基于无人直升机探测的北京地区重雾霾天气大气颗粒物垂直变化特征分析

基于2015年秋末冬初华北地区频繁出现的大范围重污染天气过程,利用无人直升机搭载的气溶胶采样装置和激光粒子计数器对北京顺义及房山地区近地面大气颗粒物进行探测,分析了重雾霾天气大气颗粒物的质量浓度和数浓度廓线及其分布特征。结果表明:北京地区重雾霾天气过程粒径小于1.0μm的气溶胶数浓度随高度变化不明显,粒径大于1.0μm的气溶胶数浓度随高度呈弱的减小趋势,说明重污染天气条件下近地面层大气颗粒物的粒子数相对稳定,亚微米级气溶胶数浓度较高,而粗粒子气溶胶数浓度较低。基于无人直升机搭载的气溶胶采样装置采集的气溶胶样品的质量浓度廓线表明,50 m高度大气颗粒物质量浓度较高,最大浓度达700μg·m-3。     

便携式气溶胶采样器（ＭｉｎｉＶｏｌ）日常维护技巧

1仪器维护要点 1．1根据天气状况,及时擦拭切割头组件 采样器属于室外工作仪器,累积的气溶胶粒子及沙尘、降水等天气都会对仪器性能及采样的精准度产生影响。不及时清除,累积的气溶胶粒子和沙尘天气会导致采样结果失真;持续较长的降水会使采样器内湿度增大,易导致滤膜受潮、颗粒物变性。     

基于EPAS技术的日照市大气单颗粒物理化学特性及来源研究

城市地区大气气溶胶颗粒的物理化学特性复杂,理清单颗粒精细的化学成分和混合状态对于大气污染溯源和精细治理具有重要意义。本研究利用被动式气溶胶采样器分别在山东省日照市城区和钢铁园区两个区域进行了定点采样,并利用智能扫描电镜环境颗粒物分析系统（IntelliSEM EPAS）对采集的大气单颗粒物样品进行分析。结果表明,日照市大气颗粒物主要由不规则碳质颗粒（C-rich）、含硫颗粒（Ca-S、Na-S-Ca）与矿物颗粒组成。其中,城区样品中C-rich颗粒数量贡献为53.5%,是钢铁园区样品的2.5倍,大于1 μm的颗粒物数量为9.0%,是钢铁园区样品的1.7倍,城区居民活动和工业过程是城市中大气颗粒物特别是二次细颗粒的主要来源。钢铁园区样品中含硫颗粒物数量贡献为72.9%,含硫颗粒物质量贡献为30.9%,富铁颗粒物质量贡献为5.3%,分别是城区样品的1.8倍、3.6倍和2.9倍,表明钢铁园区大气颗粒物的主要来源包括钢铁企业排放的一次污染物及其转化生成的二次细颗粒物。     

冰核观测中两种滤膜采样方法的比较

大气冰核观测是研究自然冷云降水和人工影响天气的一项基础性工作,滤膜—扩散云室法是观测冰核浓度的主要方法之一。为检测分析两种滤膜采集方法对冰核观测结果的影响,2011—2015年用自制的大气颗粒物采样器和FA-3型撞击式9级采样器开展了平行采样试验,采集的滤膜样本均在同一静力扩散云室中进行冰核活化显现分析。结果表明：自制采样器较9级采样器观测的冰核浓度高数倍甚至数十倍,但两者随季节和不同气象条件的变化表现出一致的起伏特征。自制采样器适用于对大气中总的冰核浓度分布及理化特征研究;9级采样器适用于对PM₁₀中不同粒径段大气冰核浓度和尺度分布以及理化特征的研究。滤膜法对冰核数量的低估与采样体积成正比,改变采样器气泵的抽气流量和控制采样体积对改进“体积效应”影响均有明显效果。     

南京市主城区大气颗粒物来源探讨

在2005-05-03——05-27期间,用Anderson九级采样器在南京市两个采样点采集大气气溶胶样品,同时进行了部分排放源的采集。用X射线—荧光光谱仪(XRF)分析得到气样及源样中PM10的化学成分,分析了南京市大气气溶胶的元素质量谱分布,进行了PM10的富集因子分析,并应用化学质量平衡法(CMB)计算各类源对气溶胶PM10的贡献。结果表明,各类污染源对南京市气溶胶PM10的贡献率分别为:建筑尘(35.45%)、煤烟尘(22.13%)、土壤尘(20.27%)、硫酸盐(5.43%)、汽车尘(4.61%)、海盐(1.91%)、冶炼尘(1.69%)、其它源(8.51%)。文中还结合了南京市TSP和PM2.5的来源解析结果,分析了南京市不同粒径气溶胶颗粒物的污染特征。     

天津地区大气颗粒物物化特性的研究

本文利用天津气象科学研究所铁塔,在1989年冬、夏两季对天津地区气溶胶颗粒物进行了粒度分布、成份分布等的测量研究。1 气溶胶颗粒物平均地面粒度谱分布的特征 为了减少观测数据的误差和气溶胶颗粒物随机性的起伏,我们把夏季和冬季相同天气条件下的观测值加以平均。夏季采样期间天气为一致的晴朗天气,能见度大于15km,采样期间绝大多数风向为     

激光雷达和微波辐射计对邢台市一次沙尘天气的探测分析

利用气溶胶激光雷达、地基多通道微波辐射计资料,反演得到邢台市2017年5月3 5日沙尘天气过程前后的消光系数、退偏比和高空的温度、湿度变化,结合后向轨迹模式等资料,分析了沙尘天气过程前后的天气形势、颗粒物污染特征及来源、消光系数、退偏比等的变化。结果表明:来源于新疆北部的沙尘气溶胶受地面冷锋东移南下影响,以西北路径远距离输送沉降是导致邢台市颗粒污染物浓度骤升的主要原因,而本地大风的出现会导致由地面向高空扩散形成的沙尘污染次高峰,其中细颗粒物PM10的浓度升幅远大于PM_(2.5)浓度升幅;在高空2 000 m附近集聚的沙尘气溶胶可以形成消光系数大于1 km-1的强值区,沙尘聚集区域的退偏比平均值为0.252,与下层退偏比平均值为0.041的区域形成一个明显的沙尘分界线,消光系数的强值中心和退偏比的高低值分界线可以很好地表征出高空沙尘粒子的沉降变化;在高空沙尘沉降和地面大风引起的沙尘天气时,地面温度都出现了升高态势,在地面颗粒污染物浓度出现剧烈增加前,整层大气湿度呈现陡降趋势,而在颗粒污染物浓度处于高值波动阶段,整层大气湿度均维持在一个较低的水平。     

简评碳气溶胶观测研究中的不确定性

大气碳气溶胶具有重要的气候效应,但其观测研究中的不确定性还很大。作者对目前应用较广泛的气溶胶有机碳(OC)和元素碳(EC)采样观测和分析方法(包括光学法、热学法、热光学法及光学和热学实时在线观测方法)进行了评述。石英滤膜采集和实验室热光学分析方法应用较多,但在升温程序设置、OC/EC的划分和裂解碳校正方面还存在问题,而且需要准确评价样品采集过程中有机气体吸附和滤膜上已采集颗粒物挥发导致的采样偏差。光学和热学在线观测方法有助于避免采样和后期处理过程对颗粒物性质的改变,有利于反映颗粒物在大气中的初始特性,但此类方法尚需改进。对二次有机碳(SOC)的估算,采用将源直接排放的OC进一步划分为燃烧源排放和非燃烧源排放的方案可能更为准确。关于有机物质质量(OM)的估算,尚需开展相关研究以确定适合我国不同环境气溶胶特点的OM/OC估算因子。我国科学家应在碳气溶胶观测方法的改进和完善中做出应有的贡献,努力建立适合我国气溶胶特点的碳气溶胶观测方案和规范。     

北京冬季雾霾事件的气象特征分析

利用观测的气象要素和细颗粒物(即PM2.5)浓度资料,并结合中尺度数值天气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),对2013年1月北京地区雾霾污染期间天气条件和边界层气象特征进行了分析。模拟与观测对比表明,WRF模式可以较好地反映北京—天津—河北地区地面和高空主要气象要素的时空分布。对1月10~14日、27~31日两次重雾霾天气的分析表明,雾霾的形成是高浓度的大气颗粒物和特殊的气象条件共同作用的结果。小风或静风、稳定的大气层结,使大气扩散能力减弱,造成污染物堆积,偏南气流将周边污染物和水汽输送到北京,不仅增加了污染物浓度,而且有利于气溶胶吸湿增长,消光增强,使能见度下降,进而形成雾霾。     

北京风沙天气的气溶胶特征

利用常规气象观测资料、卫星云图以及1988、1990、1992、1993、1995、2000年等年北京风沙天气期间所采集的气溶胶样品的分析结果,研究了北京的风沙天气分布特征,风沙期间大气污染状况,产生风沙天气的主要原因及沙尘的来源等.初步得出北京的风沙天气主要出现在春季,是造成春季大气污染的重要原因之一;北京春季风沙天气是由沙尘暴、浮尘和扬沙造成,但以扬尘引起的频率为最高,占71.4%;风沙期间大气气溶胶与无风沙时气溶胶的物理化学特征有明显的差异;大气气溶胶的物理化学特征显示出,风沙期间的大气气溶胶主要来源于自然源,以局地尘源为主,人为排放的气溶胶作用相对减弱.     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

北京地区一次重污染天气气溶胶分布与传输特征研究

针对北京地区2004年10月26～31日的一次典型重污染天气个例,分析了此次污染过程产生的天气背景和污染物对近地层接收太阳总辐射的削减作用,同时应用MODIS卫星遥感气溶胶产品和地面风场的分布分析了大气污染物的分布和输送特征。结果表明,此次污染过程与大尺度的天气背景有密切关系,地面气压减小和偏南气流导致了此次污染过程;通过比较中国科学院大气物理研究所325m铁塔观测到的2m和280m高度处太阳总辐射可知,在空气质量较好天气,地面以上2～280m大气能够减少太阳总辐射的15%;而在重污染天气时,地面以上2～280m大气能够使太阳总辐射减少20%以上,低层大气显著地影响城市区域下垫面和大气之间的辐射交换;分析MODIS气溶胶分布和地面风场可知,此次污染过程可能是局地污染物积累和外界污染输送造成的。     

Trans-boundary and in-country transport of air pollutants observed in Kobe,Japan by high frequent filter pack sampling method

The seasonal intensive sampling of gases and particulate matter in ambient air was conducted at the site established in urban area of Japan to study the seasonal difference of the temporal variation of gases and particulate matter concentrations in urban atmosphere as well as to illustrate the different transport regimes that impacts air pollutants. The sample was collected by the four-stage filter-pack method with 6-h interval for one week in four seasons (spring, summer, autumn and winter). The trans-boundary transport of air pollutants with high concentration was characteristically observed in the spring sampling. On the other hand, we could successfully detect the in-country transports of air pollutants in the summer sampling. Four-season’s intensive survey considered, we could show the characteristic transport of air pollutants to provide the episodic high concentration for ambient air in the urban area of Japan, and successfully illustrate the seasonal-dependent transport regimes to impact on air pollutants.     

Carbonaceous materials in size-segregated atmospheric aerosols from urban and coastal-rural areas at the Western European Coast

A high-volume cascade impactor, equipped with a PM10 inlet, was used to collect size-segregated aerosol samples during the summer of 2004 at two Portuguese locations: a coastal-rural area (Moitinhos) and an urban area (Oporto). Concentrations of airborne particulate matter (PM), total carbon (TC), organic carbon (OC), elemental carbon (EC), and water-soluble organic carbon (WSOC) were determined for the following particle size ranges: < 0.49, 0.49–0.95, 0.95–3.0, and 3.0–10 µm. The total PM mass concentrations at the urban and coastal-rural sites ranged from 22.8 to 79.6 μg m^− 3 and 19.9 to 28.2 μg m^− 3, respectively, and more than 56% of the total aerosol mass was found in the fractions below 3.0 μm. At both locations the highest concentrations of OC and EC were found in the submicrometer size range. The regional variability for the OC and EC concentrations, with the highest concentrations being found in the urban area, was related to the contribution of local primary sources (mostly traffic emissions). It was also verified an enrichment of the small size particles in WSOC, representing on average 37.3(± 12.4)% and 59.7(± 18.0)% of OC in the very fine aerosol at the coastal-rural and urban areas, respectively. The amount of secondary OC calculated by the minimum OC/EC ratio method indicates that secondary organic aerosol formation was important throughout the study at both sites. The obtained results suggest that long-range transport and favourable summer conditions for photochemical oxidation are key factors determining secondary OC formation in the coastal-rural and urban areas. The ultraviolet absorption properties of the chromophoric constituents of the WSOC fractions were also different among the different particle size ranges and also between the two sampling locations, thus suggesting the strong impact of the diverse emission sources into the composition of the size-segregated organic aerosol.     

Carbonaceous materials in size-segregated atmospheric aerosols from urban and coastal-rural areas at the Western European Coast

A high-volume cascade impactor, equipped with a PM10 inlet, was used to collect size-segregated aerosol samples during the summer of 2004 at two Portuguese locations: a coastal-rural area (Moitinhos) and an urban area (Oporto). Concentrations of airborne particulate matter (PM), total carbon (TC), organic carbon (OC), elemental carbon (EC), and water-soluble organic carbon (WSOC) were determined for the following particle size ranges: < 0.49, 0.49–0.95, 0.95–3.0, and 3.0–10 µm. The total PM mass concentrations at the urban and coastal-rural sites ranged from 22.8 to 79.6 μg m^− 3 and 19.9 to 28.2 μg m^− 3, respectively, and more than 56% of the total aerosol mass was found in the fractions below 3.0 μm. At both locations the highest concentrations of OC and EC were found in the submicrometer size range. The regional variability for the OC and EC concentrations, with the highest concentrations being found in the urban area, was related to the contribution of local primary sources (mostly traffic emissions). It was also verified an enrichment of the small size particles in WSOC, representing on average 37.3(± 12.4)% and 59.7(± 18.0)% of OC in the very fine aerosol at the coastal-rural and urban areas, respectively. The amount of secondary OC calculated by the minimum OC/EC ratio method indicates that secondary organic aerosol formation was important throughout the study at both sites. The obtained results suggest that long-range transport and favourable summer conditions for photochemical oxidation are key factors determining secondary OC formation in the coastal-rural and urban areas. The ultraviolet absorption properties of the chromophoric constituents of the WSOC fractions were also different among the different particle size ranges and also between the two sampling locations, thus suggesting the strong impact of the diverse emission sources into the composition of the size-segregated organic aerosol.     

贵港市污染天气分型及污染气象特征研究

污染天气分型研究对空气质量预报预警等具有重要的意义,基于2015年1月~2018年12月欧洲数值预报中心（ECMWF）再分析资料和国家气象站常规资料,采用聚类分析法按高空及地面天气形势划分了贵港市的污染天气类型,并探讨各天气类型下的污染天气特征和空气质量状况。结果表明,发生大气污染时,按高空(500 hPa)环流形势可分为两槽一脊型、一槽一脊型、副热带高压型,其中两槽一脊发生在秋冬季的频率最高。按地面环流形势可分为冷高压脊底部型、冷高压控制型、冷高压后部型、西南暖低压型、热带气旋型、均压场型共6种类型,并构建天气学模型。其中冷高压脊底部控制下的污染天气天数最多(61天);但冷高压控制型空气质量最差(AQI为163),是造成颗粒物(PM2.5/PM10)超标的类型;西南暖低压型次之(AQI为135);热带气旋型和均压场型常常表现为高温多日照,容易造成O3污染。大气污染发生时环流形势和气象要素表现为大气稳定度升高,水平和垂直扩散条件变差,地面平均风速不超过1.5m/s,相对湿度大于50%,日雨量皆为不超过5mm的零星小雨。     

春季中国东部气溶胶化学组成及其分布的模拟研究

本文利用区域空气质量模式RAQMS（Regional Air Quality Model System）,对2009年春季中国东部气溶胶主要化学成分及其分布进行了模拟研究。与泰山站观测资料的对比结果显示,模式能比较合理地反映气溶胶浓度的逐日变化特征。整体上,模式对无机盐气溶胶的模拟好,分别高估和低估黑碳和有机碳气溶胶浓度,其原因与排放源、二次有机气溶胶化学机制和模式分辨率的不确定性有关。模拟结果显示,春季气溶胶浓度高值主要集中于华北、四川东部、长江中下游等地区。受东南亚生物质燃烧和大气输送的影响,中国的云南和广西等地区有机碳浓度高于中国其他地区。中国西北部沙尘浓度较高,而且向东输送并影响到中国东部和南方部分地区。中国东部的华北、四川东部、长江中下游等地PM_2.5（空气动力学直径在2.5微米以下的颗粒物）污染严重,4月平均PM_2.5浓度超过了我国日平均PM_2.5浓度限值。中国东部泰山站的观测和模拟结果都显示近地面硝酸盐浓度超过硫酸盐,中国北部对流层中硝酸盐的柱含量也大于硫酸盐,而在中国南部则相反,这一方面与春季中国云量 南多北少的分布特征以及云内液相化学反应有关,另一方面也与南北温差对气溶胶形成的影响有关。就整个中国东部而言,虽然硫酸盐的柱含量（46 Gg）仍大于硝酸盐（42 Gg）,但比较接近,反映出我国氮氧化物排放迅速增加的趋势。春季中国地区对流层中PM₁₀（空气动力学直径在10微米以下的颗粒物）及其化学成分柱含量分别为:990.8 Gg（PM₁₀）,52.6 Gg（硫酸盐）,48.2 Gg（硝酸盐）,32.1 Gg（铵盐）,22.9 Gg（黑碳）和74.1 Gg（有机碳）,有机碳（OC）中一次有机碳（POC）和二次有机碳（SOC）分别占60%和40%,中国东部PM₁₀中人为气溶胶和沙尘分别占30%和70%,反映了春季沙尘对我国大气气溶胶的重要贡献。     

2008年北京奥运会期间大气气溶胶物理特征分析

应用MODIS卫星的气溶胶产品资料和地面的光学粒子计数器的资料,对比分析了北京地区2006、2007、2008年7～9月的气溶胶光学厚度、细粒子光学厚度、Angstrom指数、气溶胶粒子数浓度谱及体积谱,发现2008年北京奥运会期间(7月20日～9月20日)的气溶胶光学厚度比2006、2007年同期明显降低,气溶胶细模态光学厚度占总光学厚度的比上升,Angstrom指数上升,气溶胶细粒子数浓度没有明显相对变化,而粗粒子数浓度则减少约50%.利用大气标高,将MODIS反演的气溶胶柱的质量浓度转化为地面气溶胶质量浓度.用粒子计数器得到的体积谱,在假定气溶胶粒子密度的情况下,计算出其质量浓度.将这两种方法得到的气溶胶质量浓度与国家环境保护部公布的空气质量指数换算得到的可吸入颗粒物(PM10)质量浓度进行比较.结果表明:北京奥运期间空气质量总体达到了国家二级空气质量标准;与2006、2007年同期相比,2008年气溶胶PM10质量浓度明显下降,而这主要是由气溶胶粗粒子的减少引起的.     

Detection of Sahara dust intrusions during mixed advection patterns over south-east Italy: A case study

Measurements from July 4 to July 8, 2005 by a high resolution visible radiometer, a Raman lidar, a ground particulate matter sampler, and ground meteorological sensors have been combined in synergy to infer the intrusion over south-east Italy, of air masses from north-west Sahara, the Atlantic Ocean, and the continental Europe. It is shown that backscatter coefficient, depolarization-ratio, and lidar ratio vertical profiles represent the best tools to detect the intrusion of long range transported air masses and to monitor their effects on the vertical distribution of aerosol optical and microphysical properties. High resolution radiometers are instead important tools to monitor changes on columnar aerosol properties and size distributions.Backscatter coefficient, depolarization-ratio, and lidar ratio vertical profiles have revealed that aerosol optical and microphysical properties significantly changed with time and space during African dust outbreaks: the intrusion of dust particles that at first occurred above 2 km of altitude extending up to 6 km, affected the all aerosol load down to ground within few hours. Aerosol size distributions showed during dust events a clear bimodality with an accumulation mode maximum at 0.24 µm and a coarse mode maximum at 0.94 μm. Conversely, we have found that during the advection of air masses from the Atlantic and continental Europe, aerosol particles were mainly located below 2 km, their optical and microphysical properties were affected by smaller changes in time and space, and were characterized by depolarization ratios rather close to those due to a pure molecular atmosphere. In this case bimodal size distributions with an accumulation mode showing two sub-modes at 0.16 μm and 0.24 μm, respectively and a coarse mode centred at 0.94 μm have also been observed.     

贵州铜仁2019年1月两次空气污染过程及其气象条件特征分析

2019年1月铜仁市发生了中到重度污染过程,本文利用铜仁市城区逐时环境监测资料,高空及地面气象观测资料,分析了本次污染过程气象条件特征。结果表明,此次首要污染物为细颗粒物（PM2.5）。污染天气发生时,铜仁上空是高压脊或一致的西南气流,地面为冷高压或均压区控制,气压梯度小,风小;当转为高空槽前,地面有冷空气补充,气压梯度增大时,污染物浓度得到降低。同时风速和相对湿度大小跟污染物浓度也有一定关系,地面风速小,空气干燥时,污染物浓度增加;相反,风速增大达4m/s以上,空气相对湿度增大达90%以上,特别是明显的雨雪天气发生时,污染物浓度得到快速降低。另外,污染天气伴随有近地层逆温层持续影响,逆温层厚度越厚,且逆温强度越强,抑制了大气垂直方向的湍流交换,有利于污染物浓度累积增长。受梵净山地形阻挡作用,当近地层为弱偏东风影响时,污染物不能翻越梵净山向西扩散,会在山的东侧堆积,导致铜仁城区污染物在本地循环累积,污染浓度维持较大值。上述研究结果,可为铜仁市空气质量预报及污染防控提供新的参考依据。