北京春季一次重度霧霾過(guò)程激光雷達(dá)分析

苗傳海，康博識(shí)，鄭石，邢婉茹，陳思蒙

摘要：2018年3月21日～26日，北京及周邊地區(qū)出現(xiàn)一次比較罕見(jiàn)的持續(xù)性重度霧霾天氣，能見(jiàn)度降到50m左右。本文利用EV-Lidar型激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)本次霧霾的生成、發(fā)展和消散過(guò)程及污染氣團(tuán)來(lái)源進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：北京；重度霧霾；激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)： X513；X87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.18.075

1 研究背景

霧霾是在一定區(qū)域內(nèi)影響能見(jiàn)度的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，對(duì)交通、人體健康等方面都有一定的影響[1]。隨著霧霾出現(xiàn)的頻率不斷提高，霧霾天氣的生消發(fā)展和污染物成分逐漸受到人們的關(guān)注。霧霾的形成主要受兩方面的影響，一是污染物的排放[2]，研究表明，大量工業(yè)燃燒以及季節(jié)性農(nóng)業(yè)秸稈焚燒產(chǎn)生的黑碳、硫酸鹽等不同化學(xué)成分氣溶膠顆粒都排放到大氣中，大量汽車尾氣的排放對(duì)城市居民的生活也帶來(lái)很大危害[3]。二是氣象條件的影響，特別是大氣邊界層的影響成為重要因素。激光雷達(dá)以高度連續(xù)性和高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，成為估算邊界層高度，探究邊界層特征的有效手段之一[4]。基于激光雷達(dá)獲取邊界層高度有多種方法。早期學(xué)者采用梯度法計(jì)算邊界層高度，此方法簡(jiǎn)單但穩(wěn)定和連續(xù)性略差[5]；后來(lái)曲線擬合方法用于獲取邊界層高度信息，但是對(duì)于特殊的邊界層結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)誤判[6]；國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛使用利用小波協(xié)方差方法識(shí)別邊界層高度，此方法需要事先給定算法參數(shù)[7-8]。

在微觀研究方面，近年來(lái)激光雷達(dá)發(fā)展成為研究卷云和沙塵氣溶膠等大氣非球形粒子形態(tài)的有效工具[9-10]，它通過(guò)探測(cè)非球形粒子后向散射光的退偏振比來(lái)研究目標(biāo)物粒子形態(tài)[11]。

在北京，共計(jì)有10余臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)展了協(xié)同觀測(cè)，從宏觀和微觀兩個(gè)角度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)北京地區(qū)霾層厚度變化，獲取了豐富的大氣垂直高度及氣溶膠顆粒等信息[12]。

2 儀器簡(jiǎn)介

EV-Lidar型激光雷達(dá)（見(jiàn)圖1）由北京怡孚和融科技有限公司研制生產(chǎn)，可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠粒子時(shí)空演變和組成結(jié)構(gòu)。激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可反映出大氣邊界層（PBL）的結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征，進(jìn)而獲得霧霾體系特征，還能得到大氣氣溶膠（飄塵、霧霾粒子）消光系數(shù)垂直廓線和時(shí)間演變特征、云層高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見(jiàn)度和PM2.5、PM10濃度等信息。同時(shí)激光雷達(dá)可對(duì)城市上空工業(yè)排放廢氣物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析環(huán)境污染物的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和大氣科學(xué)研究都有重要的意義。其原理是通過(guò)發(fā)射激光束到大氣中，與大氣中的分子、顆粒物（云、煙塵、海鹽等）和水汽等形成散射，后向散射信號(hào)被激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，系統(tǒng)計(jì)算光在空氣中傳播的時(shí)間，得到不同距離（高度）上的回波信號(hào)從而得到沿光束發(fā)射方向的氣溶膠粒子分布情況。

3 污染過(guò)程分析

根據(jù)圖2雷達(dá)產(chǎn)品圖，21日凌晨至24日夜間，PBL層整體呈下降趨勢(shì)，風(fēng)級(jí)保持在1級(jí)左右，近似為靜穩(wěn)天氣環(huán)境，城市擴(kuò)散能力逐漸減弱。消光圖顯示21日凌晨高空3000m左右有氣溶膠團(tuán)下沉，在地面集聚，同時(shí)近地面污染開(kāi)始積累。22日凌晨，污染監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)一次短暫的下降，此時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到60%，空氣中的污染物成為凝結(jié)核吸濕增長(zhǎng)，形成霧滴[13]，霧滴形成之后，小滴繼續(xù)碰并成長(zhǎng)為中滴和大滴，中滴和大滴繼續(xù)捕獲小滴，捕獲效率逐漸增大[14]，霧霾濃度增大，PBL層下降至400m左右，擴(kuò)散條件較差，污染擴(kuò)散量減小，污染開(kāi)始迅速上升。至23日凌晨，污染最重，有短時(shí)間的重度污染過(guò)程。24日凌晨，濕度增大到80%左右，為污染物的積累提供了較好的水汽環(huán)境，污染吸濕積累量增大，空氣質(zhì)量再次轉(zhuǎn)為重度污染。隨后受PBL層抬升影響，污染物擴(kuò)散，污染開(kāi)始減輕。

退偏比顯示近地面粗粒子含量較高，粗粒子受風(fēng)力影響，多次發(fā)生擴(kuò)散，對(duì)污染貢獻(xiàn)較小，影響污染升高的主要因子仍為細(xì)顆粒物。

4 后向軌跡分析

從后向軌跡圖（圖3）中可見(jiàn)，污染氣團(tuán)于內(nèi)蒙古北部產(chǎn)生，途徑呼和浩特、石家莊等地南下，聚集北京一帶。3月21日城市上空為強(qiáng)下降氣流，與此時(shí)高空污染下沉?xí)r間較為符合，攜帶污染氣溶膠下沉。

5 結(jié)論

2018年3月21日～24日，北京地區(qū)有一次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的重度霧霾天氣，結(jié)合激光雷達(dá)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，研究了本次霧霾過(guò)程的生成和發(fā)展。

本次污染主要為近地面污染積累與高空氣溶膠團(tuán)下沉和相對(duì)濕度升高引起的污染物積累，污染后期受PBL層和濕度影響，污染出現(xiàn)短時(shí)間的重度污染過(guò)程。近地面存在粗粒子，受風(fēng)力影響，粗粒子對(duì)空氣質(zhì)量影響不大，影響污染升高的主要因子仍為細(xì)顆粒物。來(lái)自內(nèi)蒙古北部的污染氣團(tuán)，南下至北京地區(qū)下沉到低空，積聚污染物導(dǎo)致霧霾的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：苗傳海，高級(jí)工程師，研究方向：大氣探測(cè)。

通訊作者：康博識(shí)，助理工程師，研究方向：激光雷達(dá)及霧霾分析。