本微文为对以下已发表文章的简要介绍：

王姝,冯徽徽,邹滨,杨卓琳,丁莹,叶书朝,朱思佳.大气污染沉降监测方法研究进展[J/OL].中国环境科学:1-15[-05-28].

内容摘要

大气污染是我国当前面临的严峻环境问题,大气沉降是大气污染物消除的重要途径,开展大气污染沉降精准监测有助于深刻理解与把握大气污染的时空演化特征.本文系统回顾了大气污染沉降监测方法的研究进展,探讨主要面临问题及未来发展方向。研究表明,现有大气污染沉降监测技术主要包括地面监测、遥感反演等方法,并在全球、区域与局地等不同尺度上取得系列初步成果。然而,大气沉降成因机制复杂、时空异质性规律显著,现有方法均难以兼顾精度与时空代表性等多方面监测需求,发展新一代监测技术以及多技术集成融合是未来大气沉降精准监测的潜在趋势。深刻了解大气污染沉降监测的研究现状与瓶颈问题有助于进一步系统构建大气污染监测体系、精准感知大气污染多维时空演化的本质规律,为环境治理提供科学的理论支持。

1.研究背景

大气污染是当今世界(尤其是中国)面临的重要环境问题,不仅对生态环境造成破坏,同时也对人类健康与生命安全带来严重威胁。大气沉降是大气污染物清除的重要途径,精准开展大气沉降监测对于预测大气污染程度与持续时间具有重要意义。一般而言,大气沉降主要包括干沉降和湿沉降两种类型。鉴于大气沉降对大气污染时空演化的重要意义,国内外学者已经针对大气沉降进行多方面的研究,地面监测、模型模拟以及遥感反演是主要监测方法。因此,本文针对大气沉降的基本特征,系统总结大气污染沉降监测方法的研究进展,探讨存在问题以及发展趋势,以期为大气沉降监测发展提供理论支持,并为未来大气污染时空演化特征研究指明方向。

2.大气沉降监测方法

—2.1地面监测—

地面监测是指利用地面沉降监测仪开展大气干湿沉降监测,主要包括集尘缸、采样桶、干湿沉降采样器、自制采样器以及传感器等。对于不同的沉降类型,其地面监测方法亦有所差异。干沉降监测主要可分为沉降替代面法、差减法和微气象学法。替代面法是指使用替代面收集干沉降,再通过沉降物的质量除以替代面的面积和采样时间计算出干沉降通量。沉降替代面法具有操作简单、成本较低、不受地形限制等优点,但其受到替代面材质的影响监测结果有很大的不确定性。差减法是将两个完全相同的收集器同时对混合沉降量(一直采集)和湿沉降量(只在降水时采集)进行监测,利用该方法进行干沉降监测时,湿沉降或总沉降较小误差都会造成结果较大的不准确性。干沉降的微气象学法是指使用能够快速反应的传感器对监测地点的污染物浓度以及气象要素进行同步测量。该方法能够测量较大范围的沉降通量,且不会干扰监测区域的环境状况,适合进行长时期的持续观测。湿沉降的地面监测通常采用湿沉降采样桶、干湿沉降采样器等仪器。使用湿沉降采样桶进行采集,平时密封,只在降雨或者降雪时打开,该方法设备要求简单、成本较低,但需要人为打开采样桶,耗费人力,且如果打开不及时,还会造成结果的低估,观测误差较大。另一种主流的湿沉降监测方法是干湿沉降自动采样器,实现了干湿沉降的自动化分离,方便快捷,无需进行人为控制,但仪器价格昂贵且需要稳定的电源,对于野外偏远地区的湿沉降监测具有一定的局限性。此外,近年来不少学者使用分段采样法来进行湿沉降监测。该方法能够分时段采集沉降样品,进而揭示湿沉降过程中的酸度、可溶性离子、化学组分的时间变化特征,以及区分云内清除和云下冲刷,对污染物的沉降过程研究更为清晰透彻。目前,世界各国已建立多个大气沉降监测网络,如美国、欧洲、加拿大等国家。我国的沉降监测网络如表1所示。目前,我国监测网络在大气污染沉降监测方面得到越来越广泛的应用,为区域环境治理提供了科学的理论依据与支撑。然而目前观测站点多集中于华北、东南等区域。同时,由于数据规范不统一、数据零散化现象、资源共享困难等因素,导致各监测网络数据的融合问题亟待解决。

表1我国沉降监测网络

序号

名称

观测范围

站点数目(个)

观测参数

1

中国生态系统研究网络

(ChineseEcosystemResearchNetwork,CERN)

全国

40

C、N、P、H2O及各生态系统功能

2

东亚酸沉降监测网

(EastAsianAcidDepositionMonitoringNetwork,EANET)

重庆、西安、厦门、珠海

90

SO2、NO、NO2、O3、PM

3

中国气象局酸雨网

(AcidRainNetworkofChinaMeteorologicalAdministration,ARNCMA)

全国

降雨量、PH、EC、SO42-等九项离子

4

中国陆地生态系统通量观测研究网络

(ChineseFluxObservationandResearchNetwork,ChinaFLUX)

全国

79

CO2、水汽、能量

5

中国氮沉降监测网

(NationwideNitrogenDepositionMonitoringNetworkinChina,NNDMN)

全国

43

溶解性总氮、硝态氮、铵态氮、颗粒态氮

6

国家大气颗粒物组分监测网

(AtmosphericParticulateComponentNetwork,APCN)

京津冀及周边地区、汾渭平原、长三角地区、广州等其他10个城市

PM2.5、水溶性离子、无机元素、碳组分

—2.2模型模拟—

地面监测方法虽然精度较高,但有限的空间代表性限制了其在区域与全球等大尺度上的应用。为解决这一问题,部分研究人员开发了一系列沉降模型,通过建立大气污染及其影响因素之间的关系模型,推算不同空间单元的沉降特征。干沉降监测模型也称推算法,是指通过观测到的大气沉降物浓度与沉降速率相乘得到沉降通量,其模型通式为：

Fd=K·Ca·Vd

式中:Fd为大气沉降物的沉降通量,Ca为沉降物的浓度,Vd为污染物的沉降速率,K为单位转换系数,其中不同下垫面的干沉降速率是模型的关键。

湿沉降的模型法相较于干沉降更为简单,在目前的大多数研究中,最为简单的推算方法是主要考虑降水这一气象参数。其沉降通量的计算方法通常采用沉降物平均浓度与降水量的乘积,具体公式如下：

Fw=Cavg·Q

式中:Fw为湿沉降通量,Cavg为沉降物的平均浓度,Q为降水量(mm)。

—2.3遥感反演—

遥感监测法是目前新兴的一种大气沉降监测方法,其主要原理是利用大气中各种气体在不同光谱波段的辐射吸收特性反演出不同气体的浓度,再利用反演得到的气体浓度与推算法结合计算出不同大气污染物的沉降量。除直接使用遥感数据结合推算法进行大气沉降监测,部分研究人员采用回归方程等统计学方法,将遥感数据作为方程的输入参数,开展大气沉降研究工作。基于干湿沉降所涉及到的参数,Lu等建立了大气沉降的多元线性模型：

Ndep=a0t+a1p+a2h+a3w+a4C+b

式中：其中a0,a1,a2,a3,a4和b为回归系数,t为表面温度,p为降水,h为湿度,w为风速,C为NO2柱密度。

目前,用于大气沉降监测的卫星传感器主要有全球臭氧监测实验(GlobalOzoneMonitoringExperiment,ERS-2/GOME)、大气层制图扫描成像吸收频谱仪(ScanningImageAbsorptionSpectrometerforAtmosphericCartography,ENVISAT/SCIAMACHY)、臭氧监测仪(OzoneMonitoringInstrument,Aura/OMI)、干涉式红外大气探测仪(InfraredAtmosphericSoundingInterferometer,METOP/IASI)以及我国风云三号的紫外臭氧总量探测仪(TotalOzoneUnit,FY-3/TOU)和紫外臭氧垂直探测仪(SolarBackscatterUltravioletSounder,FY-3/SBUS)等。

—2.4典型应用—

基于上述方法,各国学者在全球、区域、局地等不同尺度上开展了大气污染物沉降监测,不同尺度上各监测方法的特点、优势以及不确定性如图1所示。

图1三种方法不同尺度对比

3.主要问题及发展趋势

—3.1主要问题—

地面监测是最为传统且常用的监测方法,其在不同尺度上监测的不确定性主要来源于仪器本身误差的不确定、空间差异性造成的不确定以及不同组网规范差异等。此外,地面监测方法还存在以下问题：1)监测站点分布不均,代表性不足。2)缺乏对监测站点长时期的持久监测。3)监测结果不准确,有一定的偏差。模型法作为能够大范围模拟分析的监测方法,弥补了站点小范围监测的不足,目前已经发展了多种模型算法,其主要不确定性来源于模型自身结构、模型输入参数以及模拟情景。该方法存在的其它问题有：1)不确定性较大,精度不足。2)模型机制及参数复杂,难以建立。3)模型适用性差。遥感方法由于时空分辨率高,人工干预较少等优点,已经被广泛应用于多种大气沉降的监测研究。但遥感方法仍然存在很多问题,突出体现在精度问题和研究对象的局限性这两个方面：1)精度问题。精度问题不仅来源于遥感卫星数据本身的精度,还由监测算法所产生。随着遥感数据的不断发展,遥感监测研究的不断加深,大气沉降的精度问题一定会得到有效的改善,在这方面的研究仍有很大的发展潜力。2)监测对象的局限性。由于受到遥感卫星的限制,遥感监测法目前主要用于氮沉降的监测,而对于其它污染物沉降研究依然较少。

—3.2主要问题—

针对上述问题,未来大气污染沉降研究需从以下几方面进一步开展研究,提升监测的广度、深度及精度：(1)发展新一代大气污染沉降地面监测网络,获取空间代表性更强的地面数据,并为模型法与遥感监测提供准确的验证数据。(2)不断优化和完善大气沉降模型,建立起适用性更强、监测对象覆盖面更广、模拟结果更加准确的模型体系。(3)研制更高精度、高性能的卫星传感器,并不断完善和改进遥感监测算法,拓展遥感卫星在大气沉降监测方面的发展潜力。(4)将地面监测、模型法、遥感方法等多方法耦合,形成具有“点-线-面”与“地-空-天”监测能力的大气多方法耦合监测体系。

4.结语与展望

本文成果有助于深刻理解与把握不同方法在大气污染沉降研究中的特色与不足,为后续发展科学的研究方法提供依据。本文后续研究将进一步围绕大气污染时空演化的基本规律,研究大气沉降监测理论与方法,为揭示不同尺度下大气污染时空演化特征及其成因机制奠定基础,科学服务于国家与区域大气环境综合治理政策与规划的制定与实施。

编辑

邹海靖孟博文

审校

廖婷李莎

往期推荐

中国大陆地区PM2.5暴露人群健康风险时空变化分析

中国大气污染暴露风险防控应依赖“国家努力"还是”个人努力“？

耦合Grey-Markov/LUR模型的城市未来情景PM10浓度空间分布预测

面向场景的城市PM2.5浓度空间分布精细模拟

长按识别