基于激光雷達的廈門大氣氣溶膠監(jiān)測分析

. 福建省大氣探測技術(shù)保障中心 . 廈門市氣象臺 任 雍巫錫洪梁 鶯

基于激光雷達的廈門大氣氣溶膠監(jiān)測分析

1. 福建省大氣探測技術(shù)保障中心 2. 廈門市氣象臺 任 雍1巫錫洪2梁 鶯1

激光氣溶膠雷達以其高時間和垂直空間分辨率的特點在大氣氣溶膠監(jiān)測中發(fā)揮著日益重要的作用。該文利用偏振微脈沖激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，分析了2017年1～2月廈門國家級基準氣候站上空氣溶膠的時空變化情況，并對觀測時間段內(nèi)廈門地區(qū)的典型大氣氣溶膠演變過程進行了評價分析。

激光雷達 大氣氣溶膠 監(jiān)測數(shù)據(jù) AQI 消光系數(shù)

0 引言

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中空氣動力學(xué)直徑為0.001～ 100μm的液體或固體微粒體系[1]。隨著城市化進程的快速推進和經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市上空的大氣氣溶膠顆粒極大影響了環(huán)境質(zhì)量，影響人體健康，日益受到關(guān)注。激光雷達是大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新型遙感探測設(shè)備，利用氣溶膠激光雷達進行連續(xù)掃描，可以監(jiān)測城市高空污染演變、大氣顆粒物跨界輸送、氣溶膠時空分布，開展污染物擴散規(guī)律研究，對大氣環(huán)境監(jiān)測和大氣科學(xué)研究有著重要的意義, 具有其它測量手段不可替代的優(yōu)勢。

目前國內(nèi)學(xué)者在激光雷達方面做了很多工作，如靳磊等利用車載式多普勒激光雷達探測的北京地區(qū)大氣邊界層和低空對流層氣溶膠的光學(xué)參數(shù)和變化特征[2]。潘鵠等利用激光雷達分析了上海的一次灰霾過程[3]。宋躍輝等提出了采用迭代反演算法開展氣溶膠激光雷達比精細反演的新方法[4]。本文描述了氣溶膠激光雷達的概況，介紹偏振微脈沖激光雷達探測廈門地區(qū)上空大氣氣溶膠時空變化的情況，并選取觀測時間段內(nèi)的典型大氣氣溶膠演變過程進行了評價分析。

1 氣溶膠激光雷達系統(tǒng)概述

氣溶膠激光雷達根據(jù)大氣對激光的散射、吸收、消光等物理效應(yīng)，通過定量分析激光大氣回波進行大氣環(huán)境探測[5]。由激光雷達的探測數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時間演變特征、大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線和時間演變特征、云層高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見度等信息。本次觀測分析采用的設(shè)備是部署在廈門國家級氣候觀測站的偏振微脈沖激光雷達EV-Lidar-CAM,其主要技術(shù)指標見表1。

表1 激光雷達技術(shù)指標

EV-Lidar-CAM系統(tǒng)的激光發(fā)射單元主要包括激光器和擴束器，光學(xué)接收單元包括接收望遠鏡、微孔光欄、窄帶濾光片和聚焦透鏡。發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)中加入偏振模塊，使系統(tǒng)可以接收大氣回波信號中的偏振信息，從而區(qū)分大氣中球形粒子與非球形粒子。激光雷達采用全天候連續(xù)觀測模式，測量時回波信號抵達到探測器，并由多道光子計數(shù)器按照時序累加平均接收的信號，同時將它們存儲到數(shù)據(jù)存儲單元。數(shù)據(jù)的分析和整個系統(tǒng)的控制軟件由一臺工控機執(zhí)行。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文從廈門氣溶膠激光雷達連續(xù)觀測三個月的數(shù)據(jù)中選取2017年1月16日～2月15日共計32日的樣本進行分析，該時段多為晴天與薄云天氣，符合激光雷達通常的觀測天氣條件。

2.1 激光雷達觀測數(shù)據(jù)總體分析

圖1為廈門氣溶膠激光雷達觀測數(shù)據(jù)總體統(tǒng)計，柱狀圖表示大氣邊界層高度，點狀折線為PM2.5濃度，點狀虛線為PM10濃度。

圖1 大氣邊界層高度與顆粒物濃度變化趨勢

通過數(shù)據(jù)產(chǎn)品整體綜合分析，可發(fā)現(xiàn)：

觀測時段內(nèi)，PM10和PM2.5濃度在相同的時間段出現(xiàn)了共計5個峰值，分別出現(xiàn)在1月18日、1月22日、1月28日、2月5日、2月11日。

大氣邊界層（PBL層）的高度變化趨勢與顆粒物濃度變化趨勢總體相反，PBL層高與PM10，PBL層高與PM2.5呈負相關(guān)關(guān)系。該相關(guān)關(guān)系符合大氣變化的一般規(guī)律，即PBL層越高，大氣氣溶膠越容易垂直擴散，近地面的顆粒物濃度也越低。

另一方面，也可觀察到存在與一般變化趨勢不同的情況，如2月4日～2月6日，2月9日～2月11日，PBL層高度和顆粒物濃度均保持上升趨勢，查閱廈門氣候觀測站的風(fēng)向、風(fēng)速觀測記錄，發(fā)現(xiàn)該時間段內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，平均風(fēng)速達到3～4級，瞬時極大風(fēng)速達到5級以上。綜合考慮判斷出現(xiàn)該變化趨勢是水平風(fēng)速較大導(dǎo)致近地面出現(xiàn)揚塵，從而使得在PBL層高上升的情況下，垂直方向上顆粒物濃度也出現(xiàn)升高。

圖2展示了激光雷達消光系數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI變化趨勢。柱狀圖為消光系數(shù)，點狀折線為AQI，其中消光系數(shù)取105m高度處數(shù)值。雷達消光系數(shù)反映了大氣氣溶膠對雷達激光的衰減能力，因此AQI越高，對雷達激光的衰減作用越強。

圖2 消光系數(shù)與AQI變化趨勢

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，觀測時段內(nèi)，廈門市空氣質(zhì)量指數(shù)變化與顆粒物濃度變化相似，AQI共出現(xiàn)5個峰值。雷達消光系數(shù)和AQI變化趨勢總體保持一致，二者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。1月18日、1月28日的峰值過程AQI和消光系數(shù)對應(yīng)關(guān)系極佳；但1月22日、2月5日、2月11日AQI出現(xiàn)峰值時，消光系數(shù)只有較小幅度的增長，結(jié)合環(huán)保局發(fā)布的氣體污染物數(shù)據(jù)（如圖3），判斷此3個峰值過程中部分時段造成AQI抬升的主要成分為氣體污染物。

圖3 觀測時段廈門空氣成分變化圖

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)總體趨勢變化可見，廈門站氣溶膠激光雷達反演大氣氣溶膠變化過程的效果符合要求。

2.2 典型AQI峰值過程個例分析

本文選取AQI和顆粒物濃度峰值最高的一個過程的激光雷達觀測數(shù)據(jù)作為典型樣本，詳細分析相關(guān)參數(shù)的變化特點，該過程的時間段定義是峰值出現(xiàn)前一天至峰值出現(xiàn)后一天。

圖4是所選典型峰值過程（2017年2月9日20時至12 日20時）的綜合分析圖，此過程天氣晴好，主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，風(fēng)力達3到4級。結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、PBL層高度、消光系數(shù)、退偏振比和相對濕度，分析的氣溶膠時空變化過程。消光系數(shù)顏色的深淺表示氣溶膠濃度的大?。舛仍礁哳伾缴睿似癖阮伾顪\表示非球形粒子占比的輕重（占比越重，顏色越深）。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)：

2月9日20時～10日12時，主要污染物為氣體污染物臭氧，而非PM10和PM2.5，臭氧多出現(xiàn)在陽光強烈的天氣。但此階段近地面顆粒物也逐漸積累，同時9日20時～10日06時，2.5km高空處有沙塵過境，其退偏振比數(shù)值大于0.3。

2月10日14時～12日04時，氣溶膠呈現(xiàn)先沉降后擴散的趨勢，近地面顆粒物濃度則先升后降。2月11日AQI達到過程峰值，12時～18時1km高度處存在氣溶膠團。

2月12日08時后，近地面顆粒物逐漸積累，顆粒物濃度逐漸上升。16時后有微弱抬升擴散趨勢。

如圖5所示，結(jié)合該峰值過程廈門后向氣流軌跡圖，分析廈門高空沙塵過境情況。垂直高度取2500m為模擬終止高度?？梢钥吹剑?日20時～10日08時（圖片上為UTC時間，對應(yīng)時間為9日12時～10日00時）2000～3000m高度層為上升氣流，保證了高空沙塵團不能沉降至近地面。水平方向氣流來自西北方向（江西省、湖南?。?，由此可確定高空沙塵的來向。

圖4 典型峰值過程多參數(shù)綜合分析圖

圖5 峰值過程后向氣流軌跡圖

3 結(jié)論

從氣溶膠激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)整體來看，觀測時段內(nèi)（2017 年1～2月），廈門市空氣質(zhì)量優(yōu)良，基本無污染過程，但AQI和顆粒物濃度出現(xiàn)了5次峰值過程。結(jié)合雷達參數(shù)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)綜合分析，得到以下結(jié)論：

（1）雷達反演的PBL層高度和顆粒物濃度呈負相關(guān)關(guān)系，消光系數(shù)和AQI指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，部分時段由于風(fēng)速、污染物類型等環(huán)境氣象原因?qū)е聦?yīng)關(guān)系發(fā)生變化。

（2）AQI峰值過程中，激光雷達反演的氣溶膠時空變化特征能較好地吻合近地面顆粒物濃度變化趨勢，雷達消光系數(shù)受顆粒物影響明顯，而退偏振比受非球形粒子比例影響（濕度會影響非球形粒子特征）明顯。

（3）并非所有污染過程均由顆粒物導(dǎo)致，臭氧等因素也會引起AQI變化。

[1] 白淑英,史建橋,卜軍, 等.近年來長江流域氣溶膠光學(xué)厚度時空變化特征分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2012(9):1567-1573.

[2] 靳磊,吳松華,陳玉寶,等.基于多普勒激光雷達的2011年春季北京地區(qū)氣溶膠探測實驗分析[J].量子電子學(xué)報,2013,30(1):46-51.

[3] 潘鵠，耿福海，陳勇航, 等.利用微脈沖激光雷達分析上海地區(qū)一次灰霾過程[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2010, 30(11):2164-2173.

[4] 宋躍輝,時麗麗, 王玉峰, 等. 氣溶膠激光雷達比的迭代反演[J].中國激光, 2016(1):191-198.

[5] IA Razenkov. Aerosol lidar for continuous atmospheric monitoring [J]. Atmospheric and Oceanic Optics,2013,26(4):308-319.