京津冀一次空氣重污染過(guò)程激光雷達(dá)走航觀測(cè)分析

王 威，楊 楠，師耀龍，張 震，程麟鈞，柴文軒，楚寶臨，付 強(qiáng)，李健軍

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

京津冀一次空氣重污染過(guò)程激光雷達(dá)走航觀測(cè)分析

王 威，楊 楠，師耀龍，張 震，程麟鈞，柴文軒，楚寶臨，付 強(qiáng)，李健軍

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

針對(duì)2016年國(guó)慶期間一次污染消散過(guò)程，開(kāi)展了激光雷達(dá)定點(diǎn)與走航觀測(cè)，并綜合運(yùn)用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站國(guó)家預(yù)報(bào)平臺(tái)數(shù)值模型預(yù)報(bào)結(jié)果和國(guó)控站點(diǎn)PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)污染團(tuán)的移動(dòng)和分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，雷達(dá)定點(diǎn)觀測(cè)的消光系數(shù)突變，主要由北京西部累積污染團(tuán)在夜間弱西北氣流作用下的回流所引起。受此西北氣流影響移出北京的污染氣團(tuán)在天津至滄州一帶滯留。北京至保定沿線顆粒物污染消散現(xiàn)象，被雷達(dá)走航觀測(cè)所捕捉。

京津冀；激光雷達(dá)；消光系數(shù)；PM2.5

激光雷達(dá)在20世紀(jì)60年代問(wèn)世后，作為地面站點(diǎn)常規(guī)觀測(cè)的重要補(bǔ)充手段，可以研究垂直方向上污染物的分布特點(diǎn)。隨著相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入及技術(shù)應(yīng)用的推廣，激光雷達(dá)憑借其在垂直方向觀測(cè)上的優(yōu)勢(shì)及高分辨率、高精確度及數(shù)據(jù)快速獲取等特點(diǎn)，在大氣氣象要素、氣溶膠分布及溫室氣體觀測(cè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。

2002年，劉東等[1]使用激光雷達(dá)對(duì)合肥上空卷云和沙塵氣溶膠進(jìn)行了觀測(cè)及分析。北京上空的氣溶膠特性，也被邱金桓等[2-3]分別在2003年和2005年進(jìn)行了觀測(cè)。之后，越來(lái)越多的激光雷達(dá)觀測(cè)在我國(guó)不同地區(qū)展開(kāi)[4-9]，對(duì)當(dāng)?shù)卮髿鈿馊苣z光學(xué)及物理特性進(jìn)行了較為深入的研究，取得了豐富的成果[10]。

隨著研究的進(jìn)一步深入，為使激光雷達(dá)以點(diǎn)位為單位的觀測(cè)在空間上進(jìn)行延展，車(chē)載激光雷達(dá)觀測(cè)手段開(kāi)始被應(yīng)用到觀測(cè)實(shí)踐中。2016年國(guó)慶節(jié)前期，京津冀區(qū)域發(fā)生空氣重污染事件。為掌握北京市及周邊區(qū)域顆粒物時(shí)空變化情況，分析區(qū)域大氣污染的變化趨勢(shì)，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“總站”)啟動(dòng)了針對(duì)大氣細(xì)顆粒物的激光雷達(dá)地基定點(diǎn)及應(yīng)急走航監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合總站現(xiàn)有國(guó)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)及國(guó)家空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)果，綜合分析了10月2日及3日北京市區(qū)及近周邊污染物的輸送及分布特點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

為對(duì)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行輔助分析，本研究綜合使用了北京市國(guó)控點(diǎn)位PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果及國(guó)家空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)數(shù)值模型的預(yù)報(bào)產(chǎn)品[11]。其中，國(guó)控點(diǎn)位選擇了位于北京西部的定陵、昌平鎮(zhèn)及古城和位于北京城區(qū)中東部的奧體中心、東四及天壇。預(yù)報(bào)產(chǎn)品選擇了總站現(xiàn)有多模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)中NAQPMS模型輸出的京津冀地區(qū)PM2.5小時(shí)濃度空間分布及近地面風(fēng)場(chǎng)的結(jié)果，用以反映污染團(tuán)的位置及在這一觀測(cè)過(guò)程中的移動(dòng)方式。

1.2 雷達(dá)定點(diǎn)及走航觀測(cè)

應(yīng)急監(jiān)測(cè)采用了走航監(jiān)測(cè)與定點(diǎn)監(jiān)測(cè)2種方式。

定點(diǎn)監(jiān)測(cè)：選取總站作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，于10月3日00:00至08:00開(kāi)展了雷達(dá)監(jiān)測(cè)。

走航監(jiān)測(cè)：分為A、B 2條線。A線監(jiān)測(cè)車(chē)于3日08:50由總站出發(fā)，沿京昆高速到達(dá)保定，繞城一圈后沿京港澳高速于15:00返回總站，完成北京至保定的走航監(jiān)測(cè)。B線監(jiān)測(cè)車(chē)于3日09:00從山東進(jìn)入河北界，沿途開(kāi)展廊坊至北京走航監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 雷達(dá)定點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果分析

由圖1可見(jiàn)：3日凌晨00:00至03:00，受中低云層影響，雷達(dá)反射回波顯示消光系數(shù)高值區(qū)位于高度500 m左右。04:00后，垂直消光系數(shù)發(fā)生突變，近地面整層出現(xiàn)高消光系數(shù)區(qū)域。其成因?yàn)槲廴緢F(tuán)在夜間風(fēng)場(chǎng)作用下的遷移和輸送，具體輸送過(guò)程分為北京地區(qū)污染累積、向西累積及污染回流3個(gè)階段。

圖1 總站激光雷達(dá)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)10月3日消光系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.1 Trend of extinction coefficient observed by lidar on 3rd October located in China National Environmental Monitoring Centre (CNEMC)

2.1.1 北京地區(qū)污染累積階段

圖2為總站國(guó)家空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)時(shí)段PM2.5濃度及流場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，截至2日下午16:00，由于華北地區(qū)受持續(xù)多日偏南氣流影響，京津冀中南部出現(xiàn)連續(xù)重污染，加之太行山脈與燕山山脈阻擋，北京城區(qū)PM2.5濃度逐漸累積，污染范圍覆蓋整個(gè)北京市城區(qū)。北京市西部城區(qū)和中東部城區(qū)國(guó)控點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3，其中階段①北京市各國(guó)控點(diǎn)位PM2.5均呈現(xiàn)出較高的濃度水平。

2.1.2 向西累積階段

依據(jù)總站預(yù)報(bào)中心數(shù)值模擬結(jié)果，自2日下午16:00起，至3日凌晨03:00左右，在持續(xù)偏東風(fēng)的影響下，北京城區(qū)的污染物不斷向西側(cè)堆積，如圖4(a)所示。而中東部城區(qū)受東部相對(duì)清潔氣流影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位濃度迅速下降，形成了北京市區(qū)西側(cè)國(guó)控點(diǎn)位的高值和中東部國(guó)控點(diǎn)位的低值區(qū)。

注：底圖源自國(guó)家測(cè)繪地理信息局公共平臺(tái)官方發(fā)布地圖數(shù)據(jù)1∶400萬(wàn)全球矢量底圖 http://www.tianditu.com/service/info.html?sid=1005&type=info 及中國(guó)行政區(qū)劃http://www.tianditu.com/service/info.html?sid=1339&type=info。下同。圖2 數(shù)值模型預(yù)報(bào)2日16:00京津冀地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度分布示意圖Fig.2 Distribution of PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei area at 16:00 2ndOctober predicted by numerical model

圖3 北京市西部城區(qū)(a,c,e)和中東部城區(qū)(b,d,f)國(guó)控點(diǎn)位PM2.5小時(shí)濃度時(shí)間序列Fig.3 Time series plots of PM2.5 in the sites located in western Beijing (a, c, e) and central and eastern Beijing (b, d, f)

圖4 數(shù)值模型預(yù)報(bào)10月3日00:00 PM2.5質(zhì)量濃度分布圖及北京市國(guó)控站點(diǎn)分布圖Fig.4 Distribution of PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei area at 00:00 3rd October predicted by numerical model(a), and the locations of national observation sites(b)

2.1.3 污染回流階段

如圖5所示，依據(jù)總站預(yù)報(bào)中心數(shù)值模擬結(jié)果，之前東南方向氣流在3日凌晨05:00左右轉(zhuǎn)為西北方向，累積在北京城區(qū)西部的污染物，在氣流影響下開(kāi)始向東南方向移動(dòng)，形成污染回流，國(guó)控點(diǎn)位PM2.5小時(shí)濃度受此影響進(jìn)入圖3中階段③。如圖3所示，在裹挾著高濃度PM2.5的緩慢西北氣流的影響下，北京城區(qū)東部由北向南3個(gè)代表點(diǎn)位(奧體中心、東四和天壇)的PM2.5濃度分別在凌晨04：00、05：00、06：00逐漸出現(xiàn)了峰值。同時(shí)，由于污染氣團(tuán)逐步移出西部城區(qū)，西部定陵、昌平及古城PM2.5濃度逐漸回落。

圖5 數(shù)值模型預(yù)報(bào)3日05:00PM2.5濃度分布圖Fig.5 Distribution of PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei area at 05:00 3rd October predicted by numerical model

2.2 雷達(dá)走航觀測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 雷達(dá)走航路線A

雷達(dá)走航路線A往返線路及具體監(jiān)測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)圖6和圖7。結(jié)合總站預(yù)報(bào)中心數(shù)值模擬結(jié)果可知，3日凌晨北京及周邊地區(qū)風(fēng)向由東南轉(zhuǎn)為西北。在此氣流的持續(xù)作用下，圖7(a)所示10:00的帶狀污染團(tuán)，在近地面風(fēng)場(chǎng)和邊界層升高的共同作用下于13:00左右逐漸消散，這一過(guò)程被沿線雷達(dá)走航觀測(cè)準(zhǔn)確捕捉，體現(xiàn)在去程和返程過(guò)程中雷達(dá)所測(cè)消光系數(shù)的顯著差異。

圖6 雷達(dá)走航路線A往返線路圖Fig.6 Route A of mobile lidar

圖7 數(shù)值模型預(yù)報(bào)10月3日PM2.5小時(shí)濃度分布圖及雷達(dá)走航路線A觀測(cè)垂直消光系數(shù)分布圖Fig.7 PM2.5 concentration predicted by numerical model and extinction coefficients observed along route A

2.2.2 雷達(dá)走航路線B

圖8展示了走航B線觀測(cè)路線及具體監(jiān)測(cè)結(jié)果，北京城區(qū)污染團(tuán)在3日凌晨偏西北氣流影響下，逐漸移出北京市區(qū)并沿廊坊、天津、滄州一帶緩慢輸送。從圖8可見(jiàn)，污染團(tuán)在3日中午12:00左右移動(dòng)至天津及滄州一帶時(shí)，被路過(guò)雷達(dá)觀測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確捕捉。這一過(guò)程解釋了該路段沿線高消光系數(shù)的成因，并從側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模型在預(yù)報(bào)區(qū)域污染氣團(tuán)移動(dòng)上的準(zhǔn)確表現(xiàn)。

圖8 日B線雷達(dá)走航觀測(cè)路線、數(shù)值模型預(yù)報(bào)10月3日12:00 PM2.5濃度分布圖及雷達(dá)走航線路B觀測(cè)垂直消光系數(shù)分布圖Fig.8 Route B of mobile lidar (a), PM2.5 concentration predicted by numerical model at 12:00 3rd October(b), and extinction coefficients observed along route B (c)

3 結(jié)論

10月3日凌晨，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站激光雷達(dá)消光系數(shù)在垂直方向上的躍變，主要由北京西部累積污染團(tuán)在夜間弱西北氣流作用下的回流所產(chǎn)生。國(guó)控點(diǎn)位地面觀測(cè)數(shù)據(jù)及定點(diǎn)激光雷達(dá)觀測(cè)均捕捉到了這一現(xiàn)象，數(shù)值預(yù)報(bào)模型也準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了此次局地小尺度環(huán)流過(guò)程及污染氣團(tuán)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

在此持續(xù)性西北氣流的影響下，移出北京的污染氣團(tuán)在天津至滄州一帶滯留的現(xiàn)象及京津冀中部污染帶逐漸消散的過(guò)程，也分別被雷達(dá)走航觀測(cè)路線B、A所捕捉。體現(xiàn)了車(chē)載激光雷達(dá)在觀測(cè)污染團(tuán)移動(dòng)中的重要作用，并從側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模型在預(yù)報(bào)區(qū)域污染氣團(tuán)移動(dòng)方面的準(zhǔn)確表現(xiàn)。

2016年9月底至10月初的這次京津冀區(qū)域污染過(guò)程，具有積累速度快和峰值濃度高等特點(diǎn)。本次車(chē)載雷達(dá)觀測(cè)行動(dòng)在污染過(guò)程中后期展開(kāi)，準(zhǔn)確抓住了北京市區(qū)污染向外傳輸和逐漸消散過(guò)程，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)、國(guó)控點(diǎn)位監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果等多類(lèi)數(shù)據(jù)的綜合利用，對(duì)污染氣團(tuán)在地形及氣流綜合影響下的累積及輸送研究具有一定的借鑒作用。

今后將利用國(guó)家空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)平臺(tái)的7 d預(yù)報(bào)結(jié)果，提前制定完備方案，進(jìn)一步發(fā)揮車(chē)載激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)的立體性和機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，捕捉污染產(chǎn)生的初期階段、累積階段及傳輸階段的關(guān)鍵信息，整合京津冀地區(qū)多方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源，為華北地區(qū)冬季重污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)和聯(lián)防聯(lián)控提供更有力的技術(shù)支持。

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Application of Mobile Lidar in Analyzing Regional Pollutants Transportation During a Haze Episode over Beijing-Tianjin-Hebei Area

WANG Wei, YANG Nan, SHI Yaolong, ZHANG Zhen, CHENG Linjun, CHAI Wenxuan, CHU Baolin, FU Qiang, LI Jianjun

State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

Mobile lidar was used to investigate the distribution of PM2.5and its regional transportation during a particulate matter pollution casehappened on 2ndand 3rdOctober 2016. Data from numerical model and ground-based observations were also used. Results show that the variety in the extinction coefficient was caused by the backflow of accumulated polluted masses, which was driven by northwest wind during the night in the western Beijing. The transportation and dispersion process were then captured by mobile lidar. By doing the comprehensive analysis using the data from the lidar, numerical model and ground-based observations, the accumulation and transportation of polluted mass under specific terrain and different atmospheric circulation was investigated in depth.

Beijing-Tianjin-Hebei area; lidar; extinction coefficient; PM2.5

2016-10-24;

2016-11-05

2014年國(guó)家科技支撐計(jì)劃“基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)警及決策支撐技術(shù)及應(yīng)用”(201409009)

王 威(1985-)，男，吉林通化人，博士，工程師。

楚寶臨

X84

A

1002-6002(2017)01- 0007- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.02