以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源_刘瀚洋.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源刘瀚洋，邢成志，季祥光，林继楠，赵春晖，魏少聪，张成歆，刘浩然，谈伟，刘诚中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 摘要觉华岛是辽东湾最大的岛屿，研究其污染物浓度分布特征以及潜在来源对于认识近海污染物传输效应具有较强的代表性意义。该研究于 年 月日至 年月 日期间在觉华岛怪石滩（，）基于多轴差分吸收光谱技术（）对大气气溶胶、二氧化氮（）和二氧化硫（）垂直廓线开展了连续监测，具体分析了不同海拔高度上污染物浓度的季节变化特征及潜在来源。通过将地基 观测结果和 卫星数据结果进行对比，发现两者变化趋势具有良好的一致性，相关系数可达 。观测结果表明，觉华岛地区污染物浓度具有明显的季节变化特征，具体表现在秋冬季节和 的平均浓度值分别为 与 ，比春夏季分别高出约 和。和 垂直廓线结果显示秋冬季污染物具有明显的垂直分布和日变化特征，具体表现为高浓度主要出现在：前及：间 的高度；高浓度主要出现在：前及：左右 的高度。气溶胶高值秋冬季主要出现在：前与：后 以下的高度，春夏季全天保持高浓度，尤其在：左右和：后。结合气团后向轨迹和潜在来源分析的方法判断与 在秋冬季的高浓度值主要受到京津冀地区工业污染和机动车排放的传输贡献和辽东湾船舶排放的传输影响，而气溶胶大多来自山东半岛的生物质燃烧传输。结果表明，觉华岛地区的污染物浓度变化特征与大陆及周边海域污染物的传输作用密切相关。关键词觉华岛；多轴差分光谱技术；垂直廓线；潜在来源；大气污染物中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），安徽省自然科学基金项目（）资助作者简介：刘瀚洋，年生，中国科学技术大学地球和空间科学学院硕士研究生 ：通讯作者 ：引言随着我国城市化和工业化进程的不断加快，大气污染已成为妨碍我国经济发展和危害公民人体健康的重要因素。气溶胶的排放和区域传输会造成能见度低和大范围雾霾等污染事件。二氧化氮（）是气溶胶和臭氧的重要前体物，会导致酸雨等污染事件发生，并且危害人体的上呼吸道。我国的主 要来源 可分 为人为 排 放，工业 排 放 和 交通 排 放等。会导致与 类似的环境问题，例如酸化天然水系统和导 致 二 次 气 溶 胶 的 形 成，并 对 人 类 健 康 造 成 负 面影响。由于海洋和大陆大气系统的开放性，近海海域受到陆地和海洋大气的共同影响，其中污染物传输影响较大。觉华岛作为辽东湾最大的岛屿，属于北温带大陆性季风气候，无大型本地工业排放源，其气象条件具有明显的季节性特征且距离陆地较近，因此便于研究大气污染物的海陆传输效应。多轴差分吸收光谱（）作为一种被动遥感技术，在大气气溶胶和痕量气体垂直浓度监测方面发挥了重要作用。与传统点式观测手段相比，其具有可实时、连续获取多种污染物浓度的技术优势。本研究采用 观测觉华岛地区的气溶胶、和 的垂直廓线数据，通过对不同高度痕量气体信息进行分析讨论，研究近海海域污染物变化特征及潜在来源。实验部分 观测地点 观测于 年 月日至 年月 日期间进行，仪器搭设于觉华岛（，）怪石滩景区，周边多为沙滩，仪器距地面高度为，观测方位角为 （正北为）。觉华岛位于葫芦岛市区东南部约 处 图（，），岛上植被丰茂，旅游业、渔业较为发达。图实验观测地点和仪器（）：觉华岛；（）：观测地点；（）：仪器 （）：；（）：；（）：数据来源 由 三 个 主 要 部 分 组 成：两 个 光 谱 仪（，紫外波段范围：，可见波段范围：，光谱分辨率均为 ），温度控制在（）；望远镜，用于接收太阳散射光谱，光谱会通过棱镜和光纤传递至光谱仪之中，望远镜仰角（）精度 ，视场角（）；控制和数据分析终端，用于观测控制和数据分析。在本次观测中，共设置了 个观 测仰角，即 ，和 。本研究使用比利时高空大气物理研究所开发的 软件（：）对观测光谱进行分析得到对流层污染物的差分斜柱浓度（），其定义为离轴方 向 和 天 顶 方 向 斜 柱 密 度（）之 间 的 差值。后续的垂直柱浓度（）由 结果与辐射传输模型得到的大气质量因子（）结合得到。，和 的详细反演设置与 标准一致。图（，）分别展示了，和 的 拟合案例。其中 由于在大气中的垂直结构较为稳定，其反演结果通常用于分析大气气溶胶 结果与大气气溶胶垂直廓线结果，而大气气溶胶的垂直廓线结果又是另外两个污染物垂直廓线反演的输入参数。图（），（），（）的 拟合结果示例 （）；（）；（）垂直廓线反演在本研究中，气溶胶消光系数、和 浓度的垂直廓线是使用基于最优估计方法（）的 算法反演获得的。该算法将辐射传输模型 作为前向模型。其中最大后验状态（）向量可通过最小化价值函数得到，见式（）（，）（，）（）（）（）式（）中，（，）表示测量值（不同仰角观测的 ）作为状态向量（污染物廓线）和真实的大气气象参数（温压廓线、地表反照率和气溶胶相函数）的函数。表示先验状态向量。和分别表示和的协方差矩阵。本研究分别反演了气溶胶消光廓线、廓线和 廓线，覆盖范围为 。气团后向轨迹（）与潜在来源分析（）采用美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室（，：）基于全球资料同化系统（）开发的混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型 （：）分析了观测地点气团的后向轨迹。研究中设定后向轨迹为每小时生成一次，应用于识别污染物的主要传输路径。潜在来 源 贡 献 函 数（，）可以针对某地点的污染气体，确定其可能的来源区域及贡献。研究区域网格化后，单个网格坐标为（，），落在格点 内的轨迹端点总数定义为。污染物水平高于设定标准浓度的端点总数定义为，第 个网格的 值，定义为式（）（）研究中采用了加权的 指数，是由网格中气团轨迹端点数决定的经验权重值，取值如式（）（）第期刘瀚洋等：以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源式（）中，表示穿过格点轨迹的平均数。其他数据气象参数包括纬向风（）、经向风（），来自国家环境预测中心（）的全球分析数据集（）和大气气象模型（空间分辨率为 ）。卫星光谱数据来自 ，采用中国科学技术大学（）痕量气体反演算法反演得到的垂直柱浓度（），取值 范 围 为 以观 测 点（，）为中心，经纬度 （约 ）的网格范围，排除其中具有较大误差（相对误差 ）的数据 。结果与讨论 观测结果与 卫星数据对比如图（，）所示，对 和 进行相互对比验证。图数据对比验证（）：时间序列；（）：相关性 （）：；（）：和 数据之间展现出良好的一致性和相关性，其中共有有效数据 条，占总数据的 ，二者 相 关 系 数 达 到 （）。同 时 发 现，测得的 整体高于 反演结果，分析因为 与 卫星结果相比对近地面污染物更加敏感以及对 观测数据是格点区域平均的浓度，这与之前在北京和上海的一些研究结论相同。，和 的时间变化特征 年 月日至 年月 日的气溶胶光学厚度（）、与 时间变化及其月均值变化分别如图（，）所示。总体来看，和 都呈现出秋冬较高，夏季较低的特点，而气溶胶则未表现出明显的季节性特 征。在 春 夏 季 的 平 均 浓 度 高出约，为相应数值在秋冬季的 ；而 在春夏季的平均浓度 ，为该数值在秋冬季的。气溶胶则表现出相反的季节性特征，其在秋冬季的平 均 为 ，比春夏季 的 平 均 值 低 了 约。污染物浓度变化可归为个主要因素：污染物排放量，污染物化学寿命和污染物区域输送。首先觉华岛无大型工业排放源；其次夏季太阳辐射较强导致 的化学寿命较短，而冬季 寿命更长。由于 主要是一次污染物，其光化学特性相对稳定，受区域传输影响更大。图（，）所示，秋冬季北风和西北风占比达到约，而春夏季从渤海海面吹来的西南风和南风占到了约 的比重，这可能会带来海盐气溶胶从而导致气溶胶光学厚度的提升。以上结果说明，秋冬季邻近大陆城市地区与周边海域的污染传输可能会导致觉华岛地区和 浓度的升高。图觉华岛污染物日平均浓度和月平均浓度变化曲线（）：；（）：；（）：（）：；（）：；（）：气溶胶、的垂直廓线变化特征气溶胶、和 垂直廓线的季节变化与气象条件和不同排放特征密切相关。图中上层与下层分别为秋冬和春吓时间段气溶胶、和 的垂直廓线。三种污染物垂直结构具有明显的季节性特征。其中，和 秋冬季混合比浓度值远高于春夏季，高浓度值大多集中的 光谱学与光谱分析第 卷的范围内，在该高度，秋冬季和春夏季的 平均浓度分别为 和 ；秋冬季和春夏季的 平均浓度分别为 和 。秋冬季 以上 平均浓度 约为底层平均浓度 的。的化学性质相对稳定，其浓度随高度的衰减率低于。如图所示，在气流和边界层高度变化的共同作用下，逐渐向上层扩散，其中秋冬季 以上 的平均浓度约占底层 的。秋冬季气溶胶高值出现在 的范围，平均气溶胶消光系数约为 ，春夏季气溶胶高值出现在 范围，平均气溶胶消光系数约为 ，比秋冬季高。图风玫瑰图（）：秋冬；（）：春夏 （）：；（）：图秋冬季（）气溶胶，（），（）；春夏季（）气溶胶，（），（）的垂直廓线结果 ：（）；（）（）；：（）；（）（）秋 冬季高 浓 度主要 出 现 在：前 及：时间段，分析认为 参与大气中的化学反应，其在光照强度较大的正午时间会发生光解损耗，同时正午期间大气边界层抬高，利于污染物的垂直扩散；高浓度出现在：前后与：前后；分析认为早晚边界层高度较低所导致。而春夏季 和 全天几乎没有高值现象，主要因为春夏季风向以从渤海海面刮来的南风为主，污染物传输影响较小。秋冬季气溶胶具有明显的日变化特征，高消光出现在早：前及晚：后，平均消光约为 ；而 在 ：至 晚 ：期 间，平 均 消 光 约 为 ，相比早晚高值时间段降低约，分析认为夜晚大气边界层稳定且较低，污染物易聚难散。春夏季期间气溶胶第期刘瀚洋等：以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源全天保持高浓度，尤其在：前后和晚：后的平均消光约为 。潜在来源解析为了解析不同高度污染物的潜在来源，分 析 了、和气溶胶的加权 （）水平分布。气团高度选择为 （边界层底层），（边界层中层）和 （边界层上层）。考虑到不同污染物的寿命，分 别 模 拟了（，）和（气溶胶）后向轨迹，时间间隔为。将区域划分为 的网格，结合 方法综合分析了不同污染物（，和气溶胶）的潜在源贡献，越大，说明污染区域对观测区域大气污染物的贡献越大。本研究规定 为 时为低污染贡献区域，为中等污染贡献区域，的区域为重污染贡献区域，类似的方法也应用于其他来源相关研究，。秋冬季主要来源于京津冀中东部和辽宁西部，虽然秋冬季边界层底层以西北风为主，但由于内蒙古中部和辽宁西部污染物浓度较低，其输送效应有限，为低污染贡献区域。京津冀地区 值较高（），为主要贡献来源区域。这主要是由于京津冀地区是重要的工业排放地，其经济以第二产业为主，年粗钢产量约为 亿吨，约占全国总钢产量（数据来源：河北省统计局）。重工业化石燃料的燃烧正是和 重要的排放源 。车辆排放也是的重要来源，京津冀地区车流量巨大，交通源浓度较高。对于，觉华岛北部海面是其重污染贡献区域，觉华岛东北侧为辽东湾，往来船只众多，船舶是重要的 排放源。据报道，年中国海域活跃渔船 万艘，其中位于渤海，因此该地区船舶排放对 排放贡献显著。据图和图所示，在秋冬季时，有少量气溶胶贡献来源于京津冀中东部地区，为中等污染区域；在春夏季此地区则仅为低污染贡献区域。在春夏季西南方向江苏地区和黄海海面则有一定的远程传输影响。为中等贡献区域。山东半岛在两个时间段都是气溶胶贡献的重污染贡献区域，这与以往图秋冬季 分布图 关于华北地区燃煤与生物质燃烧的研究结果一致，即山东半岛的生物质燃烧贡献了华北地区的大部分 ，生物质燃烧在春夏季尤为旺盛，这一区域产生的气溶胶有可能通过西南风传输到觉华岛。图春夏季 分布图 结论（）研究中分析了 年 月日至 年月 日期间觉华岛地区 测量的，和气溶胶观测数据。和 展现出良好的相关性（）。和 表现出