基于卫星遥感和地面观测资料的汾渭平原一次空气污染过程分析

2021-04-02高星星桂海林潘留杰王建鹏

沙漠与绿洲气象 2021年1期

高星星，桂海林，潘留杰，王楠，王建鹏

（1.陕西省气象台，陕西西安 710014；2.中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081；3.国家气象中心，北京 100081）

汾渭平原是黄河流域的汾河谷地、关中平原以及他们台塬阶地的统称，包括山西省的吕梁、晋中、运城、临汾，河南省的洛阳、三门峡，陕西省的宝鸡、杨凌示范区、西咸新区、咸阳、西安、渭南、铜川，共11城2区。汾渭平原人口密度大，重化产业聚集，能源结构偏煤，产业结构偏重，运输结构偏公路，污染物排放总量居高难下，再加上汾渭平原属于河谷地带，南面秦岭，北接黄土高原，不利于污染物扩散，该区域的大气污染严重。为响应并实现国务院《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，就汾渭平原大气污染防治措施提出有针对性的建议，亟需开展汾渭平原大气污染成因及对策方面的研究工作。

气溶胶观测资料主要来源于直接采样分析和遥感。直接采样分析主要包括地面、飞机、轮船和高空气球探测。遥感包括地基和卫星遥感，与直接采样分析相比，遥感能够长时间地对气溶胶光学特性进行监测。地基遥感气溶胶观测尽管能够得到较为准确的气溶胶信息，在卫星遥感和数值模式产品的验证和评估方面发挥着重要作用，然而迄今为止该种方法仅能实现单点观测，不能大规模地获取气溶胶光学属性。借助卫星遥感能够弥补该缺陷，能大范围进行全球全天候的无间断观测，因此卫星遥感气溶胶得到了推广。被动式遥感卫星中分辨率成像光谱仪（Moderate -Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）能够对气溶胶的水平分布和传输有较好的观测，但是无法提供气溶胶垂直方向的信息。激光雷达遥感是主动式遥感手段，云—气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CA LIPSO）上搭载的正交偏振云和气溶胶激光雷达（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CA LIOP）能够以高分辨率观测全球范围内云和气溶胶的垂直分布。目前一些学者已将MODIS或CALIPSO卫星资料用于对霾的观测研究，如陈烨鑫等[1]、何月欣等[2]利用MODIS资料分别分析了苏皖两省和东北地区持续性的空气污染过程的形成原因，许潇锋等[3]、高星星等[4-5]利用CALIPSO数据分析了空气污染事件发生时我国华北区域气溶胶垂直分布特征，于彩霞等[6]、郑凯端等[7]基于CALIPSO资料对长江三角洲地区一次空气污染过程的形成、特征及污染来源进行了分析。然而将MODIS和CALIPSO卫星资料联合起来用于研究区域空气污染过程的还很少，尤其是对汾渭平原地区。

2018年11月底至12月初，汾渭平原发生了一次持续时间长、影响范围广且污染程度重的空气污染过程。本研究选取汾渭平原11个代表城市（西安、咸阳、渭南、宝鸡、铜川、吕梁、晋中、运城、临汾、洛阳和三门峡），利用MODIS和CALIPSO卫星遥感资料，同时结合地面环境监测数据以及地面气象要素数据，全面剖析了汾渭平原此次典型空气污染事件的污染特征及其成因，而且初步研究了地面至3 km的大气层中气溶胶颗粒物在垂直方向的分布情况以及主要的气溶胶粒子类型，继而探讨了导致这次空气污染事件的可能原因以及颗粒物的所有可能来源，以期能对卫星遥感资料在大气污染事件方面的研究工作上的广泛应用和就大气污染的防治工作和预报给出科学化的参考建议。

1 数据与方法

本研究所使用的AQI、细颗粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）、可吸入颗粒物（Inhalable Particulate Matter，PM10）、二氧化硫（Sulfur Dioxide，SO2）、一氧化碳（Carbon Monoxide，CO）、二氧化氮（Nitrogen Dioxide，NO2）、臭氧（Ozone，O3）逐小时质量浓度监测数据来自中国环境监测总站。能见度、相对湿度、天气现象、风速、风向、海平面气压等地面气象要素资料来自于气象信息综合分析处理系统（Meteorological Information Combine Analysis and Process System，MICAPS），时间分辨率为1 h。

MODIS是搭载于Terra和Aqua卫星上的一个重要传感器。本文采用的是Terra探测卫星2018年11月20日—12月7日31°～41°N，105°～117°E区域内的大气三级标准数据，具体产品包括日平均气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）资料，水平分辨率为1° × 1°[8]。

搭载于CALIPSO卫星上的星载激光雷达CALIOP提供5个级别数据。该研究采用的资料主要有2018年11月26日—12月3日2级廓线产品中的532 nm消光系数、532 nm粒子退偏振比、1 064 nm后向散射系数、532 nm总后向散射系数以及 2级垂直特征层分布产品中的Feature_Classification_ Flags。色比是利用2级廓线产品中的1 064 nm后向散射系数和532 nm总后向散射系数相除得到的[9-10]。

2 结果与分析

2.1 污染过程描述

2018年11月26日—12月3日，汾渭平原各代表城市AQI、PM2.5和PM10质量浓度均超过污染限值100。本研究采用MICAPS地面能见度（Visibility，VIS）和相对湿度（Relative Humidity，RH）资料，按照中国气象局最新发布的《霾的观测和预报等级》[11]气象行业标准筛选出2018年11月26日—12月3日期间11个代表城市雾霾日，观测资料为每天02、08、14和20时BT（北京时间）观测值，本研究规定，如果上述4个时刻中有超过一半时刻出现霾，那么认为该天是霾天，如果上述4个时刻中有超过一半时间出现雾，那么认为该天是雾天，如果上述4个时刻中霾和雾出现时刻各占一半，那么认为该天为雾霾天。统计结果显示，2018年11月26日—12月3日11个代表城市出现霾天时间最多，为79.5%，出现雾天时间最少，为4.5%，雾霾天时间为12.5%。因此，初步认为汾渭平原该次空气污染过程是以霾为主的污染过程。

依据中国环境保护部发布的《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》[12]中的要求：AQI可划分为＞300、201～300、151～200、101～150、51～100和0～50六档，依次对应于空气质量严重、重度、中度、轻度、良和优6个级别，AQI越大，级别越高，说明空气污染越严重。因此，本研究根据11月20日—12月7日AQI日平均值对各代表城市污染持续时间和空气质量级别做了统计（表1）。11个代表城市在11月20日—12月7日期间AQI值连续大于污染限值100的天数除吕梁（8 d）外，其余各代表城市均达10 d以上，西安、咸阳和运城污染持续时间最长，为14 d，其次是渭南和临汾，为13 d。严重污染出现最多的是咸阳，为4 d，重度污染出现最多的是洛阳，为7 d。咸阳、洛阳大部分时间都处在重度污染、严重污染的状态，西安、渭南、临汾、运城和三门峡有接近一半或一半时间处在重度污染、严重污染的状态。西安、咸阳、渭南污染最为严重，污染持续时间和严重污染天数均最多。11个城市中，铜川、吕梁和晋中污染持续时间相对最短，处于严重和重度污染状态的天数均为0，因此污染相对较轻。中度、重度污染持续天数占总污染持续天数的百分比最高，为33.85%和28.46%，严重污染持续天数占总污染持续天数的百分比虽然是最低的，但也占到了10.00%。表1还按照《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》[12]中给出的首要污染物定义对污染期间各代表城市的首要污染物做了统计。污染期间首要污染物为PM2.5和PM10，其中，首要污染物为PM2.5的天数占总污染持续天数的百分比与首要污染物为PM10的天数占总污染持续天数的百分比分别为46.92%和53.08%。污染持续期间，西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川和吕梁首要污染物为PM10的天数大于首要污染物为PM2.5的天数，临汾、运城和洛阳相反，晋中和三门峡首要污染物为PM10的天数等于首要污染物为PM2.5的天数。

表1 2018年11月20日—12月7日各代表城市空气质量级别及首要污染物统计结果 d

2.2 污染期间AQI、PM2.5浓度、PM10浓度和AOD时空分布特征

11个代表城市AQI在污染期间均接近或超过污染限值100（图1）。从21日开始，各代表城市AQI值均呈快速上升趋势，到26日，11个代表城市AQI值均已超过100，且铜川、吕梁、晋中、临汾分别达到各自第一个峰值，分别为179、182、183、220。27日，宝鸡、运城和洛阳也分别达到各自第一个峰值，均为重度污染，其中以西安、咸阳、渭南和三门峡的AQI分别达到425、442、432和380最为严重。通过将各代表城市空气污染物浓度峰值分别与其非污染过程期间的本底值（21日）比较，发现西安、咸阳、渭南、三门峡增幅最多，说明了该次空气污染事件可能是由于从西北往东南传输颗粒物在与途径城市空气污染物混合之后，在汾渭平原累积而造成。之后各代表城市AQI经历了先下降后上升趋势，但期间依旧维持在污染限值100之上。12月1日，临汾、运城、三门峡和洛阳分别达到各自第二个峰值，分别为291、238、290和255，均为重度污染。2日，铜川、吕梁和晋中也分别达到各自第二个峰值，依次为175、178和200，均为中度污染。3日，西安、咸阳、宝鸡和渭南分别达到461、500、500和348，均为严重污染。4—6日，各城市AQI均陆续恢复正常水平。此外，图中AOD、PM2.5和PM10质量浓度日变化趋势与AQI日变化趋势相似，说明AOD能较好地反映出此次空气污染过程。

AQI区域平均值为224，为重度污染，PM2.5浓度、PM10浓度和AOD区域平均值依次为129 μg/m3、321 μg/m3和0.37。PM2.5和PM10质量浓度均较高，说明此次空气污染过程粗细颗粒物共存，为是沙尘和霾的混合污染。AQI最大均值（316）出现在咸阳，为严重污染，其次是西安和渭南、吕梁、铜川、运城、晋中、洛阳和宝鸡，均为重度污染，最小均值（141）出现在三门峡，为轻度污染（图2）。各代表城市此次污染过程AQI均值均超过他们在2018年11—12月期间AQI月均值。咸阳、西安、渭南、运城、宝鸡2018年11—12月AQI平均值分别为150、135、131、117和110，均为轻度污染。吕梁、铜川、晋中、洛阳、三门峡2018年11—12月AQI平均值分别为90、96、100、89、76，均为良。PM2.5、PM10和AOD空间分布情况与AQI空间分布情况基本一致，在关中地区污染最为严重，尤其是咸阳、西安和渭南。

图3为利用2018年11月20日—12月7日汾渭平原11个代表城市共60个地面环境监测站点的AQI、PM2.5和PM10质量浓度观测值、与地面监测站点最近的MODIS数据点位上的AOD值进行相关性分析的散点分布图。结果显示，MODIS卫星反演所得AOD与AQI、PM2.5浓度和PM10浓度地面观测值的相关系数分别为0.52、0.48和0.52，且均通过0.05的显著性检验。此结论表明，MODIS卫星观测的大气气溶胶产品将在空气质量监测方面得到更广泛的应用，从而弥补地面空气质量自动观测站的一些缺点。

图1 2018年11月20日—12月7日AQI、PM2.5、PM10和AOD逐日变化

2.3 气溶胶垂直分布特征

目前，气溶胶垂直分布是评价其辐射强迫和气候环境影响需要重点考虑的诸多因素之一。在诸多影响观察者视程的因素中，气溶胶粒子对太阳辐射的消光被视为是影响大气能见度的关键因素，研究气溶胶粒径大小和形状，对其光学属性的分析来说非常重要。因此，本文利用CALIPSO卫星遥感资料，针对汾渭平原此次空气污染过程中气溶胶粒径和形状在垂直方向的分布情况进行研究，并分析主要气溶胶粒子类型。

图2 2018年11月26日—12月3日汾渭平原AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）和AOD（d）均值空间分布

图3 2018年11月20日—12月7日汾渭平原地面监测站点AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）值与MODIS AOD相关性散点分布

剔除掉缺测、卫星不过境研究区域以及研究区域上空有云覆盖等质量不合格的资料，同时考虑到夜间大气边界层高度一般比较低，垂直扩散条件差，从而导致夜间污染加剧，因此，仅挑选卫星过境汾渭平原和其附近地区的夜间资料，得到图4b所示的5个有效日期数据。对经纬度范围在31°～41°N，105°～117°E内的这5个有效日期的CALIPSO卫星2级数据产品中的参数532 nm气溶胶消光系数进行统计分析，得到图4。区域31°～41°N，105°～117°E平均海拔为0.84 km。以下文章中出现高度均为相对地面高度。污染期间0～3 km区域平均消光系数为0.15 km-1。平均消光系数随高度增加大体上呈下降趋势，其大值对应高度基本靠近地面，平均最大气溶胶消光系数值及其出现高度分别为0.49 km-1和0.04 km。该5个有效日期对应的地面至3 km以内AOD与总AOD柱的比值均＞62%，平均值为81%，说明污染物主要集中在地面至3 km以内的大气中；污染期间最大气溶胶消光系数值在0.06～0.57 km-1，相应高度在0.04～2.99 km。

退偏振比定义为垂直方向散射光分量与水平分量之比，退偏振比越大，粒子非球形越强，反之，粒子非球形越弱。色比值越大，表明颗粒物粒径越大，反之，粒径越小。研究表明：0＜退偏振比＜0.06，为球形粒子，而退偏振比＞0.06，为非球形粒子；0＜色比值＜0.50，为小粒径粒子，而色比值＞0.50，为大粒径粒子[13]。污染期间，0～3 km退偏振比和色比区域平均值分别为0.27和1.05。3 km以下退偏振比和色比随高度增加大体上呈减小趋势（图5b），表明低层以非球形较强的大颗粒物为主。数据点主要集中在退偏振比＞0.06，色比值＞0.50的区域（图5a），表明此次污染过程中，非球形气溶胶粒子出现频数＞球形气溶胶粒子，大粒径气溶胶粒子出现频数＞小粒径气溶胶粒子，这可能是由于低层大气受到本地建筑活动、道路扬尘和重力影响，致使低层大气中大粒子比重增加所致[14]。此次污染过程退偏振比和色比都比较高，按照刘璇等[15]给出的确定气溶胶粒子类型方法可将此次污染过程气溶胶类型确定为沙漠沙尘型气溶胶，MICAPS地面填图资料也显示了污染期间在甘肃、宁夏、内蒙东部、陕北等上游地区有浮尘、扬沙天气现象出现。

图4 532 nm平均消光系数廓线（a）和最大消光系数、最大消光系数出现高度以及3 km内AOD与总AOD柱比值（b）

图5 2018年11月26日—12月3日0～3 km退偏振比和色比散点图（a）及其平均廓线（b）

在CALIPSO激光雷达系统中，根据探测到的气溶胶高度、位置、下垫面类型、消光系数、雷达色比等参数可将气溶胶分为洁净海洋气溶胶、洁净大陆气溶胶、沙漠沙尘、污染沙尘、污染大陆气溶胶以及烟尘6种类型[16]。沙漠沙尘、污染沙尘、污染大陆气溶胶和洁净海洋气溶胶随高度增加呈减小趋势，最大频率出现在0～1.0 km，分别为24.15%、7.58%、3.16%和2.71%，洁净大陆气溶胶随高度增加呈增加趋势，最大频率出现在2.5～3.0 km，为0.94%，烟尘随高度增加呈先减小后增大趋势，最小频率为0.17%，出现在1～1.5 km（图6）。6种类型中，洁净大陆气溶胶出现频率最低，为2.39%。沙漠沙尘和污染沙尘出现频率最高，分别为60.18%和25.72%，说明上一段中按照刘璇等给出的确定气溶胶粒子类型方法将该次空气污染事件中的气溶胶粒子类型确定为沙漠沙尘型气溶胶具有一定的合理性。也说明汾渭平原此次重污染事件污染物主要以沙漠沙尘和污染沙尘气溶胶为主，这主要是由污染期间上游地区浮尘、扬沙天气的沙尘粒子，经长距离输送后与本地污染物叠加，并在静稳天气（风速小、大气稳定等））影响下，逐渐积累浓度急剧上升所导致。其中，沙漠沙尘以粗模态粒子为主，CALIPSO气溶胶分类算法中的污染沙尘包括人为污染和生物质燃烧，汾渭平原污染沙尘主要来源是人为污染，人为污染以细模态粒子为主，因此此次污染过程中，粗、细粒子共存。

图6 基于CALIPSO反演的2018年11月26日—12月3日0～3 km气溶胶垂直分类

2.4 气象条件分析

污染物排放是造成雾霾的内因，气象条件则是外因。利用地面天气形势图7可知，26日12时BT前后冷空气侵入到汾渭平原，受秦岭山区阻挡沙尘囤积在关中地区，西安泾河站激光雷达消光系数图（图8）也显示在26日12时BT之后有沙尘从高空输送过来，并向下传输。此外，MICAPS地面填图资料也显示12月26日在甘肃、宁夏、内蒙、陕北等上游地区有浮尘、扬沙天气现象，且地面以较强的偏北风为主，12月26日汾渭平原各站点PM10浓度也迅速升高，这些也都足以说明有沙尘从汾渭平原上游地区输送过来。26—30日边界层高度都较低，基本在1 km以下，较低的边界层高度加剧了污染[17-18]。26日夜间之后汾渭平原等压线稀疏，风速小，27日之后关中和河南西北部多受偏东风控制，抑制了沙尘向东输送，由于天气静稳，此次过程沙尘自身的干沉降缓慢，同时，静稳的天气也利于细颗粒物的积累，此次过程中，粗、细颗粒物共存，霾和沙尘同时存在。

激光雷达图显示沙尘和霾层高度主要集中在1 km，西安泾河站11月27日—12月1日08时BT T-lnP图显示2 km以下受弱偏东风控制，不利于沙尘和细颗粒物的扩散，同时，每天08时BT都存在接地“逆温”或多层“逆温”现象，上暖下冷的大气温度层结稳定，不利于气溶胶颗粒物扩散。12月2日08时BT上干下湿特征明显，PM2.5在2日上午较高。

西安、洛阳和临汾PM2.5、PM10与气象要素变化趋势显示，西安12月26日偏北风向南输送沙尘，受秦岭地形阻挡作用转为偏南风，26日之后主要以弱东北风或者静风为主，沙尘持续时间长，且温度露点差逐渐减小，空气湿度大，有利于污染物吸湿增长和二次光化学反应，细颗粒物逐渐累积[19-20]；洛阳风速相对西安较大，26日偏西风将沙尘输送过来，27日之后主要以东北风或者弱的偏南风影响，东北风阻碍了沙尘扩散，同时可能将河南东部、河北地区的细颗粒物传输至洛阳，PM10一直维持较高浓度；临汾风速较小，主要以静风天气为主，PM10和PM2.5有明显的日变化，26日弱西南风输送沙尘至临汾，26日夜间静风，PM10较高，但低于西安和洛阳。

3 结论

（1）2018年11月26日—12月3日汾渭平原污染过程中，各代表城市AQI、AOD、PM2.5浓度、PM10浓度显著偏高，PM2.5和PM10是首要污染物，说明此次污染过程中粗细颗粒物共存，小时PM2.5、PM10质量浓度高达334 μg/m3和1 023 μg/m3，AQI、PM2.5和PM10质量浓度在11月26日—12月3日均超过污染限值100。11个代表城市在11月20日—12月7日期间AQI连续超过污染限值100的天数除吕梁外，其余各代表城市均≥10 d，西安、咸阳和渭南的污染持续时间和严重污染天数最多，且西安、咸阳和渭南11月26日—12月3日AQI、PM2.5浓度和PM10浓度均值最大，因此西安、咸阳和渭南污染最为严重。该次污染过程持续时间久、污染程度重、影响范围广，属于一次以沙尘和霾混合主导的典型重大气污染事件。