基于顆粒物通量激光雷達的一次顆粒物污染過程分析

周書華，吳建軍，羅天志，金 宏 ，顧恒湘

(1. 四川省宜賓生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 宜賓 644000;2. 天津多摩光電科技有限公司，天津 300384)

前 言

顆粒物通量是指單位時間內(nèi)單位面積通過截面顆粒物的流量，它包含顆粒物濃度和風(fēng)速風(fēng)向信息，可以表征顆粒物輸送強度[1-2]。顆粒物激光雷達作為一種新型的主動光學(xué)遙感探測設(shè)備，可以對大氣環(huán)境中顆粒態(tài)污染物進行高時空分辨率、高探測精度的立體監(jiān)測，從而獲得顆粒物的時空間分布信息[3～8]。僅靠顆粒物激光雷達監(jiān)測只能獲得高空的顆粒物信息，由于缺少高空風(fēng)速風(fēng)向觀測，無法進一步分析顆粒物的傳輸方向以及強度等信息。顆粒物通量激光雷達集成了顆粒物激光雷達和風(fēng)廓線雷達，對高空風(fēng)速風(fēng)向、顆粒物通量、沙塵輸送、區(qū)域之間顆粒物傳輸通量、邊界層高度等均能進行監(jiān)測，可以很好地解決這個問題。目前，使用顆粒物通量激光雷達對顆粒物傳輸和污染特征的相關(guān)研究較少。陳楠[9]等利用顆粒物激光雷達對湖北地區(qū)一次沙塵傳輸過程進行了監(jiān)測，期間監(jiān)測到3次降塵，發(fā)現(xiàn)邊界層高度對顆粒物濃度有一定的影響，水平掃描結(jié)果也發(fā)現(xiàn)兩處污染擴散帶。佟彥超等[10]利用激光雷達技術(shù)對北京地區(qū)的重要工業(yè)污染源開展了長期連續(xù)監(jiān)測，獲取了顆粒物輸送通量等多種參數(shù)，同時也驗證了該方法的可行性。趙逢波[2]基于大氣污染物通量探測的基本原理，利用三維掃描激光雷達和相干多普勒測風(fēng)激光雷達裝置，分別從時間和空間尺度上提出不同模式，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了污染物通量的多數(shù)據(jù)融合模型，并從時間、空間上分析了污染物水平和垂直輸送特征。

宜賓位于四川盆地南緣，2020年2月12日～17日期間宜賓市有一次污染過程，期間受北方強冷空氣南下影響，并伴隨沙塵遠距離輸送。本文根據(jù)宜賓市顆粒物通量激光雷達的監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合氣象觀測資料和地面空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，以期通過對此污染過程進行研究，明晰污染物傳輸特征、強度以及對顆粒物濃度的影響，從而對該區(qū)域的大氣污染治理和空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報等提供重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 空氣質(zhì)量資料

獲取2020年2月12日～2月17日期間宜賓市城市PM2.5和PM10小時平均濃度、空氣質(zhì)量等級、首要污染物。為市委、宜賓四中、市政府、黃金嘴4個國控空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點(均為趨勢點)按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663-2013)對監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性進行篩選后計算的平均值以及對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級和首要污染物。

1.1.2 顆粒物通量激光雷達資料

選取2020年2月12日～17日期間顆粒物通量激光雷達監(jiān)測的顆粒物通量、邊界層高度、氣溶膠消光、退偏比、風(fēng)速風(fēng)向等資料進行分析。

1.1.3 氣象觀測資料

氣象觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)，包括2020年2月12日～2月17日期間每小時的氣溫、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)。

1.2 實驗方法

1.2.1 PM2.5和PM10連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)

PM2.5和PM10連續(xù)自動監(jiān)測設(shè)備型號為熱電5030i，監(jiān)測方法為β射線吸收法。監(jiān)測原理：樣品空氣通過切割器以恒定的流量經(jīng)過進樣管，顆粒物截留在濾膜上，β射線通過濾膜時，能量發(fā)生衰減，通過對衰減量的測定計算出顆粒物的質(zhì)量[11]。

1.2.2 顆粒物通量激光雷達

顆粒物顆粒物通量激光雷達具有雙鏡頭系統(tǒng)，由顆粒物測量單元、風(fēng)廓線測量單元、通量分析軟件組成，可同時探測出顆粒物濃度廓線與風(fēng)速風(fēng)向廓線，直接輸出顆粒物通量結(jié)果。主要技術(shù)參數(shù)見下表。

表 顆粒物通量激光雷達主要技術(shù)參數(shù)Tab. Main technical parameters of particulate flux lidar

圖1 顆粒物通量雷達傳輸面及國控空氣自動監(jiān)測站點分布的示意圖Fig.1 The schematic diagram of the transmission surface of particulate flux radar and the distribution of automatic air monitoring stations controlled by the state

設(shè)備安裝宜賓市污水處理廠，在我市東北-西南方向的污染物傳輸通道上，共1臺，在一定程度上也可以反應(yīng)宜賓市顆粒物傳輸特征。顆粒物通量雷達傳輸界面的示意圖如圖1所示，定義傳輸截面為-20°，藍色代表輸出、橙色代表輸入。界面左側(cè)為城區(qū)，右側(cè)有工業(yè)園。

顆粒物監(jiān)測單元：激光經(jīng)過擴束準直后進入大氣，接收望遠鏡與激光發(fā)射方向同軸，激光被傳輸路徑上的云或氣溶膠所散射，球形粒子的后向散射光將不改變激光的偏振方向，而非球形粒子的后向散射光將改變激光的偏振方向而形成與原激光偏振方向垂直的分量。來自球形和非球形粒子的后向散射回波信號由接收望遠鏡接收并通過分光棱鏡將兩個不同偏振方向的光分開，分辨率傳遞到兩個探測器，信號經(jīng)過采集、處理后得到大氣氣溶膠的信息。

風(fēng)廓線測量單元：主要通過對氣溶膠示蹤物的運動特征(多普勒頻移)測量，來間接獲取大氣風(fēng)場分布。利用大氣中隨風(fēng)運動得氣溶膠粒子對激光得多普勒效應(yīng)，通過類似于無線電外差接收的原理，發(fā)射單色激光(即本振光，頻率為ω1)，照射到氣溶膠粒子上，對散射后頻率發(fā)射變化得激光信號(ω1+2πfd)進行收集，并于雷達系統(tǒng)的本振光(ω1)進行相干外差混頻，在光電探測器上檢測得到氣溶膠粒子的多普勒頻移信號(頻率為fd)，多普勒頻移與氣溶膠粒子運動速度之間的函數(shù)關(guān)系如下：

(1)

其中，λ為激光波長，可計算出氣溶膠相對于光束方向的運動速度Vr，從而得到氣溶膠粒子沿光束光向上的風(fēng)速分量(即徑向風(fēng)速)[12]。

通量計算公式如下：

Φ=PM×v=μg/m3×m/s=μg/m2·s

(2)

其中，Φ為顆粒物通量，單位為μg/m2·s，PM為顆粒物質(zhì)量濃度廓線，v為風(fēng)速。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣質(zhì)量狀況

由圖2可知，2月12日00∶00～14日20∶00，PM2.5、PM10濃度整體呈上升趨勢，PM2.5和PM10小時平均濃度顆粒物濃度最高值分別達到134μg/m3、142μg/m3，空氣質(zhì)量等級達到中度污染，期間PM2.5與PM10濃度比值較高，介于0.78～0.98之間，首要污染物均為PM2.5。2月14日21∶00～2月15日04∶00，PM2.5、PM10濃度均顯著下降，PM2.5與PM10濃度比值也明顯降低。隨后PM10濃度先上升、后下降，峰值出現(xiàn)在15∶00左右(94μg/m3)，而PM2.5濃度變化較小，2月15～16日PM2.5與PM10濃度平均比值僅0.34，空氣質(zhì)量較好，首要污染物以PM10為主。2月17日PM2.5、PM10濃度開始有所上升，PM2.5與PM10濃度比值逐漸增大，平均值為0.51，首要污染物由PM10逐漸過渡為PM2.5。

圖2 2月12日～17日宜賓市顆粒物小時濃度及比值變化曲線圖Fig.2 The change curve of hourly concentration and ratio of particulate matter in Yibin from February 12 to 17

2.2 顆粒物通量激光雷達監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 顆粒物通量分析

2.2.1.1 冷空氣入境前

由圖3～圖5可知，從2月12日09∶00開始，早高峰向大氣中排放的污染物，在有云遮擋、風(fēng)速減小的作用下，不利于污染物擴散，近地面污染物濃度較高，09∶00～12∶00近地面PM2.5小時平均濃度均在90μg/m3以上。12∶00以后由于高空中2km處的云層消散，風(fēng)速增大、相對濕度減小、邊界層高度抬升，污染擴散條件改善，17∶00 近地面PM2.5小時平均濃度降至38μg/m3，期間100m以下和500m以下PM2.5小時水平通量均以輸出為主。通過觀察不同高度上PM2.5水平傳輸通量強度曲線，發(fā)現(xiàn)期間在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬時通量值最高分別達到25μg/m2·s、255μg/m2·s左右。22∶00開始PM2.5水平傳輸通量以輸入為主，同時受風(fēng)速減小、相對濕度增大、邊界層高度降低等氣象因素影響，近地面污染物累積，故夜間PM2.5濃度較高。

圖3 2月12日～14日 PM2.5瞬時通量(上)、不同高度PM2.5傳輸強度曲線(下)Fig.3 PM2.5 instantaneous flux (top) and PM2.5 transmission intensity curves at different heights (bottom) from February 12th to 14th

圖4 2月12日～14日100m和500m以下PM2.5小時平均通量輸入輸出 (橙色代表輸入、藍色代表輸出)Fig.4 The input and outpwt hourly average flux of PM2.5 below 100m and 500m From February 12th to 14th (Orange represents input and blue represents output)

圖5 2月12日～17日宜賓市風(fēng)速、氣溫、相對濕度的變化曲線Fig.5 The change curve of wind speed, air temperature and relative humidity in Yibin from February 12 to 17

2月13日PM2.5水平通量傳輸特征與前一日基本相似，但傳輸通量有所增強，在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬時水平通量值最高分別達到24μg/m2·s、490μg/m2·s左右，以輸出為主，期間PM2.5出現(xiàn)短時間的輸入，在300m高度以下PM2.5水平通量風(fēng)向玫瑰圖(圖6)可知，15∶00該區(qū)域PM2.5主要由東南方向輸入為主，這可能與其東南方向的工業(yè)企業(yè)有關(guān)。

圖6 2月13日15∶00 (左)、14日20∶00 (右)宜賓市300m以下PM2.5通量風(fēng)向玫瑰圖Fig.6 The wind direction rose chart of PM2.5 flux below 300m in Yibin city at 15∶00

2月14日00∶00～07∶00期間PM2.5水平傳輸通量先增加后減少，10∶00以后整體呈上升趨勢，20∶00左右達到最大，隨后迅速減少。相應(yīng)地，當日近地面PM2.5濃度整體較高，20∶00地面小時平均濃度達到最高值134μg/m3。通過觀察不同高度上PM2.5水平傳輸通量強度曲線，發(fā)現(xiàn)期間在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬時水平通量值最高分別達到44μg/m2·s、503μg/m2·s左右。進一步由宜賓市上空300m以下的PM2.5水平通量風(fēng)向玫瑰圖可知，20∶00該區(qū)域PM2.5主要為北西北方向的污染物輸入，這可能與上游污染物沿江輸送有關(guān)。由于13日白天太陽輻射較強，夜間容易出現(xiàn)逆溫，14日白天為陰天，云層較厚，傍晚開始出現(xiàn)小雨，但雨量較小，達不到污染物清除的作用，加之冷空氣主體入境前由于將污染物向南擠壓，相對濕度較高、風(fēng)速較小、邊界層高度較低等不利氣象條件，有利于二次轉(zhuǎn)化生成細顆粒物，同時由于城區(qū)山脈阻擋作用，污染物容易堆積，故14日顆粒物濃度處于高值狀態(tài)，整個過程PM2.5與PM10濃度比值均較高[13-14]。

2.2.1.2 冷空氣入境后

14日23∶00左右冷空氣主體正式入境，氣溫和相對濕度下降、風(fēng)速明顯增大，低空風(fēng)向開始改變，由0～4m/s的東風(fēng)切換為5～14m/s的北風(fēng)與西北風(fēng)，顆粒物濃度均迅速下降，空氣質(zhì)量迅速改善。但2月15日12∶00～20∶00，宜賓市上空的北風(fēng)風(fēng)速從5～14m/s降至0～4m/s，冷空氣帶來的沙塵發(fā)生沉降。根據(jù)退偏比圖可知，15日10∶00 粗顆粒在2km高度開始逐漸降至近地面，14∶00在0～100m高度上PM10水平通量瞬時值最高達到30μg/m2·s左右，14∶00～15∶00近地面的PM10小時濃度出現(xiàn)一個明顯峰值(94μg/m3)，而期間PM2.5濃度變化幅度較小，說明短時受到沙塵影響PM10出現(xiàn)了一個峰值。2月15日，宜賓市上空云層較低，整體維持在1.6km高度，但由于冷空氣入境，空氣對流活動增強，污染擴散條件較好，空氣質(zhì)量總體較好。15日夜間～16日凌晨由于邊界層高度較白天下降、相對濕度有所增大，顆粒物濃度呈小幅上升趨勢，16日04∶00～12∶00由于高空中1.6km處的云層升至3.2km，整體污染擴散條件較好，高空PM10水平輸出瞬時強度達到60μg/m2·s，風(fēng)向為西南方向，此時近地面顆粒物濃度較低(如圖7)。

圖7 2月15日宜賓市PM10瞬時通量(上)、不同高度上的傳輸強度曲線(下)Fig.7 PM10 instantaneous flux (top) and PM10 transmission intensity curves at different heights (bottom) on February 15th

圖8 2月15日15∶00 (左)、2月16日05∶00(右)300m以下PM10通量玫瑰圖Fig.8 The wind direction rose chart of PM10 flua below 300m in Yibin city at 15∶00

由2月15日15∶00在300m高度以下的PM10水平通量風(fēng)向玫瑰圖可知(圖8)，由于沙塵沉降，該小時內(nèi)傳輸強度的均值達到了24μg/m2·s。其次，北西北方向、北東北方向的PM10輸入通量分別為21μg/m2·s、19μg/m2·s。

2月16日05∶00 PM10在300～500m高度范圍以輸出為主，低空300m以下輸出強度相對較弱，由西南風(fēng)方向輸出的水平通量強度均值為13μg/m2·s，其次，南西南方向的PM10水平輸出通量為11μg/m2·s，南方的水平輸出通量為6μg/m2·s。

2.2.1.3 冷空氣結(jié)束后

隨著冷空氣逐漸減弱，16日白天宜賓市受冷空氣影響結(jié)束，氣溫升高、相對濕度減小、風(fēng)速減小，新一輪污染過程污染物開始累積，顆粒物濃度略有上升，PM2.5與PM10濃度比值逐漸增大。

2.2.2 氣溶膠特征及邊界層高度分析

邊界層高度對大氣污染物的擴散有重要影響，邊界層高度越高、越有利于污染物擴散，反之，越不利于污染物擴散。由圖9可知，2月12～14日氣溶膠消光明顯較強，以細顆粒物污染為主；2月15日～16日18∶00退偏比較強，以粗顆粒物為主，期間有時受降雨影響。宜賓市夜間邊界層高度較低，介于400～600m之間，不利于污染物擴散，白天隨著太陽輻射增強，邊界層高度相對較高。12日16∶00邊界層高度最大值達到約1.4km，有利于污染物擴散，顆粒物濃度較低。14日白天以陰天為主，云層較厚，邊界層高度僅在400～800m左右，有利于污染物聚積，期間顆粒物濃度較高。15日～17日受冷空氣影響，空氣對流活動增強，邊界層高度有所升高，白天邊界層高度在1～1.5km左右，污染物擴散條件較好，顆粒物濃度整體處于低值狀態(tài)。

上圖背景為監(jiān)測期間的消光系數(shù)，下圖背景為監(jiān)測期間的退偏比圖9 2月12日～17日宜賓市邊界層高度變化情況Fig.9 The Changes of the boundary layer height in Yibin from February 12th to 17th

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

3.1.1 顆粒物通量雷達監(jiān)測結(jié)果可以很好地解釋地面顆粒物濃度變化原因，污染過程中共監(jiān)測到三次明顯的PM2.5輸入、一次PM2.5和PM10輸出、一次PM10輸入，通過分析顆粒物的傳輸特征和傳輸強度，可以為大氣污染過程成因分析、查找污染源等提供重要參考價值。

3.1.2 邊界層高度與大氣污染物擴散有一定關(guān)系，邊界層越高、越有利于污染物擴散，反之，越有利于污染物累積，白天午后邊界層高度明顯高于夜間。

3.1.3 冷空氣南下帶來的沙塵由于遠距離輸送未對顆粒物濃度造成顯著影響，冷空氣主體入境后顆粒物濃度顯著下降。冷空氣入境前以細顆粒物污染為主，冷空氣入境后空氣質(zhì)量明顯改善，沙塵沉降對近地面PM10有一定的影響，但影響較小。

3.1.4 氣象因素對顆粒物濃度的影響十分顯著。逆溫作用、靜(小)風(fēng)、高相對濕度、低邊界層高度等氣象條件有利于近地面顆粒物聚積；強冷空氣、風(fēng)速大、相對濕度小、邊界層高度較高，空氣對流活動增強，有利于顆粒物稀釋和擴散。

3.2 展望

大氣污染是在三維立體空間中，隨時間變化而迅速發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)過程。目前我省主要污染因子還是以細顆粒物(PM2.5)為主的顆粒物污染。為說清顆粒物污染的主要污染成因，精準查找重要污染來源，必須對中低空(尤其是一千米以下)的三維立體空間進行快速準確的探測。而現(xiàn)有的監(jiān)測手段和監(jiān)測方式，絕大部分都是針對近地面環(huán)境空氣質(zhì)量狀況進行點狀監(jiān)測，在水平和垂直方向均無法有效覆蓋，難以說清大氣污染成因，無法精準查找重要污染來源。而通量激光雷達可以部分彌補現(xiàn)有監(jiān)測手段的不足，在2km以下的立體空間內(nèi)快速監(jiān)測顆粒物污染氣團的傳輸情況。

雖然本次污染過程只用了一臺通量雷達進行觀測，但是在后續(xù)研究過程中可增加設(shè)備數(shù)量，形成組網(wǎng)，同時，進一步應(yīng)用通量雷達進行走航監(jiān)測、傾斜掃描、斷層掃描等創(chuàng)新方式，并且在重要污染日進行較長時間持續(xù)觀測，追蹤重要污染氣團的傳輸軌跡?？梢詼蚀_地分析顆粒物傳輸特征，為精準查找重要污染來源提供重要的參考。