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《兰州大学》 2012年
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京津冀大气颗粒物浓度与气溶胶光学厚度监测及相关性分析研究

林海峰  
【摘要】:气溶胶作为大气中重要的组成部分,对人类生活、区域辐射平衡及气候变化有重要影响。近年来利用卫星气溶胶光学厚度(AOD)产品反演地面大气颗粒物质量浓度(PM2.5/PM10)逐渐成为热点的研究与发展方向;然而,相关研究发现,不同区域不同时段AOD与PM2.5/PM10间的相关性及相关方程存在极显著的地域差异与季节变率,这势必导致卫星反演地面颗粒物浓度存在较大偏差。为此本文通过2009年京津冀典型地区大气颗粒物质量浓度和气溶胶光学特性的高精度同步地基观测(包括区域背景兴隆站、典型城市北京站和城郊香河站),系统分析了京津冀区域背景、北京市及城郊颗粒物浓度与气溶胶光学特性的时空变化特征;以此为基础,进一步分析区域气溶胶光学厚度(AOD)与颗粒物质量浓度(PM2.5/PM10)之间的相关性及其时空差异,为探索开发京津冀区域利用AOD反演区域PM2.5/PM10时空分布模型提供了基础。主要研究结果表明: (1)京津冀区域地面颗粒物(PM2.5/PM10)污染严重。区域背景、北京城区与城郊PM2.5的年均浓度分别为36±5、65±14和80±20μg·m3,均超出国家2016年拟执行的PM2.5年均控制标准(35μg·m3);PM2.5日均值(国家二级标准75μg·m3)超标率分别为9%、35%、43%。细粒子呈现显著区域性污染特征,三站PM2.5日均浓度具有显著的线性相关。北京市区与城郊PM10的年均浓度分别为117±31和146±33gg·m-3,超出国家现行PM10年均控制标准(100gg·m-3)PM10日均值(国家二级标准150μg·m-3)超标率分别为26%与39%。细粒子PM2.5污染与粗粒子PM10污染存在极显著相关,相关系数约为0.90(p0.001);北京市区及城郊PM2.5在PM10中所占比重自春季到冬季逐渐增大,年均比重分别为61%与56%,市区细粒子比重高于城郊。 (2)京津冀区域气溶胶光学厚度(AOD)与气溶胶模态(Angstrom exponent:α)具有明显的季节变化特征,且不同地区气溶胶光学特性变化特征存在一定差异。区域背景兴隆站AOD呈现夏秋季节高、春冬季低的季节变化趋势,季节变化范围为0.25~0.41;北京市区AOD春季最高,冬季最低,季节变化范围为0.49~0.62;城郊香河地区AOD季节均值夏季最高,最低为秋季,季节变化范围为0.58~0.65;而三个典型地区气溶胶模态的季节变化具备一致性,夏季气溶胶模态较小(α为高值),冬季气溶胶模态较大(α为低值),三站点α值季节变化范围分别为0.56~1.04、1.02~1.19、1.03-1.15。区域背景兴隆站空气质量较市区与市郊清洁,受人为活动影响小,粗粒子占主控模态,AOD和α年均值较低,分别为0.344±0.07、0.81±0.24;北京地区AOD和α年均值较高,分别为0.55±0.10、1.12±0.08;香河地区AOD和α年均值分别为0.62±0.10、1.09±0.11。兴隆站气溶胶波长指数a随AOD呈指数变化趋势,而市区与市郊α随AOD没有明显的变化,∝全年绝大多数处于0.8~1.6之间,气溶胶主控模态较为稳定,这也表明北京市区及城郊气溶胶受到较为稳定的且高浓度的人为气溶胶排放影响(汽车) (3)相关分析表明,京津冀区域三个典型站点AOD(x)与PM2.5/PM10(y)间全年及各季节均呈显著线性相关(y=ax+b),但相关系数与相关函数存在着显著的季节变率与地区差异,且各站点年度相关会掩盖较大的季节性系统差异。区域背景兴隆站AOD(x)与PM2.5(y)全年相关方程分别y=60.83x+15.45(R=0.69);但在不同季节,a值变化范围为42.66~69.53,b值变化范围为9.48~26.62,R值变化范围0.60~0.80,春秋季节相关性优于夏冬季节。北京城市站AOD(x)与PM2.5(y)全年相关方程为y=56.19x+23.16(R=0.68);a值季节变化范围为45.54~89.70,b值季节变化范围为16.89~25.89,R值变化范围0.69~0.89,夏秋季节相关性显著高于春冬季节。城郊香河站AOD(x)与PM2.5(y)全年相关方程分别为y=55.01x+43.51(R=0.51);a值季节变化范围为41.41~98.91,b值季节变化范围为37.97~47.17,R值变化范围0.53~0.62,夏秋季节相关性显著高于春冬季节。这充分说明在京津冀区域,AOD与PM2.5间存在较高的线性相关;但是,由于气溶胶理化特性及气象要素的时空差异,导致AOD与PM2.5间的相关性与相关方程存在很大的地区性及季节性系统偏差;单一的线性相关方程不具备精确的时空代表性,将引入较大的系统偏差。 (4)北京城市站AOD(x)与PM10(y)全年相关方程为y=81.01x+58.36(R=0.60);a值季节变化范围为64.99~113.75,b值季节变化范围为40.49~73.04,R值变化范围0.50~0.73。城郊香河站AOD(x)与PM10(y)全年相关方程分别为y=89.28x+90.79(R=0.50);a值季节变化范围为49.81-165.22,b值季节变化范围为82.68~101.10,R值变化范围0.48-0.62。在同一地区相同时段,AOD与PM10的相关性小于AOD与PM2.5。考虑到湿度、温度、边界层高度等气象条件的作用,本文对北京站的PM2.5/PM10数据进行湿度订正,对AOD进行高度订正,订正之后,AOD与PM2.5/PM10之间的相关性得到了提升。利用指数相关方程可以较好的解决线性相关方程对低浓度PM2.5/PM10的高估问题。
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