霸州地區(qū)激光雷達(dá)氣溶膠資料分析

張 鑫，周 鵬，黃浩杰，魏渠成

（廊坊市氣象局，廊坊 065000）

大氣氣溶膠是懸浮在地球大氣的液態(tài)或固態(tài)粒子，直徑在10-3～20μm之間。尤其在京津冀地區(qū)，受大氣污染影響較為嚴(yán)重，再加上沙塵的侵?jǐn)_，當(dāng)?shù)馗鞑块T(mén)對(duì)大氣氣溶膠研究都極為重視。

大氣氣溶膠的遙感探測(cè)，按位置關(guān)系可分為衛(wèi)星遙感探測(cè)和地面遙感探測(cè)。國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者從事衛(wèi)星資料的氣溶膠研究工作，如：張永宏等[1]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)徐州市氣溶膠進(jìn)行研究，張智等[2]將MODIS數(shù)據(jù)應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)中。張婕等[3]對(duì)MODIS和MERSI的氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，齊玉磊等[4]將兩種不同傳感器得到的氣溶膠光學(xué)厚度與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。柳晶[5]總結(jié)了衛(wèi)星遙感在氣溶膠上的研究。地面遙感觀測(cè)應(yīng)用較為成熟的是激光雷達(dá)觀測(cè)。激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging）可以很好的觀測(cè)到雷達(dá)上方位置垂直方向上的氣溶膠分布狀況。激光雷達(dá)探測(cè)時(shí)間間隔短，對(duì)于氣溶膠的變化過(guò)程也更易于分析。祝存兄等[6]對(duì)南京地區(qū)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。石玉立等對(duì)MPL雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于激光雷達(dá)氣溶膠的研究多采用Fernald方法。

氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是氣溶膠最為重要的光學(xué)特性，AOD描述了氣溶膠對(duì)光的衰減作用，是氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上的積分。是表征大氣渾濁度的重要參數(shù)。準(zhǔn)確及時(shí)獲取AOD的時(shí)空分布信息對(duì)研究京津冀地區(qū)大氣污染和霧霾情況具有重要意義。但位于京津冀中部的霸州、廊坊區(qū)域氣溶膠分布情況還未有研究，本文利用位于霸州市氣象觀測(cè)站的激光雷達(dá)對(duì)霸州區(qū)域上空氣溶膠進(jìn)行分析，這對(duì)廊坊市大氣污染的改善和治理具有一定意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及雷達(dá)參數(shù)介紹

廊坊市位于河北省總部偏東，北臨首都北京，東與天津交界，南接滄州，西連保定，地處京津兩大城市之間，環(huán)渤海腹地。霸州市是河北省廊坊市轄區(qū)的一個(gè)縣級(jí)市，境內(nèi)無(wú)山脈、丘陵，地勢(shì)低平，自西北向東南緩傾，地面高程海拔11.1米緩降到2.1米。霸州乃至廊坊的氣溶膠探測(cè)設(shè)備較少，針對(duì)此地的氣溶膠特性研究也不多。

本文使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)由位于霸州市氣象局（39.17N，116.4E）的EV-Lidar激光探測(cè)雷達(dá)提供。EV-Lidar激光雷達(dá)由Nd：YAG激光器、激光發(fā)射和信號(hào)接收的光學(xué)系統(tǒng)、高靈敏度光電探測(cè)系統(tǒng)、高速多道計(jì)數(shù)系統(tǒng)以及控制和數(shù)據(jù)處理軟件組成。探測(cè)器采用PMT單光子計(jì)數(shù)探頭，口徑160mm，工作波長(zhǎng)為532nm，脈沖寬度為12ns，空間分辨率為15m，最大探測(cè)距離30km，提供2000個(gè)數(shù)據(jù)，分辨率為0.015km。

1.2 激光雷達(dá)簡(jiǎn)介及其探測(cè)原理

利用消光系數(shù)得到氣溶膠光學(xué)厚度需要用到雷達(dá)MIE散射方程，MIE散射激光雷達(dá)方程如式（1）：

式中，P(Z)為激光雷達(dá)接收到了高度Z處的大氣后向散射信號(hào)的能量；E為激光雷達(dá)的發(fā)射能量；C為雷達(dá)常數(shù)；σ(Z)為高度Z處的氣溶膠消光系數(shù)；β(Z)為高度Z處的氣溶膠后向散射系數(shù)。本文采用Fernald方法對(duì)上式求解。Fernald法將大氣劃分為空氣分子和氣溶膠，大氣總的消光系數(shù)等于空氣分子的消光系數(shù)和氣溶膠消光系數(shù)之和?；诖思僭O(shè)，如果已知某一高度Z0處的氣溶膠粒子和空氣分子的消光系數(shù)，則Z0高度以下的氣溶膠粒子消光系數(shù)(后向積分)可以表示為式（2），

Z0以上高度的氣溶膠粒子消光系數(shù)(前向積分)可以表示為式（3），

式中，X(Z)表示距離矯正信號(hào)；S1=σ1/β1表示氣溶膠消光散射比；S2=σ2/β2=8π/3表示大氣分子消光散射比；σ1為待求氣溶膠消光系數(shù)分子消光系數(shù)；σ2可以根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模式計(jì)算得到。通過(guò)式(2)與式(3)可以得到垂直高度上的消光系數(shù)，通過(guò)對(duì)其分別積分并求和便可得到氣溶膠光學(xué)厚度。

2 雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

將雷達(dá)在0-30km范圍內(nèi)探測(cè)到的所有氣溶膠粒子或云的后向散射系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出整層大氣的所有粒子的光學(xué)厚度值。對(duì)2017年夏季雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出：霸州區(qū)域雷達(dá)上空氣溶膠的夏季日變化特征為早晚高、午時(shí)低，峰值多出現(xiàn)在2:00-3:00和17:00-20:00，氣溶膠光學(xué)厚度所表現(xiàn)的白天下降、夜間上升的趨勢(shì)與晝夜地表氣溫高低所導(dǎo)致的氣流運(yùn)動(dòng)有關(guān)。本文選取2017年6月22日的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，光學(xué)厚度值隨時(shí)間分布的狀況如圖1所示：

從圖1中可以看出整層大氣粒子光學(xué)厚度呈現(xiàn)夜間高、白天低的特征。光學(xué)厚度的變化較為劇烈，這多是由于云層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，當(dāng)云漂浮至雷達(dá)上空時(shí)，雷達(dá)探測(cè)到的光學(xué)厚度值就迅速增大；當(dāng)云飄走后，光學(xué)厚度值又會(huì)迅速降低。由于受到云的影響，它并不能突出展現(xiàn)氣溶膠粒子隨時(shí)間的變化情況。

從圖1中可以看出，氣溶膠粒子光學(xué)厚度隨時(shí)間的增加而增加，這是由于在大氣相對(duì)穩(wěn)定的情況下懸浮在空氣的氣溶膠粒子，沉降較緩慢，氣溶膠粒子慢慢的累積，下午達(dá)到一天中的最大值。在7:20至8:50之間的時(shí)間段AOD數(shù)據(jù)波形急劇增大，本文提取這段時(shí)間每3min的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2中，大氣粒子光學(xué)厚度值在7:20至8:10呈現(xiàn)平緩上升的變化狀況，在8:10至8:50呈現(xiàn)波動(dòng)上升，在8:20和8:45左右達(dá)到波動(dòng)峰值?？梢猿醪脚袛嘣?:20至8:10雷達(dá)上空有霧霾氣溶膠發(fā)展成形。8:10至8:50的AOD變化則為氣溶膠粒子團(tuán)在雷達(dá)上空移動(dòng)所產(chǎn)生的波動(dòng)。

圖1 0-30km整層大氣粒子光學(xué)厚度日變化

圖2 7:20-8:50 0-3km大氣粒子光學(xué)厚度

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）霸州站安裝的氣溶膠激光雷達(dá)可以觀測(cè)得到高精度短間隔的大氣縱向光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)的縱向最大探測(cè)距離為30km，但探測(cè)邊際的數(shù)據(jù)可用性不佳，同時(shí)高層大氣會(huì)受到云的影響，與人們生活息息相關(guān)的氣溶膠多出現(xiàn)在0-3km高度范圍內(nèi)的大氣層中，所以對(duì)氣溶膠的研究應(yīng)著重分析0-3km高度的雷達(dá)探測(cè)資料。

（2）霸州區(qū)域雷達(dá)上空氣溶膠的夏季日變化特征為早晚高、午時(shí)低，峰值多出現(xiàn)在2：00-3：00和17：00-20：00，氣溶膠光學(xué)厚度所表現(xiàn)的白天下降、夜間上升的趨勢(shì)與晝夜地表氣溫高低所導(dǎo)致的氣流運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

（3）通過(guò)對(duì)2016年6月22日的個(gè)例進(jìn)行分析，霸州區(qū)域上空發(fā)現(xiàn)一片連續(xù)發(fā)展的氣溶膠粒子團(tuán)，它在8：20出現(xiàn)并逐步發(fā)展壯大，這一片氣溶膠是探測(cè)數(shù)據(jù)上升的主要原因，初步判斷為較大范圍的霧霾出現(xiàn)。