利用顆粒物激光雷達(dá)水平掃描污染源分布-實(shí)例分析

摘 要：利用激光雷達(dá)對麗江市區(qū)出現(xiàn)的一次顆粒物輕度污染過程進(jìn)行觀測，反演數(shù)據(jù)得到顆粒物消光系數(shù)和退偏比，對顆粒物在水平方向上的分布特征進(jìn)行分析，確定污染源相關(guān)信息。結(jié)果表明，監(jiān)測點(diǎn)東面1 km附近農(nóng)田秸稈燃燒和東南面1.7 km處云南XX物流園顆粒物排放兩個污染源對本次污染貢獻(xiàn)較大。通過激光雷達(dá)水平掃描溯源定位污染源，能及時(shí)為環(huán)境管理部門精準(zhǔn)治理提供技術(shù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)源頭管理。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；消光系數(shù)；退偏比；顆粒物；污染過程

中圖分類號：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-03

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大多數(shù)城市地區(qū)空氣污染問題日益突出，顆粒物則是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物，研究地面懸浮顆粒物，尤其是PM2.5對環(huán)境和健康的影響具有重大意義。激光雷達(dá)作為一種主動遙感探測技術(shù)和工具已有近50年的歷史，它是以激光為光源的主動式現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)可以對大氣消光系數(shù)、顆粒物時(shí)間及空間的分布等屬性進(jìn)行遙感探測，具有高靈敏度、高分辨率、大范圍立體監(jiān)測以及實(shí)時(shí)在線等許多優(yōu)點(diǎn)，是氣溶膠立體監(jiān)測的主要工具之一[1]。

目前，已有許多學(xué)者將顆粒物激光雷達(dá)應(yīng)用于污染天氣觀測，胡歡陵等[2]利用激光雷達(dá)觀測北京地區(qū)夏冬季顆粒物污染邊界層，分析邊界層結(jié)構(gòu)、推測污染邊界層容量、評估局地PM10輸送交換。黃祖照等[3]利用激光雷達(dá)對珠三角地區(qū)一次灰霾天氣過程進(jìn)行觀測與分析，研究了灰霆天氣過程中顆粒物的光學(xué)性質(zhì)和微物理性質(zhì)變化過程。伍德俠等[4]利用激光雷達(dá)觀測無錫春節(jié)一次沙塵的輸送，分析沙塵輸送的通道和影響。馬井會等[5]結(jié)合激光雷達(dá)分析上海地區(qū)一次連續(xù)浮塵天氣過程，研究了沙塵在上海地區(qū)的傳輸特性，并且結(jié)合背景氣象場，分析了沙塵傳輸過程中受到動力場和溫度場的影響，并對沙塵傳輸過程中，混合型沙塵氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)等進(jìn)了分析。2022年12月14日麗江市區(qū)出現(xiàn)了一次顆粒物短時(shí)輕度污染天氣，利用激光雷達(dá)水平掃描污染源分布特征，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為該地區(qū)的大氣環(huán)境防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 監(jiān)測地點(diǎn)和時(shí)間

監(jiān)測點(diǎn)位（26°52’21″N，100°17’27″E）設(shè)置在麗江市區(qū)東面的德麗首座小區(qū)樓頂，該點(diǎn)位位于33層住宅樓頂樓平臺，位置相對較高，視野開闊且周圍無建筑物遮擋，便于激光雷達(dá)水平掃描。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2022年12月13日—15日。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用觀測儀器為AVORSPMTracer微脈沖偏振激光雷達(dá)，激光雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射光學(xué)單元、接收光學(xué)單元以及探測控制單元組成，激光器是激光雷達(dá)的核心部件。激光雷達(dá)遙感大氣是基于激光輻射與大氣分子和氣溶膠之間的相互作用產(chǎn)生的各種物理過程而進(jìn)行，其原理是激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的激光遇到大氣中氣溶膠并發(fā)生相互作用，探測系統(tǒng)接收到后向散射回波信號后，根據(jù)大氣對激光的散射、吸收等物理效應(yīng)，通過定量分析激光大氣回波，利用合理的反演方法（目前普遍采用“Fernald”方法）從后向散射回波信號中提取出氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)、退偏比等信號，從而進(jìn)行大氣顆粒物探測并了解顆粒物光學(xué)特性[6]。

消光系數(shù)是電磁波輻射在大氣中傳播單位距離時(shí)的相對衰減率，退偏比是區(qū)分球形顆粒物和非球形顆粒物的重要參數(shù)，為無量綱。通常，大氣中球形顆粒物越多，產(chǎn)生的消光系數(shù)越大；非球形的顆粒物越多，產(chǎn)生的退偏比越大。球形顆粒物較多來源于復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程，例如局地二次污染產(chǎn)生的細(xì)顆粒等；非球形的顆粒物一般來源于一次排放的揚(yáng)塵或外源性的沙塵海鹽粒子輸入等[7]。

本次實(shí)驗(yàn)激光雷達(dá)主要設(shè)置的儀器參數(shù)如表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)使用與PMTracer微脈沖偏振激光雷達(dá)配套的PMTracer TemporalAnalyst激光雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)空演變分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演分析，軟件能反演氣溶膠消光系數(shù)、退偏比、光學(xué)厚度、邊界層高度、水平能見度等，反演算法主要依據(jù)的激光雷達(dá)方程如下：

式中：P（z）—激光雷達(dá)接受到的回波信號功率；P0—發(fā)射激光束的功率；C—激光雷達(dá)的系統(tǒng)常數(shù)；z—探測距離；O（z）—系統(tǒng)幾何重疊因子；β（z）= βm（z）+ βa（z），為大氣中某種被探測組分的總后向散射系數(shù)；a（z）=am（z）+aa（z）為氣溶膠和大氣總的后向散射系數(shù)。

本次實(shí)驗(yàn)使用了麗江市古城區(qū)空氣自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

2 結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測期間空氣質(zhì)量狀況

圖1為本次監(jiān)測期間麗江市古城區(qū)空氣自動站PM10和PM2.5監(jiān)測結(jié)果?？梢钥闯?，監(jiān)測期間從12月14日7：00開始，PM10和PM2.5濃度均呈明顯上升趨勢，PM2.5濃度10：00達(dá)到峰值，PM10濃度11：00達(dá)到峰值，隨后二者濃度均呈明顯下降趨勢，14：00后PM10和PM2.5濃度變化趨于平穩(wěn)，整個顆粒物輕度污染過程持續(xù)時(shí)間大致為7：00—14：00。

2.2 污染過程水平掃描結(jié)果分析

圖2為12月14日9：46—12：24激光雷達(dá)退偏比反演結(jié)果。退偏比結(jié)果表明，14日9：46—12：24距離監(jiān)測點(diǎn)東南面1.7 km左右，云南XX物流園附近退偏比反演結(jié)果較高，判斷為粗顆粒排放，且呈片狀分布。反演圖右側(cè)深色部分為山體或障礙物遮擋所致，不作為掃描結(jié)果。

圖3為12月14日9：46—12：24激光雷達(dá)消光系數(shù)反演結(jié)果。消光系數(shù)結(jié)果表明，14日9：46—12：24距離監(jiān)測點(diǎn)東面1 km、東南面1.7 km左右消光系數(shù)反演結(jié)果較高，判斷為細(xì)顆粒排放，且呈片狀分布。具體位置為東面恩烈村附近、東南面云南XX物流園附近。

2.3 現(xiàn)場排查結(jié)果

根據(jù)激光雷達(dá)水平掃描結(jié)果顯示，本次污染貢獻(xiàn)較高的污染源主要集中在監(jiān)測點(diǎn)東側(cè)區(qū)域方圓2 km附近，結(jié)合掃描結(jié)果篩選出污染源的位置信息，派出人員分別到東面恩烈村和東南面云南XX物流園附近進(jìn)行實(shí)地排查。

圖4為現(xiàn)場實(shí)地排查情況。通過對監(jiān)測點(diǎn)東面1 km恩烈村附近排查，發(fā)現(xiàn)恩烈村附近農(nóng)田有大量燃燒玉米秸稈現(xiàn)象。對監(jiān)測點(diǎn)東南面1.7 km云南XX物流園進(jìn)行排查后，發(fā)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)部道路均未硬化，積塵嚴(yán)重，原料運(yùn)輸車車廂未做防塵處理，車輛駛過后帶起大量積塵。同時(shí)，物流園內(nèi)的建材加工廠生產(chǎn)時(shí)未開啟噴淋降塵設(shè)施（如霧炮機(jī)、廠房口噴淋系統(tǒng)等），生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量顆粒物排放。

3 結(jié)論

（1）2022年12月14日7：00—14：00麗江市區(qū)出現(xiàn)短時(shí)顆粒物輕度污染天氣，利用顆粒物激光雷達(dá)水平掃描，精準(zhǔn)鎖定了監(jiān)測點(diǎn)東面1 km附近農(nóng)田秸稈燃燒和監(jiān)測點(diǎn)東南面1.7 km云南XX物流園顆粒物排放兩個貢獻(xiàn)較高的污染源信息。

（2）在污染天氣下，通過激光雷達(dá)水平掃描溯源定位污染源，能及時(shí)為環(huán)境管理部門精準(zhǔn)治理提供技術(shù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)源頭管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董云升，劉文清，陸亦懷，等.2008年北京奧運(yùn)期間大氣顆粒物激光雷達(dá)觀測研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，4（5）：368-375.

[2] 胡歡陵，吳永華，謝晨波，等.北京地區(qū)冬夏季顆粒物邊界層的激光雷達(dá)觀測[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）：59-73

[3] 黃祖照，董云升，劉建國，等.珠三角地區(qū)一次灰霾天氣過程激光雷達(dá)觀測與分析[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，8（2）：114-123.

[4] 伍德俠，張?zhí)焓?，萬學(xué)平，等.無錫春節(jié)一次沙塵輸送的激光雷達(dá)觀測與分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（S1）：303-306.

[5] 馬井會，顧松強(qiáng)，陳敏，等.結(jié)合激光雷達(dá)分析上海地區(qū)一次連續(xù)浮塵天氣過程[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：1085-1096.

[6] 張春光，張玉均，韓道文，等.機(jī)動車顆粒物的激光雷達(dá)監(jiān)測[J].激光技術(shù)，2009，33（2）：130-133.

[7] 伍德俠，宮正宇，潘本峰，等.顆粒物激光雷達(dá)在大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31（5）：156-162.