基于激光云高儀的霧霾光學特性研究

喬曉燕，張子曰，李 林，范雪波，于麗萍

（1.北京市氣象探測中心，北京100176；2.北京市朝陽區(qū)氣象局，北京100016）

由于經(jīng)濟的飛速增長和城市化進程的加快，在城市群區(qū)域的大氣污染日益嚴重，污染造成的能見度惡化事件越來越多[1-3]。自20 世紀80 年代以來，中國大部分地區(qū)霾日數(shù)呈增加趨勢，霧日數(shù)呈減少趨勢[4-5]。霾天氣頻繁發(fā)生，已經(jīng)對交通安全、人類健康帶來很大的危害。霾中的氣溶膠粒子尤其是細粒子，是大氣環(huán)境中的主要污染物，容易引發(fā)呼吸道系統(tǒng)疾病，大大提高肺癌發(fā)病率，也對人體心血管系統(tǒng)產(chǎn)生極大危害[6-7]。因此霾現(xiàn)象已經(jīng)引起公眾和科學研究的高度關(guān)注[8]。

霧和霾均為視程障礙類天氣現(xiàn)象。霧是大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的。而霾是大量極細微的干塵粒等均勻的浮游在空中，使水平能見度＜10.0 km 的空氣普遍渾濁現(xiàn)象，不僅影響交通安全，對人類健康也有極大危害[9-11]。近年來霧霾差異和霧霾垂直結(jié)構(gòu)研究已成為大氣科學領(lǐng)域新的研究內(nèi)容。李楊等利用無人直升機搭載的氣溶膠采樣裝置和激光粒子計數(shù)器探測數(shù)據(jù)，分析了北京順義及房山地區(qū)重霧霾天氣近地面大氣顆粒物數(shù)濃度廓線[10]。于麗娟等利用濟南逐日地面氣象觀測資料分析霧和霾發(fā)生的季節(jié)差異和天氣形勢差異[11]。吳兌等詳細論述了霧和霾的區(qū)別，給出了霾與霧區(qū)分的概念模型，霾與霧觀測的標準[12]。霧和霾的成份、粒子尺度、厚度、垂直分布等方面存在明顯差異，目前使用現(xiàn)有地面觀測資料沒法描述這些特征，而激光云高儀發(fā)射的激光光束與霧滴、霾粒子相互作用，會表現(xiàn)出不同的光學特性。卜令兵等利用激光云高儀數(shù)據(jù)計算了消光系數(shù)、能見度，結(jié)合地面觀測數(shù)據(jù)，分析了一次霧霾相互轉(zhuǎn)化的天氣過程中，霧和霾垂直光學特性的差異，得到激光云高儀可用于霧和霾的差異研究[13]。

利用 2016 年10 月—2017 年 2 月的激光云高儀后向散射資料、地面觀測天氣現(xiàn)象、能見度、濕度等要素，分析霧、霾、輕霧、輕霾和晴空等天氣的垂直光學特性，統(tǒng)計各種天氣各高度層后向散射強度分布范圍，給出不同天氣各自具有的垂直光學特性，為霧和霾差異的研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 儀器介紹

Vaisala CL51 云高儀是一種米散射激光雷達，目前在氣象探測中主要用于云高、云層、積分云量的測量，其后向散射信號可以反映大氣垂直結(jié)構(gòu)。其運用脈沖二極管激光探測和測距技術(shù)，短脈沖沿垂直方向發(fā)出，在激光脈沖穿過天空時測量光的散射，發(fā)射出的激光與大氣中的大氣分子、氣溶膠、水汽等相互作用，后向散射信號被雷達接收系統(tǒng)接收，得到不同高度后向散射回波強度。CL5l 激光云高儀激光波長與霾粒子的直徑相當，因此產(chǎn)生的散射為米散射，其信號強度的激光雷達方程如下：

其中，pr（z）是接收到的瞬時功率，E0是有效脈沖能量，c 是光速，A 是接收機孔徑，Z 是距離，β（z）是容積后向散射系數(shù)是大氣透過率。CL51 激光云高儀光波長910 nm，脈沖頻率為10 kHz，峰值功率為27 W，測量高度從地面開始最高達15 km，高度分辨率為10 m，時間分辨率為16 s。CL51 激光云高儀與其他的激光雷達相比，云高儀發(fā)射的激光功率非常低，后向散射信號容易受到環(huán)境噪音的影響。為了提高信噪比CL51激光云高儀采用幾束激光脈沖返回信號疊加的總和，高頻率的激光脈沖基本消除了偽噪聲和高斯白噪聲[14-15]。

2 資料選取

本文所使用的激光云高儀后向散射資料為北京市大興區(qū)氣象局CL51 激光云高儀Level2 數(shù)據(jù)，該資料最高高度為4500 m，每16 s 一組廓線數(shù)據(jù)。地面觀測數(shù)據(jù)均為北京市南郊觀象臺業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)，能見度和濕度數(shù)據(jù)為分鐘數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，每16 min 廓線數(shù)據(jù)進行平均獲得一組廓線數(shù)據(jù)，濕度和能見度選擇相應(yīng)時刻的分鐘數(shù)據(jù)。

在目前地面觀測中，使用的是綜合判別法區(qū)分霧和霾，采用的濕度閾值為90%。一直以來區(qū)分霧和霾的濕度閾值都存在爭議，中華人民共和國氣象行業(yè)標準《霾的觀測和預(yù)報等級》指出：在能見度＜10.0 km 時，相對濕度＜80%時，判識為霾；相對濕度＞95%時，判識為霧；相對濕度介于80%～95%時，需要根據(jù)顆粒物濃度數(shù)據(jù)進一步判識。為了使研究樣本可信，排除降水天氣，依照表1 中規(guī)則選取各種天氣現(xiàn)象樣本。由于霧、輕霧多發(fā)生在傍晚和凌晨時段，09：00—18：00 時段很少有霧和輕霧發(fā)生。所以各種天氣現(xiàn)象樣本均選擇00：00—09：00和 18：00—23：59 時段的數(shù)據(jù)。利用 2016 年 10月—2017 年2 月的數(shù)據(jù)獲得晴空、霧、霾、輕霾、輕霧樣本天數(shù)分別為：38、15、13、60、8 d。

表1 樣本天氣選取規(guī)則

3 多種天氣光學特性分析

3.1 多種天氣后向散射廓線典型個例分析

霧和霾由于成份、垂直分布、厚度等存在差異，激光云高儀探測兩種天氣現(xiàn)象得到的后向散射垂直廓線也應(yīng)表現(xiàn)出不同的特征。霧是由水滴和冰晶組成，霧層中粒子分布不均勻，霧區(qū)與晴空區(qū)邊界清晰，霧的厚度一般在幾十到幾百米；霾是由干塵粒組成，霾層中粒子分布均勻，霾區(qū)與晴空區(qū)邊界不清晰，霾的厚度一般為數(shù)百米到幾千米。2016 年10 月 8 日 07：44、2016 年 11 月 3 日 08：00、2016年 10 月 14 日 07：44、2016 年 10 月 02 日 07：44 和2016 年 10 月 13 日 07：00 分別為晴空、霾、霧、輕霾和輕霧等天氣的典型個例，利用這些個例研究各種天氣后向散射廓線差異。圖1 所示為晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度廓線圖。由圖1 霧的后向散射廓線可見，0~200 m 高度后向散射強度較大，200 m 以上后向散射強度接近晴空，可以判定霧的高度為200 m，霧區(qū)與晴空區(qū)后向散射強度差別較大，與霧區(qū)和晴空區(qū)界限較明顯相吻合。霧層中后向散射強度垂直變化率大于霾層，在霧層的底部后向散射強度隨高度先較明顯增加而后減小，與霧層中粒子分布不均勻相對應(yīng)。與霧相比，霾層的高度較高，700 m 以上后向散射強度較接近晴空天氣，霾的高度可判定在600~700 m，由于霾層中粒子分布較均勻，霾層中后向散射強度隨高度變化較霧層中緩慢。由輕霧垂直廓線可見，300 m 以下后向散射強度較大，300 m 以上后向散射強度接近晴空，霧層高度為300 m 左右，霧層高度較低，垂直變化率較輕霾大。由輕霾垂直廓線可見，霾層后向散射強度隨高度變化緩慢，霾層和晴空區(qū)界限不是很明顯。

圖1 各種天氣激光云高儀后向散射強度廓線

3.2 多種天氣后向散射強度連續(xù)變化典型個例分析

2016 年 11 月 22 日、2016 年 11 月 4—5 日、2016 年 11 月 26 日、2017 年 1 月 28 日、2016 年 10月7 日為晴空、霧、霾、輕霾和輕霧等天氣的典型個例，其中2016 年11 月22 日全天為晴空，2016 年11 月 26 日全天為霾，2017 年 1 月 28 日全天為輕霾。由于霧和輕霧多發(fā)生在夜間、上午和傍晚，霧和輕霧不可能全天都存在，2016 年 10 月 07 日 00：00—14：00 為輕霧，2016 年 11 月 4 日 2：00—8：00 與 11月 4 日 18：00—11 月 5 日 08：00 為霧。利用這些典型個例分析后向散射強度的連續(xù)變化情況。

由圖2 可知，晴空天氣后向散射強度全天都很小，沒有明顯的日變化。霾污染天氣，霾層厚度在500 m 左右，霾層與晴空區(qū)的邊界不清晰，霾層內(nèi)后向散射系數(shù)垂直變化緩慢，且沒有明顯的日變化。輕霾天氣，后向散射強度介于晴空和霾污染天氣，霾層厚度存在明顯日變化。00—06 時，霾層厚度＞500 m，近地面后向散射強度較大，06 時霾層厚度開始逐漸增加，正午前后霾層達到最大高度，18 時霾層厚度開始逐漸減小。霧天氣，霧層厚度較小，且與晴空區(qū)邊界清晰，霧層內(nèi)后向散射強度較大，一般霧發(fā)生在夜間、早晨和傍晚。輕霧天氣，霧層內(nèi)后向散射強度隨高度變化不均勻，后向散射強度隨時間變化不連續(xù)，起伏明顯。

3.3 多種天氣后向散射強度分布概率差異

圖2 晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣后向散射強度日變化

為了進一步研究霧和霾光學特性的差異，利用資料選取章節(jié)中獲得的樣本計算了0～50 m、50～150 m、150～300 m、300～500 m、500～1000 m 五個高度層后向散射強度的概率分布。圖3 是晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度散點圖，結(jié)合圖4 晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣各高度層后向散射強度概率分布可見，晴空天氣0～1 km 高度在無云情況下，后向散射強度不超過0.01 km-1·sr-1，且各個高度后向散射強度差別不大。霧天氣后向散射強度較大值主要集中在低于300 m 的高度，由圖4可知，0~50 m 高度區(qū)間，后向散射強度＞0.1 km-1·sr-1的概率為 71.57%，＞0.3 km-1·sr-1的概率為 40.24%，后向散射強度在 300～500 m、500～1000 m 兩高度區(qū)間后向散射強度＜0.01 km-1·sr-1的概率分別為90.63%、99.46%，高度高于300 m 時后向散射強度概率分布接近晴空，可見一般情況下霧區(qū)底層后向散射強度較大，霧厚度一般不超過300 m。霾天氣后向散射強度較大值也在底層，且后向散射強度數(shù)值也比霧小，由圖4 可知，0～50 m 高度區(qū)間，后向散射強度＞0.1 km-1·sr-1的概率為 34.04%，＞0.3 km-1·sr-1的概率為0.19%，隨著高度的增加，后向散射強度減小緩慢，低于500 m 的高度后向散射強度都集中在＞0.01 km-1·sr-1的區(qū)間。霾的厚度一般＞500 m，與霧相比，霾區(qū)底層后向散射強度要小于霧區(qū)底層。輕霾和輕霧天氣0～50 m 高度區(qū)間的后向散射強度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是隨著高度的增加輕霧天氣后向散射強度減小較快。

3.4 多種天氣后向散射垂直變化率統(tǒng)計分析

霧層和霾層在垂直分布上存在差別，霧層中粒子分布不均勻、霾層中粒子分布均勻，這種差異會體現(xiàn)在后向散射強度垂直變化率上，為了研究霧和霾后向散射垂直變化率的統(tǒng)計差異，利用資料選取章節(jié)中獲得的樣本計算了各個高度層垂直梯度。圖5是晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度垂直梯度散點圖，可見霾和輕霾天氣后向散射強度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。霧和輕霧天氣高于400 m 的高度后向散射強度垂直梯度值較小，低于400 m 的高度數(shù)值較大。晴空天氣垂直梯度值均較小，介于-0.2～0.2 km-2·sr-1。由于后向散射強度是隨著高度逐漸減小的，所以各種天氣垂直梯度取負值的概率較大。圖6 是晴空、霾、霧、輕霾和輕霧等天氣各高度層后向散射強度垂直梯度概率分布，各個高度層晴空天氣后向散射強度垂直梯度在-0.1～0 km-2·sr-1分布概率均＞85%，晴空天氣后向散射強度隨高度緩慢減小。霧天氣0～50 m 高度區(qū)間的垂直梯度分布在＞2 km-2·sr-1和＜-2 km-2·sr-1的概率為55.03%，高于150 m 的高度垂直梯度分布在-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率均＞85%。

圖 3 晴空（a）、霾（b）、霧（c）、輕霾（d）和輕霧（e）等天氣激光云高儀后向散射強度散點

圖4 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下各高度層后向散射強度概率分布

圖5 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下激光云高儀后向散射強度垂直梯度

圖6 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下各高度層后向散射強度垂直梯度概率分布

霾天氣0～50 m 高度區(qū)間的垂直梯度分布在-2～2 km-2·sr-1的概率為 88.59%，高度 150 m 以上垂直梯度在-0.5～0.1 km-2·sr-1的分布概率均＞90%。0～50 m 高度區(qū)間的垂直梯度取較大值的概率霧大于霾，由于霧層厚度較小，霾層厚度較大，高于150 m 的高度霧天氣垂直梯度值較小，取值概率分布比霾天氣更接近晴空天氣。0～50 m 高度區(qū)間，輕霾天氣垂直梯度介于-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率為62.72%，而輕霧天氣垂直梯度分布概率僅為31.18%。由于霾區(qū)內(nèi)粒子分布較均勻，霧區(qū)分布不均勻，霧天氣垂直梯度出現(xiàn)大值的概率較霾天氣高。

4 結(jié)論

基于2016 年10 月—2017 年2 月激光云高儀后向散射數(shù)據(jù)，分別利用典型個例和多樣本統(tǒng)計分析了霧、霾、輕霧和輕霾等天氣不同的光學特征，得到以下結(jié)論：

（1）通過對晴空、霧、霾、輕霧和輕霾等多種天氣個例的后向散射廓線分析，發(fā)現(xiàn)霧層與晴空區(qū)后向散射強度差別較大，霧層中后向散射強度垂直變化率大于霾層，在霧層的底部后向散射強度隨高度先有較明顯增加而后減小。霾層的厚度較大，霾后向散射強度隨高度的變化較霧緩慢。全天為霾的天氣后向散射強度沒有明顯日變化，輕霾天氣霾層厚度正午前后最大，凌晨和夜間霾層厚度較小。霧由于日照作用失去水分會恢復(fù)霾，所以霧和輕霧多發(fā)生在夜間、清晨和傍晚。

（2）霧天氣后向散射強度較大值主要集中在低于300 m 的高度，高于300 m 的高度后向散射強度概率分布接近晴空，一般情況下霧區(qū)底層后向散射強度較大，霧厚度一般不超過300 m。霾天氣后向散射強度較大值也在底部，且后向散射強度數(shù)值也比霧小，隨著高度的增加，后向散射強度減小緩慢，霾的厚度一般＞500 m，與霧相比，霾區(qū)底部后向散射強度要小于霧區(qū)底部。輕霾和輕霧天氣0～50 m高度區(qū)間的后向散射強度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是隨著高度的增加輕霧天氣后向散射強度減小較快。

（3）由于后向散射強度是隨著高度逐漸減小的，所以各種天氣垂直梯度取負值的概率較大。晴空天氣垂直梯度的絕對值均較小。霾和輕霾天氣后向散射強度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。霧和輕霧天氣，高于400 m 的高度后向散射強度垂直梯度值較小，低于400 m 的高度數(shù)值較大。0～50 m 高度霧的垂直梯度取較大值的概率大于霾，高于150 m 的高度霧天氣垂直梯度值較小，取值概率分布比霾天氣更接近晴空天氣。由于霾區(qū)內(nèi)粒子分布較均勻，霧區(qū)分布不均勻，所以霧天氣垂直梯度出現(xiàn)大值的概率較霾天氣高。