基于激光雷達(dá)的西北沙塵過(guò)程分析

楊麗麗，王莉娜，閉建榮，王 靜，李曉云

(1. 蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，甘肅 蘭州 730020；3.無(wú)錫中科光電技術(shù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214135)

1 引言

沙塵天氣發(fā)生時(shí)不僅影響環(huán)境空氣質(zhì)量，還對(duì)氣候、人體健康及其他生物都有不同程度的影響。馬珊等[1]發(fā)現(xiàn)區(qū)域沙塵對(duì)冰川區(qū)的鈣離子、硫酸根離子影響非常顯著。很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)沙塵天氣引起的顆粒物濃度增加，導(dǎo)致發(fā)生肺癌及心血管系統(tǒng)疾病的增加[2，3]祁建華等[4]研究發(fā)現(xiàn)沙塵天氣影響微生物群落結(jié)構(gòu)和活性。目前沙塵天氣的監(jiān)測(cè)比較單一，大多基于地面觀測(cè)站，空間分辨率較低，尤其無(wú)法探測(cè)沙塵的垂直發(fā)展情況。顆粒物激光雷達(dá)作為主動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備，由于其高時(shí)空分辨率備受關(guān)注，可實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)氣溶膠粒徑、形狀、濃度的探測(cè)，對(duì)沙塵天氣的強(qiáng)度及垂直發(fā)展高度提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。宋明昊等[5]通過(guò)顆粒物激光雷達(dá)研究成都冬季一次沙塵天氣過(guò)程中的消光系數(shù)及退偏振比，張晉茹等[6]基于顆粒物激光雷達(dá)對(duì)北京一次沙塵天氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)顆粒物激光雷達(dá)不僅能有效監(jiān)測(cè)沙塵過(guò)程還能預(yù)報(bào)顆粒物濃度的發(fā)展變化。

本文結(jié)合顆粒物激光雷達(dá)和空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)2020年3月12～13日發(fā)生在我國(guó)西北地區(qū)的一次沙塵天氣過(guò)程進(jìn)行研究。

2 數(shù)據(jù)及激光雷達(dá)介紹

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37.208.233:20035/)，其數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)控站點(diǎn)。

2.2 激光雷達(dá)介紹

本文所用激光雷達(dá)均為雙波長(zhǎng)三通道顆粒物激光雷達(dá)，即發(fā)射355 nm和532 nm波長(zhǎng)的激光脈沖，接收355 nm平行、532 nm平行、532垂直的三路光，將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為消光系數(shù)和退偏振比，進(jìn)而對(duì)大氣中顆粒物進(jìn)行研究。雷達(dá)型號(hào)為AGHJ-I-LIDAR，空間分辨率達(dá)到7.5 m，時(shí)間分辨率5 min。具體激光雷達(dá)經(jīng)緯度信息如表1所示。

表1 激光雷達(dá)站點(diǎn)經(jīng)緯度

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣質(zhì)量分析

2020年3月11～13日，甘肅省大部分地區(qū)受到沙塵輸入影響。11日15時(shí)嘉峪關(guān)市AQI首先升高，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差為中度污染，短暫回落后于12日2時(shí)空氣質(zhì)量再次轉(zhuǎn)差為嚴(yán)重污染，AQI達(dá)到峰值328，隨后迅速下降，至4時(shí)恢復(fù)良。由于受沙塵擴(kuò)散影響，武威市11日夜間至12日AQI波動(dòng)較大，峰值達(dá)151。12日6～23時(shí)，伴隨沙塵南下傳輸，甘肅中部及以南地區(qū)也受到此次沙塵影響。13日，全省處于升溫回暖形勢(shì)，且風(fēng)速較小，污染物擴(kuò)散條件持續(xù)轉(zhuǎn)差，河西多數(shù)地市AQI保持在100左右，至夜間武威AQI上升趨勢(shì)較為明顯。

由主要城市PM10濃度時(shí)序圖(圖1)可以看出，3月11日午后，河西地區(qū)首先受到沙塵影響，玉門沙塵濃度明顯高于其他下游城市，PM10濃度于11日16時(shí)和11日20時(shí)分別達(dá)到957 μg/m3和981 μg/m3，嘉峪關(guān)12日02時(shí)PM10濃度達(dá)到397 μg/m3，金昌12日08時(shí)PM10濃度達(dá)到434 μg/m3，武威11日22時(shí)至12日06時(shí)，PM10濃度持續(xù)大于230 μg/m3，武威PM10濃度峰值顯著低于上游城市。3月12日，沙塵持續(xù)向南傳輸，甘肅省中部的白銀等地也受到此次沙塵影響，白銀PM10濃度12日19時(shí)達(dá)到354 μg/m3。12日夜間，沙塵由不同傳輸路徑同時(shí)入侵武威、蘭州、臨夏等地區(qū)，PM10濃度幾乎同時(shí)出現(xiàn)峰值。13日午后至夜間23時(shí)，各城市PM10濃度均持續(xù)走高，PM10濃度介于100～250 μg/m3之間。

3.2 激光雷達(dá)分析

由圖2各雷達(dá)消光系數(shù)和退偏振比圖可以看出，各城市出現(xiàn)了一次強(qiáng)沙塵傳輸過(guò)程。11日06時(shí)玉門顆粒物激光雷達(dá)首先監(jiān)測(cè)到近地面起沙，沙塵過(guò)程中攜帶部分細(xì)顆粒物，消光系數(shù)增高，此后，隨著沙塵強(qiáng)度不斷增大，退偏振比持續(xù)升高，粒子不規(guī)則度增大。12日02時(shí)沙塵逐漸擴(kuò)散至2 km高空，環(huán)境容量增大，近地面沙塵強(qiáng)度有所減弱。13日00時(shí)左右高空出現(xiàn)沙塵團(tuán)并逐漸向近地面沉降，導(dǎo)致玉門空氣質(zhì)量再次轉(zhuǎn)差。從玉門激光雷達(dá)圖發(fā)現(xiàn)，玉門沙塵大部分時(shí)段主要分布于1 km高度內(nèi)。

圖1 2020年3月11～13日城市PM10濃度時(shí)序

圖2 激光雷達(dá)消光系數(shù)(左)、退偏振比(右)反演圖，玉門(a)(b)，嘉峪關(guān)(c)(d)，武威(e)(f)，金昌(g)(h)

隨較強(qiáng)西北風(fēng)影響，沙塵向東南方向傳輸，11日13時(shí)左右嘉峪關(guān)顆粒物激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)到高空1 km以下有沙塵入侵，且消光系數(shù)和退偏振比逐漸增大，對(duì)應(yīng)16時(shí)PM10濃度陡增至160 μg/m3，空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差；12日00時(shí)沙塵團(tuán)逐漸向高空擴(kuò)散，近地面消光系數(shù)很小，對(duì)應(yīng)沙塵強(qiáng)度減弱，PM10濃度不斷降低。13日00時(shí)再次監(jiān)測(cè)到地面消光系數(shù)和退偏振比逐漸增大，說(shuō)明粒子不規(guī)則度增大，高空沙塵沉降并逐漸影響地面，空氣站PM10濃度再次升高。

受上游沙塵輸送影響，金昌粗顆粒物濃度于11日06時(shí)逐漸升高，但整體污染較輕。12日12時(shí)前后消光系數(shù)增大非常明顯，但退偏振比相比嘉峪關(guān)明顯較小，說(shuō)明沙塵傳輸至金昌時(shí)，氣溶膠以顆粒物和冰云混合為主。13日00時(shí)高空弱沙塵逐漸沉降至地面，導(dǎo)致空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)差。

武威顆粒物激光雷達(dá)顯示11日12時(shí)有沙塵侵入，退偏振比增大。11日21時(shí)，消光系數(shù)和退偏振比稍有增高，PM10達(dá)202 μg/m3，AQI達(dá)到126，至17時(shí)左右，消光系數(shù)明顯增大，退偏振比稍有增大，但不太明顯，同樣說(shuō)明，武威高空存在冰云，且與沙塵混合，結(jié)合實(shí)際天氣狀況，此時(shí)出現(xiàn)降雪天氣，隨著降雪持續(xù)，有利于粗顆粒物濕沉降，空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。13日04時(shí)左右再次監(jiān)測(cè)到高空有弱沙塵團(tuán)不斷沉降，最終影響地面。

從以上顆粒物激光雷達(dá)圖還可以看出，部分時(shí)段，地面消光系數(shù)和退偏振比較小，但高空消光系數(shù)和退偏振比較大，隨著高空沙塵團(tuán)的沉降，未來(lái)幾小時(shí)后當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量再次轉(zhuǎn)差，說(shuō)明顆粒物激光雷達(dá)對(duì)于沙塵天氣預(yù)報(bào)預(yù)警具有一定的指示意義。

河西地區(qū)沙塵繼續(xù)向下風(fēng)向城市輸送，而冷空氣在甘肅省中部地區(qū)堆積，形成大風(fēng)天氣，上游傳輸和本地起沙引起的疊加效果，使中部及周邊城市出現(xiàn)沙塵天氣，白銀、定西、臨夏、平?jīng)鲱w粒物激光雷達(dá)均監(jiān)測(cè)到不同強(qiáng)度的沙塵入侵，截至14日00時(shí)，沙塵天氣影響仍在持續(xù)。

3.3 后向軌跡分析

根據(jù)顆粒物雷達(dá)監(jiān)測(cè)的此次沙塵團(tuán)主勢(shì)力高度基本在1500 m以下，因此選取200 m、500 m和1000 m三個(gè)高度的氣團(tuán)軌跡來(lái)輔助分析此次沙塵傳輸過(guò)程的路徑(圖3)。

圖3 不同城市24小時(shí)后向軌跡

分別選取嘉峪關(guān)12日02時(shí)和武威12日04時(shí)的24小時(shí)后向軌跡，如圖3所示，可以看出，嘉峪關(guān)市各高度氣團(tuán)均主要受到其西部方向氣團(tuán)傳輸影響，1000 m氣團(tuán)傳輸距離較遠(yuǎn)，由羅布泊以西地區(qū)傳輸而來(lái)，而200 m和500 m氣團(tuán)3月11日18時(shí)至12日13時(shí)為貼地傳輸，13時(shí)以后開(kāi)始升高。武威市各高度氣團(tuán)傳輸方向基本一致，500 m和1000 m高度氣團(tuán)由玉門、酒泉等地傳輸而來(lái)，而200 m高度氣團(tuán)傳輸距離較近，自高臺(tái)縣以東地區(qū)傳輸；各高度氣團(tuán)均由800～1800 m高度氣團(tuán)不斷沉降，12日12時(shí)起200 m、500 m、1000 m氣團(tuán)先后抬升，傳輸至對(duì)應(yīng)高度。

4 結(jié)論

為了深入了解沙塵天氣傳輸過(guò)程，及沙塵中顆粒物特征，尤其是沙塵傳輸過(guò)程中垂直發(fā)展高度的變化，本文以2020年3月11～13日沙塵過(guò)程為例，通過(guò)顆粒物激光雷達(dá)及PM10濃度，結(jié)合后向軌跡綜合分析了此次沙塵過(guò)程。結(jié)果表明，此次沙塵于11日主要影響河西地區(qū)，12日夜間起沿西北路徑傳輸至中部及南部各地市，玉門和嘉峪關(guān)受此次沙塵影響最大。沙塵輸入前，甘肅省大部分地市升溫回暖，氣候干燥容易起沙。沙塵輸入后污染物不易擴(kuò)散，顆粒物濃度持續(xù)較高。沙塵傳輸過(guò)程中，上游地區(qū)沙塵主要集中于1 km高度以內(nèi)，部分時(shí)段發(fā)展至2～3 km高度，隨著沙塵向下游傳輸時(shí)，沙塵不斷向空中擴(kuò)散，影響高度隨之升高，部分時(shí)段達(dá)到3～4 km。另外，地面空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好時(shí)，還需注意高空沙塵團(tuán)的沉降，對(duì)于沙塵天氣預(yù)報(bào)預(yù)警具有一定的指示意義。