1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
果木炭是一种常见的燃料, 其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康, 因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测, 同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定, 发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大, 生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似, 均含有C、Fe、Mg、Ca、Sr、K、Na和Ba等元素, 果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外, 结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分, 选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析 (PCA) 结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分, 证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用 LIBS 结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分, 发现区分效果良好, 为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。
光谱学 激光诱导击穿光谱 果木炭 空气污染 碳排放 主成分分析 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy fruit charcoal air pollution carbon emission principal component analysis
1 山东省济宁市生态环境局, 山东 济宁 272004
2 山东省生态环境监测中心, 山东 济南 250013
3 呼和浩特市生态环境监控中心, 内蒙古 呼和浩特 010010
4 合肥中科光博量子科技有限公司, 安徽 合肥 230088
5 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029
6 解放军陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
大气气溶胶通过直接效应影响到达地表的辐射量以及间接效应影响云的生消和降水等过程, 还因其含有的各种有毒物质颗粒, 影响城市能见度, 导致霾过程频发, 而这些颗粒进入人体会对人体健康造成一定危害。 利用济宁市2018年—2019年期间多台气溶胶激光雷达的垂直观测廓线数据与区域空气质量监测数据, 分析了不同大气污染过程中的颗粒物时空演变特征。 结果显示, 济宁市夏季的细粒子污染存在一定的区域差异性, 主要呈现两种日变化特征。 一种是部分区域在夜间消光强, 白天消光弱, 主要是因为夜间受到湿度偏大与污染源排放叠加的影响; 另一种是部分区域白天消光相对较强且整体无明显日变化特征, 原因在于周围污染源较少且受人工湖的影响。 此外, 近地面气溶胶消光系数变化显示辰欣制药站与金马酒店站附近颗粒物浓度相对更高。 沙尘观测结果显示, 济宁市的沙尘天气多出现于4月和5月, 沉降过程中颗粒物浓度可高达平时浓度的5倍。 同时对比扫描观测结果显示, 局地污染的轮廓无规则、 范围小、 突发且消光很强, 而大范围污染过程则轮廓面积大且其消光逐渐增大。
激光雷达 气溶胶 沙尘 大气污染 变化特征 Lidar Aerosol Dust Air pollution Variation characteristics 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3467
曲阜师范大学地理与旅游学院, 山东 日照 276800
为探究环渤海三大城市群空气污染特征及其与气象要素关系的异同, 基于 2015-2019 年空气质量指数日报资料及同期气象要素资料, 利用空间自相关模型和皮尔逊相关系数对其相关性进行了分析。研究表明: (1)对于 PM2.5、PM10 和 O3 这三大被研究的首要污染物, 在冬季主要以 PM2.5、PM10 为主, 夏季以 O3 为主。除 O3 外其余污染物浓度呈现下降趋势。(2) 空气质量指数 (AQI) 呈现秋季最低、冬季最高的变化特点, 年际上空气质量在逐步改善。(3) AQI 存在明显的空间集聚现象, 总体上由沿海向内陆逐渐由空气质量优良区变为空气污染区。(4) AQI、PM2.5、PM10 和 O3 在不同季节与各气象要素的相关性不同, 且相关性强度呈非线性变化。
环渤海 空气污染指数 空间自相关 气象要素 Bohai rim air pollution index spatial autocorrelation meteorological factors 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 506
安徽省大气探测技术保障中心，安徽 合肥 230031
利用三波长偏振激光雷达和气溶胶在线监测仪器的协同观测，获取了2021年1月14日—16日寿县国家气候观象台一次沙尘过程气溶胶垂直分布、粒子数浓度、质量浓度、散射特性和能见度观测数据，并结合常规地面气象观测资料，分析了沙尘过程气溶胶微物理、光学特性及垂直分布的阶段性演变特征。结果表明：沙尘过境期间气溶胶粒子总数浓度峰值为5431 cm-3，PM10质量浓度峰值为447.2 μg/m3，PM2.5和PM10的质量浓度比为0.43±0.10。沙尘、霾和晴空阶段下的气溶胶谱分布均可表示为2个细粒模和1个粗粒模的叠加，沙尘阶段气溶胶粒子数显著高于晴空和霾阶段，2个细粒模的粒子几何平均半径基本一致，在粗粒模中，沙尘阶段的粒子几何平均半径为2.24 μm，明显大于晴空阶段的1.74 μm和霾阶段的1.79 μm。沙尘阶段气溶胶总散射系数平均值大于霾阶段和晴空阶段，其后向散射比较小，空气中以较大的沙尘粒子为主。3个波长的气溶胶消光系数垂直分布变化趋势基本一致，沙尘阶段气溶胶层高度扩展至近地面3.0 km，退偏振比基本大于0.1，Angstr?m指数在0.1~0.4范围。
大气光学 气溶胶 谱分布 光学特性 空气污染监测 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1901002
南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
为了获取大气复合污染下臭氧和气溶胶的垂直分布信息，利用紫外多波长激光雷达对河北望都县进行了臭氧和气溶胶的同步观测。结果表明：双波长差分吸收反演算法中大气后向散射项引起的臭氧质量浓度误差最大，最大平均质量浓度误差为16 μg/m³；三波长差分吸收算法可以减小部分气溶胶的影响。基于反演的臭氧质量浓度，对激光雷达三个波长的消光系数进行臭氧吸收的剔除，得到了各波长的气溶胶消光系数，并且气溶胶参数的反演结果与AERONET的气溶胶光学厚度（AOD）数据一致性较好。最后基于紫外多波长激光雷达反演结果、HYSPLIT后向轨迹分析和MERRA-2再分析资料对望都县典型污染天气进行了分析。通过反演300 m处的臭氧质量浓度和300 m以上的AOD，发现二者变化趋势相反，并且AOD对紫外辐射的抑制作用在中午表现最明显。观测期间，望都县大气污染可能受到西北方向污染物输送的影响。
大气光学 激光雷达 臭氧 气溶胶 空气污染监测 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1601001
1 重庆三峡学院环境与化学工程学院, 重庆 404020
2 四川大学建筑与环境学院, 四川 成都 610065
3 成都市环境保护科学研究院, 四川 成都 610072
为探讨复合污染条件下气溶胶的消光特性, 选取成都市 O3 与 PM2.5 同步污染的春季开展气溶胶组分与消光特性观测, 并结合美国 IMPROVE 化学消光算法研究了组成与消光特征的关系。结果表明, 2018 年春季成都 PM2.5 平均浓度与散射系数 bsp 分别为 (50.3±22.4) μg·m－3 和 (237.5±140.2) Mm－1, 且二者均呈现“单峰单谷”的日变化趋势; 大气气溶胶的消光系数为 (268.4±153.7) Mm－1, 对其贡献最大的组分是 NH4NO3 (26.0%) 和有机物 (OM) (24.4%)。分析表明在 PM2.5 与 O3 复合污染情况下, 二次污染组分 SNA (SO42－、NO3－、 NH4+ 三者之和)、二次有机碳 (SOC) 的含量显著增加, 与清洁天相比分别升高了 1.0 和 1.3 倍; OM 成为最大消光贡献者 (32.2%), 其次是 NH4NO3 和 (NH4)2SO4, 分别贡献 22.8% 和 20.5%。因此, 进一步减少气态前体物如 SO2、NOx、NH3 和 VOCs 的排放可以有效改善成都地区空气质量和能见度。
化学消光 复合污染 成都 chemical extinction complex air pollution PM2.5 PM2.5 Chengdu 大气与环境光学学报
2022, 17(1): 148
1 芜湖职业技术学院, 安徽 芜湖 241006
2 芜湖市生态环境局, 安徽 芜湖 241006
3 南通大学地理科学学院, 江苏 南通 226007
2020 年春节期间 (1 月 24 日-2 月 8 日), 受新冠肺炎疫情影响, 芜湖市居民活动水平降到最低, 但芜湖市却出现了三次不同程度的空气污染过程, 为探索芜湖市大气污染成因提供了契机。利用地面气象要素监测数据、激光雷达监测数据以及 HYSPLIT 后向轨迹模型分析了这三次污染过程的污染特征和成因。结果表明: 1 月 27 日 08:00-28 日 18:00 第一次污染过程, 是在本地基础排放量不变的情况下, 高湿静稳的大气环境诱发的 10 小时短暂性污染过程; 1 月 29 日 17:00-2 月 1 日 13:00 第二次污染过程, 是在重点企业排放量增加、大气扩散条件较不利的情况下, 受源自河北、河南、山东等地的污染气团远距离长时间的污染输送, 加剧污染程度, 最终形成 1 月 30-31 日 2 天的轻度污染; 2 月 2 日 19:00-4 日 07:00 第三次污染过程, 则是在不利的扩散条件下, 受源自江苏、浙江一带污染气团短时间输入性影响, 形成 2 月 3 日 1 天的轻度污染; 与 2019 年春节期间相比, 2020 年空气质量改善明显, 中度及以上污染天数减少了 100%, 轻度污染以上的污染时长减少 48 小时。 可见, 本地源减排是改善芜湖环境空气质量的根本, 区域性联防联控是应对污染天气的有效手段。
大气污染过程 芜湖 后向轨迹模型 气溶胶激光雷达 air pollution event Wuhu back trajectory model aerosol lidar 大气与环境光学学报
2021, 16(2): 127
1 上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200335
2 复旦大学环境科学与工程系, 上海 200433
3 珠海复旦创新研究院, 广东 珠海 519000
利用长程差分光学吸收光谱技术对黄浦江下游典型航道区域船舶排放的空气污染物进行高时间分辨率监测。研究表明 SO2 浓度受船舶尾气烟羽影响显著, 浓度瞬时可增高 2～4 倍不等, 峰值超过 10×10-9 (体积混合比); 而由于来源情况更为复杂, NO2 浓度的变化较为平缓, 且由于受到周围机动车排放影响, 日变化呈现出明显的双峰特征。受船流量影响, SO2 浓度在日间相对较高。人为活动影响分析表明, NO2 浓度在春节假期相较于前后时段下降 30%以上, 而在新冠疫情重大突发公共卫生事件一级响应启动后下降达 50%。 值得注意的是, 由于船舶活动规律的差异性, SO2 浓度的假期效应以及对疫情响应措施的反应并不明显, 但 SO2 浓度的典型排放高值呈现逐年下降的趋势。
船舶 大气污染 ship air pollution DOAS DOAS SO2 SO2 NO2 NO2
1 河南工业大学信息科学与工程学院, 河南 郑州 450001
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对北京地区 2018 年 3 月 29 日-4 月 10 日的一次完整重污染过程, 利用空气质量监测数据及 AERONET 北京站观测数据开展其污染特征及光学特性分析, 并结合 HYSPLIT 气流后向轨迹模式, 对此次重污染期间大气颗粒物时空传输特征进行了综合研究。结果表明: 北京地区此次重污染过程以弱吸收性细模态气溶胶为主; 重污染期间 PM2.5 浓度和气溶胶光学特性受天气影响非常明显; AEORNET 得到的气溶胶光学特性结果与地面空气监测站监测数据吻合良好, 表明 AERONET 能在重污染过程气溶胶光学特性研究中发挥重要作用。
大气污染 气溶胶 光学特性 污染特征 air pollution aerosol optical characteristics pollution characteristics
山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590
京津冀地区的大气颗粒物污染非常严重,对气候环境和人类健康产生直接影响。为了使用遥感技术对京津冀地区的颗粒物污染进行快速、准确的评价,验证了NASA近期发布的全球1 km分辨率的MCD19A2气溶胶光学厚度(AOD)产品在京津冀地区的精度,明确了卫星产品在该区域应用的可靠性,并分析了AOD产品与空气质量指数(AQI)的相关性,探讨其对空气污染的指示作用。获取2014~2018年京津冀地区的MCD19A2 AOD空间分布数据,以及同步的AERONET实测数据,对两类数据进行了时空转化等处理,以实现数据间的精确匹配。验证结果表明,MCD19A2产品在该区域达到较高的精度及稳定性,相关系数、均方根误差、平均绝对误差和期望误差范围分别为0.9504、0.1243、0.0863和82.26%。基于不同尺度AOD结果,与AQI数据进行相关性分析,二者具有较高的相关性,表明MCD19A2数据对空气污染状况具有直接的指示作用。该研究可为气溶胶特性研究、空气质量监测等方面的工作提供一定的参考。
遥感 气溶胶监测 气溶胶光学厚度 MCD19A2数据 京津冀地区 空气污染 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 232802
