal distributions of pollutants was that higher concentrations appeared in the urban area of Beijing, higher pollutants concentrations areas were in the northern, southwestern (Beijing-Baoding direction) and southeastern sections (Beijing-Tianjin direction), lower pollutants concentrations areas were in the northwestern sections (Beijing-Zhangjiakou direction).

atmospheric pollution；nitrogen oxides；ozone；spatial distribution；aircraft sounding；Beijing area

2012-02-20

北京市博士后工作经费资助项目(2011ZZ-86);北京市科技新星项目(2010B029);国家自然基金资助项目(40905060)

* 责任作者, 正研级高级工程师, zqxxm_cn@sina.com

X511

A

1000-6923(2012)10-1729-07

致谢：本文所用飞行探测资料是由北京人影办飞行保障科的黄梦宇、马新成、金华、张磊等人员做大量的飞行试验提供的,特此感谢.

陈鹏飞(1981-),男,山西大同人,中国气象局北京城市气象研究所博士后,主要从事特大城市光化学反应机制、输送过程研究.发表论文7篇.