基于地面微脈沖激光雷達(dá)的氣溶膠濃度及高度分析

楊浩 袁學(xué)竹 焦永杰 陳紅 張曉慧 孫克靜

摘 要：根據(jù)大氣對(duì)激光的散射、吸收、消光等物理效應(yīng)，通過(guò)分析激光回波，可以進(jìn)行大氣環(huán)境中氣溶膠的監(jiān)測(cè)。雷達(dá)垂直監(jiān)測(cè)可以分析城市污染成因，結(jié)合氣象條件可以對(duì)城市未來(lái)幾天的空氣情況作出預(yù)測(cè)，針對(duì)污染變化作出預(yù)警。水平掃描對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域污染分布有重要作用，通過(guò)雷達(dá)水平監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析測(cè)試點(diǎn)周邊污染物聚集程度，主要污染點(diǎn)源等。利用微脈沖激光雷達(dá)對(duì)北方某城市對(duì)流層氣溶膠的光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域有污染跨境傳輸，并且主要以大顆粒形式，依靠自身重力和下沉氣流下降;本地正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染，產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。

關(guān)鍵詞：地面微脈沖;激光雷達(dá);氣溶膠;濃度;高度

激光雷達(dá)是大范圍快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境氣溶膠分布的新一代的高技術(shù)手段，它根據(jù)大氣對(duì)激光的散射、吸收、消光等物理效應(yīng)，通過(guò)定量分析激光回波，可以對(duì)大氣環(huán)境氣溶膠進(jìn)行探測(cè)。雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)小尺度的大氣氣溶膠粒子尤為敏感，這是因?yàn)樾〕叨攘Ｗ訉?duì)可見光波段有很強(qiáng)的散射特征（1）。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的雷達(dá)探測(cè)，尤其對(duì)于氣候方面的觀測(cè)需要較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)量，傳統(tǒng)雷達(dá)持續(xù)時(shí)間短、高能量發(fā)射光危害人眼等特點(diǎn)已經(jīng)無(wú)法滿足需求。激光具有單色性好、相干性強(qiáng)、方向性高以及高亮度、大功率等特點(diǎn)（2）。激光的高方向性、高亮度和高脈沖重復(fù)率，使激光雷達(dá)可以對(duì)幾公里以至幾十公里大范圍大氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè);由激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征、大氣氣溶膠消光系數(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)、大氣能見度和PM2.5及PM10濃度等信息，還可監(jiān)測(cè)工業(yè)煙塵的排放等城市上空環(huán)境污染物的擴(kuò)散規(guī)律等。

微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)從研究到應(yīng)用在國(guó)際上僅有十年的歷史，EV-Lidar-CAM激光雷達(dá)主要由以下結(jié)構(gòu)組成：半導(dǎo)體激光泵浦的Nd：YAG脈沖激光器;發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng);高靈敏度光電探測(cè)器（CPM）;3D全天候掃描裝置;高速多道計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī);控制和數(shù)據(jù)處理軟件等組成;該雷達(dá)安裝方式可以分為固定式和移動(dòng)式兩種。

一、北方某城市實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)詳解

1.垂直數(shù)據(jù)觀測(cè)

垂直掃描主要是通過(guò)觀察高空的污染分布，分析高空的污染跨境傳輸，比如沙塵、霧霾等，從而可以分析污染成因。

圖2.1為后向軌跡圖，選擇起始高度為1500米，圖的上方為整體的一個(gè)風(fēng)向，下方為高空氣流的走勢(shì)。

距離平方信號(hào)是通過(guò)激光雷達(dá)所接收到的不同偏振方向回波信號(hào)乘上距離平方得到。原始信號(hào)乘上距離平方，主要是彌補(bǔ)由于球面波隨距離的2次方衰減使得雷達(dá)信號(hào)隨著距離的增加光子數(shù)會(huì)減少。圖2.2為A通道距離平方信號(hào)，A通道代表接收水平偏振原始回波信號(hào)（球形粒子），球形粒子回波信號(hào)，可以理解為水汽，氣體類氣溶膠信號(hào);圖2.3為B通道距離平方信號(hào)，B通道代表接收退偏振原始回波信號(hào)（非球形粒子），非球形粒子信號(hào)，可以理解為顆粒物，揚(yáng)塵沙塵等小顆粒物信號(hào)。從圖2.2和圖2.3可看出，高空9公里處有外來(lái)的污染物，隨著時(shí)間推移逐漸在沉降，說(shuō)明來(lái)自跨境傳輸?shù)奈廴疚锛扔星蛐瘟Ｗ佑钟?/p>

非球形粒子，于14日凌晨3：30到達(dá)地面造成監(jiān)測(cè)區(qū)域近地面的污染。

圖2.4為消光系數(shù)圖，消光系數(shù)代表大氣對(duì)光的衰減系數(shù)，表示每千米或每米對(duì)光的吸收，或是單位距離內(nèi)氣溶膠顆粒對(duì)原始光學(xué)信號(hào)的衰減，其大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比，廓線代表距離平方信號(hào)與距離的關(guān)系。圖2.5為退偏比圖，退偏比是根據(jù)散射電磁輻射的退偏振信息，來(lái)探測(cè)和區(qū)分球形粒子與非球形粒子存在的比重程度，也可理解為粗粒子與細(xì)粒子的比值。從圖中的消光系數(shù)可看出高空有外來(lái)的污染物，隨著時(shí)間的推移在逐漸沉降，同時(shí)近地面也有少量污染物產(chǎn)生，可看到污染物于14日凌晨3：30到達(dá)近地面，與近地面本身產(chǎn)生的少量污染物混合起來(lái)造成近地面污染。高空沉降從兩方面解釋，一是由于跨境輸送過(guò)來(lái)的比較大的顆粒物由于自身重力的原因在逐漸沉降;二是高空有大范圍下降的氣流，而從后向軌跡圖也證實(shí)了這點(diǎn)。從圖2.4可看出，14日沉降下來(lái)的污染物由于下降氣流的原因，短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散不出去，故造成近地面污染，這與近地面空氣子站發(fā)布的AQI基本吻合。而從圖2.5可看出整體的退偏都比較偏大，而在高空的退偏比接近0.2左右，說(shuō)明跨境傳輸?shù)闹饕獮楸容^大的顆粒物;而本地產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，隨著下沉氣流，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。從雷達(dá)的消光系數(shù)以及退偏比的數(shù)值分析，消光在1.5左右，退偏比小于0.1，基本確定為霾。

圖2.6為污染邊界層高度圖，污染邊界層可理解為人為活動(dòng)能到達(dá)的最大的一個(gè)空間高度值，是對(duì)激光雷達(dá)距離修正信號(hào)的廓線求導(dǎo)得出的，導(dǎo)數(shù)最小對(duì)應(yīng)的高度即為污染邊界層高度;該高度上的大氣氣溶膠粒子的濃度變化最大。一般情況下可認(rèn)為：在晚間沒(méi)有外界環(huán)境干擾情況下（比如降雨、沙塵暴等），人為活動(dòng)逐漸減少、溫度開始回落，邊界層高度較低;在白天溫度回升、人為活動(dòng)增強(qiáng)、汽車尾氣濃度增大，地面浮沉開始上升，地表氣溶膠會(huì)有一個(gè)上升的趨勢(shì)，邊界層高度白天一般比晚間大;城市污染邊界層PBL可以從側(cè)面反映城市污染狀況，假定城市污染物總量固定，污染邊界層高，則單位體積污染物濃度會(huì)稍低，當(dāng)污染邊界層較低時(shí)單位體積污染物濃度會(huì)急劇上升。上圖可看到隨著下降氣流，污染物邊界層整體也在逐漸下降?？煽吹?4日整體的邊界層都比較低，單位體積污染物濃度比較高，高空污染物逐漸沉降，主要集中在大約300米左右一個(gè)區(qū)域高度。

2.水平掃描數(shù)據(jù)觀測(cè)

水平掃描主要是將激光雷達(dá)固定一個(gè)位置，通過(guò)對(duì)水平方位進(jìn)行掃描，來(lái)觀測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的污染源分布。

圖2.7～2.13為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水平數(shù)據(jù)效果圖。消光系數(shù)的大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比;PM10為雷達(dá)反演出的PM10數(shù)據(jù)。由于東邊以及東南方向基本都被高建筑遮擋，我們選擇水平角-20到320度的掃描區(qū)間。圖中顏色的不同代表污染的輕重。選取五公里數(shù)據(jù)，盡管白天有太陽(yáng)光的影響，但可以發(fā)現(xiàn)在正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染。正北偏東方向：從上述圖中可看出距離雷達(dá)點(diǎn)位將近3公里左右，可看到污染物隨著風(fēng)向由西北向著東南擴(kuò)散。通過(guò)雷達(dá)不間斷掃描發(fā)現(xiàn)污染出現(xiàn)頻率較高，可能是固定污染源。正南方向：從圖中可以看出倆公里左右出現(xiàn)顏色比較深區(qū)域，可看到在向雷達(dá)測(cè)試點(diǎn)位以及西邊擴(kuò)散。正西方位：從圖中看出雷達(dá)西面出現(xiàn)污染物不規(guī)律現(xiàn)象，可能是近地面人為活動(dòng)、車輛等臨時(shí)污染源排放導(dǎo)致。

圖2.14為14日下午調(diào)整水平測(cè)試所測(cè)數(shù)據(jù)，由于當(dāng)天受跨境傳輸影響，沉降到近地面，造成近地面污染嚴(yán)重，可以看出數(shù)據(jù)越靠近雷達(dá)方位顏色比較深。在600米左右PM10高達(dá)300多，也說(shuō)明了污染比較嚴(yán)重。

二、結(jié)語(yǔ)

1.雷達(dá)垂直監(jiān)測(cè)可以分析城市污染成因，結(jié)合氣象條件可以對(duì)城市未來(lái)幾天的空氣情況作出預(yù)測(cè)，針對(duì)污染變化作出預(yù)警。

2.雷達(dá)水平掃描對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域污染分布有重要作用，通過(guò)雷達(dá)水平監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析測(cè)試點(diǎn)周邊污染物聚集程度，主要污染點(diǎn)源等。

3.通過(guò)對(duì)北方某城市進(jìn)行觀測(cè)，垂直掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域有污染跨境傳輸，并且主要以大顆粒形式，依靠自身重力和下沉氣流下降;本地產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。水平掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)在正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉芮伶.重慶市城區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的在線測(cè)量及特征研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2014（04）.

[2]齊冰.杭州市大氣氣溶膠光學(xué)厚度研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué).2014（03）.