京津冀一次空氣重污染過程激光雷達(dá)走航觀測分析

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

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(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程激光雷達(dá)走航觀測分析

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

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

針對2016年國慶期間一次污染消散過程，開展了激光雷達(dá)定點(diǎn)與走航觀測，并綜合運(yùn)用中國環(huán)境監(jiān)測總站國家預(yù)報平臺數(shù)值模型預(yù)報結(jié)果和國控站點(diǎn)PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，對污染團(tuán)的移動和分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，雷達(dá)定點(diǎn)觀測的消光系數(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年代問世后，作為地面站點(diǎn)常規(guī)觀測的重要補(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上的優(yōu)勢及高分辨率、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)對合肥上空卷云和沙塵氣溶膠進(jìn)行了觀測及分析。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。之后，越來越多的激光雷達(dá)觀測在我國不同地區(qū)展開[4-9]，對當(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)位為單位的觀測在空間上進(jìn)行延展，車載激光雷達(dá)觀測手段開始被應(yīng)用到觀測實(shí)踐中。2016年國慶節(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)域顆粒物時空變化情況，分析區(qū)域大氣污染的變化趨勢，中國環(huán)境監(jiān)測總站(以下簡稱“總站”)啟動了針對大氣細(xì)顆粒物的激光雷達(dá)地基定點(diǎn)及應(yīng)急走航監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合總站現(xiàn)有國控點(diǎn)位數(shù)據(jù)及國家空氣質(zhì)量預(yù)報系統(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)

為對雷達(dá)觀測結(jié)果進(jìn)行輔助分析，本研究綜合使用了北京市國控點(diǎn)位PM2.5監(jiān)測結(jié)果及國家空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警平臺數(shù)值模型的預(yù)報產(chǎn)品[11]。其中，國控點(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)報產(chǎn)品選擇了總站現(xiàn)有多模式預(yù)報系統(tǒng)中NAQPMS模型輸出的京津冀地區(qū)PM2.5小時濃度空間分布及近地面風(fēng)場的結(jié)果，用以反映污染團(tuán)的位置及在這一觀測過程中的移動方式。

1.2 雷達(dá)定點(diǎn)及走航觀測

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

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

走航監(jiān)測：分為A、B 2條線。A線監(jiān)測車于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。B線監(jiān)測車于3日09:00從山東進(jìn)入河北界，沿途開展廊坊至北京走航監(jiān)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 雷達(dá)定點(diǎn)觀測結(jié)果分析

由圖1可見：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)場作用下的遷移和輸送，具體輸送過程分為北京地區(qū)污染累積、向西累積及污染回流3個階段。

圖1 總站激光雷達(dá)定點(diǎn)監(jiān)測10月3日消光系數(shù)變化趨勢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為總站國家空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)對相應(yīng)時段PM2.5濃度及流場預(yù)報結(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，污染范圍覆蓋整個北京市城區(qū)。北京市西部城區(qū)和中東部城區(qū)國控點(diǎn)位監(jiān)測結(jié)果見圖3，其中階段①北京市各國控點(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)受東部相對清潔氣流影響，監(jiān)測點(diǎn)位濃度迅速下降，形成了北京市區(qū)西側(cè)國控點(diǎn)位的高值和中東部國控點(diǎn)位的低值區(qū)。

注：底圖源自國家測繪地理信息局公共平臺官方發(fā)布地圖數(shù)據(jù)1∶400萬全球矢量底圖 http://www.tianditu.com/service/info.html?sid=1005&type=info 及中國行政區(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)國控點(diǎn)位PM2.5小時濃度時間序列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10月3日00:00 PM2.5質(zhì)量濃度分布圖及北京市國控站點(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，在氣流影響下開始向東南方向移動，形成污染回流，國控點(diǎn)位PM2.5小時濃度受此影響進(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，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)測結(jié)果分別見圖6和圖7。結(jié)合總站預(yù)報中心數(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)場和邊界層升高的共同作用下于13:00左右逐漸消散，這一過程被沿線雷達(dá)走航觀測準(zhǔn)確捕捉，體現(xiàn)在去程和返程過程中雷達(dá)所測消光系數(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10月3日PM2.5小時濃度分布圖及雷達(dá)走航路線A觀測垂直消光系數(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線觀測路線及具體監(jiān)測結(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，污染團(tuán)在3日中午12:00左右移動至天津及滄州一帶時，被路過雷達(dá)觀測設(shè)備準(zhǔn)確捕捉。這一過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)報區(qū)域污染氣團(tuán)移動上的準(zhǔn)確表現(xiàn)。

圖8 日B線雷達(dá)走航觀測路線、數(shù)值模型預(yù)報10月3日12:00 PM2.5濃度分布圖及雷達(dá)走航線路B觀測垂直消光系數(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，中國環(huán)境監(jiān)測總站激光雷達(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。國控點(diǎn)位地面觀測數(shù)據(jù)及定點(diǎn)激光雷達(dá)觀測均捕捉到了這一現(xiàn)象，數(shù)值預(yù)報模型也準(zhǔn)確預(yù)報出了此次局地小尺度環(huán)流過程及污染氣團(tuán)的實(shí)時動態(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程，也分別被雷達(dá)走航觀測路線B、A所捕捉。體現(xiàn)了車載激光雷達(dá)在觀測污染團(tuán)移動中的重要作用，并從側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模型在預(yù)報區(qū)域污染氣團(tuán)移動方面的準(zhǔn)確表現(xiàn)。

2016年9月底至10月初的這次京津冀區(qū)域污染過程，具有積累速度快和峰值濃度高等特點(diǎn)。本次車載雷達(dá)觀測行動在污染過程中后期展開，準(zhǔn)確抓住了北京市區(qū)污染向外傳輸和逐漸消散過程，通過分析發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)、國控點(diǎn)位監(jiān)測和數(shù)值預(yù)報結(jié)果等多類數(shù)據(jù)的綜合利用，對污染氣團(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。

今后將利用國家空氣質(zhì)量預(yù)報平臺的7 d預(yù)報結(jié)果，提前制定完備方案，進(jìn)一步發(fā)揮車載激光雷達(dá)監(jiān)測的立體性和機(jī)動性等特點(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)測數(shù)據(jù)資源，為華北地區(qū)冬季重污染應(yīng)急監(jiān)測和聯(lián)防聯(lián)控提供更有力的技術(shù)支持。

[1] 劉東，戚福第，金傳佳，等. 合肥上空卷云和沙塵氣溶膠退偏振比的激光霄達(dá)探測[J]. 大氣科學(xué)，2003，27(6)：1 093-1 100.

LIU Dong, QI Fudi, JIN Chuanjia, et al. Polarization lidar observations of cirrus clouds and asian dust aerosols over Hefei[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2003, 27(6): 1 093-1 100.

[2] 邱金桓，鄭斯平，黃其榮，等. 北京地區(qū)對流層中上部云和氣溶膠的激光雷達(dá)探測[J].大氣科學(xué)，2003，27(1)：1-7.

QIU Jinhuan, ZHENG Siping, HUANG Qirong, et al. Lidar measurements of cloud and aerosol in the upper troposphere in Beijing[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2003, 27(1): 1-7.

[3] 楊輝，劉文清，劉建國，等. 激光雷達(dá)監(jiān)測北京城區(qū)夏季邊界層氣溶膠[J]. 中國激光， 2006，33(9)：1 255-1 259.

YANG Hui, LIU Wenqing, LIU Jianguo, et al. Urban planetary boundary layer aerosol monitoring by lidar at Beijing[J]. Chinese Journal of Lasers, 2006, 33(9):1 255-1 259.

[4] 夏俊榮. 利用激光雷達(dá)探測蘭州大氣氣溶膠輻射特性[M]. 蘭州：蘭州大學(xué),2006.

[5] 劉君，華燈鑫，李言. 紫外域激光雷達(dá)探測西安城區(qū)上空大氣氣溶膠時空剖面[J]. 光子學(xué)報，2007，3(8)：1 534-1 537.

LIU Jun, HUA Dengxin, LI Yan. Ultraviolet lidar for profiling of the urban atmospheric aerosol i n spatial and temporal at Xi’an[J]. Acta Photonica Sinica, 2007, 3(8): 1 534-1 537.

[6] 毛建東，華燈鑫，何廷堯，等．銀川上空大氣氣溶膠光學(xué)特性激光雷達(dá)探測研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010,30(7)：2 006-2 010.

MAO Jiandong, HUA Dengxin, HE Tingyao, et al. Lidar observation of atmospheric aerosol optical properties over Yinchuan area[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010, 30(7): 2 006-2 010.

[7] 余長明，易帆．武漢上空平流層氣溶膠的激光雷達(dá)探測結(jié)果的初步分析[J]. 空間科學(xué)學(xué)報，2004，24(4)：261-268.

YU Changming, YI Fan. Preliminary analysis on lidar observations of stratospheric aerosol over Wuhan[J]. Chinese Journal of Space Science, 2004, 24(4):261-268.

[8] 曹念文，楊豐愷，施建中，等. 南京地區(qū)低空霧霾氣溶膠的拉曼-瑞利-米激光雷達(dá)測量[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2012，33(5)：979-984.

CAO Nianwen, YANG Fengkai, SHI Jianzhong, et al. Low altitude fog-haze measurements by Raman-Rayleigh-Mie lidar in Nanjing[J]. Journal of Applied Optics, 2012, 33(5): 979-984.

[9] 周燕秋，倪長健，劉培川，等. 基于激光雷達(dá)分析一次重霾過程混合層高度[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2016，32(4)：22-28.

ZHOU Yanqiu, NI Changjian, Liu Peichuan, et al. Analysis of mixed layer height by lidar detection over a heavy haze episode[J]. Environmental Monitoring in China, 2016, 32(4): 22-28.

[10] 伍德俠，宮正宇，潘本鋒，等. 顆粒物激光雷達(dá)在大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2015，31(5)：156-162.

WU Dexia, GONG Zhengyu, PAN Benfeng, et al. The applications particulate lidar in the stereo-monitoring for the complex atmospheric pollution[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(5): 156-162.

[11] 劉冰，王曉彥，汪巍，等. 預(yù)報方法導(dǎo)向的系統(tǒng)化空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)作業(yè)平臺設(shè)計[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2016，32(2)：1-10.

LIU Bing, WANG Xiaoyan, WANG Wei, et al. Systematic design for operation platform of air quality forecast based on forecast methods[J]. Environmental Monitoring in China, 2016, 32(2):1-10.

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年國家科技支撐計劃“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