一次穩(wěn)定天氣系統(tǒng)下氣溶膠沉降過程分析

張嘉霖，劉 東

(1.成都信息工程大學大氣科學系，四川成都 610225；2.中國科學院安徽光學精密儀器研究所，安徽合肥 230031)

一次穩(wěn)定天氣系統(tǒng)下氣溶膠沉降過程分析

張嘉霖1，劉 東2

(1.成都信息工程大學大氣科學系，四川成都 610225；2.中國科學院安徽光學精密儀器研究所，安徽合肥 230031)

選取天津地區(qū)春末夏初一次空氣污染過程，利用安徽光機所研制的Mie散射激光雷達探測資料，結合微波輻射計、地面氣象觀測數(shù)據(jù)對天津地區(qū)大氣氣溶膠垂直分布情況進行了研究，并對當時的氣象條件及大氣邊界層逆溫特征進行了分析。結果表明，大氣氣溶膠的沉降過程與能見度的變化具有一定的相關性，在一次連續(xù)的觀測過程中監(jiān)測到大氣氣溶膠隨時間有一個明顯的沉降過程。氣溶膠層層頂下降1 km，當日能見度在相同時段里明顯降低，說明氣溶膠的沉降對能見度產生了一定的影響。由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運動，逆溫層II異常穩(wěn)定，在較長的時間內未發(fā)生明顯的變化。天津地區(qū)此次空氣污染過程中污染物主要為外源性輸送。

激光雷達；氣溶膠；沉降；能見度；逆溫

近年來，我國多次發(fā)生長時間、大范圍的低能見度天氣，嚴重影響公路、水路和航空運輸；低能見度天氣條件下極易形成二次大氣顆粒物污染，嚴重危害人體健康。大氣氣溶膠是霧霾形成過程中的凝結核，其結構的變化對能見度有較大的影響[1-3]。隨著激光技術的發(fā)展，激光探測在大氣遙感中扮演著越來越重要的作用。激光雷達作為一種主動遙感設備，能夠提供大氣氣溶膠高分辨率的時空分布，已被廣泛應用于大氣氣溶膠的研究中[3-6]。近年來，國內外學者對能見度與氣溶膠質量濃度之間的關系進行了許多研究，發(fā)現(xiàn)氣溶膠的散射和吸收對能見度有一定的影響[7-8]。氣溶膠的散射與粒徑有關，大顆粒散射引起的大部分散射光線并不會明顯地改變其原來的路徑，而那些大小與可見光波長相近的顆粒對路徑的影響較明顯。有研究表明，氣溶膠是能見度衰減的首要貢獻者，氣溶膠的消光系數(shù)占總消光系數(shù)的比例可達70%～80%[7-9]。

影響天津地區(qū)重污染天氣過程的因素主要包括秋冬季的靜穩(wěn)天氣形勢和光化學污染[7-9]。目前，有關冬季空氣污染過程的研究較多[10-13]，而對春末夏初空氣污染過程的氣象條件和預報的研究很少。另外，大氣氣溶膠在垂直方向上的運動多以沉降為主，大氣氣溶膠的沉降是否會導致能見度出現(xiàn)變化在以往的觀測中鮮有研究。筆者選取天津地區(qū)春末夏初一次空氣污染過程，利用安徽光機所研制的Mie散射激光雷達探測資料，結合微波輻射計、地面氣象觀測數(shù)據(jù)對天津地區(qū)大氣氣溶膠垂直分布情況進行了研究，并對此次污染過程的氣溶膠結構演變特征、氣象因子及能見度的變化過程進行了詳細分析，以期為此類型污染天氣的形成原因和預報提供參考。

1 資料與方法

1.1 激光雷達及其探測方法 激光雷達的主要組成部分包括激光發(fā)射、接收光學、后繼光學和信號探測4 個單元。此次試驗過程使用的激光雷達在工作時，通過主控計算機發(fā)出觸發(fā)信號給激光器，激光器以10 Hz 的脈沖重復頻率發(fā)射532 nm的激光，激光穿過大氣，部分后向散射光反射，通過接收望遠鏡收集，并利用會聚透鏡使之變?yōu)槠叫泄?。平行光束通過532 nm的窄帶濾光片，由532 nm的光子探測器進行光電轉換，經過放大器放大后由數(shù)據(jù)采集卡采集大氣的后向散射信號。

1.2 激光雷達數(shù)據(jù)處理方法 反演激光雷達的大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的方法中，F(xiàn)ernald方法是目前最為成熟穩(wěn)定的反演方法[9，14]。對于一定波長的激光回波信號，如果已知某高度處的該波長大氣氣溶膠和空氣分子的后向散射系數(shù)，即通常所說的標定值，以標定點為界，該方法可以計算標定點上方(前向積分)和下方(后向積分)的大氣氣溶膠光學性質。由于筆者所研究的大氣氣溶膠主要在邊界層以下，高度較低，不考慮5 km以上高度的大氣氣溶膠影響，主要通過后向積分進行計算。Fernald方法后向積分計算以下各高度該波長的氣溶膠消光系數(shù)公式如下[9，14]：

(1)

式中，X(z)=P(z)z2，P(z)為激光雷達獲得的高度z處的回波信號。由(1)式可以看出，若要從激光雷達測量的回波信號P(z)中得到大氣氣溶膠的消光系數(shù)αa(z)，必須事先知道標定高度zc、αm(z)、αa(zc)、S1和S25個參數(shù)。

標定高度zc是通過選取近乎不含氣溶膠的清潔大氣層所在的高度來確定，這個高度通常在對流層頂附近，在這個高度上X(z)/βm(z)的值最小。

空氣分子在532nm的后向散射系數(shù)βm(z)使用30°N冬/夏季美國溫壓濕標準大氣模式，利用分子瑞利散射理論進行計算。根據(jù)瑞利散射理論，大氣分子的消光散射比S2=αm(z)/βm(z)=8π/3(Sr)，通過大氣分子的βm(z)可以求得大氣分子的消光系數(shù)αm(z)。

氣溶膠消光系數(shù)的標定值αa(zc)由氣溶膠散射比R=1+βa(zc)/βm(zc)來確定，對于532nm，R532=1.01。

S1=αa(z)/βa(z)是氣溶膠消光后向散射比，它依賴于發(fā)射的激光波長、氣溶膠的尺度譜分布和折射指數(shù)，數(shù)值一般為20～70Sr。在通常計算中，需要假定對于同一波長，各高度處的氣溶膠消光后向散射比是一個常數(shù)，即氣溶膠在化學組成上及尺度分布上不隨高度變化，氣溶膠光學特性的變化依賴于氣溶膠密度隨高度的改變。對于532nm，消光散射比通常取為S1=50Sr[14]。

1.3 試驗場地及數(shù)據(jù)來源 2013年4月24日—5月1日，利用安徽光機所研制的單波長米散射激光雷達(MSLidar)在天津市進行為期7d的激光雷達探測，獲得0.5～10.0km的大氣氣溶膠垂直分布情況。雷達以532nm激光為光源，可以獲得大氣氣溶膠532nm的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)垂直分布廓線以及光學厚度等參數(shù)。該雷達的垂直分辨率為7.5m，幾何因子影響探測距離為300.0m。通過氣溶膠光學性質廓線可以獲取大氣氣溶膠的垂直分布特征。結合微波輻射計資料，對激光雷達獲取的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)廓線進行對比，獲得大氣氣溶膠光學性質與相對濕度垂直分布廓線的對比資料。微波輻射計為一臺35通道MP-3000A微波輻射計，可以獲得大氣水汽含量、相對濕度、溫度等的垂直分布。

2 結果與分析

2.1 大氣環(huán)流背景 從圖1可以看出，2013年4月27日氣溶膠沉降過程發(fā)生時，大氣環(huán)流在500 hPa為弱高壓脊控制，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的形勢場，以平穩(wěn)的西北氣流為主，該形勢場為能見度的降低提供了穩(wěn)定的高空形勢。地面處于低壓倒槽頂部，風力較小，形勢穩(wěn)定，12 h內以偏東風為主，有利于大氣氣溶膠的聚集。

注：a1、b1為27日08：00；a2、b3為27日20：00；b2為27日14：00。色標為等風速線。Note：a1，b1.08：00 on Apr.27；a2，b3.20：00 on Apr.27；b2.14：00 on Apr.27.Colour code indicates isotach.圖1 2013年4月27日500 hPa(a)和地面(b)流場Fig.1 500 hPa(a)and ground(b)flow field on Apr.27，2013

圖2 天津地區(qū)2013年4月27日08：00、14：00、20：00的溫度垂直分布廓線Fig.2 The vertical profiles of temperatures at 08：00，14：00 and 20：00 on Apr.27, 2013 in Tianjin area

2.2 氣溶膠層和逆溫層的層結特征 從圖2可以看出，4月27日08：00在0.5～1.0 km出現(xiàn)了較強逆溫層，形成一個深厚的穩(wěn)定層I，由于逆溫的出現(xiàn)使低層湍流交換能力減弱且在中高層抑制了大氣的垂直運動，在2.5～2.7 km出現(xiàn)第二

層逆溫II，導致上下溫差進一步減小，使空氣層結極其穩(wěn)定且比I層逆溫更有利于污染物的積累，并阻止了非逆溫層污染物的垂直輸送。逆溫結構向下傳遞，08：00逆溫層為0.5～1.0 km，14：00逆溫層為0.5～0.8 km，20：00逆溫層0.2～1.0 km；而對于2.5～2.7 km的逆溫層，由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運動，該逆溫層結構一直穩(wěn)定存在。 從圖3可以看出，0～2 km高度存在很明顯的氣溶膠層，且該層氣溶膠的大氣相對濕度為40%～60%，相對濕度較低。在1.0和2.2 km后向散射系數(shù)出現(xiàn)2次明顯的衰減，即2處逆溫的存在，抑制了大氣的垂直運動，導致在0～1.0、1.0～2.5 km氣溶膠出現(xiàn)2次分層現(xiàn)象。

2.3 氣溶膠層的沉降 利用線性擬合求氣溶膠后向散射系數(shù)最大衰減高度的方法獲取4月27日各整點時刻氣溶膠層層頂高度，結果發(fā)現(xiàn)(圖4)，在氣溶膠層頂附近氣溶膠后向散射系數(shù)在垂直方向上有一個很大的衰減。從表1可以看出，大氣氣溶膠層頂高度10 h均勻下沉約1 km。結合當天地面觀測資料，能見度在08：00、14：00、20：00分別為18、12、10 km，可以推斷該大氣氣溶膠層的沉降對能見度的降低產生了一定的影響。氣溶膠層頂高度的下降與能見度之間直接的正相關關系對污染物的預報具有較好的指示意義。后向散射系數(shù)廓線(圖5)顯示，沉降的氣溶膠層在邊界層至3 km，而天津地區(qū)污染物受逆溫層I的抑制基本不能擴散至此高度，證明污染物的外源性輸送是天津地區(qū)此次空氣污染過程形成的重要原因。

圖3 2013年4月27日15：00(a)和20：00(b)大氣氣溶膠后向散射系數(shù)和相對濕度垂直分布Fig.3 The varitical distribution of atmospheric aerosols backscattering coefficient and relative humidity at 15：00(a) and 20：00(b) on Apr.27，2013

圖4 線性擬合求斜率獲取的氣溶膠層頂高度Fig.4 The altitude of aerosol layer seeking by linearly fitting the slope

表1 2013年4月27日氣溶膠層頂變化與能見度和逆溫間的關系

Table 1 The relationship between aerosol roof topography，visibility and temperature inversion on Apr.27，2013 km

3 結論

(1)大氣氣溶膠的沉降過程與能見度的變化具有一定的相關性，在一次連續(xù)的觀測過程中監(jiān)測到大氣氣溶膠隨時間有一個明顯的沉降過程。

圖5 2013年4月27日大氣氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布及氣溶膠層頂高度隨時間的變化Fig.5 Vertical distribution of atmospheric aerosol backscattering coefficient and variation of aerosol roof height with time on Apr.27，2013

(2)氣溶膠層層頂下降1 km，根據(jù)地面觀測資料顯示當日能見度在相同時段里出現(xiàn)較明顯的降低，能見度由18 km逐步降至10 km。說明氣溶膠的沉降對能見度產生了一定的影響。

(3)對于逆溫層II，由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運動，逆溫層II異常穩(wěn)定，在較長的時間內未發(fā)生明顯的變化。

(4)沉降的氣溶膠層結存在于1.5～3.0 km，該高度范圍高于逆溫層I所在的高度，天津地區(qū)污染物受逆溫層I的抑制很難突破至邊界層之上，由此大致可以推斷天津地區(qū)此次空氣污染過程中污染物主要為外源性輸送。參考文獻

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Analysis of Aerosol Deposition Process under a Stable Weather System

ZHANG Jia-lin1, LIU Dong2

(1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225; 2. Anhui Institute of Optical Precision Instrument, CAS, Hefei, Anhui 230031)

Aiming at the air pollution process at the end of spring and the beginning of summer in Tianjin, the vertical distribution of atmospheric aerosols in Tianjin was studied by using Mie scattering lidar detection data developed by Anhui Institute of Optical Precision Instrument combined with microwave radiometer, ground meteorological observation data, the meteorological conditions and the characteristics of the atmospheric boundary layer inversion were analyzed. The results showed that the deposition process of atmospheric aerosol has a certain correlation with the change of visibility. In the process of a continuous observation, there is an obvious settlement process of atmospheric aerosol over time. The top layer of atmospheric aerosol decreased by 1 km, there is significant reduction of visibility at the same time. Due to the vertical movement of atmosphere was suppressed by inversion layer I and stable of inversion layer II, there was no obvious change in a long time. The main pollutants were exogenous transport in the air pollution process.

Laser radar; Aerosol; Sedimentation; Visibility; Temperature inversion

環(huán)保行業(yè)專項(201409001)；國家科技支撐項目(2014BAC23 B01)；天津市重大科技專項(14ZCDGSF00027)。

張嘉霖(1995-)，男，天津人，本科生，專業(yè)：大氣科學。

2016-11-30

S 16；P 458

A

0517-6611(2016)35-0184-04