基于多種氣象設(shè)備的灰霾聯(lián)合探測(cè)研究

高愛臻，夏靜雯，項(xiàng)馨儀

（1.寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，浙江寧波 315012；2.寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江寧波 315194；3.寧波市安全技術(shù)中心，浙江寧波 315012）

0 引言

近幾年來，寧波市一直注重空氣質(zhì)量提升，所以寧波地區(qū)空氣質(zhì)量一直處于良好的狀態(tài)，空氣中一些污染物如PM2.5、PM10、SO2等也是出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，灰霾日比例減少，酸雨率持續(xù)下降，但是PM2.5 和NO2的濃度仍然高出國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，部分區(qū)域秋冬季空氣污染依然嚴(yán)峻，尤其是冬季，灰霾發(fā)生比較頻繁。各污染物濃度的變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性和季節(jié)性差異，灰霾天氣主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，并且現(xiàn)象嚴(yán)重。在統(tǒng)計(jì)過程中將能見度低于10 km、相對(duì)濕度低于90%，并且時(shí)間持續(xù)0.5 h 的過程記為一個(gè)灰霾過程，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 2015—2019 年每年灰霾天數(shù)

從2015—2019 年的整體趨勢(shì)可以看出，2017 年灰霾天數(shù)最少，只有61 d，2015 年最多，超過200 d，灰霾基本每個(gè)月都會(huì)出現(xiàn)，但是季節(jié)性還是比較明顯，夏季雨水較多、濕度較大，形成灰霾的條件會(huì)相對(duì)較弱，而春、秋、冬3 個(gè)季節(jié)空氣會(huì)相對(duì)比較干燥，雨水會(huì)少一些，一些大顆粒雜質(zhì)更容易漂浮在空氣中形成灰霾。其實(shí)總體趨勢(shì)都是空氣質(zhì)量向著逐年變好的方向發(fā)展。但是環(huán)境問題還是不容忽視的大問題，所以，寧波市氣象局就應(yīng)對(duì)霧霾天氣狀況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息共享、聯(lián)合發(fā)布等一系列應(yīng)對(duì)措施。除此之外，氣象部門也加強(qiáng)與環(huán)保部門的合作，并且做到氣象與環(huán)保之間數(shù)據(jù)的合作共享，共同搭建寧波市大氣污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；寧波市氣象局規(guī)劃部署大氣成分監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在各縣（市、區(qū)）建成大氣成分監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，共享環(huán)保部門對(duì)PM2.5 等相關(guān)大氣污染物污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；不斷加強(qiáng)對(duì)區(qū)域自動(dòng)站的升級(jí)改造，增加能見度站點(diǎn)的建設(shè)，增加區(qū)域自動(dòng)站氣象要素?cái)?shù)據(jù)種類，通過能見度和地面氣象要素來綜合檢測(cè)城市污染物分布狀態(tài)；構(gòu)建顆粒物激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，在寧波市奉化、鎮(zhèn)海分別建設(shè)一臺(tái)顆粒物激光雷達(dá)，并共享環(huán)保局一臺(tái)，搭建顆粒物監(jiān)測(cè)網(wǎng)；并且將相關(guān)監(jiān)測(cè)信息和會(huì)商結(jié)果通過多種方式如報(bào)紙、微博、電視、LED 大屏、微信、網(wǎng)站等方式及時(shí)傳遞給大眾；另外，各個(gè)部門之間定期開展大氣污染檢測(cè)與預(yù)報(bào)方面相關(guān)的技術(shù)研究，并且優(yōu)化設(shè)備檢測(cè)布局，進(jìn)一步提高大氣污染物監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)和服務(wù)水平。

1 部門共享監(jiān)測(cè)信息

1.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共建共享

寧波市氣象部門為了更好地完成大氣成分監(jiān)測(cè)，積極規(guī)劃布局，自2012 年起分別在鄞州、北侖等地安裝了大氣成分監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要監(jiān)測(cè)顆粒物如PM10、PM2.5 和PM1 等的分布和變化情況。后續(xù)2013—2014 年期間，寧波市氣象部門分別在鎮(zhèn)海、象山、寧海等3 地分別安裝1 套大氣成分觀測(cè)站，而后在奉化、余姚、慈溪、三隱潭、石浦再新增5 套大氣成分監(jiān)測(cè)站，部門內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)將達(dá)到10 個(gè)，基本上實(shí)現(xiàn)每個(gè)縣（市、區(qū)）一個(gè)站點(diǎn)。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的灰霾天氣，環(huán)保部門與氣象部門共同合作，于2013年簽訂了兩個(gè)部門的合作協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與環(huán)保部門17 套監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享的新局面。表1 為兩個(gè)部門共享的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布情況。

表1 寧波大氣成分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局分布表

1.2 大氣成分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享顯示

各個(gè)縣（市、區(qū)）的氣象部門在本地通過監(jiān)測(cè)設(shè)備得到大氣成分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過光纖每小時(shí)以報(bào)文的方式上傳到市氣象局，經(jīng)過相關(guān)程序分解、處理后錄入本地?cái)?shù)據(jù)庫，同時(shí)上傳上級(jí)氣象部門；環(huán)保部門的監(jiān)測(cè)資料經(jīng)過協(xié)商后，通過WEB SEVICE 的方式共享給氣象部門，共享后的資料存在本地?cái)?shù)據(jù)庫。Web Service 是以SOAP 作為基本通信協(xié)議，避免了復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，Web Service 可以訪問的權(quán)限范圍比較廣，只有能夠支持HTTP和XML 技術(shù)的設(shè)備可以訪問，Web Service 在調(diào)用的時(shí)候也比較廣泛，支持的平臺(tái)和開發(fā)語言比較多。Web Service 的共享方式有自己獨(dú)有的特點(diǎn)，主要包括3 個(gè)方面：①行業(yè)間的數(shù)據(jù)源之間的傳輸不用經(jīng)過專門的通信線，此時(shí)內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫就起不到任何作用；②可以使用外網(wǎng)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行連接，數(shù)據(jù)庫或資源就不用直接進(jìn)行訪問；③會(huì)定時(shí)生成相關(guān)的數(shù)據(jù)訪問表。

氣象部門與環(huán)保部門共享的大氣成分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，存放于數(shù)據(jù)庫中，間隔是1 h，其監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上，供雙方有關(guān)業(yè)務(wù)人員參考。文中提供了近12 h 的數(shù)據(jù)觀測(cè)資料結(jié)果，顯示頁面如圖2 所示。圖2 中給出了“寧波市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心”單站的最近12 h的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁顯示中還包括曲線、柱狀圖以及表格等多種樣式來表示PM10、PM2.5 和AQI 的數(shù)據(jù)濃度，顯示比較直觀。

圖2 寧波監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共享數(shù)據(jù)

在監(jiān)測(cè)資料共享網(wǎng)頁中不僅可以看到如圖2 所示的氣溶膠顆粒物濃度分布，還可以顯示其他污染性氣體的數(shù)據(jù)濃度，如O3、CO、NO2和SO2的濃度數(shù)值及分布情況等，可以直接在底圖上疊加顯示。在共享資料產(chǎn)品中，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)增加相關(guān)的各類污染物濃度分布情況圖，圖3 是不同地區(qū)各個(gè)站點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度分布情況，通過網(wǎng)頁不僅可以看到實(shí)時(shí)氣溶膠濃度和反應(yīng)氣體濃度數(shù)據(jù)，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖3 污染物PM2.5 質(zhì)量濃度分布

1.3 自動(dòng)站站升級(jí)改造

特殊天氣發(fā)生時(shí)，能見度數(shù)據(jù)會(huì)有較大影響，為了更好地監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣，寧波市氣象局自2014 年建設(shè)能見度站點(diǎn)，到目前為止共建成88 套，具體分布情況如圖4、表2 所示。另外，寧波市氣象局在國家基準(zhǔn)站都設(shè)有能見度站點(diǎn)，并且含有氣象六要素，“十三五”項(xiàng)目中更是對(duì)區(qū)域站有計(jì)劃的升級(jí)改造，目前為止已有30 套區(qū)域站完成了升級(jí)改造，增加了相對(duì)濕度、能見度等氣象要素，這兩者對(duì)于監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣具有非常關(guān)鍵的作用。這也說明寧波市氣象局對(duì)于災(zāi)害性天氣的重視程度不斷增加。

表2 寧波能見度站點(diǎn)布局分布表

圖4 寧波能見度分布情況

1.4 顆粒物激光雷達(dá)數(shù)據(jù)共享

2015 年以來，寧波市氣象局分別在奉化和鎮(zhèn)海布置2臺(tái)顆粒物激光雷達(dá)，并共享環(huán)保部門市區(qū)一臺(tái)顆粒物激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。大氣顆粒物監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)是由無錫中科光電公司研制的，大氣顆粒物激光雷達(dá)是基于Mie 散射原理，顆粒物激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示，表3 給出了設(shè)備的基本參數(shù)，雙波長顆粒物激光雷達(dá)可以發(fā)射出波長為532 nm 和355 nm 的激光，然后經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后進(jìn)入天空中，光束在大氣中發(fā)生散射產(chǎn)生后向散射信號(hào)，后向散射信號(hào)通過望遠(yuǎn)鏡匯聚到光電探測(cè)器，通過光子計(jì)數(shù)和A/D 轉(zhuǎn)換的技術(shù)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后利用相關(guān)公式進(jìn)一步被計(jì)算機(jī)處理，得到氣溶膠粒子的消光系數(shù)和退偏振比系數(shù)。寧波市氣象部門于2015 年上半年開始購入顆粒物激光雷達(dá)，并且正式投入觀測(cè)，顆粒物激光雷達(dá)時(shí)間分辨率為5 min，空間分辨率為7.5 m，提供24 h 實(shí)時(shí)的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)顯示。

表3 顆粒物激光雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

圖5 顆粒物激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)有3 臺(tái)顆粒物激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與已有的大氣成分觀測(cè)設(shè)備、氣象自動(dòng)站設(shè)備共同監(jiān)測(cè)環(huán)境污染情況。3 臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)入市局?jǐn)?shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理后網(wǎng)頁顯示，如圖6 所示，通過激光雷達(dá)組網(wǎng)信息顯示系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到灰霾發(fā)生—消散的整個(gè)過程，并且能夠通過消光系數(shù)、退偏振比等數(shù)據(jù)分析灰霾發(fā)生過程中氣溶膠粒子的光學(xué)特性。

圖6 顆粒物激光雷達(dá)組網(wǎng)顯示

2 多種設(shè)備聯(lián)合觀測(cè)灰霾

2.1 地面氣象數(shù)據(jù)判定灰霾

灰霾主要對(duì)人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都會(huì)造成危害。灰霾發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度會(huì)低于90%，能見度降到10 km 以下，所以，結(jié)合地面氣象要素中的能見度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，可以對(duì)灰霾進(jìn)行初步判定，而結(jié)合氣象要素?cái)?shù)據(jù)中的雨量和風(fēng)速值，可以對(duì)灰霾發(fā)生時(shí)的天氣情況進(jìn)行分析，這也是最初對(duì)灰霾的判定方法。

2016 年1 月9 日，在寧波市范圍出現(xiàn)了一次發(fā)生時(shí)間持續(xù)比較久的灰霾過程，選取奉化（58565）、鎮(zhèn)海（58561）兩個(gè)國家自動(dòng)站的地面氣象數(shù)據(jù)對(duì)此次灰霾過程進(jìn)行分析。從圖7、圖8 可以看出兩站點(diǎn)的能見度、濕度、風(fēng)速變化整體趨勢(shì)基本一致，從能見度和相對(duì)濕度圖可以看出1 月19 日0:00—12:30 期間，能見度低于10 km，最低達(dá)到3 km，相對(duì)濕度維持在30%～70%之間，12:35—18:00 期間，能見度先升高后降低，超過10 km，灰霾情況有一定的緩解，但18:10 以后能見度持續(xù)降低，奉化站點(diǎn)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)低于70%，灰霾持續(xù)，鎮(zhèn)海站點(diǎn)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)出現(xiàn)持續(xù)上升的情況，21:40以后灰霾逐漸演變成霧。右邊風(fēng)速和雨量圖可以看出，整個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)與能見度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，風(fēng)速值較小時(shí)，顆粒物堆積無法擴(kuò)散，能見度降低，灰霾程度加重，風(fēng)速值增大時(shí)，顆粒物容易被吹散，能見度升高，灰霾程度減輕。

圖7 58565 奉化站點(diǎn)地面氣象要素

圖8 58561 鎮(zhèn)海站點(diǎn)地面氣象要素

利用地面氣象要素來分析灰霾，可以了解灰霾發(fā)生過程中的整個(gè)宏觀天氣狀況，進(jìn)而分析灰霾產(chǎn)生過程中前后、整個(gè)進(jìn)程中的天氣因素的影響，也可以獲知灰霾發(fā)生、消散過程中能見度、濕度、風(fēng)速的整個(gè)變化趨勢(shì)、情況，通過氣象要素風(fēng)的變化趨勢(shì)也可以看出，在無風(fēng)或微風(fēng)的情況下更容易產(chǎn)生霧霾，主要原因是地面細(xì)顆粒物的積聚對(duì)于霧霾的形成創(chuàng)造出有利的條件，但是對(duì)于具體的污染物分布情況、濃度大小及其他特性都無法了解到。

2.2 空氣污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備分析灰霾成分

圖9 是對(duì)58565 和58561 兩個(gè)站點(diǎn)的空氣污染物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在整個(gè)灰霾的發(fā)生過程中大顆粒物占據(jù)較大比重，整個(gè)顆粒物濃度變化趨勢(shì)與圖8 中能見度趨勢(shì)相反，與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)相似。從顆粒物濃度分布圖可以看到PM10 和PM2.5含量明顯大于PM1.0，PM2.5 濃度最大值超過130 μg/m3，0:00—15:00 期間顆粒物濃度呈下降趨勢(shì)，說明此時(shí)間段灰霾呈減緩的趨勢(shì)。15:00 以后顆粒物濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，灰霾開始加重。

圖9 站點(diǎn)空氣污染物濃度

利用空氣污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備分析灰霾，可以看到固定點(diǎn)整個(gè)灰霾發(fā)生過程中顆粒物的濃度和比重，在灰霾發(fā)生時(shí)，PM2.5 濃度較大，所占比重較高。但是對(duì)于周邊的天氣狀況無法獲取，不能從宏觀天氣環(huán)境來分析灰霾過程的整個(gè)演變過程。

2.3 顆粒物激光雷達(dá)分析灰霾光學(xué)特性

圖10 是奉化站點(diǎn)的顆粒物激光雷達(dá)探測(cè)到的氣溶膠消光系數(shù)圖，顆粒物激光雷達(dá)有532 nm 和355 nm 兩個(gè)波長，對(duì)于大小顆粒物的探測(cè)敏感程度不同，但是整體變化趨勢(shì)一致。通過顆粒物激光雷達(dá)探測(cè)得到的消光系數(shù)圖，可以看到整個(gè)氣溶膠層在高度和時(shí)間上的變化，在垂直方向上可以看出，整個(gè)氣溶膠層主要分布在近地面50～500 m，消光系數(shù)數(shù)值濃度在整個(gè)時(shí)間軸上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，上午濃度較大，后續(xù)逐漸變小。

圖10 58565 站點(diǎn)消光系數(shù)

圖11 是選取單一站點(diǎn)奉化（58565）站點(diǎn)的顆粒物激光雷達(dá)退偏振比的數(shù)據(jù)圖，通過圖中的信息就可以進(jìn)一步分析得到灰霾退偏振比在時(shí)間和高度上的空間變化情況，在50～500 m 高度范圍內(nèi)，退偏振比范圍主要為0.1～0.2，說明在此次灰霾過程中主要以非球形大顆粒物為主。通過對(duì)顆粒物激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的消光系數(shù)和退偏振比圖進(jìn)一步分析，就可以比較明顯的看出顆粒物濃度隨著時(shí)間和空間的變化趨勢(shì)，進(jìn)而比較清楚的分析出灰霾的整個(gè)演變過程。

圖11 58565 站點(diǎn)退偏振比

顆粒物激光雷達(dá)的引用對(duì)于探測(cè)灰霾光學(xué)特性具有較好的幫助，顆粒物激光雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富，能夠從雙波長消光系數(shù)、退偏振比等多個(gè)指標(biāo)來分析寧波地區(qū)的灰霾光學(xué)特性，也可以給出云底高度數(shù)據(jù)，對(duì)于觀測(cè)不同高度氣溶膠分布及云層分布都帶來較大便利。但是，顆粒物激光雷達(dá)只能觀測(cè)到單點(diǎn)不同高度不同時(shí)間的氣溶膠層分布，對(duì)于多個(gè)點(diǎn)的探測(cè)來說還是具有一定的局限性。

3 結(jié)語

寧波市氣象局重視清新空氣建設(shè)，近幾年來更是引進(jìn)多種觀測(cè)設(shè)備，并且通過部門間的監(jiān)測(cè)設(shè)施布局共同規(guī)劃、資源共享，實(shí)現(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)資源的有效配置和合理利用，每種設(shè)備在灰霾監(jiān)測(cè)中都存在優(yōu)勢(shì)和弊端：地面氣象設(shè)備可以觀測(cè)到灰霾發(fā)生過程中宏觀天氣的變化情況，但是對(duì)于污染物具體分布情況、濃度大小的觀測(cè)具有局限性；空氣污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備可以觀測(cè)到污染物濃度的變化，但是無法監(jiān)測(cè)到宏觀天氣變化；顆粒物激光雷達(dá)可以觀測(cè)到單點(diǎn)不同高度不同時(shí)間的氣溶膠層分布，對(duì)于多個(gè)點(diǎn)的探測(cè)來說還是具有一定的局限性，所以在灰霾監(jiān)測(cè)過程中，需要多種設(shè)備相互配合，共同打造大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)。結(jié)合多媒體、廣渠道的大氣污染監(jiān)測(cè)信息發(fā)布方式，及時(shí)、適時(shí)開展聯(lián)合會(huì)商，啟動(dòng)大氣重大污染預(yù)警，及早向相關(guān)部門給出預(yù)警和防范措施；同時(shí)聯(lián)合對(duì)公眾發(fā)布相關(guān)信息及防御建議等內(nèi)容，對(duì)于政府部門進(jìn)一步治理空氣污染，引導(dǎo)人們安全生產(chǎn)生活有著重要的意義。