能見度反演PM2.5質量濃度方法的對比分析

崔　蕾，倪長健，孫歡歡，劉　昆，張　研

(1.成都信息工程學院大氣科學學院/ 高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都　610225；2.中國人民解放軍96111部隊,陜西 渭南　715400；3.中國人民解放軍95596部隊,陜西 西安　710300)

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能見度反演PM2.5質量濃度方法的對比分析

崔蕾1，倪長健1，孫歡歡1，劉昆2，張研3

(1.成都信息工程學院大氣科學學院/ 高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都610225；2.中國人民解放軍96111部隊,陜西 渭南715400；3.中國人民解放軍95596部隊,陜西 西安710300)

摘要：著眼于能見度對細顆粒物反演的準確表征，利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM(2.5)質量濃度以及大氣能見度的監測數據，對比研究了基于能見度推算PM(2.5)質量濃度的直接與間接方法。前者利用冪函數直接構建能見度與PM(2.5)質量濃度的函數關系；后者則通過能見度對消光系數的求取，進一步以線性函數反演PM(2.5)質量濃度。分析結果表明：(1)2種方法均能較好地反演PM(2.5)質量濃度，反演結果與地面監測數據具有一致的統計特征；(2)相比基于能見度反演PM(2.5)質量濃度的直接方法，間接方法物理意義更為清晰，同時反演結果也更優。

關鍵詞：成都；PM(2.5)；消光系數；能見度；反演

氣溶膠是指懸浮在地球大氣中沉降速度小、尺度介于10-3～10 μm之間的液態或固態粒子。近年來,由氣溶膠消光作用所造成大氣能見度降低的現象已成為嚴重的環境污染問題,受到了各界的高度關注[1]。已有研究表明,細顆粒物是造成能見度惡化的重要因子。王淑英等[2]統計了北京地區大氣能見度的變化規律,表明能見度與顆粒物濃度呈反相關關系;張劍等[3]分析了蘇州城區能見度與顆粒物質量濃度及氣象要素的相關關系,得到顆粒物質量濃度與能見度相關性較好這一結論;姚婷婷等[4]對深圳市冬季大氣消光性質與細粒子化學組成的高時間分辨率觀測和統計研究表明,顆粒物對大氣消光能力與粒徑和成分關系密切。理論上而言,如果顆粒物的化學組成以及各種化學組分的吸收消光比例確定,就可推算出顆粒物對能見度的消光作用[5],但該項分析耗時長，費用高。為此,王京麗等[6]、姚劍等[7]分別利用北京與上海大氣能見度與顆粒物質量濃度的數據,提出了兩者之間的統計學關系。消光系數作為氣溶膠光學特性的重要表征,也被廣泛用于地面顆粒物的反演。何秀等[8]在對地面消光系數進行濕度訂正的前提下,反演得到PM10質量濃度;陶金花等[9]基于衛星遙感AOT的資料,提出了估算近地面顆粒物濃度的新方法;韓道文等[10]、SONG等[11]分別利用北京市地面激光雷達和氣象儀測量結果構建了消光系數與近地面顆粒物的函數關系,并對近地面顆粒物進行估算。

筆者利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM2.5以及大氣能見度監測數據,對比分析了基于能見度推算PM2.5濃度的直接與間接方法，不僅豐富了大氣細顆粒物濃度監測的手段,還可為大氣環境管理提供依據。

1研究方法

1.1資料來源和儀器

選用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路環境監測站提供的逐時PM2.5質量濃度以及大氣能見度監測數據。

采用小流量采樣器(美國熱電子環境設備公司)進行大氣氣溶膠(PM2.5)質量濃度的觀測。該儀器具有PM10和PM2.5粒徑切割頭,使用電子天平(AB204-E)并利用減重法求得PM質量濃度,精度為十萬分之一,采樣頻率為5 min。大氣能見度采用Belfort 6000型大氣能見度傳感器測量,數據采集頻率為1 min,精度為±10%，散射角度為42°。

1.2反演方法

1.2.1基于能見度的間接反演方法

根據朗伯-比爾定律,氣溶膠的消光系數與能見度關系如下[1]：

(1)

式(1)中,Kext為消光系數,m-1;V為能見度,m。結合Mie散射理論,消光系數與顆粒物譜分布和消光系數因子有關[12]。

Kext=π∫Qext(m,r,λ)n(r)r2dr。

(2)

式(2)中,Qext(m,r,λ)為顆粒物的消光系數因子;m為粒子的復折射率,%;r為半徑,μm;λ為波長,μm;n(r)為譜分布函數。

顆粒物質量濃度可表達為

(3)

式(3)中,ρ(PMx)為PMx質量濃度,μg·m-3;ρ為密度,μg·m-3。

在此基礎上,根據HANSEN等[13]的工作,引入歸一化顆粒物散射效率〈Qext〉和有效半徑〈r〉2個參數:

(4)

(5)

最后,綜合式(2)～(5)可得到:

(6)

式(6)表明,若顆粒物的類型及譜分布一定,則〈Qext〉、〈r〉和〈ρ〉均視為常數,據此構建近地面氣溶膠消光系數與顆粒物濃度之間的線性模型,即

ρ(PM2.5)=A×Kext+B。

(7)

式(7)中,A、B為該模型的參數。但實際而言,不同地區及時段內,顆粒物類型不可能相同,從而上述假設有一定限制,但在較小區域和較短時間范圍內,可近似認為顆粒物類型及其譜分布的影響因子相對穩定,從而兩者間的線性關系較為穩定。諸多學者的研究成果也驗證了這一假設的合理性[2,6-8,14]。

1.2.2基于能見度的直接反演方法

利用式(1)和(6)可得能見度(V)與ρ(PMx)呈倒數關系:

(8)

結合梁延剛等[14]、王京麗[6]等學者的研究成果,可利用冪函數擬合近地面PM2.5質量濃度與能見度之間的關系,即

ρ(PM2.5)=C×VD。

(9)

式(9)中,C、D為該模型參數。

2結果與分析

基于成都市人民南路2013年6月1日—2014年2月28日逐時能見度和近地面PM2.5質量濃度數據,分夏、秋、冬3個季節利用前述直接與間接方法構建能見度與PM2.5質量濃度的數學模型(剔除異常及缺測數據后,夏、秋、冬3季有效樣本個數分別為1 584、2 180和2 090),結果見表1。

綜合表1和圖1可見,2種模型均能較好地反演PM2.5質量濃度;另外,就相關系數而言,冬季效果最好,秋季次之,夏季稍差,這可能與相對濕度季節變化特征有關[6,10]。

將夏、秋、冬3季時均樣本求取日均濃度后,分別得到66、90和87對有效樣本。按上述2類模型進行反演計算,反演結果(圖2)均與地面監測結果在統計學特征上有較好的一致性。為評判上述2種反演方法效果的優劣,相應誤差計算結果見表2。間接反演方法所得的PM2.5質量濃度與實際監測值的偏差更小,擬合效果更優,由此表明間接方法的反演結果與地面監測結果具有更好的相關性。

表1直接方法與間接方法的反演模型及統計參數

Table 1Inversion models using the direct method and indirect method and statistic parameters

季節樣本數直接方法模型Rd2(α=0.05)間接方法模型Rind2(α=0.05)夏1584y=111345.04x-0.9930.43y=27887.07x+8.02320.43秋2180y=31980.59x-0.7930.53y=28571.78x+19.61110.52冬2090y=22697.589x-0.6920.65y=34273.697x+52.00100.66

直接方法模型中x、y分別為能見度(V)和ρ(PM2.5);間接方法模型中x、y分別為消光系數(Kext)和ρ(PM2.5)。Rd2和Rind2分別為直接與間接方法模型的決定系數。

圖1　直接和間接方法反演結果散點圖

圖2　PM2.5質量濃度的反演結果與地面觀測值對比

表2直接和間接方法反演PM2.5質量濃度結果的誤差比對

Table 2Comparison between the inversions of PM2.5mass concentrations using direct and indirect methods in diviation

季節樣本數ρ1/(μg·m-3)ρ2/(μg·m-3)ρ3/(μg·m-3)偏差1/%偏差2/%夏6659.2545.5049.622316秋9093.0885.3786.6887冬87146.97138.41140.8164

ρ1、ρ2和ρ3分別表示監測樣本、直接法反演和間接法反演ρ(PM2.5)均值；偏差1、偏差2分別為直接方法與間接方法所得結果與監測樣本濃度的偏差,該偏差計算公式為Dev=[|(ρ反演結果-ρ地面監測)|/ρ地面監測]×100%,式中ρ反演結果與ρ地面監測分別表示2種方法所反演的PM2.5質量濃度日均值與地面監測樣本日均值。

3結論

提出了基于能見度反演PM2.5質量濃度的直接與間接方法,前者利用冪函數直接構建能見度與PM2.5質量濃度的函數關系;后者則通過能見度對消光系數的求取,進一步以線性函數反演PM2.5質量濃度。利用2013年6月1日—2014年2月28日成都市人民南路四段逐時PM2.5質量濃度以及大氣能見度的監測數據,計算結果表明:(1)2種方法均能較好地反演PM2.5質量濃度,反演結果與地面監測數據具有一致的統計特征;(2)相比于直接方法的計算結果,間接方法物理意義更為明確,同時反演所獲得的PM2.5質量濃度與地面監測濃度的相關性也更高。

參考文獻：

[1]李成才,毛節泰,劉啟漢,等.利用MODIS光學厚度遙感產品研究北京及周邊地區的大氣污染[J].大氣科學,2003(5):869-880.

[2]王淑英,張小玲,徐曉峰.北京地區大氣能見度變化規律及影響因子統計分析[J].氣象科技，2003,31(2):109-114.

[3]張劍,劉紅年,唐麗娟.蘇州城區能見度與顆粒物濃度和氣象要素的相關分析[J].環境科學研究，2011,24(9):982-987.

[4]姚婷婷,黃曉鋒,何凌燕,等.深圳市冬季大氣消光性質與細粒子化學組成的高時間分辨率觀測和統計關系研究[J].中國科學:化學,2010,40(8):1163-1171.

[5]宋宇,唐孝炎,方晨,等.北京市能見度下降與顆粒物污染的關系[J].環境科學學報,2003,23(4):468-471.

[6]王京麗,劉旭林.北京市大氣細粒子質量濃度與能見度定量關系初探[J].氣象學報,2006,64(2):221-228.

[7]姚劍,王廣華,林俊,等.上海市大氣顆粒物與能見度的關系[J].氣象與環境學報,2010,26(4):17-21.

[8]何秀,鄧兆澤,李成才,等.MODIS 氣溶膠光學厚度產品在地面 PM10 監測方面的應用研究[J].北京大學學報:自然科學版,2010,46(2):178-184.

[9]陶金花,張美根,陳良富,等.一種基于衛星遙感 AOT 估算近地面顆粒物的方法[J].中國科學D輯:地球科學,2013,43(1):143-154.

[10]韓道文,劉文清,劉建國,等.氣溶膠質量濃度空間垂直分布的反演方法[J].中國激光,2006,33(11):1567-1573.

[11]SONG C H,PARK M E,LEE K H,etal.An Investigation Into Seasonal and Regional Aerosol Characteristics in East Asia Using Model-Predicted and Remotely-Sensed Aerosol Properties[J].Atmospheric Chemistry & Physics Discussions,2008,8(3):8661-8713.

[12]李成才,毛節泰,劉啟漢,等.MODIS 衛星遙感氣溶膠產品在北京市大氣污染研究中的應用[J].中國科學 D 輯:地球科學,2005,35(增刊1):177-186

[13]HANSEN J E,TRAVIS L D.Light Scattering in Planetary Atmospheres[J].Space Science Reviews,1974,16(4):527-610.

[14]梁延剛,胡文志,楊敬基.香港能見度、大氣懸浮粒子濃度與氣象條件的關系[J].氣象學報,2008,66(3):461-469.

(責任編輯： 陳昕)

Comparison Analysis of the Method of Using Visibility to Retrieve Concentration of PM2.5.

CUILei1，NIChang-jian1，SUNHuan-huan1，LIUKun2，ZHANGYan3

(1.College of Atmospheric Sciences/ Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2.Chinese People′s Liberation Army 96111 Armed Forces, Weinan 715400, China;3.Chinese People′s Liberation Army 95596 Armed Forces, Xi′an 710300, China)

Abstract:To characterize precisely the usage of visibility to retrieve concentration of fine particles, a direct method and an indirect method were used to reckon PM(2.5) mass concentration based on visibility in a comparative study with the hourly monitoring data of PM(2.5 ) mass concentration and atmospheric visibility at Section 4 of South People Road of Chengdu during the period from June 1, 2013 to Feb. 28, 2014 cited as subject. The former used power functions to directly develop a functional relationship between visibility and PM(2.5) mass concentration, while the latter first worked out extinction coefficient by visibility and then used linear functions to retrieve PM(2.5) mass concentration. Results show as follows: (1) Both methods can be used well to retrieve PM(2.5) mass concentration and the retrieval matches the ground monitoring data quite well in statistic feature; (2) Compared to the direct method of using visibility to retrieve PM(2.5) mass concentration, the indirect method is more explicit in physical significance and more accurate.

Key words:Cheng-du City；PM(2.5)；extinction coefficient；visibility；inversion

作者簡介：崔蕾(1992—),女,貴州貴陽人,碩士生，研究方向為大氣物理與大氣環境。E-mail: cccuuuiiillleeeiii@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.026

中圖分類號：X16

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)02-0338-04

基金項目：四川省教育廳項目(2014Z155);四川省教育廳重點項目(15ZA0179)

收稿日期：2015-05-13