北京市气溶胶物理光学特征及潜在来源分析

【摘要】：本文首先介绍了大气污染的背景以及气溶胶研究的意义,概述了卫星遥感气溶胶的发展历程,利用卫星遥感宏观观测分析我国气溶胶十年间的主要分布位置,以此确定研究区为北京市;其次在前人研究基础上结合地基数据,根据季节详细分析北京地区各物理、光学参数变化规律以及相互之间的关系,并在此基础上总结归纳了北京地区十年间的气溶胶类别以及辐射效应变化;最后结合气象资料利用HYSPLIT模型,采用后向轨迹模式聚类、潜在源分析等方法,按季节分析大气污染变化过程,分别就六大污染物(PM_(2.5)、PM_(10)、SO_2、NO_2、O_3及CO)的浓度变化规律模拟潜在污染源,为北京地区的大气颗粒物污染的防治工作提供数据支持。研究结果表明:2005-2015年间北京地区AOD平均值2006年最高为0.97,2009年最低为0.70,十年间总的变化呈缓慢下降趋势。地表辐射强迫年平均为-84.3±11.52 w/m~2,大气气溶胶年平均辐射强迫值为50.96±10.02 w/m~2,大气层顶部辐射强迫年平均为-33.34±3.65 w/m~2。十年间北京地区主要为粗模态与细模态混合存在,主要为强吸收性和中吸收性细模态大气颗粒物,几乎不存在非吸收性粗模态大气颗粒物,吸收与非吸收的混合型大气颗粒物中非吸收性粗细大小混合颗粒物同样较少。大气颗粒物以前向散射为主,散射相函数季节变化不明显。四季变化中,春季粗、细模态气溶胶粒子散射吸收的变化最多,其中吸收性混合型以及粗模态颗粒物占40%。夏季主要是非吸收性细粒子和弱吸收性细粒子气溶胶为主,四季当中强散射型细粒子含量为季节最高,受高温高湿影响O_3含量明显增多。秋季的混合型气溶胶粒子少于春季,冬季由于城市供暖燃烧吸收型颗粒物增多,几乎不存在非吸收性气溶胶颗粒物。西北远距离输送一直贯穿四季,除夏季对北京地区影响较弱以外,其他季节的远距离输送基本均来自西北方向。本地源以及近距离输送在夏季和秋季占比较大。秋季和冬季西北远距离输送为主要风向,秋季轨迹污染物浓度最高。其中北京地区六项污染物PM_(2.5)年平均值为80μg∕m~3;PM_(10)年平均值117μg∕m~3。SO_2年平均15μg∕m~3;NO_2年平均值54μg∕m~3;O_3年平均值为59μg∕m~3;CO年平均1.2μg∕m~3。一天当中SO_2和O_3约在中午或下午达到峰值,除SO_2和O_3之外其他污染物日变化规律均是从下午15点之后直至夜间浓度逐渐升高到峰值。全年SO_2、CO几乎均未超过国家二级标准限值,全年浓度月变化规律均为夏季低冬季高。春季PM_(10)主要来自于外蒙古国,PM_(2.5)主要来自于石家庄南部近距离输送,而NO_2和O_3的污染输送也主要来自于石家庄南部。夏季同样受石家庄南部区域近距离污染较多,远距离输送占比最少。PM_(10)污染轨迹条数仅有PM_(2.5)的一半。秋季虽然由京津翼南部近距离污染的轨迹最多,多为清洁轨迹,但来自这个方向的污染轨迹浓度较高,且主要NO_2污染来自这个方向。秋季易受蒙古国东部大气颗粒物影响,这个方向传输的PM_(10)约占PM_(2.5)的一半,O_3主要来自这个方向。冬季轨迹主要来自西部以及西北方向的远距离输送,这个方向的污染物主要为PM_(2.5),且浓度较高,其次PM_(10),冬季NO_2远距离输送显著。近距离输送轨迹仅占22.78%,并且多为清洁轨迹。WPSCF与WCWT分析在聚类分析的基础上能够更直观的表现对北京贡献较大的污染源区,通过对比分析发现两种模型结果能够互相验证。综合以上分析,本文研究认为在污染产生过程中,周边城市的工业排放以及车辆、供暖燃烧都起到了很明显的作用,人为活动污染控制不可忽视,因此,关注周边城市工业发展所带来的污染物,加强控制人为排放,并且关注西北方向远距离污染物输送,特别是在春季和冬季,这对后续能够针对性的进行污染防控以及制定相应的大气治理措施具有重要意义。