石家庄一次沙尘气溶胶污染过程及光学特性

陈 静,张艳品,杨 鹏,钤伟妙,王晓敏,韩军彩 (石家庄市气象局,河北 石家庄 050081)



石家庄一次沙尘气溶胶污染过程及光学特性

陈 静*,张艳品,杨 鹏,钤伟妙,王晓敏,韩军彩 (石家庄市气象局,河北 石家庄 050081)

摘要：为掌握沙尘气溶胶远距离输送特征及其规律,对2015年4月15日影响石家庄空气质量的沙尘天气背景、污染特征进行了分析,利用HYSPLIT—4模式分析了沙尘气溶胶的后向轨迹,并利用微脉冲激光雷达和太阳光度计CE318监测资料分析了沙尘气溶胶的垂直分布和光学特性演变,与大风无沙尘沉降另一过程进行了对比,探讨了沙尘沉降对消光系数的影响,估算了沙尘沉降对地面P M10浓度的贡献.结果表明:来自蒙古国的沙尘气溶胶以西北路径远距离输送沉降是导致石家庄PM10浓度骤升的主要因素;沙尘沉降对消光系数和地面PM10浓度具有重要贡献;气溶胶快速沉降时间与冷锋过境、冷空气下沉相一致;微脉冲激光雷达监测到整个沙尘气溶胶输送沉降过程,沉降之前沙尘气溶胶主要分布在1500～3000m高空,气溶胶消光系数随高度上升而增大,输送飘浮空中到沉降持续时间较长,为沙尘污染预警提供了“强信号”特征;气溶胶光学厚度随沙尘到达明显上升,浑浊度较高,粒径偏大,地面能见度随气溶胶光学厚度呈幂指数递减.

关键词：沙尘气溶胶；激光雷达；太阳光度计；消光系数；光学厚度；后向轨迹

∗ 责任作者, 高级工程师, cj640212@163.com

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系,粒子的直径多在10-3～102µm之间,其来源可分为自然源和人工源[1].以自然产生为主的沙尘气溶胶又称矿物气溶胶,是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一[2-3].沙尘气溶胶在一定的环流背景下远距离输送对下游地区的大气环境[4]及生态环境[5-6]会造成较大影响,是影响地气系统的的一个重要因子.它通过多种方式影响气候[7].一方面,通过吸收和散射太阳短波辐射以及地气系统发出的长波辐射,对地气系统的能量收支平衡产生影响;另一方面,还通过改变云的特性影响降水发生率,对区域气候及水循环产生影响[8-10].中国是全球沙尘主要发生和影响区之一,近年来对沙尘气溶胶粒子谱特征[11-13]、光学特性[14-16]及源汇和输送[17-18]方面进行了许多研究.如牛生杰等[19]研究得出在贺兰山地区浑浊度系数增大和波长指数的减少可反映沙尘含量的增多和较大粒径含量的比例增大.马井会等[20]利用全球气溶胶数据GADS (Global Aerosol Data Set)分析得出气溶胶的消光系数和垂直厚度对光学厚度影响很大.曹贤洁等[21]利用激光雷达研究了兰州沙尘气溶胶的辐射特性,得出沙尘过程气溶胶光学厚度时间演变呈双峰型,气溶胶主要集中在地面到1.5km高度层内.但沙尘气溶胶的传输沉降对局地气溶胶光学特性的影响及地面污染物贡献方面的研究较少.

石家庄位于太行山东麓,受太行山的阻挡,沙尘天气发生相对较少.近10年来石家庄市未出现过沙尘暴,但春季大风引起的扬沙以及上游沙尘输送引起的浮尘时有发生.沙尘天气常导致颗粒物浓度快速上升,出现沙尘污染,特别是当沙尘从蒙古国及中国西北地区远距离输送,在适合的环境背景影响下沉降,与本地大风引起的沙尘叠加,导致空气质量恶化,出现重度或严重污染.为给大气污染防治提供技术支撑,掌握沙尘天气的污染特征及其输送规律,在吸收以往研究成果的基础上,对2015年4月15日影响石家庄空气质量的沙尘天气背景、污染特征、输送路径进行了综合分析,利用微脉冲激光雷达和太阳光度计CE318联合监测资料分析了沙尘气溶胶的垂直分布和光学特性,探讨了沙尘沉降对消光系数和地面PM10浓度的贡献,以期为沙尘污染的防治及空气质量预报预警提供参考.

1　数据资料及方法

1.1 数据资料

2015年4月15日沙尘过程分析应用空气污染物浓度资料来源于石家庄市环境监测中心,气象资料来源于石家庄市国家基本气象站、石家庄机场探空资料、中国气象局下发的Micaps资料及美国国家环境预报中心(NCEP)全球再分析资料.

1.2 观测仪器及方法

1.2.1 微脉冲激光雷达 微脉冲激光雷达为北京伊孚和融科技有限公司生产的EV-LIDAE,安装于石家庄国家基本观测站观测场南面,距观测场约200m的地面,垂直向上.该雷达由激光器、同轴光学部分和控制箱体组成,工作波长532nm,单脉冲输出能量为10µJ,脉冲重复频率2500Hz,空间垂直分辨率为15m,工作方式为连续观测,最大探测高度为30km,有效探测高度主要受天气状况影响.激光雷达数据进行反演之前经过预处理,即对激光雷达探测有影响的因子进行订正.经过背景噪音订正、低层重叠因子订正和距离订正[22].反演算法主要采用Fernal方法[23]得到消光系数,通过对消光系数的积分得到气溶胶光学厚度.EV-LIDAE微脉冲激光雷达安装调试完成后已得到相应的订正参数,在激光雷达接收软件中设置即可得到订正,通过订正可有效消除白天的边界噪声,但不能完全排除.激光雷达接收回波盲区设定为105m,105m以下数据不进行分析.利用激光雷达可连续探测大气的优势,对沙尘气溶胶高空输送、沉降的的时间演变情况进行了分析研究,并与CE318太阳光度计相结合研究沙尘气溶胶的光学特性.

1.2.2 CE-318太阳光度计 CE-318太阳光度计,可观测太阳辐射和天空辐射,用于反演大气气溶胶光学特性参量.CE-318有9个波段,中心波长分别为340, 380, 440, 500, 675, 870, 936,1020, 1640nm,带宽为10nm[21].太阳光度计安装于石家庄国家基本观测站二楼平台,距地面约6m.利用Angstrom方法[24-25],采用670nm和440nm波段气溶胶光学厚度,拟合得到532nm、550nm气溶胶光学厚度;计算了波长指数α和浑浊度系数β,对有无沙尘气溶胶影响的光学特性进行讨论.

2　结果分析

2.1 天气背景

图1　2015年4月15日14:00地面天气图(a)及卫星遥感监测的沙尘范围图(b)Fig.1　Surface meteorological chart (a) and dust image monitored by satellite (b) at 14:00BT 15 April 2015

2015年4月14日在蒙古国发展生成的蒙古气旋,携带着大量沙尘于4月15日开始影响东北、华北地区,河北中北部、北京等地出现沙尘天气,从图1(a)可以看到,地面西北大风、沙尘区主要位于冷锋后部甘肃、内蒙等地,冷锋前部为西南大风区,石家庄位于气旋的底部、冷锋前部暖气团影响区.从卫星遥感监测图可以看出4月15日14:00石家庄北部已经出现沙尘,但14:00地面观测无沙尘记录.受干暖气团及太行山焚风效应影响,4月15日白天石家庄气温较高,最高气温达到了34.1℃ ,为2015年入春以来气温最高值,空气干燥,日平均相对湿度仅20%,14:00～20:00相对湿度不足10%.由图2可知4月15日05:00石家庄风向由04:00东风转为西风,风速从0.8m/s增大到2.5m/s,气温较前1h升高了5.8℃ ,相对湿度从43%下降到16%,达到强焚风标准[26],能见度明显上升,从5.7km上升到10km.这是太行山焚风的一个明显特点,主要表现为气温升高、湿度下降,霾消散,能见度转好.05:00～18:00时逐小时10min平均风速大都在2～3m/s,极大风速5～6m/s,风向以西到西南风为主,能见度较好,均在8km以上,20:00前后冷锋过境,风向由西风转为西北风,风速增大, 10min平均风速增大到3.4m/s,20:37出现极大风速8.4m/s,21:00能见度下降到2.9km,之后风速在4m/s左右震荡变化,能见度上升.

图2　2015年4月15日石家庄市逐小时气温、相对湿度能见度(a)和风向(b)Fig.2　Variation of hourly temperature, relative humidity, visibility (a) and wind direction (b) of Shijiazhuang on 15 April 2015

垂直边界层结构是影响污染物扩散的重要因素.图3为4月15、16日02:00石家庄机场和15日08:00、20:00时邢台探空观测的气温、露点随高度变化的垂直廓线.受暖气团的影响02:00石家庄存在一个明显的逆温层,逆温厚度达604m,逆温强度0.8℃ /100m,空气干燥, 500m～ 4000m温度露点差均在30℃以上,地面温度露点差也在10℃以上,邢台08:00、20:00均存在浅层逆温,逆温厚度分别为165m 、65m, 逆温强度为1.8℃ /100m和3℃ /100m,16日02:00随着冷空气的影响石家庄逆温消失,高空气温出现明显下降.从石家庄、邢台的逆温变化分析,逆温层与15日凌晨形成,随着太阳辐射的增强逆温层变薄,但由于低空较强暖气团的影响,到20:00前始终存在浅层逆温.

图3　2015年4月15～16日02:00石家庄机场温度、露点垂直廓线和4月15日邢台08:00、20:00温度露点垂直廓线Fig.3　Vertical profiles of temperature and dew point of Shijiazhuang at 02:00 (LT) of 15～16 April 2015 and of Xingtai at 08:00 and 20:00 (LT) 15 April 2015

2.2 污染过程及污染特征

图4a可见,4月15日地面扬尘污染比较明显,PM10浓度较高, 08:00PM10、PM2.5出现第一个小峰值, AQI指数达到192,为四级中度污染,之后波动变化,空气质量轻到中度污染,首要污染物由PM2.5转为PM10,PM2.5/PM10值小于0.5,13:00之后小于0.4, PM2.5在PM10中所占比例进一步下降, 随着冷锋过境,20:00～21:00PM10浓度骤升,达到1436µg/m3,较前1h上升超过1000µg/m3,之后开始回落, 23:00由852µg/m3下降到432µg/m3, 24:00下降到319µg/m3,AQI从500下降到185,污染过程逐渐减轻.整个过程PM2.5浓度上升幅度较小,21:00较前一小时上升66.4µg/m3, PM2.5/PM10值仅12.9%,表明颗粒物粒径偏大,主要影响PM10.

图4　4月15日石家庄市PM2.5、PM10浓度及其比值和风速逐小时变化与PM10浓度梯度变化Fig.4　PM2.5 and PM10 concentration and its ratio and wind speed by hours, PM10concentration gradient change of Shijiazhuang on April 15

石家庄市环境监测梯度站位于世纪公园,设备安装于电视塔平台上,层次设置为20、86、116 和200m四个层次,观测方法为双通道振荡天平法,为进一步了解沙尘气溶胶对PM10浓度垂直分布影响,选取20、116和200m三个层次与世纪公园国控点(距地面5m)监测资料进行对比分析(图4b).可以看出,世纪公园站与20m高度具有很好一致性,19:00之前两者数据接近,仅在冷锋过境前后峰值出现差异,20m高度峰值较国控点提前1h,其他各层峰值均出现在21:00,与地面监测相一致,这可能由于沙尘从空中沉降产生的时间差.00:00～03:00PM10浓度各层呈现相对稳定的变化,116m最低,20m最高,200m略低于20m,这种垂直分布特征可能由于夜间污染物在近地面沉积及200m高度附近存在残留层所致; 04:00～ 09:00 20m与116,200m差异逐渐增大,07:00～ 09:00 20m和地面接近出现第一个峰值,但116,200m变化平稳,无峰值出现,表明早高峰对PM10的影响主要聚集在近地面,11:00～19:00热力作用使各层充分混合,PM10浓度各层无明显差异.这种垂直分布特点与白天受暖气团影响,近地面逆温层的存在密切相关,逆温限制了污染物垂直扩散,除早高峰和沙尘影响时段外,各层PM10随气温升高日变化特征不明显,污染物被限制在低层.

本次冷空气给石家庄市区带来的风速并不太大,极大风速仅8.4m/s,与2015年4月12日的极大风速7.8m/s接近,冷锋过境前后10min平均风速也比较相近,分别为4.1、4.7m/s,但因风速增大引起的PM10污染物浓度却相差很大,表1为两次过程极大风速及极大风速出现前后两小时污染物浓度对比,说明4月15日冷锋过境导致PM10污染物浓度骤升的因素不仅是本地风速增大引起的扬尘污染所致,外来沙尘在高空西北气流的输送下漂移沉降对石家庄市PM10浓度的增加具有重要贡献.

表1　2015年4月12日和15日两次冷空气影响PM10浓度对比Table 1　Comparison of wind speed and PM10 during two cold air process on 12 and 15 April, 2015, respectively

为了解本次污染过程的来源,应用美国国家海洋大气研究中心(NOAA)开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统HYSPLIT-4(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4),以石家庄市(38.03°N,114.42°E)为参考点,利用NCEP全球再分析气象资料,选取时间步长为3h,计算分析2015年4月16日08时过去24h高度100m、500m和1000m沙尘气溶胶后向轨迹(图5),从图上半部可以清晰看出,距地面3个高度沙尘源均来自西北方向蒙古国的东部,在高空西北气流影响下远距离输送,而图5的下半部表明沙尘的输送来自高空,北京时间14:00之前选定高度粒子轨迹均在高空3000m左右或以上,20:00前后开始沉降,这与冷锋过境后,PM10浓度骤升的时间相一致,说明沙尘气溶胶高空远距离的输送是导致PM10“爆表”的主要原因.

图5　2015年4月16日08:00距地100、500、1000m高度24h后向轨迹Fig.5　24 hour backward trajectory over 100, 500, and 1000m height at 08:00 (LT) 16 April, 2015

2.3 光学特性

2.3.1 沙尘气溶胶消光系数垂直分布 气溶胶消光系数表示气溶胶粒子通过散射和吸收作用,对某一波段太阳辐射单位面积、单位长度的削减程度.通常,排除云等的影响,气溶胶消光系数越小,表明污染越轻,反之,污染重.2015年4月15日07:00左右,位于石家庄地面基本气象观测站的激光雷达就观测到高空气溶胶层的出现,该层位于1500～3000m高度,与地面气溶胶层相脱离,表明该层为高空气溶胶输送层.图6～7为4月15日01:00到16日08:00激光雷达反演的气溶胶消光系数垂直廓线及典型时次垂直分布图,可以清晰的看出,4月15日01:00～06:00气溶胶主要分布在近地面300m以下,气溶胶消光系数随高度呈快速递减,近地面最大消光系数为0.5km-1,但15 日07:00前后随着高空气溶胶层出现,500m以上气溶胶消光系数随高度升高而增大,1500m以上气溶胶消光系数大于近地面层,并随着时间的推移逐渐增大,表明空中气溶胶浓度增大,污染有加重的趋势,14:00～16:00高空气溶胶消光系数有所减小,可能与对流、湍流交换增强以及水平扩散有关,17:00前后随着空中气溶胶层与近地面气溶胶层混合,地面气溶胶消光系数明显增大,污染加重,空气质量为中度污染,20:00地面消光系数大于1.0km-1,空气质量达到重度污染,21:00前后高空气溶胶沉降明显,地面气溶胶消光系数达到最大值1.5km-1, PM10浓度骤升到1436µg/m3.从 21:00气溶胶消光系数的垂直分布分析,1300m高度以上为相对混合均匀的气溶胶层,消光系数约0.5km-1,1300m以下气溶胶消光系数大于0.5km-1,消光系数越接近地面越大.15日24:00前后2500m以上气溶胶消光系数很低,不足0.1km-1,表明空气比较清洁,高空气溶胶层沉降到2500m以下,500～2000m气溶胶混合均匀,消光系数0.2～0.3km-1,低空500m以下消光系数随高度上升下降明显,与之对应的地面消光系数也逐渐减小, 16日02:00近地面消光系数减小到0.5km-1以下,之后高空稳定气溶胶污染层消失,表明沙尘气溶胶污染输送过程基本趋于结束.

图6　2015年4月15日01:00到16日08:00气溶胶消光系数垂直廓线Fig.6　Vertical profile of aerosol extinction coefficient during 01:00 (LT) 15th to 08:00BT 16th April, 2015

本次高空输送的气溶胶从出现到沉降间隔10多个小时,其快速沉降的时间与冷锋过境、冷空气下沉基本一致.分析表明利用激光雷达对气溶胶的连续监测,结合天气形势预报,可有效开展上游沙尘天气对本地空气质量影响的预警,为外来沙尘的预报预警提供了思路.

图7　2015年4月15日1:00到16日05:00典型时次气溶胶消光系数随高度的变化Fig.7　Variation of aerosol extinction coefficient with height at 01:00 (LT) 15th to 05:00BT 16th April, 2015

图8　4月12日09:00～18:00典型时次消光系数垂直变化以及4月15日21:00、13:00消光系数和21:00沙尘沉降估测消光系数垂直变化Fig.8　Vertical distribution of extinction coefficient during 09:00～18:00 on April 12 and variation of the measured extinction coefficient at13:00 and 21:00, and the estimated extinction coefficient at 21:00 by dust setting on 15th April

2.3.2 沙尘沉降对消光系数的影响 4月12日与4月15日极大风速接近,但无沙尘沉降.由于在局地大风条件下污染扩散条件好,其他局地污染源对消光系数的贡献较小,可近似认为激光雷达监测消光系数变化受局地大风扬尘影响.选择4月12日逐小时10min平均风速≥3m/s(09:00～ 18:00)时段,分析局地大风沙尘对消光系数影响(图8a).扣除云的影响,消光系数均小于0.3km-1, 对1200m以下高度消光系数垂直分布进行拟合,各时次消光系数随高度呈指数递减,其中极大风速出现最接近时次11:00消光系数拟合公式为:y=2423.6e-16x,相关系数R2=0.7856,14:00、17:00 相关系数R2分别为0.6695和0.6664,相关性较高,均通过α=0.001检验.4月12日极大风速出现时次11:00石家庄地面PM10浓度为一日峰值,该时次消光系数可近似做为局地大风引起背景值.为探讨4月15日21:00沙尘气溶胶沉降对消光系数的影响,以该时次消光系数扣除沙尘沉降前和局地大风消光系数背景值,估测沙尘沉降对消光系数的影响.4月15日12:00～14:00沙尘气溶胶层悬浮于空中未沉降,地面及梯度监测该时段PM10浓度接近,故以4月15日13:00为沙尘沉降前消光系数背景值.为去除云影响,选择1200m以下进行分析,图8b为4月15日13:00、21:00及估测沙尘沉降消光系数,估测沙尘沉降消光系数105m接近0.9,最小值也在0.3左右,垂直高度上均大于4月12日大风时的最大值,表明沉降作用明显.选择4月12～16日石家庄梯度站200m高度PM10浓度与对应层次消光系数进行相关拟合,PM10浓度与消光系数呈明显正相关,相关系数R2为0.5198,拟合公式:y=1.0636x+ 0.1294,以此估测沉降对地面PM10浓度的贡献量为1009µg/m³,以21:00实况值扣除沉降贡献值和沉降前PM10浓度背景值,测算本次沙尘污染过程中局地大风对PM10的贡献为132µg/m³,该值与4月12日大风日1h最大升幅129.8µg/m³接近,说明利用激光雷达消光系数估测沙尘沉降的方法可行,具有一定的参考价值.

图9　2015年4月15～16日典型时次退偏比垂直变化特征Fig.9　Vertical variation of depolarization on April 15～16, 2015

2.3.3 气溶胶退偏振比的特征 线性退偏振比可作为气溶胶粒子非球形程度的指示剂,其值越大非球形程度越高,是区分气溶胶粒子类型的一个潜在工具[27].由图9可以看出,4月15日02:00、05:00退偏比随高度升高快速下降,300m以上退偏比值很小且变化不大,表明空中以球形粒子为主,而08:00 300m以上退偏比随高度明显增大, 1000m左右接近0.15,之后随高度波动变化, 2500m以上大于0.2,表明高空非球形气溶胶粒子浓度大,非球形气溶胶于早晨前后到达本地上空,之后浓度呈增加的态势,11:00～20:00低空1000m气溶胶退偏比均在0.2以上,表明非球形气溶胶高低空混合均匀,整层退偏比较大.研究认为沙尘气溶胶退偏比一般大于0.2[28],依据激光雷达监测退偏比可判断高空气溶胶输送层为沙尘气溶胶;与高空气溶胶退偏比对应的近地面,退偏比相对偏小,在0.1～0.2之间,说明高空气溶胶非球形粒子浓度比近地面高.23:00后高空及近地面退偏比均呈减小趋势,16日02:00高空退偏比减小到0.2以下,沙尘非球形粒子气溶胶污染过程趋于结束.

对比4月12日大风期间退偏比,扣除云影响层,各层退偏比值均小于0.1,空中气溶胶层以球形粒子为主,沙尘气溶胶粒子较少,风速大的时段地面PM2.5/PM10比值小于0.5,最小值仅0.12出现在极大风速出现时次,表明局地大风沙尘对地面颗粒物贡献以PM10为主.

2.3.4 气溶胶光学厚度变化特征 气溶胶光学厚度反映了整层大气的透明程度,其值越大,表示大气愈浑浊[29].由图10可知沙尘气溶胶过程前气溶胶光学厚度(AOD)为0.1～0.3,4月15日07:00左右沙尘气溶胶到达石家庄上空,气溶胶光学厚度(AOD)急剧增大到0. 63,之后呈一直的上升,到13:00达到第一个峰值,但PM10和PM2.5浓度变化不大,表明受高空沙尘气溶胶影响所致;14:00～ 17:00波动下降,但值仍然较高,AOD>0.8,其后再度上升,21:00达到峰值1.88,与PM10浓度峰值相对应,23:00～24:00气溶胶光学厚度开始下降,污染过程减轻.

图10　4月15日激光雷达监测逐小时平均气溶胶光学厚度与PM10、PM2.5浓度日变化Fig.10　Diurnal variation of AODmeasured by Lidar, PM10, and PM2.5on 15thApril

太阳光度计测量分析是确定气溶胶光学厚度的可靠方法之一[21,30].为了验证激光雷达反演气溶胶光学厚度的可靠性,利用CE318太阳光度计对激光雷达反演数据进行验证.由于CE318太阳光度计不包含532nm 通道,文中采用670nm 和440nm波段资料,拟合得到532nm气溶胶光学厚度.由图11可以看出激光雷达反演与CE318观测AOD趋势一致,具有明显的相关性,相关系数R2=0.833,表明激光雷达数据反演数据具有一定的可靠性.

图11　4月14～16日石家庄激光雷达反演与CE-318观测气溶胶光学厚度散点图Fig.11　Scattering point figure for AOD measured by Lidar and CE-318sunphotometer on April 14～16in Shijiazhuang

为了解不同天气背景下气溶胶光学厚度的变化特征,对沙尘影响前后气溶胶光学厚度进行对比分析.4月12日因受云干扰,监测的气溶胶光学厚度出现异常,不做讨论.由图12可以看出,4 月15日沙尘气溶胶影响前13～14日空气质量优良,550nm气溶胶光学厚度平均为0.28～0.42,变化比较平稳,与1020nm、1640nm差异性比较明显,满足气溶胶光学厚度随波长增大而减小的一般规律,沙尘气溶胶到达后3个波段气溶胶光学厚度均呈一致上升,15日06:49 550nm增大到0.63,之后呈震荡上升,12:23达到1.8,出现峰值,其后略有波动,但均大于1.0.1020nm、1640nm峰值与550一致,分别为1.73和1.60.沙尘到达期间3个波段气溶胶光学厚度离散程度减小,1020nm 与550nm峰值接近,其值对随波长增加减小的规律出现偏离,这可能与沙尘气溶胶粒径密切相关,后面将通过波长指数进行讨论.利用550nm气溶胶光学厚度与水平能见度进行相关分析,两者呈明显正相关,随着气溶胶光学厚度的增大,能见度呈幂指数下降,相关系数R2=0.253,通过α=0.01相关性检验.表明沙尘气溶胶影响导致气溶胶光学厚度增大,污染加重.

图12　4月13～16日CE318监测不同波段气溶胶光学厚度时间演变Fig.12　Variation of aerosol optical depth at different wavelengths monitored by CE-318 on 13～16, April

图13　4月13～16日波长指数和浑浊度系数Fig.13　Angstrom exponent (α) and Angstrom turbidity coefficient (β) on 13～16April, 2015

2.3.5 浑浊度系数和波长指数 大气浑浊度是表示大气中气溶胶含量(不包括云雾粒子)的大气光学参数,常用来监测空气的污染状况[28].当通过太阳光度计测量得到两个不同波长λ1、λ2处的气溶胶光学厚度τaero(λ1)和τaero(λ2)时,求解以下方程组,即可得到Angstrom浑浊度系数β[21-22]:式中λ为波长.α为取决于散射粒子大小分布的波长指数,当大气中气溶胶较小的粒子所占的比重增大时,α值变大,反之则变小.

表2　2015年4月13～16日沙尘气溶胶影响前后气象要素、空气质量和气溶胶光学参数Table 2　Meteorological elements, air quality and aerosol optical parameters before and after the dust event on 13～16April, 2015

由图13可见沙尘气溶胶影响前4月13～14日混浊度系数β<0.2,空气比较清洁,日均能见度在10km以上,对应的空气质量优、良,沙尘气溶胶影响日4月15日07:00 β>0.4,之后快速上升,10:00 β>1.0,之后维持较高值,平均值1.1,空气相当混浊,对应空气质量为中度污染,16日随着沙尘气溶胶的扩散,β明显减小,但仍大于0.2,该日风速大,地面扬尘污染导致空气混浊,首要污染物PM10,空气质量轻度污染.波长指数α与β相反.4月13～14日α>1.2,表明空气中较小的细粒子所占比重大,4月15日α<0.2,比前两日明显下降,说明空气中粗粒子所占比重较大,16日α有所上升,但仍然偏小,对应的首要污染物仍为PM10.

3　结论

3.1 导致2015年4月15日石家庄PM10浓度

1h骤升超过1000µg/m3的主要原因是来自蒙古国中部沙尘气溶胶,以西北路径远距离输送沉降所致;漂浮在高空的沙尘气溶胶快速沉降时间与冷锋过境冷空气下沉时间一致,这对沙尘气溶胶影响空气质量的预报预警具有指导作用.

3.2 激光雷达对沙尘气溶胶影响过程能够进行连续观测.沙尘气溶胶首先出现在高空,沉降前主要分布在1500～3000m高空,沙尘气溶胶退偏比大于0.2,非球形粒子比重大;沙尘气溶胶出现本地上空到沉降持续了10余个小时,利用激光雷达对其跟踪监测可做为预报预警前置“强信号”,对沙尘天气防范、空气质量预报具有指示意义.

3.3 大风无沙尘沉降消光系数随高度呈指数递减,沙尘沉降对消光系数具有明显的影响,利用激光雷达消光系数变化可估测沙尘沉降对消光系数及对地面PM10浓度的贡献.本次沙尘污染过程仅21时沉降对地面PM10浓度的贡献达到1000ug/m³以上.以局地大风沙尘污染特征为参考,验证了该方法是可行的.

3.4 沙尘气溶胶使光学厚度增大,平均值超过1.0,最大达到1.88,其日变化呈现双峰型,最高峰出现时间与沙尘快速沉降、地面PM10浓度峰值相一致.激光雷达反演数据与CE-318监测气溶胶光学厚度具有显著相关性,其趋势基本一致,说明雷达资料反演数据具有一定的可靠性,可与CE-318联合观测研究气溶胶连续变化.

3.5 太阳光度计监测表明不同天气背景下气溶胶光学厚度具有明显差异,空气质量优良天气气溶胶光学厚度各波段均较小,符合随波长增大而减小的一般规律,混浊度系数β<0.2,波长指数α较大,细粒子所占比重大;沙尘影响日混浊度系数β增大,波长指数α明显减小,表明以粗粒子为主,各波段气溶胶光学厚度均上升,但差异减小;地面能见度随气溶胶光学厚度增大呈幂指数递减.

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致谢：衷心感谢中国气象科学研究院车慧正研究员对本文英文部分的指导;感谢石家庄市环境监测中心提供的环境监测资料.

Pollution process and optical properties during a dust aerosol event in Shijiazhuang.

CHEN Jing*, ZHANG Yan-pin, YANG Peng, QIAN Wei-miao, WANG Xiao-min, HAN Jun-cai (Shijiazhuang Meteorological Bureau, Shijiazhuang 050081, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：979～989

Abstract：In order to investigate the properties and variation of dust aerosol transportation, the weather condition and pollutant characteristic that influenced air quality of Shijiazhuang on April 15th, 2015 were analyzed. The HYSPLIT-4model was applied to analyze the back trajectories of dust aerosols. The ground-based micro-pulse Lidar and CE-318sun photometer measurements were used to study the vertical distribution of dust particles and its optical properties variation. In addition, it was compared with another case with strong wind but non dust aerosol deposition. The dust deposition effect on extinction coefficient was discussed. And the contribution of dust deposition to surface PM10concentration was evaluated. The results indicated that the major factor of rapid increase PM10concentration in Shijiazhuang was due to the long-distance transportation and deposition of dust particles from Mongolia by the direction of northwest. Dust deposition had an important contribution to both extinction coefficient and PM10concentration. The rapid dust aerosol disposition was consistent with cold front movement and cold air sinking over Shijiazhuang region. The whole process of dust transportation and disposition had been monitored by the micro-pulse Lidar. It was found that the dust particles mainly distributed on the height of 1500m to 3000m before sinking, where the extinction coefficient increased with the altitude. The process from dust transportation to deposition lasted long time, which could be regarded as one strong alarm signal for dust pollution. When the dust particles arrived over Shijiazhuang region, the aerosol optical depth, turbidity, and particle size showed larger values and the visibility decreased exponentially with the aerosol optical depth.

Key words：dust aerosol；lidar；sun photometer；extinction coefficient；optical depth；back trajectory

作者简介：陈 静(1964-),女,河北曲阳人,高级工程师,主要研究方向为环境气象及空气质量预报预警.发表论文17篇.

基金项目：石家庄科技计划项目(131550363A,151550083A);河北省气象局项目(14ky22)

收稿日期：2015-09-28

中图分类号：X51

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)04-0979-11