基于系留气艇平台的污染物垂直廓线探测

王维维，翟崇治

(1.重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067； 2.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147)

近几年来，随着我国经济的快速发展，城市化进程加快能源消耗不断增加，颗粒物污染已经对我国产生了不可忽视的影响，不仅影响了人们的身体健康，对气候也有很大的影响[1-3]。伴随出现了一系列的环境问题，如何协调好两者之间的关系一直研究的重点。在最近几年，环境问题也愈发突出，国家也制定了一系列的政策来应对环境的问题，如“大气污染防治行动计划”，和紧接着的“打赢蓝天保卫战”[4-5]。作为PM2.5的重要组成成分，黑炭不仅危害了人类健康，又由于其吸光性，对气候也有很大影响[6]。在近些年，国内和国外学者对颗粒物和黑炭的研究工作逐渐增多[7-12]，但基本上都是靠地面采样实验室分析的方法[13]，对污染物的垂直分布特征的研究还较少，在西南地区的研究更少，由于其复杂的天气条件如高温高湿多云和复杂的地理环境，适合对污染物进行精细化的观测。文中利用系留气艇平台搭载多种传感器并结合地面的监测数据分析了污染物的变化规律，也进一步探讨了该地污染物的输送来源，为大气污染防治提供了依据。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

地面颗粒物数据主要来自于乐山市环境监测中心。系留气艇整个观测平台包括系留气艇、绞车和传感器。系留气艇：长10 m×宽4 m×高4 m，充气50 m3，载重量20 kg。系绳：可承受200 kg以上的拉力，确保安全；长1300 m，最大升限1200 m。绞车：尺寸约为1 m×1 m×1 m，在地面固定，由市电供电。主要使用的仪器为德国公司生产的光学粒径谱仪Grimm 11-S，测量内容：0.25-32 μm气溶胶数谱，且可以自动转换为PM2.5和PM10质量浓度，0.1 μg/m3～100 mg/m3，测量间隔为6 s。美国Aethlabs 公司生产的 MicroAeth微型黑碳仪AE-51，测量内容是黑碳质量浓度，时间分辨率为1s，测量范围为 0～1 mg/m3，测量分辨率为0.001 μg/m3。为提高试验的准确性和代表性，每次试验都会对仪器进行标定。

1.2 观测地点和方案

经咨询调研和实地考察，选取乐山市五通桥区作为替代场地，主要基于以下原因。第一，该区域满足化工园区要求，且污染来源及成因较为复杂。五通桥区是四川省重要的化工基地，观测场地一河之隔就是当地核心化工园区。从前期监测及源解析结果来看乐山空气质量主要受燃煤、工业影响，同时生物质燃烧和扬尘源的影响也很突出[14]。五通桥区燃煤消耗巨大，挥发性有机物排放较高，同时也是成都平原与盆地南部之间重要的污染物输送通道。第二，该区域地形满足盆地地形代表这一要求。五通桥区位于四川盆地西南部边缘，坐落在岷江、青衣江、大渡河三江交汇处，可以作为盆地地形的代表。

在2018年冬季，利用系留气艇平台搭载传感器在观测点进行了多次试验，本研究主要选取了两次重污染天气下的观测进行分析研究，由于不利的天气和空管的影响，时间和释放高度均不统一，每次实验需要大约40 min。

2 结果及分析

2.1 地面颗粒物的分布情况

从图1可以看到乐山市发生2起污染过程。第一次从12月3日持续到12月5日，PM10是这期间的首要污染物，PM2.5也略微有增加，在污染过程前期，AQI(空气质量指数)数值较低，均小于100，PM10和PM2.5分别小于69 μg/m3和45 μg/m3。随着不利天气因素的出现，AQI从1日的63迅速上升到4日的120。与此同时，4日的空气质量迅速从良好转为轻度污染，PM10和PM2.5浓度明显增加，分别为189 μg/m3和63 μg/m3。在此期间，PM2.5没有明显的升高，而PM10增加了近3倍。随着不利天气的结束，PM10迅速下降。到6日，空气质量良好，空气质量指数为58，接近优良。第二次污染过程从12月16日持续到12月23日。期间，乐山市出现轻度污染6天，中度污染3天。在冷空气的持续作用下，9日平均PM10和PM2.5日均值分别降至21 μg/m3和17 μg/m3，分别约为污染事件最大值的1/10和1/4。约6天的大部分时间空气质素良好，其后天气情况恢复稳定。污染从12月12日开始出现，之后迅速累积。入冬以来该盆地发生的最严重的污染从12月14日开始，达到了接近重度污染的水平。12月19日，空气质量指数(AQI)达到了12月份的峰值190，PM10和PM2.5分别达到169 μg/m3和143 μg/m3。

图1 2018年12月空气质量指数(AQI)、PM2.5、PM10的时间序列Fig.1 Temporal distributions of Air Quality Index (AQI), PM2.5 PM10

2.2 污染物的垂直分布特征

2.2.1颗粒物的垂直分布特征

如图2(a)所示，通过系留气艇的多次放飞试验，得到了8条颗粒物的垂直廓线。可以看到在12月1日，试验高度在0～800 m，在地面0～200 m颗粒物浓度较高，PM2.5和PM10分别在60 μg/m3和70 μg/m3左右，在达到200 m左右后，浓度降低速度明显变快，PM2.5与PM10的浓度下降梯度分别为0.46 μg/m3和0.49 μg/m3。低层大气冬季污染的原因一方面是因为工业排放和机动车尾气等污染源的影响；而另一方面是因为不利的天气影响，从图中可以看到试验当天边界层高度较低，大概在200 m左右，严重影响了污染物的扩散。在第一个污染过程中，12月4日可以看到污染物分布较均匀，PM10在低层有较高浓度数值，可能是因为监测地紧靠G213国道，且监测点出入大货车较多所导致的。排除这样的因素，可以发现PM10浓度从0～800 m浓度都较高，可能由于沙尘天气的影响，分布不均匀，下降梯度为每米0.029 μg/m3。PM2.5廓线显示从其浓度分布均匀，下降梯度为每米0.016 μg/m3。

图2(b)中可以看到，在12月19日，出现了较位严重的污染过程。从早上到晚上，颗粒物浓度廓线都处于明显的下降趋势，可能是因为边界层升高使得污染物更容易扩散，同样12月19日早上PM10的异常值应该来自于监测点周围的不利环境影响。在上午9:41左右发现随着高度的增加，PM2.5与PM10廓线相接近，可以知道主要污染物为PM2.5，随着高度的增加，下降梯度为每米0.25 μg/m3，到了下午14:31，PM2.5地面浓度下降了55 %，下降梯度为每米0.15 μg/m3。从这里可以发现在冬季上午随着边界层高度的不断增加，颗粒物浓度的递减速率较快，随着边界层高度的下降，污染物扩散变缓，导致下午颗粒物浓度下降梯度也随之变缓。

图2 12月1日、12月4日和12月19日颗粒物垂直廓线Fig.2 Particulate matter profiles on December 1st, 4th, 19th

2.2.2黑炭的垂直分布特征

如图3所示，可以发虽然AQI在12月4日显著增加，且达到了对敏感者有影响的水平，但是BC廓线显示其质量浓度并没有明显的增加。在12月1日，黑炭质量浓度下降梯度为每米0.008 μg/m3，与12月4日的黑炭下降梯度每米0.006 μg/m3相差不大，说明此次污染过程中本地工业和汽车尾气对BC的浓度升高影响不大。在12月19日可以看到黑炭的质量浓度在上午和下午都比之前高很多，上午的时候，BC地面浓度为14 μg/m3，在0～100 m左右其浓度几乎没有下降，随后在100～600 m BC的质量浓度开始快速下降，这里可以估计边界层高度大概在100 m。到了下午14:31，可以看到地面BC浓度已经下降到12 μg/m3，在0～250 m高度范围内，BC质量浓度没有明显的变化，随后在250～400 m开始快速下降，而后下降速度变缓。通过回归分析可以知道BC375nm和BC880nm有很强的相关关系，相关系数R2均达到0.99,显示出在观测期间生物质燃烧的明显影响[15]。BC在375 nm和880 nm的比值可以用来分析BC的主要来源，如果比值≤1.0，BC质量浓度的主控因素为化石燃料燃烧，如果比值≥1.0，BC主要受生物质燃烧的影响[16-17]。观测期间BC375/BC880≥1.0，说明生物质的燃烧是碳质气溶胶的主要来源。

图3 BC(黑炭)质量浓度的垂直廓线Fig.3 Vertical profiles of BC (black carbon) concentration

2.3 污染物的来源

为了模拟污染物的来源和输送扩散轨迹，这里利用了拉格朗日混合单粒子轨道模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT)的后向轨迹分析[18-21]。本文中运用了后向轨迹分析了300 m，500 m和1000 m高度的气团在2018年12月5日9点前48 h的气团输送路径，运行结果如图所示。

图4 污染物的输送来源分析Fig.4 Source Analysis of pollutant transportation

如图所示，在试验场地点不同高度处的大气污染物的输送轨迹。从图中可以了解到，300 m处气团的输送路线是：从2018年12月3日9点(UTC 1点)到2018年12月5日9点(UTC 1点)，300 m处的气团传输路径为：来源为阿坝藏族羌族自治州境内，经过甘肃省陇南市，随后进入四川省，途径广元市、绵阳市、德阳市、成都市、眉山市，最后到达乐山市五通桥区的监测试验点，输送高度从3日的2000 m到4日降至1000 m最后缓慢降到300 m。可以看到500 m和1000 m的输送轨迹有一定相似性，气团来源几乎都在陕西境内，随着时间的推移，气团先经过陕西省汉中市随后进入四川省，主要经过巴中市、南充市、遂宁市、成都市、资阳市、眉山市最后到达试验点。500 m处的气团输送高度从1500 m伴随略有起伏缓慢下降至500 m，而1000 m处的气团的输送高度在2000 m在4日后降至500 m，最后缓慢升到1000 m。从图中可以看出三个高度的气团的输送距离都超过了600 km。

3 结论

(1)乐山五通桥区经历了两次污染过程，第一次主要污染物为PM10，日均值最高为189 μg/m3，超过了GB 3095-2012的二级标准，第二次主要污染物是PM2.5，但PM10和PM2.5分别达到169 μg/m3和143 μg/m3，二者均超过了国标的二级标准，且PM2.5超过国家标准91%，二者受当地天气影响较大。

(2)在第一次污染过程中，PM10在垂直方向上分布均匀，天气良好，没有污染物堆积。第二次污染过程中污染程度最高的一天中，上午随着边界层高度的不断增加，颗粒物浓度的递减速率较快，随着边界层高度的下降，污染物扩散变缓，导致下午颗粒物浓度下降梯度也随之变缓。然而黑炭质量浓度从上午到下午的浓度变化不大，但均与边界层高度有很大的关系。BC的主要来源于生物质的燃烧。

(3)12月5日的气团主要源自河西走廊一带，可见PM10主要源自于长距离输送，与西北的沙尘受强冷空气影响向南输送有较大的关系。