环境科学  2017, Vol. 38 Issue (10): 4092-4099   PDF    
引用本文
石琳琳, 李令军, 李倩, 姜磊, 周一鸣, 李云婷, 刘保献, 张大伟. 2016年北京市春节大气颗粒物污染特征激光雷达监测分析[J]. 环境科学, 2017, 38(10): 4092-4099.
SHI Lin-lin, LI Ling-jun, LI Qian, JIANG Lei, ZHOU Yi-ming, LI Yun-ting, LIU Bao-xian, ZHANG Da-wei. Analysis of Atmospheric Particulate Matter Pollution Characteristics by LIDAR in Beijing During Spring Festival, 2016[J]. Environmental Science, 2017, 38(10): 4092-4099.
2016年北京市春节大气颗粒物污染特征激光雷达监测分析
石琳琳1 , 李令军2 , 李倩2 , 姜磊2 , 周一鸣2 , 李云婷2 , 刘保献2 , 张大伟2     
1. 北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100124;
2. 北京市环境保护监测中心, 北京 100048
收稿日期: 2017-02-20; 修订日期: 2017-05-02
基金项目: 基于新一代卫星遥感、地面监测与分析模式的区域空气质量综合监测研究与应用（Z161100001116013）
作者简介: 石琳琳(1992~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为大气污染过程, E-mail:shilinlin517@sina.cn
通信作者: 张大伟, E-mail:Zhangdawei@bjmemc.com.cn
摘要: 基于激光雷达大气颗粒物消光系数实时数据以及PM2.5和PM10自动在线监测数据对北京市2016年春节期间（2月7~13日）大气污染进行系统分析.除夕夜间受燃放烟花爆竹影响，大气颗粒物浓度在短时间内急剧攀升，市中心的官园站PM2.5浓度最大值达到639.3 μg·m-3，9 h内增长了近30倍，城郊的琉璃河站及定陵站颗粒物最大小时浓度均超过1000 μg·m-3，显著高于市中心的官园站.初三至初五存在持续的颗粒物高浓度污染且城郊的颗粒物浓度均高于市中心.激光雷达的监测结果表明，除夕燃放时段内3个站点105 m处的消光系数显著高于405 m，呈现出明显的鞭炮燃放排放污染特征.3个站点的垂直消光特性存在显著差异，大气清洁时1.0 km下定陵、车公庄及琉璃河的背景极值分别为0.09、0.20和0.19 km-1，2月8日00：00的消光系数最大值分别为0.23、1.36和1.19 km-1，为同时刻同高度背景值的2.6倍、6.8倍和6.0倍，燃放烟花爆竹使得颗粒物的消光系数短时间内急剧增大.
关键词: 春节期间      烟花爆竹      颗粒物      激光雷达      消光系数     
Analysis of Atmospheric Particulate Matter Pollution Characteristics by LIDAR in Beijing During Spring Festival, 2016
SHI Lin-lin1 , LI Ling-jun2 , LI Qian2 , JIANG Lei2 , ZHOU Yi-ming2 , LI Yun-ting2 , LIU Bao-xian2 , ZHANG Da-wei2     
1. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China
Abstract: Real-time aerosol extinction retrieved by Micro-pulse LIDAR and concentrations of PM2.5 and PM10 in Beijing were analyzed to investigate the air quality during the Spring Festival. The results showed that fireworks on the New Year's Eve resulted in a sharp increase in particulate matter concentrations in a short time. The maximum concentration of PM2.5 at Guanyuan station was 639.3 μg·m-3, which increased by nearly 30 times in 9 h. The maximum hourly concentration of particulate matter at Dingling and Liulihe suburban stations were significantly higher than that in Guanyuan station, the maximum values were more than 1000 μg·m-3. The particulate matter levels were continuously high on February 10-12 and the concentration of particulate matter at Dingling and Liulihe suburban stations were higher than that at Guanyuan. LIDAR results showed no obvious changes in the extinction coefficient at Dingling on the New Year's Eve. The extinction coefficient at Liulihe was greater than 1 km-1, but the particulate matter pollution was concentrated at altitudes less than 400 m. The extinction coefficient at Chegongzhuang was still higher than 0.4 km-1 at 500 m; however, the duration of pollution was shorter than that of Liulihe. The extinction coefficients at 105 m at all three stations during the New Year's Eve were significantly higher than those at 405 m. There were significant differences in the vertical extinction characteristics of the three sites. The background maximum values of Dingling, Chegongzhuang, and Liulihe were 0.09 km-1, 0.20 km-1, and 0.19 km-1 under 1.0 km, respectively. The maximum extinction coefficients at 00:00 (midnight) were 0.23 km-1, 1.36 km-1, and 1.19 km-1, which were 2.6 times, 6.8 times, and 6.0 times higher than the background value at the same time, respectively. In summary, discharge of fireworks led to a dramatic increase in the extinction coefficient of particulate matter. Temperature inversion and lower wind speeds were the main meteorological factors that contributed to this pollution event.
Key words: Spring Festival Period      fireworks      particulate matter      LIDAR      extinction coefficient     

节日期间燃放烟花爆竹是特有的人为污染源, 燃放会释放大量污染物, 导致局地污染物浓度急剧攀升[1].春节作为中国最重要的节日, 燃放烟花爆竹产生的污染问题尤为突出.国内外学者对节日燃放烟花爆竹污染的化学成分及变化规律已开展大量研究, 马耳他群岛6~8月密集节日[2]、瑞士国庆节[3]、美国独立日[4]、印度排灯节[5]及中国春节期间[6~8]的研究结果均表明, 烟花燃放期间, 近地面颗粒物的浓度显著提升, 同时SO2、NO2和金属离子的浓度也随之跃增.然而现有研究大多是对集中燃放时段内近地面的颗粒物浓度及组成规律进行研究, 对污染物的垂直扩散及整个污染过程的变化却鲜见报道.

激光雷达以激光为光源, 通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物[9], 是目前大气气溶胶监测的有效手段[10].其在污染过程的垂直探测和气溶胶光学特性研究中的优越性使其在灰霾、沙尘等污染过程的监测中应用越来越广泛, Zhang等[11]利用激光雷达网络对APEC会议前后北京市霾的传输途径及来源进行了研究. Liu等[12]通过对上海市全年气溶胶进行监测, 分析得到了上海市灰霾天和非灰霾天气溶胶的垂直分布特征和季节变化.严国梁等[13]利用微脉冲激光雷达对南京地区一次灰霾天气进行分析得到霾气溶胶的光学特性.同样也存在对北京[14]、上海[15]、石家庄[16]等地不同强度沙尘天气进行研究, 得出沙尘气溶胶的光学特性.

根据《北京市烟花爆竹安全管理规定》, 北京市五环路以内的地区为限制燃放烟花爆竹区, 农历除夕至正月初一全天, 正月初二至正月十五每日的07:00~24:00, 可以燃放烟花爆竹.五环路以外地区, 根据所辖区、县人民政府划定限制燃放烟花爆竹的区域进行燃放.以管理规定为依据, 本文主要通过微脉冲激光雷达垂直监测数据与地面监测数据相结合, 探究北京市2016年春节期间烟花爆竹燃放引发的污染特征及空间分布规律, 并讨论期间气象条件对污染累积及扩散的影响.

1 材料与方法 1.1 数据资料

2016年2月7日13:00至2月13日12:00 PM2.5及PM10浓度采用北京市环境保护监测中心自动监测网络小时数据, 其监测仪器及监测方法与程念亮等[17]及王占山等[18]的研究相同, 在此不做赘述.选取官园站作为城区监测点, 选择位于北京市西北部的定陵站和位于北京市西南部的琉璃河站作为城郊监测点, 另选取北京东北部的密云水库站作为清洁对照点, 其周边禁止燃放烟花爆竹. 2月3~8日的激光雷达数据选取定陵站和琉璃河站作为城郊监测点, 选取车公庄站作为城区监测点, 其与官园站的直线距离约为2 km. 2月7~8日的温度及相对湿度垂直探测数据来自于美国怀俄明大学网站(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html), 北京市的站点编码为54511, 坐标为116.28°E, 39.93°N.近地面风速小时数据来自于中国空气质量在线监测分析平台(https://www.aqistudy.cn/).

1.2 微脉冲激光雷达

大气气溶胶垂直探测数据来自于北京怡孚和融科技有限公司生产的EV-LIDAR微脉冲激光雷达. 3台同样的激光雷达分别安装于车公庄站、定陵站及琉璃河站.该雷达由激光发射器、光学收发系统、探测器和数据采集及处理装置组成.激光雷达数据进行反演前经背景噪声订正、重叠因子订正及距离订正等预处理过程, 由Fernald算法[19]来求解激光雷达方程, 进行气溶胶消光系数反演.本次探测工作波长为532 nm, 空间垂直分辨率为15 m, 单脉冲输出能量10 μJ, 数据分析时采用观测的10 min平均数据, 激光雷达接受回波盲区设定为105 m, 105 m以下的数据不进行分析.颗粒物与激光雷达站点分布如图 1所示.

图 1 颗粒物及激光雷达监测站点分布 Fig. 1 Distribution of the Particle and LIDAR observation sites

2 结果与讨论 2.1 春节期间颗粒物浓度变化

节日期间燃放烟花爆竹时颗粒物浓度会明显升高[20~24], 春节作为中国最重要的传统节日, 存在多个烟花爆竹的集中燃放时段. 图 2为2016年2月7日13:00至13日12:00(农历除夕至初六)近地面PM2.5及PM10浓度变化曲线, 用以研究除夕至正月初六颗粒物浓度的变化趋势. 4个站点的PM2.5与PM10浓度变化趋势极其相似. 2月7日13:00~17:00各站的PM2.5小时浓度均低于50 μg·m-3, PM10小时浓度低于65 μg·m-3, 该时段内空气质量较好未出现颗粒物污染.琉璃河站的颗粒物浓度自18:00起最先呈现急剧增长趋势, 且在2月8日01:00~10:00连续10 h PM10及PM2.5浓度均超过1 000 μg·m-3, 暴发了极其严重的颗粒物污染, 可见在五环外西南部的居民聚集区出现长时间高强度的烟花爆竹集中燃放.位于市中心的官园站颗粒物浓度自2月7日18:00起呈现缓慢增长趋势, 21:00起颗粒物浓度急剧攀升, 峰值出现在2月8日03:00, PM2.5和PM10浓度分别为639.3 μg·m-3和801.9 μg·m-3, 9 h内浓度分别增加619.1 μg·m-3和739.5 μg·m-3, PM2.5浓度增长约30倍.位于西北部的定陵站仅在2月8日00:00~04:00出现颗粒物急剧升高又迅速降低的现象, 但PM10的峰值浓度超过1 000 μg·m-3.密云水库站的颗粒物浓度也存在小幅上升, 但污染出现时间相比于其他三个站点有所延后, 2月8日02:00颗粒物浓度才逐渐升高, 最大浓度出现在2月8日08:00, PM2.5和PM10的最大小时浓度均低于200 μg·m-3, 密云水库站周围不存在燃放点, 颗粒物浓度的波动主要是受到其他地区燃放污染传输的影响.

图 2 2016年2月7日13:00至2月13日12:00 PM2.5及PM10小时浓度变化 Fig. 2 Variation of hourly PM2.5 and PM10 concentration from 13:00 on February 7 to 12:00 on February 13, 2016

至2月8日14:00各站的PM10浓度均低于100 μg·m-3, 烟花爆竹燃放产生的颗粒物污染消散.但自2月8日19:00起琉璃河站的颗粒物浓度又逐渐回升, 2月9日01:00 PM10浓度达到415.3 μg·m-3, 至2月9日12:00 PM10的浓度降至17.2 μg·m-3, 呈现出明显的颗粒物燃放特征, 可见在初一夜间北京的西南部仍然存在烟花爆竹的集中燃放. 2月10日至12日存在连续3 d的颗粒物污染, 且各站的颗粒物浓度存在明显的分布特征, 位于西南方向的琉璃河站颗粒物浓度明显高于其他各站, 存在多个PM2.5超过150 μg·m-3时段, 空气质量达到重污染水平.其次是位于西北部的定陵站, 浓度在2月11日02:00存在峰值, PM2.5的小时浓度接近300 μg·m-3, 位于市中心的官园站浓度颗粒物浓度变化较为平缓, 颗粒物浓度仅在2月10~11日显著高于背景站.水库站作为清洁对照点, 2月10~12日颗粒物浓度升高主要是由于外来传输污染的影响.

2.2 除夕夜污染过程激光雷达监测分析

通过对颗粒物的浓度变化分析, 2016年除夕夜烟花爆竹的燃放导致颗粒物浓度显著升高, 下面通过激光雷达监测结果在污染垂直层面上予以佐证. 图 3为2月7~8日的2 km下消光系数, 从中可知, 3个监测站点的消光系数高值均集中在近地面处, 但消光系数时间特征存在明显差异.位于西北部的定陵站2月7~8日的消光系数持续较低, 仅在2月8日凌晨近地面出现小幅升高的现象, 但消光系数较小, 最大消光系数为0.4 km-1, 200 m下的颗粒物消光系数已低于0.3 km-1, 由于颗粒物浓度迅速升高并快速降低, 使得燃放影响的垂直范围明显低于车公庄和琉璃河.市中心的车公庄站消光系数显著增大出现在2月7日21:00至2月8日08:00左右, 颗粒物消光系数持续高于1.0 km-1, 在垂直方向上来看, 其延伸高度较琉璃河站有所增加, 500 m处的最大消光系数仍高于0.4 km-1.西南部的琉璃河站燃放产生污染持续时间最长, 但在垂直方向上的延伸高度较低, 期间消光系数持续大于1.0 km-1, 大气污染主要集中在400 m以下, 这与近地面颗粒物浓度变化趋势相一致.

图 3 2016年2月7~8日2 km下消光系数变化 Fig. 3 Variation in the extinction coefficient below 2 km from February 7 to 8, 2016

2.3 除夕夜烟花爆竹污染的消光特性分析

图 4为2月7日13:00至2月8日12:00 3站点105 m及405 m高度处颗粒物消光系数的变化, 用以探究烟花爆竹燃放污染对消光系数的影响, 其中, 选取2月3日13:00至2月6日12:00的小时均值作为消光系数背景值.可以看出, 大气相对清洁时, 3个站点的消光系数仍存在差异, 定陵站的背景值最小, 均低于0.16 km-1, 车公庄站和琉璃河站的背景值明显高于定陵站, 背景值维持在0.50 km-1以下. 3个站点105 m处的背景值略高于405 m, 且存在相同的日变化趋势, 自06:00起消光系数增大, 日间变化幅度较小, 至19:00左右消光系数逐渐降低, 日间的消光系数高于夜间.定陵站的消光系数在除夕夜间呈现增长趋势, 但变化不大, 最大值出现2月8日04:00, 105 m处和405 m处消光系数均低于0.30 km-1, 虽然其值较低, 仍分别高出背景值3倍和2倍.车公庄站105 m处的消光系数在未燃放时段与背景值变化相同, 燃放时段消光系数显著增大, 最大值出现在2月8日01:00, 消光系数达到1.82 km-1, 其值为2月7日18:00未燃放时消光系数的7倍, 是同时刻背景值的14倍. 405 m处的消光系数增幅较小, 峰值为0.57 km-1, 仅为同时刻105 m处消光系数的1/2, 消光系数由地面向高空呈明显递减趋势, 污染主要来自烟花爆竹燃放, 随高度的增加所受影响逐渐减弱.琉璃河站105 m处的消光系数变化规律与车公庄站相似, 2月8日00:00在105 m处的最大消光系数为1.23 km-1, 是同时刻背景值的6倍, 是同时刻405 m处的消光系数的近10倍, 消光系数在垂直方向上显著降低.城区105 m处的消光系数与金军等[25]研究的2006年除夕夜近地面颗粒物消光系数变化规律相似, 除夕凌晨出现短时消光系数攀升现象, 近地面颗粒物消光系数最大值超过2.0 km-1.

图 4 2月7日13:00至2月8日12:00 105 m及405 m高度消光系数 Fig. 4 Change in the extinction coefficient over 105 m and 405 m from 13:00 on February 7 to 12:00 on February 8, 2016

通过对105 m及405 m处的消光系数进行分析可知, 消光系数的峰值主要出现在2月8日凌晨, 图 5为2月8日00:00及2月8日02:00的1 km高度下消光系数垂直廓线, 通过与2月3日13:00至2月6日12:00清洁天气下的消光系数对比以探究烟花爆竹燃放污染的垂直分布特征.定陵站清洁时的消光系数在垂直方向上先增大后减小, 最大值出现在240 m处, 消光系数为0.09 km-1. 2月8日凌晨的消光系数在垂直方向上均有所增加, 近地面处2月8日00:00的消光系数高于02:00, 270 m下消光系数持续高于0.20 km-1, 其值虽然较低, 但仍是清洁时的两倍.车公庄站的背景值在垂直方向上的变化趋势与定陵站相似, 最大消光系数为0.20 km-1出现在210 m处, 2月8日00:00时的最大消光系数为1.36 km-1, 为同时刻同高度处背景值的6.8倍, 至300 m消光系数仍高于1.0 km-1, 500 m高度处的消光系数仍达到0.4 km-1, 超过背景值3倍, 烟花爆竹燃放对500 m高度处仍能产生影响. 2月8日02:00消光系数在垂直方向上明显低于00:00, 300 m处的消光系数已低于0.50 km-1, 500 m处已低于0.20 km-1.琉璃河站的消光系数特征与其他两个站点存在显著差异, 消光系数自近地面向上迅速降低, 其背景值在105 m处存在极值, 最大消光系数为0.19 km-1, 燃放时段的消光系数垂直廓线可以得出, 烟花爆竹产生的污染主要集中在400 m下, 400 m上的消光系数与背景值相同. 2月8日00:00 105 m处的消光系数高达1.19 km-1, 其值为同时刻背景值的6倍, 消光系数随高度增加迅速减小, 2月8日02:00的消光系数明显低于00:00, 最大消光系数为0.68 km-1, 消光系数随时间迅速降低.

图 5 2016年2月8日00:00及02:00的1 km下消光系数垂直廓线 Fig. 5 Vertical profile of the extinction coefficient below 1 km at 00:00 and 02:00 on 8 February, 2016

2.4 除夕污染过程的气象要素分析

污染过程主要是由污染物排放和不利的气象扩散条件引起的[26].不利的气象条件会导致污染物的积累[27, 28]. 图 6为2016年除夕烟花爆竹污染过程的气象要素特征.逆温层的存在使大气处于稳定状态, 阻碍空气的垂直运动, 使得污染物聚集在逆温层下, 从而加重大气污染[29, 30], 从整个污染过程来看, 2月7~8日在近地面均存在逆温层, 2月7日逆温层位于200 m下, 出现极强的贴地逆温, 2月8日逆温层高度逐渐增大到300 m, 使得燃放所排放的大量颗粒物难以向上扩散, 空气质量达到重污染水平.

图 6 2016年2月7~8日污染过程的气象要素变化特征 Fig. 6 Characteristics of meteorological factors during the pollution event from February 7 to 8, 2016

大气水汽是影响气溶胶颗粒形态和性质变化的重要因素之一[31], 相对湿度较大导致颗粒物凝结和悬浮增长, 改变粒子折射率而使大气气溶胶消光系数增大, 大气能见度降低[32~35], 对激光雷达观测结果进行干扰[36, 37], 当相对湿度大于60%时对气溶胶的光学特性有重要影响.由图 6可以得出, 此次污染发生时近地面的相对湿度明显高于上空, 但相对湿度较低, 垂直方向上2月7日夜间和2月8日上午的相对湿度均低于50%, 对颗粒物的吸湿增长影响较小.污染持续过程中, 近地面风速在0~2 m·s-1之间, 近地面持续小风或静风导致大气在水平方向上的扩散能力基本消失.在本次污染过程中, 近地面逆温及较低的风速是造成污染持续的重要条件.

3 结论

(1)2016年春节期间不同站点的颗粒物浓度存在显著差别, 除夕夜间市中心颗粒物浓度明显低于城郊.官园站颗粒物浓度最大值分别为639.3 μg·m-3和801.9 μg·m-3, PM2.5浓度在9 h内增长近30倍.琉璃河站及定陵站的颗粒物浓度最大值超过1 000 μg·m-3, 造成严重的颗粒物污染.而作为清洁对照点的密云水库站颗粒物浓度也存在小幅升高.

(2)3个站点的消光系数分布呈现明显差异.北京西北部消光系数无明显变化, 西南部消光系数大于1 km-1的持续时间长, 但延伸高度主要集中在400 m下, 而市中心消光系数的延伸高度较高但持续时间短.

(3) 对燃放时段的消光系数水平变化分析结果表明, 大气清洁时, 3个站点的消光系数存在相同的日变化特征, 日间的消光系数明显高于夜间, 燃放时段内, 105 m处的消光系数明显高于405 m处, 呈现烟花爆竹的燃放特征.通过垂直廓线可以得出, 3个站点清洁时的背景值存在显著差异, 清洁时和污染发生时西北部的消光系数均显著低于市中心及西南部.

(4) 通过对除夕前后的气象条件进行分析, 近地面逆温和较低的风速是造成污染持续的主要气象因素.

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