基于車載雷達(dá)的安平縣顆粒物的走航與固定監(jiān)測

高 靜 趙曰峰 王 旭

( 山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，250358，濟(jì)南 )

1 引 言

大氣中懸浮顆粒物或氣溶膠，特別是細(xì)粒子,會導(dǎo)致能見度降低、灰霾天氣頻發(fā)等大氣污染[1，2]，并且會對人體健康造成損害，使得顆粒物的監(jiān)測、整治及預(yù)防成為熱點.針對顆粒物的測量方式，地面觀測可以得到質(zhì)量、濃度等一些物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)，但地面測量儀器不能獲得顆粒物的空間分布信息.雖然利用探空氣球、機(jī)載探測等方式可以掌握顆粒物的垂直分布情況，但運行成本較高，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性.大氣顆粒物激光雷達(dá)主要用于大氣傳輸過程監(jiān)測和大區(qū)域大尺度的測量，輔助車載顆粒物監(jiān)測儀實現(xiàn)排放源的快速移動監(jiān)測[3-7]，對影響大氣狀況的主要排放源進(jìn)行實時監(jiān)測，為污染來源分析和相關(guān)決策提供有效的數(shù)據(jù)支持.

常見的監(jiān)測方式主要有以下幾種.

平面掃描監(jiān)測:激光雷達(dá)平面掃描測量能夠探測和記錄所在位置平均有效監(jiān)控半徑為4 km范圍內(nèi)的污染源(本地源以及外來源)的變化過程，尋找水平顆粒物排放源.

移動走航監(jiān)測:車載激光雷達(dá)移動走航監(jiān)測能夠快速獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物垂直剖面，結(jié)合氣象、地形等宏觀環(huán)境條件，可以實現(xiàn)顆粒物污染的產(chǎn)生、消散及跨界輸送等過程的有效分析，在區(qū)域顆粒物污染探測方面有重要的應(yīng)用價值.通過走航測量結(jié)合環(huán)境條件分析城市污染成因，可以直觀地反映城市各個區(qū)域的污染情況.在固定、走航結(jié)合的監(jiān)測模式下，可以獲取“點面域、地空天”的一體化數(shù)據(jù).

固定垂直監(jiān)測:固定站點的長時間垂直測量可以分析空間污染物傳輸情況.結(jié)合風(fēng)場激光雷達(dá)可以計算污染物傳送比，分析污染物本地/外來的比例.通過垂直連續(xù)長周期測量可以獲取垂直的顆粒物時空演變數(shù)據(jù)，了解本地PBL層分布變化情況，是本地的污染物模式和預(yù)警預(yù)報的重要模式數(shù)據(jù).

2 激光雷達(dá)測量原理

米散射激光雷達(dá)方程為

(1)

式中，PL(z,λL)為激光雷達(dá)接收的高度z處的大氣后向散射回波功率；λL為激光波長;KL為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)；β(z,λL)為高度z處的大氣在波長λL上的后向散射系數(shù),β(z,λL)=βm(z,λL)+βa(z,λL),βm(z,λL)和βa(z,λL)分別為空氣分子和大氣氣溶膠的后向散射系數(shù)；α(z,λL)為高度z處的大氣在波長λL上的消光系數(shù)，α(z,λL)=αm(z,λL)+αa(z,λL),αm(z,λL)和αa(z,λL)分別為空氣分子和大氣氣溶膠的消光系數(shù)；z0是激光雷達(dá)所在的高度.

求解米散射激光雷達(dá)方程主要有兩種常用的方法：Klett方法和Fernald方法[8-10].下面對這兩種方法展開作具體介紹.

Klett方法：Klett假設(shè)大氣消光系數(shù)和后向散射系數(shù)滿足

(2)

式中，k為常數(shù)，變化范圍為0.7～1.3，典型值取1；S1為常數(shù).

將式(2)代入式(1),消去大氣后向散射系數(shù)，化簡后得到一個Bornoulli方程.求解這個方程，得到大氣消光系數(shù),

(3)

式中，S(z,λL)=ln[PL(z,λL)z2]；zc為選取邊界值α(zc,λL)的高度.Klett方法適用于大氣氣溶膠濃度較高的區(qū)域，如大氣邊界層、云層和光學(xué)厚度較大的氣溶膠層.

Fernald方法：Fernald假設(shè)有如下關(guān)系：

αa(z,λL)=S1βa(z,λL),

(4)

αm(z,λL)=S1βm(z,λL),

(5)

S1是大氣氣溶膠的消光后向散射比，又稱為激光雷達(dá)比，S2是空氣分子的消光后向散射比.由瑞利散射理論可以得出S2=(8π/3)sr.激光雷達(dá)比可進(jìn)一步展開為

(6)

式中，σext(λL,m,r)和σback(λL,m,r)分別是半徑r、折射率m的大氣氣溶膠粒子在波長λL的微分消光截面和微分后向散射截面；n(r,z)是大氣氣溶膠粒子的尺度譜分布.

將式(4)和(5)式代入式(1)消去大氣氣溶膠的消光系數(shù)，化簡后得到一個Bernoulli方程.求解這個方程，就得到大氣氣溶膠的后向散射系數(shù),

βa(z,λL)=-βm(z,λL)

(7)

利用反演得到的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)和假設(shè)的激光雷達(dá)比便能根據(jù)公式(7)計算出大氣氣溶膠的消光系數(shù).

3 實地檢測

目的是利用激光雷達(dá)走航和固定監(jiān)測，分析城市上空污染物走勢，結(jié)合氣流氣象條件，分析城市污染成因.

3.1城市空氣質(zhì)量分析圖1為環(huán)保部提供的安平縣 9 月 15 日至 9 月 21日城市空氣質(zhì)量分析.可以發(fā)現(xiàn)安平縣這幾日的空氣質(zhì)量良好，但是9月16日的污染指數(shù)明顯高于另外幾天的污染指數(shù)，而且呈現(xiàn)出先升后降的趨勢.

圖1 安平縣空氣質(zhì)量日報

圖2 安平縣過去24小時空氣質(zhì)量走勢

圖2為過去24小時安平縣空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢，從圖中可以看出空氣質(zhì)量指數(shù)在9月16日凌晨2時開始上升，在9時達(dá)到最大，并且9時以后空氣質(zhì)量指數(shù)在上下浮動，估計在14時左右時候再次出現(xiàn)峰值.本文旨在根據(jù)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)，結(jié)合子站 PM10、風(fēng)速等分析這一現(xiàn)象的成因.

3.2系統(tǒng)參數(shù)激光器采用泵浦固體激光器，工作波長選用532 nm，單脈沖輸出能量≥1 mJ，脈沖頻率為2 kHz.望遠(yuǎn)鏡口徑為180 mm.顆粒物監(jiān)測儀的測量范圍為0～100 mg/m3，精度為小于±10%.風(fēng)速風(fēng)向儀有0～70 m/s和0～360°兩種測量范圍模式，準(zhǔn)確度為±3°.

4 城市整體污染分析

4.1總體情況概括通過15日至20日安平縣固定探測顆粒物濃度演化圖對比可知，16日顆粒物濃度最大，并且主要污染源是外來輸入.19日顆粒物濃度最低，空氣質(zhì)量最好.15日22時左右外來污染物開始傳輸，到16日14時左右外來污染物與本地污染物疊加達(dá)到峰值.16日14時以后顆粒物濃度慢慢下降.17日21時左右又有外來污染，到18日6時左右與本地污染源疊加達(dá)到峰值.18日6時以后顆粒物濃度下降，并且在19日顆粒物濃度下降到最低.19日與20日顆粒物濃度相對較低，空氣質(zhì)量相對較好.而在20日10時左右有一個短暫顆粒物濃度增大，造成短暫偏大的主要原因為揚塵.

由圖4可知，19日安平縣大氣顆粒物濃度最低，而16日走航的反演結(jié)果最為嚴(yán)重，顆粒物濃度最大.總體反演結(jié)果顯示，從15日開始，主要污染為近地面的一些污染，且空中云層較厚，可知為陰天，根據(jù)探測結(jié)果，16日的反演顯示大氣顆粒物污染開始加重，到達(dá)18日開始大氣顆粒物污染明顯減弱，19日至20日反演結(jié)果基本沒有變化.對比環(huán)保部提供的安平縣 9月15日至9月21日城市空氣質(zhì)量分析報告，反演結(jié)果與環(huán)保部提供空氣質(zhì)量預(yù)報一致.

圖3 15-20日固定監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對比

4.2具體污染數(shù)據(jù)分析通過這幾天的走航可以看出鶴煌大道的顆粒物濃度相比其他路段偏高，鶴煌大道到漢王公園路段，顆粒物濃度明顯減少.由此可以推斷在鶴煌大道上污染源主要是機(jī)動車尾氣的排放以及機(jī)動車行駛時帶動的揚塵.在裕華路和紅旗大街的顆粒物濃度也偏高，由于在裕華大道和紅旗大街正在進(jìn)行燃?xì)夤艿赖匿佋O(shè)，燃?xì)夤艿赖匿佋O(shè)引起揚塵，造成此路段顆粒物濃度偏高.最后環(huán)保局的顆粒濃度也偏大，在其周圍有建筑工地，引起揚塵的擴(kuò)散，同時因為環(huán)保局周圍高樓環(huán)繞，擴(kuò)散的污染物不能及時飄散.

圖4 15-20日安平縣走航區(qū)域顆粒物濃度時空演化圖

圖5為2017年9月15日15∶30時至16日12∶30時安平縣環(huán)固定探測顆粒物濃度時空演化圖，從圖中可以看出在17時以后污染逐步加重，且主要污染源來自于本地，而在22時左右外界傳輸污染加重，污染加重一直持續(xù)到16日探測的時間終點12時，此時污染還在加重，其主要污染主要來自外界傳輸.

圖6為2017年9月15日安平縣17時走航探測區(qū)域粒子后向軌跡追蹤圖.從圖中可以看出走航區(qū)域的風(fēng)向為東南風(fēng)，在100 m處主要污染物來源是地面的擴(kuò)散，而在1 000 m處污染物主要來源是高空擴(kuò)散，而高空擴(kuò)散污染物主要是來自外界污染的傳輸.

圖5 15日15∶30至16日12∶30時安平縣固定探測顆粒物濃度時空演化圖

圖6 16日17時安平縣走航區(qū)域粒子后向軌跡追蹤圖

2017年9月15日16∶18時對圍繞安平縣漢王路、紅旗大街、北新大道及省道301(鶴煌大道)進(jìn)行了走航探測，并對走航探測的結(jié)果進(jìn)行分析.

圖8中右側(cè)顏色深淺代表污染程度，紅色為污染程度比較重，其次黃色，藍(lán)色為污染比較輕或無污染.走航檢測探測的最大高度為11.25 km，同時也是探測該高度內(nèi)污染物的分布情況，從圖7的走航顆粒物濃度演化圖可以看出污染物主要在1 000 m高度的范圍內(nèi)，走探測高度4.5 km左右主要是云層.

圖9走航的區(qū)域主要為漢王路、紅旗大街、北新大道及省道301(鶴煌大道)附近走航.其中走航路線為漢王路至紅旗大街再到北新大道最后為省道301(鶴煌大道)，可以從顆粒物濃度時空演化圖看出在走航漢王路、紅旗大道、北新大道時顆粒物濃度相對較小，而靠近省道301(鶴煌大道)顆粒物濃度明顯變大，從顆粒物濃度時空演化圖看出顆粒物濃度明顯增加.而在省道301(鶴煌大道)上面有大量的機(jī)動車車輛，并且大型卡車比較多，機(jī)動車車尾氣排放比較嚴(yán)重.同時由圖6粒子后向軌跡追蹤圖可知在100 m處主要是低空擴(kuò)散，而低空擴(kuò)散主要是機(jī)動車尾氣的排放.同時漢王路，紅旗大街，北新大道路上機(jī)動車較少，顆粒物濃度相對較低.可以推測在省道301附近污染源主要是機(jī)動車尾氣的排放.

圖7 15日16:18 時安平縣走航區(qū)域顆粒物濃度時空演化圖

圖8 走航數(shù)據(jù)三維展示

圖10走航的區(qū)域主要為漢王路、紅旗大街、裕華路附近走航.其中走航路線為漢王路至紅旗大街最后經(jīng)裕華路至安平縣環(huán)保局，可以從顆粒物濃度時空演化圖看出在漢王路、紅旗大道顆粒物濃度相對較小.而靠近裕華路至環(huán)保局時顆粒物濃度明顯變大，從顆粒物濃度時空演化圖看出顆粒物濃度明顯增加.而在裕華路上有燃?xì)夤艿冷佋O(shè)，鋪設(shè)期間揚塵比較嚴(yán)重，同時在靠近環(huán)保局附近建筑工地比較多，建筑的揚塵對空氣顆粒物濃度有一定的影響.

圖9 16日10時走航區(qū)域顆粒物濃度時空演化圖

圖10 走航數(shù)據(jù)三維展示

5 天氣預(yù)警預(yù)報

根據(jù)后向軌跡、空氣質(zhì)量先進(jìn)監(jiān)測網(wǎng)的高分辨率空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)保部空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、中國氣象局CIMISS/CMACAST/CMANET等業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)和模式產(chǎn)品對天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對收集到的數(shù)據(jù)將直接存儲到數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)源內(nèi)，然后經(jīng)過進(jìn)一步的軟件數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測，對天氣進(jìn)行預(yù)警預(yù)報.圖11為對安平縣的PM2.5、PM10以及臭氧在未來四天的變化趨勢預(yù)測[11].

圖11 未來4天顆粒物、臭氧濃度變化趨勢圖

6 結(jié) 語

本文利用車載顆粒物激光雷達(dá)移動觀測系統(tǒng)，對安平縣2017年9月15日至9月20日的天氣狀況進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)合顆粒物時空演化圖、風(fēng)向及環(huán)境條件對污染因素進(jìn)行了分析，并與環(huán)保部給出空氣質(zhì)量走勢圖進(jìn)行了對比，驗證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實用性.垂直監(jiān)測可以直接反映城市垂直污染的變化，而導(dǎo)航監(jiān)測可以直觀地反映城市的區(qū)域性污染，同時導(dǎo)航檢測增加了固定檢測的可操作性、機(jī)動性，所以導(dǎo)航與固定相結(jié)合的檢測方式有利于更好地實現(xiàn)對污染源的快速運動監(jiān)測和實時監(jiān)測，為污染源分析和相關(guān)決策提供有效的數(shù)據(jù)支持.