2017年2-3月廈門氣溶膠激光雷達數據分析*

林阿玲 巫錫洪 蔣永成 陳 賽 黃 亮

2017年2-3月廈門氣溶膠激光雷達數據分析*

林阿玲1,2巫錫洪1,2蔣永成1,2陳 賽1,2黃 亮1,2

1. 海峽氣象開放實驗室 2.廈門市氣象臺

利用2017年2月16日－3月15日廈門氣溶膠激光雷達反演得出的顆粒物邊界層（PBL）高度、消光系數、退偏振比等雷達產品，結合地面監(jiān)測的風速和相對濕度、環(huán)境空氣質量數據綜合分析。結果表明，激光雷達在反演顆粒物邊界層高度PBL時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要作用；激光雷達反演的AOD值的變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化；激光雷達能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過程。

激光雷達 氣溶膠 顆粒物邊界層 AOD AQI

1 概述

激光雷達是一種主動式現代光學遙感設備，它是傳統雷達技術與現代激光技術相結合的產物。與普通微波雷達相比，激光雷達由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，波長一般在微米量級，主要用于探測極細小的微粒和分子。它具有諸多優(yōu)點，如分辨率高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率；低空探測性能好，抗有源干擾能力強；單色性好，方向性強；體積小，質量輕等。激光雷達可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結構和時空演變。由激光雷達的探測數據可獲得大氣邊界層（PBL)的結構和時空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）消光系數垂直廓線和時間演變特征、云層高度及多層云結構、大氣能見度和PM2.5、PM10濃度等信息[1]。目前激光雷達已經成為對大氣、海洋和陸地進行高精度遙感探測的有效手段，廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、航天、通信、導航和定位等高新技術領域，在大氣環(huán)境監(jiān)測、氣象要素測量等方面顯示了其獨特的優(yōu)勢和突出的發(fā)展前景[1-4]。

激光雷達探測大氣環(huán)境的工作原理是：激光器發(fā)射的激光通過與大氣中的氣溶膠及各種大氣成分的作用而產生后向散射信號。對探測器接收的攜帶著被測物質有關的信息(吸收、散射等)進行分析處理便可得到所需的大氣物理要素[4]。激光雷達可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結構和時空演變。由激光雷達的探測數據可獲得大氣邊界層（PBL)的結構和時空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）消光系數垂直廓線和時間演變特征、云層高度及多層云結構、大氣能見度和PM2.5、PM10濃度等信息[3]。

Piirrone等[5-6]利用激光雷達反演了對流邊界層厚度和云層信息，并通過與探空曲線、衛(wèi)星云圖等數據的對比驗證了激光雷達探測的有效性；Cohn等[7]與林常青等[8]分別通過在伊利諾斯州和北京的一次激光雷達探測數據，證實了激光雷達探測邊界層高度的可行性，通過將激光雷達觀測與地面觀測進行比較，驗證了激光雷達的反演結果和算法的可靠性；李禮等[9]利用激光雷達反演數據得出了大氣重污染期間PBL平均高度為320~350m，大氣顆粒物污染帶處于100~400m，異常的大氣環(huán)形勢和重慶主城區(qū)獨特的地形、氣候特征是造成持續(xù)重污染天氣的原因；李紅等[10]基于小波變換法開展了激光雷達資料的邊界層高度反演方法研究，發(fā)現無論是理想廓線還是疊加擾動的廓線中，較大的小波振幅易得到比較穩(wěn)定準確的白天邊界層與夜間混合層高度；胡向軍等[11-12]就激光雷達資料的氣溶膠輻射效應進行了分析，發(fā)現激光雷達能夠很好地反映出晴朗天氣、浮沉天氣及揚沙天氣背景下大氣氣溶膠廓線的變化特征，驗證了其探測資料在邊界層模式中的應用價值。

已有的相關研究表明了激光雷達探測的可行性、有效性及其應用價值，揭示了其對監(jiān)控污染物擴散和輸送的重要作用。目前，隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，大氣污染物已經成為政府部門關注、廣大民眾關心的問題之一[13-17]，利用激光雷達反演數據對污染物沉降過程監(jiān)測分析，以及大氣污染物清除的短時臨近預報具有重要的現實意義[17-19]。

激光雷達是大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新一代高技術手段，利用氣溶膠激光雷達進行垂直掃描，可以開展城市高空污染演變、污染物跨界輸送、氣溶膠時空分布特征等研究。我們在2017年2月16日～3月15日期間，綜合利用激光雷達監(jiān)測反演的PBL和AOD、國家基本氣象站觀測多要素數據，以及空氣質量指數（AQI）等觀測數據進行綜合分析，初步探討了激光雷達在顆粒物污染過程中應用。

2 氣象空氣質量和氣象要素變化情況

微脈沖激偏振光雷達（Micro Pulse Lidar，簡稱MPL）設置在廈門市氣象局（24°29′N，118°04′E），工作波長532nm。氣象多要素站位于廈門市（24°29′N，118°04′E），是國家基本站。觀測時間為2017年2月16～3月15日，對應時段的環(huán)境空氣質量數據采用網站公開數據。

2.1 空氣質量指數變化情況

圖1給出了2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI變化時間序列圖。從圖中可以看出出現兩次明顯的污染過程，分別為2月16～20日以及2月27日～3月9日，AQI均大于50，為良；其中3月1日AQI達到127，為輕度污染。其中2月18日和3月1日顆粒物出現明顯的峰值，2月18日AQI指數為99，PM2.5和P10濃度分別為71μg/m3，99μg/m3，AQI為96；3月1日PM2.5和PM10濃度分別為95μg/m3，132μg/m3，AQI則達到127。

圖1 2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI時間序列圖

2.2 氣象要素變化情況

圖2給出了廈門市國家基本氣象站（59134）在研究期間的日雨量、日平均能見度、日平均相對濕度變化的時間序列圖。從圖2可見，研究期間出現了兩次較為明顯的降水天氣過程，分別為2月19～27日以及3月7～11日，其中2月22日達到暴雨量級，日累計雨量為71.8mm，另外，2月25日和3月10日達到中雨量級，日降水分別是11.8mm和15.1mm。在兩次降水過程期間，相對濕度基本都超過80%，在降水間歇期，即2月28日～3月6日，近地面濕度較小，日均相對濕度為40%～70%左右。受降水沖刷作用的影響，降水過程期間，日均能見度較高（大于20km），對應顆粒物濃度較低（圖1）；而在降水間歇期低濕條件下，能見度顯著下降（小于15km），且對應較高的顆粒物濃度（圖1），2月28日～3月6日期間，僅有3月6日空氣質量為優(yōu)（AQI小于50），其余日AQI均大于50，空氣質量受近地面氣象要素影響顯著。

圖2 2017年2月16日～3月15日，廈門市日雨量、平均相對濕度和能見度序列圖

3 激光雷達監(jiān)測數據分析

3.1 激光雷達產品分析

顆粒物邊界層（PBL）高度是大氣層與地面摩擦作用最強烈的區(qū)域，其高度隨氣象條件、地形、地面粗糙度而變化，一般在300~1000m[9]，是反映污染物空間擴散條件的重要指標之一，能反映大氣垂直擴散條件的優(yōu)劣[20]。

圖3給出了邊界層高度PBL在觀測期間的變化序列，其中橙色為 PM2.5濃度，黑色為PM10濃度。綜合圖2和圖3可知，在兩次降水天氣過程期間（2月19～27日和3月7～11日），除3月7～9日弱降水過程外，PBL高度總體較低，保持在 400～600m左右，顯然，持續(xù)的降雨過程導致 PBL層高度明顯降低，其中PBL高度最低為2月23日，對應暴雨日，26～27日降水減弱，PBL高度明顯抬升；降水期間，PM10和 PM2.5均低于40μg/m3。大氣濕清除過程使得顆粒物濃度總體下降，顆粒物被降水拖拽后基本落地，且連續(xù)的降水過程使得近地面顆粒物被不斷沖刷清除，2月19～27日，顆粒物濃度在低濃度情況下仍呈下降趨勢。在降水間歇期中（2月28日～3月6日），顆粒物在近地面累積，濃度顯著上升，2月26～27日弱降水期間PBL高度較高，而后2月28日～3月1日無明顯降水時，PBL高度降低，對應著PM2.5和PM10濃度顯著上升的情形，說明在無降水天氣下，相對穩(wěn)定的大氣條件使得PBL高度下降，引起近地面顆粒物的累積。激光雷達在反演邊界層高度時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析發(fā)揮重要的作用。

3月14日，PBL高度為582m，低于13日的662m和15日的981m。

圖3 2017年2月16日～3月15日廈門市顆粒物邊界層高度、顆粒物濃度、AQI變化趨勢

氣溶膠光學厚度（AOD）是描述氣溶膠對光衰減作用的一個無量綱數，可以理解為氣溶膠的空間平均密度[6]。圖5是觀測期間氣溶膠光學厚度的變化趨勢。通過分析可知，在兩次連續(xù)性降水期間，受降水粒子以及深厚云層的影響，氣溶膠激光雷達反演的AOD值較高，值得注意的是，在第一次降水過程后期，26日起降水不明顯，AOD開始下降，雨后空氣較為清潔，27日AOD達到最低，為0.6左右，隨著2月28日～3月1日顆粒物的累積，且無明顯降水云系，AOD顯著抬升，超過1.5。此外，在非降水日的2月17～18日，也出現了顆粒物累積和AOD值升高的空氣污染過程，AQI值達到研究期間的次高峰（為99）。因此，激光雷達反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化。

圖4 2017年2月16日～3月15日廈門市氣溶膠光學厚度變化趨勢

3.2 污染過程分析

從AQI的變化趨勢上看，觀測階段內2月18日、3月1日前后有輕度污染過程，下文結合AQI數據、PBL高度、消光系數、退偏振比、風速和相對濕度，對2017年2月16～18日、2月27日～3月5日的氣溶膠時空變化過程進行分析。消光系數顏色的深淺表示氣溶膠濃度的大小（濃度越高，顏色越深），退偏振比顏色深淺表示非球形粒子占比的輕重（占比越重，顏色越深）。

3.2.1 2017年2月16～18日

如圖5所示，通過分析可見：2月16日～17日上午（9～11時左右）近地面消光系數和退偏振比顏色加深，表明近地面有顆粒物逐漸積累。消光系數圖表明，自800m上空有氣溶膠粒子的沉降過程，這也是近地面顆粒物濃度上升的一個重要因素。16～17日，除9～11時前后AQI值較高外，整體空氣質量較為良好，消光系數呈淺色，且PBL高度較高，午后大氣湍流垂直混合條件較好，氣溶膠粒子濃度下降迅速。2月18日邊界層高度下降顯著，夜晨PBL高度基本維持在500m以下，表明18日形勢總體較為靜穩(wěn)，水平和垂直擴散能力較差，因此與16～17日出現短時峰值不同，17日夜間至18日，顆粒物濃度一直維持在較高的濃度水平，相對濕度也維持在90%左右，有利于顆粒物的吸濕增長過程，PM2.5濃度在17日夜間至18日白天一直維持在75μg/m3以上，為典型的霾天氣過程，午后風力加大后污染物逐漸消散。

相對濕度和退偏振比存在一定的對應關系，可以發(fā)現當相對濕度較小時，退偏振比顏色加深，數值增大，推測相對濕度較小時，缺少水汽在粒子表面冷凝形成水膜，因此氣溶膠團整體呈現出非球形粒子的特征。

圖5 2017年2月16～18日污染過程多參數綜合分析圖

3.2.2 2017年2月27日～3月5日

如圖6所示，2月27日～3月1日顆粒物濃度和AQI逐漸上升，此時PBL高度逐漸下降，高空氣溶膠粒子沉降，近地面顆粒物逐漸積累，非球形粒子比重較大，其中1日06時和1日22時，消光系數均有明顯加深，顆粒物濃度達峰值。3月2日0時～3日0時，退偏振比圖表明廈門地區(qū)上空2～3km高度出現浮塵，消光系數圖表明，在0.8～2km高度，氣溶膠團有先沉降后抬升的運動過程，且有部分浮塵沉降至近地面。3月3日0時～4日6時，近地面消光系數、退偏振比顏色較淺，此時空氣質量良好。3月4日6時～5日0時，陰雨天氣導致PBL高度降低，大氣擴散條件變差，暖區(qū)，基本弱降水，顆粒物吸濕性增長，局地氣溶膠粒子逐漸積累，顆粒物濃度上升。3月4～5日天氣記錄出現小雨，濕度上升，消光系數圖上用降雨符號標注，可以清晰地看到降雨過程。

圖6 2017年2月27日～3月5日污染過程多參數綜合分析圖

4 結論

在研究期間（2017年2月16日～3月15日）內，廈門地區(qū)經歷兩次污染過程，分別為2月16～18日、2月27日～3月5日。結合雷達參數、環(huán)境空氣質量數據和氣象數據綜合分析，可知：

（1）激光雷達在反演邊界層高度時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要的作用。

（2）激光雷達反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化。

（3）激光雷達能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過程。

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