激光雷達(dá)組網(wǎng)在沈陽(yáng)地區(qū)大氣污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王佳音,侯 樂(lè),王 男,孫學(xué)斌,李 娜,王 闖,高木木,杜毅明

(遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 引言

大氣污染對(duì)人類健康、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等均有重要影響[1，2]；社會(huì)各界也越來(lái)越關(guān)注大氣污染治理、監(jiān)測(cè)和空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題[3，4]。目前，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段的不斷進(jìn)步與發(fā)展，地基遙感中的激光雷達(dá)以其高度連續(xù)性和高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)已成為研究大氣邊界層氣溶膠光學(xué)特性最常用的手段之一[5，6]。將激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)與近地面環(huán)境空氣污染物常規(guī)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)于進(jìn)一步了解分析污染物濃度時(shí)空分布特征、分析大氣污染成因、研判污染來(lái)源起到重要的技術(shù)支撐作用[7]。

目前，我國(guó)已從多個(gè)方面開(kāi)展激光雷達(dá)對(duì)大氣污染相關(guān)的研究工作[8～10]。激光雷達(dá)在獲取氣溶膠垂直方向的光學(xué)特性及混合層高度特征等方面具有優(yōu)勢(shì)[11，12]。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層高度的發(fā)展主要受感熱通量、粗糙度和風(fēng)速影響，呈現(xiàn)明顯的日變化和季節(jié)變化特征，一般表現(xiàn)為春夏高、秋冬低[13]，沿海地區(qū)大氣邊界層高度季節(jié)特征與內(nèi)陸相反[14]。李霞[15]對(duì)北京地區(qū)的研究結(jié)果認(rèn)為，夏季較高的PBL及維持時(shí)間均大于冬季，同時(shí)云層對(duì)PBL存在顯著影響。王佳音等[6]認(rèn)為，在冬季重度及以上污染天中，氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)大于1.5對(duì)于顆粒物重污染過(guò)程具有重要指示意義。同時(shí)，激光雷達(dá)對(duì)于不同類型污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警及分析均具有重要作用[16～18]。李菲等[19]對(duì)廣州一次典型灰霾過(guò)程進(jìn)行了分析,指出大氣邊界層高度較低及偏東和偏南氣流帶來(lái)的高濕度環(huán)境是廣州出現(xiàn)嚴(yán)重灰霾天氣重要原因。楊麗麗[16]對(duì)于沙塵過(guò)程的分析結(jié)果顯示，沙源地附近沙塵垂直發(fā)展高度為2～3 km，向下游傳輸過(guò)程中沙塵不斷向上發(fā)展，部分地區(qū)達(dá)到3～4 km，但沙塵濃度明顯減小。李嫣婷[20]研究了深圳市生態(tài)區(qū)與城區(qū)的臭氧(O3)分布，認(rèn)為城區(qū)高空的O3區(qū)域傳輸作用更加顯著。近年來(lái)，利用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)開(kāi)展大氣污染物時(shí)空變化特征的研究已逐漸開(kāi)展[21，22]，但相對(duì)較少。

基于現(xiàn)有的研究多集中在單站點(diǎn)激光雷達(dá)對(duì)于氣溶膠光學(xué)特性及污染過(guò)程分析等方面，本研究采用沈陽(yáng)市激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)反演數(shù)據(jù)，探究沈陽(yáng)市垂直方向擴(kuò)散條件變化特征，并從多站點(diǎn)雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)角度對(duì)典型氣溶膠演變特征及污染過(guò)程進(jìn)行分析研究，以期為沈陽(yáng)地區(qū)大氣污染研究提供技術(shù)支撐，為大氣環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

沈陽(yáng)市位于中國(guó)東北地區(qū)的南部，遼寧省的中部，地勢(shì)東高西低，以平原為主。沈陽(yáng)市氣候?qū)俦睖貛芗撅L(fēng)影響的半濕潤(rùn)大陸性氣候，因受季風(fēng)影響，全年四季分明，溫差較大。本研究使用的激光雷達(dá)站點(diǎn)包括位于城市西南部的黃臘坨點(diǎn)位、城市南部的李相點(diǎn)位、城市東北部的輝山大街點(diǎn)位，以及市區(qū)內(nèi)部的超級(jí)站、陵?yáng)|街點(diǎn)位共5個(gè)激光雷達(dá)站點(diǎn)，形成雷達(dá)組網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的激光雷達(dá)為EV-LIDAR型微脈沖激光雷達(dá)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用雷達(dá)反演的2019年數(shù)據(jù)。該激光雷達(dá)由激光器、光學(xué)部分和主機(jī)組成。激光雷達(dá)工作波長(zhǎng)532 nm，單脈沖輸出能量為10J，脈沖重復(fù)頻率2500 Hz，空間分辨率為15 m。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演之前對(duì)背景噪音等進(jìn)行校正。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析作圖采用EV LIDAR Data Analyse Software。本研究所用污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供，包括沈陽(yáng)市黃臘坨、李相、輝山大街、超級(jí)站、陵?yáng)|街5個(gè)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位顆粒物濃度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 垂直擴(kuò)散特征分析

PBL作為反映垂直方向擴(kuò)散條件的重要指標(biāo)，一般情況下PBL高度越低，越不利于近地層空氣垂直混合，大氣污染物擴(kuò)散也就越差。圖1為沈陽(yáng)市2019年各月雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演的PBL變化趨勢(shì)。從各點(diǎn)位平均情況來(lái)看，4月份PBL相對(duì)最高，對(duì)應(yīng)的垂直方向擴(kuò)散條件相對(duì)較好；12月份相對(duì)最低，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散條件相對(duì)較差；7月份PBL也較低，考慮主要是受到頻繁降水過(guò)程影響，導(dǎo)致PBL較低。從各點(diǎn)位具體PBL看，超級(jí)站點(diǎn)位在一年的大多數(shù)月份中PBL均較高；輝山大街點(diǎn)位在大多數(shù)月份中均低于PBL均值。

圖1 沈陽(yáng)市2019年1～12月各雷達(dá)點(diǎn)位PBL變化情況

為進(jìn)一步探究中度及以上污染天各雷達(dá)點(diǎn)位垂直擴(kuò)散情況，由圖2可知，中度及以上污染天主要分布在1～4月份及10月份、12月份。其中，1～4月份及10月份，各雷達(dá)點(diǎn)位PBL主要集中在400～800 m范圍波動(dòng)，12月份中度及以上污染天垂直擴(kuò)散條件相對(duì)較差，對(duì)應(yīng)的PBL僅在200～400 m范圍內(nèi)波動(dòng)。從各點(diǎn)位具體PBL分布情況看，整體相差不大，僅4月各點(diǎn)位PBL差距較大，一般來(lái)講，4月中度及以上污染天主要以沙塵污染過(guò)程為主，而沙塵污染過(guò)程主要是由于風(fēng)速較大，吹起本地?fù)P塵或受到上游污染城市的傳輸影響，一般情況下垂直方向擴(kuò)散條件尚可，因此部分時(shí)段PBL并不是很低。

圖2 沈陽(yáng)市2019年中度及以上污染天各雷達(dá)點(diǎn)位PBL變化情況

3.2 典型細(xì)顆粒物污染特征

3.2.1 本地積累型

1月11～14日，沈陽(yáng)市共出現(xiàn)2 d重度污染、2 d中度污染；空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)分別為198、262、234、186，首要污染物為PM2.5，15日空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。本次污染主要以不利氣象條件下污染物在本地持續(xù)累積為主，同時(shí)也受到周邊區(qū)域污染影響。

圖3為雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出11日白天，沈陽(yáng)市PBL出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，垂直方向擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，5個(gè)雷達(dá)點(diǎn)位PBL在600～800 m范圍內(nèi)波動(dòng)，本地出現(xiàn)污染物累積趨勢(shì)。12日凌晨，高空2000 m處出現(xiàn)污染物氣溶膠團(tuán)，并有沉降至近地面的趨勢(shì)，此后各雷達(dá)點(diǎn)位PBL持續(xù)較低，受到本地累積和高空污染物沉降的共同影響。13日PBL再次降低，污染物累積嚴(yán)重。14日隨PBL抬升，累積在地面的污染物向高空擴(kuò)散。

圖3 1月11～14日激光雷達(dá)組網(wǎng)PBL、消光系數(shù)及退偏比監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次重污染過(guò)程，各點(diǎn)位激光雷達(dá)PBL持續(xù)較低，且后期在PBL原本已經(jīng)較低的情況下，出現(xiàn)再次下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致垂直方向擴(kuò)散條件極差，且遲遲未出現(xiàn)抬升趨勢(shì)。加之期間短時(shí)段內(nèi)受到高空污染沉降影響，導(dǎo)致污染過(guò)程持續(xù)。

3.2.2 區(qū)域傳輸型

2月27日至3月5日，共出現(xiàn)重度污染4 d、中度污染2 d、輕度污染1 d；AQI分別為227、149、165、196、247、249、246，首要污染物為PM2.5，6日空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。2月下旬以來(lái)，在工業(yè)企業(yè)春節(jié)后逐漸復(fù)工、大范圍秸稈焚燒疊加的情況下，京津冀及周邊地區(qū)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間重污染天氣過(guò)程。在西南風(fēng)持續(xù)影響下，污染區(qū)域逐漸北移。27日以來(lái)，MODIS衛(wèi)星遙感火點(diǎn)圖監(jiān)測(cè)到黑龍江、吉林、遼中南、河北北部存在大量秸稈焚燒火點(diǎn)。

圖4為各點(diǎn)位的雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖，27日中午開(kāi)始，沈陽(yáng)市各點(diǎn)位PBL出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，從1200 m降至600 m左右，垂直方向擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差。28日中午時(shí)段，高空2000 m處出現(xiàn)大量污染物氣溶膠團(tuán)沉降至近地面，與本地污染物疊加。直至3月2日下午，高空再次出現(xiàn)污染沉降，各雷達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PBL未出現(xiàn)明顯抬升，污染物持續(xù)累積。

圖4 2月27日至3月5日激光雷達(dá)組網(wǎng)PBL及消光系數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次重污染過(guò)程，各點(diǎn)位激光雷達(dá)PBL整體表現(xiàn)出較明顯的日變化特征，表明邊界層擴(kuò)散條件尚可，但由于高空污染沉降及傳輸?shù)仍?，沈?yáng)市污染過(guò)程持續(xù)。

3.3 沙塵污染過(guò)程

4月4日下午至5日早晨，我市及周邊地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重沙塵污染天氣，此次沙塵污染主要是在大風(fēng)條件下本地?fù)P沙和周邊區(qū)域沙塵傳輸共同影響所致。4月4日，沈陽(yáng)市空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染，AQI 377，首要污染物為可吸入顆粒物(PM10)。4日下午起，沈陽(yáng)市地面由低壓前強(qiáng)梯度逐漸向低壓后移動(dòng)，風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，轉(zhuǎn)風(fēng)過(guò)程中風(fēng)速下降較快；轉(zhuǎn)為西北風(fēng)后，風(fēng)速再次上升并維持在4.5 m/s左右，沈陽(yáng)市沙塵污染有所緩解，但可吸入顆粒物濃度下降速度較慢。沈陽(yáng)市周邊鐵嶺、鞍山、遼陽(yáng)、撫順可吸入顆粒物濃度變化與沈陽(yáng)市相似，均呈緩慢下降趨勢(shì)。具體風(fēng)力風(fēng)速見(jiàn)圖5。

圖5 4月4～5日地面風(fēng)力風(fēng)速變化

從圖6的雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，4日上午，高空出現(xiàn)大量沙塵污染物氣溶膠團(tuán)，并沉降至本地，與低空及近地面污染物疊加。4日下午，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PBL由西南部點(diǎn)位率先抬升，隨后是城市中心點(diǎn)位。5日早隨PBL升高，風(fēng)速減小，污染物逐漸消散。本次重污染過(guò)程，各點(diǎn)位激光雷達(dá)PBL整體表現(xiàn)出較明顯的日變化特征，且PBL較高，最高可達(dá)1500 m，表明邊界層擴(kuò)散條件尚可，但同樣由于趨于污染傳輸及沉降等原因，污染過(guò)程持續(xù)。

圖6 4月4～5日激光雷達(dá)組網(wǎng)PBL、消光系數(shù)及退偏比監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)12月份垂直方向擴(kuò)散條件相對(duì)最差，4月份相對(duì)較好，7月份受頻繁降水影響，邊界層高度(PBL)較低；從空間分布看，超級(jí)站點(diǎn)位在一年的大多數(shù)月份垂直擴(kuò)散相對(duì)較好。

(2)在中度及以上污染天，雷達(dá)組網(wǎng)中各點(diǎn)位垂直方向擴(kuò)散條件整體相差不大，PBL主要集中在400～800 m，12月份出現(xiàn)的中度及以上污染天PBL相對(duì)最低，僅200～400 m左右；4月份出現(xiàn)的中度及以上污染天由于受沙塵過(guò)程影響，各點(diǎn)位PBL差距較大。

(3)通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng)對(duì)典型顆粒物污染過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)，以本地積累為主的污染中，擴(kuò)散條件對(duì)污染物的清除及累積起到較為重要的影響；以區(qū)域傳輸為主的污染中，即使垂直方向擴(kuò)散條件較好，但受上風(fēng)向污染傳輸或高空沉降的影響，空氣質(zhì)量仍未出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)。