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基于无人机观测的塔克拉玛干沙漠反应性气体特征及来源分析

赵竹君 何清 陆忠奇 范旭雨晨 毕道金 马明杰 孟露 姜红

赵竹君, 何清, 陆忠奇, 范旭雨晨, 毕道金, 马明杰, 孟露, 姜红. 基于无人机观测的塔克拉玛干沙漠反应性气体特征及来源分析[J]. 环境科学研究, 2023, 36(9): 1665-1675. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.25
引用本文: 赵竹君, 何清, 陆忠奇, 范旭雨晨, 毕道金, 马明杰, 孟露, 姜红. 基于无人机观测的塔克拉玛干沙漠反应性气体特征及来源分析[J]. 环境科学研究, 2023, 36(9): 1665-1675. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.25
ZHAO Zhujun, HE Qing, LU Zhongqi, FAN Xuyuchen, BI Daojin, MA Mingjie, MENG Lu, JIANG Hong. Characterization of Reactive Gas and Source Analysis in Taklimakan Desert Based on Unmanned Aerial Vehicle Observation[J]. Research of Environmental Sciences, 2023, 36(9): 1665-1675. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.25
Citation: ZHAO Zhujun, HE Qing, LU Zhongqi, FAN Xuyuchen, BI Daojin, MA Mingjie, MENG Lu, JIANG Hong. Characterization of Reactive Gas and Source Analysis in Taklimakan Desert Based on Unmanned Aerial Vehicle Observation[J]. Research of Environmental Sciences, 2023, 36(9): 1665-1675. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.25

基于无人机观测的塔克拉玛干沙漠反应性气体特征及来源分析

doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2023.07.25
基金项目: 国家自然科学基金项目(No.42030612, 41830968)
详细信息
    作者简介:

    赵竹君(1995-),女,河北涿州人,putaojing1995@163.com

    通讯作者:

    何清(1965-),男,四川成都人,研究员,博士,主要从事沙漠气象、大气污染物演变等研究,qinghe@idm.cn

  • 中图分类号: X513

Characterization of Reactive Gas and Source Analysis in Taklimakan Desert Based on Unmanned Aerial Vehicle Observation

Funds: National Natural Science Foundation of China (No.42030612, 41830968)
  • 摘要: 为研究沙漠地区大气环境和反应性气体变化机理,利用无人机观测平台于春季(2022年5月8—30日)和夏季(2021年7月19—31日)对塔克拉玛干沙漠中心(塔中站)和南缘(民丰站)的反应性气体体积分数、气温、相对湿度和风速进行垂直观测,对比沙漠腹地和边缘的反应性气体垂直变化,结合HYSPLIT模式究其来源. 结果表明:①民丰站CO体积分数整体略高于塔中站,春季CO体积分数明显高于夏季,并且可能存在较强的SO2和NO2污染现象. CO平均体积分数呈民丰站春季(524.68×10−9)>民丰站夏季(468.95×10−9)>塔中站春季(313.42×10−9)>塔中站夏季(133.64×10−9)的特征;SO2体积分数夏季高于春季,呈民丰站夏季(105.22×10−9)>民丰站春季(69.21×10−9)>塔中站夏季(65.38×10−9)>塔中站春季(49.98×10−9)的特征;塔中站NO2体积分数整体高于民丰站,呈塔中站春季(158.95×10−9)>塔中站夏季(155.10×10−9)>民丰站春季(131.58×10−9)>民丰站夏季(127.23×10−9)的特征,并与O3体积分数显著相关;夏季O3体积分数明显高于春季,呈塔中站夏季(51.22×10−9)>民丰站夏季(24.23×10−9)>塔中站春季(11.90×10−9)>民丰站春季(11.67×10−9)的特征. ②塔中站和民丰站两地反应性气体垂直廓线变化特征显著,CO体积分数随着高度的升高而增加,且受风速变化影响;SO2体积分数多呈波动性变化特征;NO2体积分数白天高于夜间,垂直方向上的变化存在波动,近地面NO2出现累积;O3体积分数垂直廓线呈明显的昼夜特征. ③春季塔中站反应性气体大部分可能由“东灌”气流远距离输送而来;夏季塔中站反应性气体体积分数主要受盆地北缘绿洲带人为活动影响. 春季民丰站的反应性气体多来自盆地边缘的人为活动集中区,反应性气体体积分数较大,夏季气流均起源于沙漠内部,因此这可能是导致春夏季反应性气体体积分数差异的原因. 研究显示,春季、夏季塔中站和民丰站的反应性气体体积分数水平存在明显差异,人为活动较为集中的区域贡献了较高的反应性气体体积分数.

     

  • 图  1  塔中站和民丰站春夏季CO、SO2、NO2、O3体积分数的时间变化序列

    注:2022年5月10日、23日、25日部分时刻缺测.

    Figure  1.  Time series of CO, SO2, NO2, O3 concentrations in spring and summer at Tazhong station and Minfeng station

    图  2  塔中站反应性气体体积分数1 000 m垂直廓线

    Figure  2.  Vertical profiles of reactive gas concentrations from surface to1000 m height at Tazhong station

    图  3  民丰站反应性气体体积分数1 000 m垂直廓线

    Figure  3.  Vertical profiles of reactive gas concentration from surface to 1000 m height at Minfeng station

    表  1  无人机一般参数

    Table  1.   General parameters of the unmanned aerial vehicles (UAVs)

    参数无人机型号
    UAV4000型UAV6000型
    最大飞行高度/m5 0001 000
    最大上升速度/(m/s)65
    最大下升速度/(m/s)58
    最大起飞质量/kg915
    空质量/kg3.610
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    表  2  B4系列电化学气体传感器规格参数

    Table  2.   B4 series electrochemical gas sensor specifications

    项目CO传感器NO2传感器SO2传感器O3传感器
    工作范围/10−60~500~200~20<2
    灵敏度/(nA/10−6)500~750−350~−60350~550−600~−10
    分辨率/10−9<10<5<3<3
    反应时间/s<25<35<50<30
    零点电流/10−9−400~0−60~1000~200−75~0
    寿命/月>24>24>24>24
    温度范围/℃−30~5030~50−30~50−30~50
    压力范围/kPa80~12080~12080~12080~120
    相对湿度范围/%15~9015~9015~9015~90
    推荐负载/Ω33~10033~10033~10033~100
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    表  3  塔中站不同时刻CO、SO2、NO2、O3体积分数范围

    Table  3.   Concentration ranges of CO, SO2, NO2, O3 concentrations at different time at Tazhong station

    时刻体积分数/10−9
    COSO2NO2O3
    01:00445~6013~57154~4791~13
    07:00294~5161~43137~5003~20
    13:00229~60623~46204~5643~11
    19:00350~66113~26165~5623~27
    23:00325~56010~46163~4682~16
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    表  4  民丰站不同时刻CO、SO2、NO2和O3体积分数范围

    Table  4.   Concentration ranges of CO, SO2, NO2 and O3 at different time at Minfeng station

    时刻体积分数/10−9
    COSO2NO2O3
    07:00641~7864~67109~22010~30
    10:00499~73114~62112~2434~19
    13:00487~7916~26175~3083~14
    16:00526~69011~41169~3234~17
    19:00540~74910~27186~3203~12
    22:00516~7835~76132~2771~15
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    表  5  春季和夏季塔中站和民丰站48 h后向轨迹聚类及高度

    Table  5.   Clustering and heights of 48 h backward trajectories in spring and summer at Tazhong station and Minfeng station

    气象观测站季节轨迹占比/%起源高度/m途经区域
    塔中站 春季 1 31.81 1 000 吐鲁番市、托克逊县、焉耆县、库尔勒市、塔克拉玛干沙漠东部
    2 22.24 1 200 轮台县、肖塘镇、塔克拉玛干沙漠中部
    3 20.35 0 阿克苏市、库车市、沙雅县、塔克拉玛干沙漠西部
    4 25.60 1 400 塔城地区、古尔班通古特沙漠、乌鲁木齐市、吐鲁番市、托克逊县、焉耆县、库尔勒市、塔克拉玛干沙漠东部
    夏季 1 18.24 1 700 库车市、轮台县、塔克拉玛干沙漠中部
    2 47.50 1 300 库车市、轮台县、塔克拉玛干沙漠中部
    3 20.88 1 200 库车市、轮台县、塔克拉玛干沙漠中部
    4 13.38 2 300 库车市、轮台县、塔克拉玛干沙漠中部
    民丰站 春季 1 16.31 700 塔克拉玛干沙漠中部、和田市、于田县
    2 22.64 0 塔克拉玛干沙漠中部、和田市、于田县、喀什市
    3 28.70 300 且末县、塔克拉玛干沙漠东部
    4 32.35 1 600 塔克拉玛干沙漠中部
    夏季 1 48.09 1 000 塔克拉玛干沙漠中部偏东
    2 10.85 800 塔克拉玛干沙漠中部
    3 25.95 600 塔克拉玛干沙漠中部
    4 15.11 800 塔克拉玛干沙漠中部偏西
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-26
  • 修回日期:  2023-07-03
  • 网络出版日期:  2023-07-26

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