周燕秋，倪長(zhǎng)健，劉培川，張 研

1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225 2.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225 3.四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，四川 成都 610041

基于激光雷達(dá)分析一次重霾過程混合層高度

周燕秋1,2，倪長(zhǎng)健1,2，劉培川3，張 研1

1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225 2.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225 3.四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，四川 成都 610041

為深化對(duì)冬季重霾天氣大氣混合層高度的認(rèn)識(shí)，利用Mie散射激光雷達(dá)觀測(cè)了成都市2014年1月23日至2月4日一次典型重霾天氣過程。基于Mie散射激光雷達(dá)探測(cè)獲取的后向散射系數(shù)，使用SBH99算法計(jì)算了該過程的混合層高度，并系統(tǒng)分析其演變特征及其與氣象因子的關(guān)系，研究結(jié)果表明:將激光雷達(dá)探測(cè)的混合層高度與探空曲線表征出的混合層高度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示兩者具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.893 4；此次重霾過程中，混合層高度平均值較低，約378 m；霾天氣發(fā)生后，混合層高度顯著下降，并且混合層高度的最大值與最小值之間差距縮小，日變化波動(dòng)不明顯；混合層高度的發(fā)展與空氣溫度的變化趨勢(shì)呈正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

Mie散射激光雷達(dá)；重霾過程；混合層高度；SBH99算法

在污染氣象學(xué)中，混合層高度用于表征污染物在垂直方向上被湍流稀釋擴(kuò)散的范圍, 即低層空氣熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流所能達(dá)到的高度[1]。作為決定空氣污染狀況的重要參數(shù)，混合層高度的系統(tǒng)研究在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境規(guī)劃等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[2-3]。目前確定混合層高度的方法有很多，如國標(biāo)法、羅氏法以及干絕熱法等，進(jìn)一步分析表明，上述方法均存在計(jì)算精度難以評(píng)估以及缺乏物理過程描述等不足[4-8]。激光雷達(dá)作為一種新型的大氣遙感設(shè)備，具有較高的時(shí)空分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣邊界層結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9-10]。針對(duì)激光雷達(dá)反演混合層高度的算法而言，國外在20世紀(jì)70年代開展了這方面的研究工作，ENDLICH等[11]將后向散射系數(shù)垂直變化率最大的位置所對(duì)應(yīng)的高度定為混合層高度，BOERS等[12]認(rèn)為激光雷達(dá)的后向散射信號(hào)發(fā)生最大衰減的地方即為邊界層的高度，MOK等[13]則根據(jù)氣溶膠后向散射系數(shù)的垂直變化對(duì)混合層和卷夾層的高度進(jìn)行了進(jìn)一步的識(shí)別。STEYN等[14]將實(shí)際測(cè)量的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布擬合成理想的后向散射系數(shù)廓線，據(jù)此提出了SBH99算法，該方法增強(qiáng)了基于激光雷達(dá)混合層高度反演算法的實(shí)用性和客觀性。張金業(yè)[15]將其應(yīng)用于武漢邊界層結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了SBH99算法的可行性。

成都市作為西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，隨著城市化進(jìn)程的加快，以灰霾為代表的空氣污染問題日益嚴(yán)重[16-17]。本文以成都冬季一次典型重霾過程為研究時(shí)段，在對(duì)Mie散射激光雷達(dá)反演混合層高度的適用性進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將SBH99算法用于分析該時(shí)段混合層高度的變化特征。所得成果在加深對(duì)重霾發(fā)生機(jī)理理解的同時(shí)，也可應(yīng)用于成都大氣環(huán)境容量計(jì)算、污染潛勢(shì)預(yù)報(bào)等研究，進(jìn)而為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣污染防治和大氣環(huán)境規(guī)劃等環(huán)境管理工作提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 觀測(cè)儀器及數(shù)據(jù)

本文采用的雷達(dá)數(shù)據(jù)由四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于西南交通大學(xué)九里堤校區(qū)，受工業(yè)排放污染源的影響很小；儀器安裝在西南交通大學(xué)土木館樓頂，此處距地35 m，視野開闊，不受四周建筑物阻擋。

觀測(cè)儀器為北京產(chǎn)EV-lidar激光雷達(dá)(偏振Mie散射微脈沖激光雷達(dá))。由激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征、大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線和時(shí)間演變特征等信息。儀器組件包括半導(dǎo)體激光泵浦的Nd:YAG脈沖激光器、發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)、高靈敏度光電探測(cè)器(CPM)、高速多道計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)、控制和數(shù)據(jù)處理軟件等。該激光雷達(dá)系統(tǒng)可以全天自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，于2013年6月正式投入觀測(cè)，每3 min提供一次數(shù)據(jù)，主要觀測(cè)范圍可達(dá)30 km，探測(cè)盲區(qū)為60 m，測(cè)距分辨率為15 m，其主要相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)見表1。

用于對(duì)比的探空數(shù)據(jù)來源于成都市溫江氣象站，該數(shù)據(jù)為一天2次(探測(cè)時(shí)間分別為北京時(shí)間07:00、19:00)的探空觀測(cè)資料，其垂直空間上的分辨率為5 m，主要包含氣溫、氣壓、濕度和露點(diǎn)溫度等氣象要素。探空站位于郊區(qū)，而激光雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)位于城區(qū)，兩地相距大約20 km，下墊面有所不同，因此兩地的混合層高度可能存在一定的差距，但考慮到對(duì)比分析時(shí)所采用的數(shù)據(jù)均選自早晚時(shí)刻，這樣的時(shí)間里混合層高度比較低，且受下墊面熱力作用的影響不大，同時(shí)兩地都受同一天氣系統(tǒng)影響，所以在一定的誤差范圍內(nèi)2種結(jié)果具有一定的可比性。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 反演方法

大氣邊界層中富含氣溶膠粒子，據(jù)此可將氣溶膠作為追蹤劑以實(shí)現(xiàn)Mie散射激光雷達(dá)對(duì)大氣邊界層特征參數(shù)的反演。氣溶膠濃度在混合層中垂直分布趨于均勻，在混合層以上部分則會(huì)迅速減小，因此氣溶膠后向散射系數(shù)將會(huì)在混合層頂發(fā)生一個(gè)由強(qiáng)到弱的突變過程[18]。故可以利用這一特征確定混合層的高度，算法的流程[14]：

1)采用SBH99擬合方法將探測(cè)所得的氣溶膠后向散射系數(shù)隨高度變化曲線擬合成理想的后向散射系數(shù)曲線B(z)。擬合方法中假定Bm為大氣混合層內(nèi)后向散射系數(shù)的平均值，Bn為混合層以上區(qū)域大氣后向散射系數(shù)的平均值，擬合的理想后向散射系數(shù)B(z)可由誤差函數(shù)erf(a)表示為

(1)

(2)

式中Z為所研究大氣層高度，Zm為混合層高度，s是一個(gè)與卷夾層厚度有關(guān)的參數(shù)。

2)利用最小二乘法(rmsd)對(duì)實(shí)際探測(cè)得到的后向散射系數(shù)值和擬合的理想后向散射系數(shù)的差值求最小均方根值，以獲得大氣混合層高度Zm和參數(shù)s的值。

3)最后根據(jù)擬合的后向散射系數(shù)B(z)的垂直分布曲線來獲得混合層高度和卷夾層厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mie散射激光雷達(dá)反演混合層高度的適用性驗(yàn)證

在混合層中，由于湍流運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散和稀釋作用，氣層內(nèi)空氣混合充分，各種物理量包括動(dòng)量、熱量、水汽和其他物質(zhì)在垂直方向上趨于常值。逆溫層是穩(wěn)定性層結(jié)，能像蓋子一樣阻礙污染物向上輸送，將其束縛在混合層內(nèi)，因而逆溫層底對(duì)應(yīng)的高度即為大氣混合層高度[19]。在此，將激光雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果與同一時(shí)間探空氣球所測(cè)位溫隨高度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證激光雷達(dá)所測(cè)結(jié)果的有效性。以2014年1月31日07：00探空資料的大氣溫度廓線為例，如圖1(a)所示，從地面到240 m高度，大氣溫度隨高度的增加略微減小，位溫隨高度的增加則呈現(xiàn)緩慢增加，表明這一氣層的穩(wěn)定度是趨于中性的。240～275 m的這一氣層內(nèi)大氣溫度隨高度的增加出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)，同時(shí)位溫的增長(zhǎng)率也明顯增大。據(jù)此可以判定該氣層由逆溫控制，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，逆溫層底高約為240 m。圖1(b)為同一時(shí)間激光雷達(dá)測(cè)量的氣溶膠后向散射系數(shù)的垂直廓線，從中可以清晰地看出，185～280 m這一氣層中，氣溶膠后向散射系數(shù)發(fā)生了突變，其值發(fā)生急劇減小，240 m處約為后向散射系數(shù)垂直變化率最大的位置，由此可以確定混合層高度也在240 m左右。

圖1 成都市2014年1月31日07：00溫度廓線及位溫廓線與后向散射系數(shù)曲線

從圖1可以看出，2014年1月31日07：00溫度廓線、位溫廓線表征的混合層高度與后向散射系數(shù)反演的混合層高度基本保持一致。通過對(duì)其他時(shí)段類似對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。圖2為2014年1月運(yùn)用探空數(shù)據(jù)中的位溫得到的混合層高度與激光雷達(dá)反演得到的混合層高度兩者之間的線性關(guān)系圖，相關(guān)系數(shù)r為0.893 4，由此可見，通過2種數(shù)據(jù)得到的混合層高度具有較好的一致性，因此可以推斷出Mie散射激光雷達(dá)在反演邊界層參數(shù)中的可行性。

2.2 重霾過程背景情況

2014年春節(jié)前后，即1月23日至2月4日四川盆地出現(xiàn)了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)13 d的區(qū)域性污染天氣過程，影響范圍極廣，涉及16個(gè)地級(jí)城市，其中以成都市的污染程度最為嚴(yán)重。

圖2 觀測(cè)期激光雷達(dá)與探空氣球得到的混合層高度的相關(guān)性

根據(jù)四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的觀測(cè)資料，在此期間，成都地區(qū)嚴(yán)重污染天氣出現(xiàn)了6 d、重度污染6 d、中度污染1 d，其中1月27—31日連續(xù)5 d為嚴(yán)重污染。1月23日AQI便已達(dá)到較高水平，當(dāng)天為嚴(yán)重污染。此后幾天，由于多云陰天天氣，近地面有較強(qiáng)的逆溫層存在，層結(jié)穩(wěn)定且風(fēng)速較小，大氣擴(kuò)散條件差，致使污染物不斷累積，污染程度加重，到1月27日，AQI已達(dá)到363。1月31日(初一)受除夕夜煙花爆竹集中燃放的影響，顆粒物進(jìn)一步累積，加重了污染程度，當(dāng)天AQI高達(dá)470。2月1—4日，污染物累積效應(yīng)減弱，污染程度緩慢減輕，相應(yīng)地AQI也逐漸減小，直至2月5日冷空氣到來，污染過程徹底結(jié)束，AQI下降至105。成都市1月23日至2月4日AQI逐日變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 成都市1月23日至2月4日AQI逐日變化趨勢(shì)

2.3 重霾過程混合層高度分析

以1月23日至2月4日為研究時(shí)段，利用SBH99算法計(jì)算該時(shí)段逐時(shí)的混合層高度，通過計(jì)算得出，整個(gè)過程中混合層高度平均值很低，約378 m，其變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，混合層高度在夜間最低，其值通常在300 m上下波動(dòng)，午后15：00、16：00達(dá)到最大值。此外，1月27日之前，混合層高度較高，日變化明顯；在1月27日到2月1日期間，混合層高度相比于前幾日發(fā)生了明顯降低，并且混合層高度的最大值、最小值之間差距縮小，日變化特征不明顯，對(duì)應(yīng)于這段時(shí)間空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)升高、空氣質(zhì)量狀況嚴(yán)重。2月1日之后，混合層高度有所增加且日變化趨勢(shì)明顯，對(duì)應(yīng)于污染程度減緩。由此可見，霾天氣發(fā)生時(shí)混合層高度顯著下降，重霾污染期間混合層高度較低，大氣擴(kuò)散條件很差，十分不利于污染物在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)。本計(jì)算值低于王治華等[20]在成都類似的研究結(jié)果，這也進(jìn)一步反映了此次重霾過程氣象條件的特殊性。

圖4 成都市1月23日至2月4日混合層高度的演變

為進(jìn)一步描述該污染過程中混合層高度的日變化特征，以2014年1月30日為典型日進(jìn)行研究，圖5則為該日后向散射系數(shù)24 h時(shí)空變化圖，黑色圓點(diǎn)表示混合層高度。由圖5可見，00:00—07:00混合層高度比較低，平均約277 m，湍流活動(dòng)很弱，層結(jié)穩(wěn)定，氣溶膠主要集中在地表；07:00之后，由于太陽輻射增強(qiáng)，地面逐漸升溫，下墊面與大氣之間的相互作用得到加強(qiáng)，大氣層結(jié)由夜間的穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)過渡，混合層高度抬升，污染物在垂直方向上擴(kuò)散；中午前后，太陽輻射最強(qiáng)，對(duì)流最旺盛，對(duì)應(yīng)14:00混合層高度達(dá)到最大值530 m，夜間集中在地面的氣溶膠被稀釋擴(kuò)散，因此圖5顯示此時(shí)段后向散射系數(shù)?。浑S著太陽輻射的減弱，大氣層界向穩(wěn)定狀態(tài)過渡，混合層高度也在此階段逐漸降低，到夜間18:00大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，混合層高度穩(wěn)定在260 m左右，氣溶膠又聚集在近地面。但從圖5可以看出，1月30日混合層高度的變化波動(dòng)不明顯，即混合層高度的最大值與最小值之間相差不大，此種情況在整個(gè)重霾過程中都有體現(xiàn)。

圖5 成都市2014年1月30日后向散射系數(shù)24 h時(shí)空變化圖

圖6進(jìn)一步給出了利用SBH99算法得到的成都市2014年1月30日07:00、08:00、09:00、10:00混合層高度的反演結(jié)果。綜合圖5和圖6分析可以看出，此次重霾過程中，混合層高度很低，且日變化較小。在此氣象條件下，晚上產(chǎn)生的污染物在白天不能得到很好的稀釋，而白天產(chǎn)生的污染物在夜間有可能會(huì)得到進(jìn)一步積累，造成更加嚴(yán)重的污染。

圖6 SBH99算法得到的成都市2014年1月30日混合層高度

2.4 混合層高度與氣象因子對(duì)比分析

混合層高度的發(fā)展不僅與太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)也受空氣濕度、空氣溫度、風(fēng)速等氣象因子及人類活動(dòng)的共同影響。在此，以重霾過程中污染較為嚴(yán)重的1月30日、31日以及隨后污染程度減弱的2月1日、2日、3日為例，列舉出空氣溫度、相對(duì)濕度與混合層高度的日變化情況，以便于更加詳細(xì)地分析氣象要素與混合層之間的關(guān)系，具體見圖7、圖8。由于空氣溫度是太陽輻射強(qiáng)度的直接體現(xiàn)，它隨著太陽輻射的增強(qiáng)而升高，促使混合層高度得以發(fā)展，反之，則會(huì)對(duì)混合層的發(fā)展起抑制作用。

從圖7可以看出，混合層高度與空氣溫度有很好的相關(guān)性，在日變化分析中，空氣溫度的最大值、最小值分別出現(xiàn)在午后和夜間，對(duì)應(yīng)于混合層高度的最大值、最小值也出現(xiàn)在相應(yīng)時(shí)段；在過程分析中，在1月30日、31日期間污染嚴(yán)重，空氣溫度值比較低，平均約10.0 ℃，對(duì)應(yīng)于混合層較高，2月1—3日，空氣溫度逐漸升高，平均約12.9 ℃，對(duì)應(yīng)于混合層高度也出現(xiàn)了增高的趨勢(shì)。由此可見，混合層高度與空氣溫度存在著較好的正相關(guān)關(guān)系。

從圖8可以看出，混合層高度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)出很明顯的反向變化趨勢(shì)。相對(duì)濕度本身與空氣溫度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)空氣溫度升高時(shí)，地面水汽的蒸發(fā)作用增強(qiáng)，相對(duì)濕度降低，而在濕度較高的環(huán)境下，會(huì)伴隨較低的地面溫度，同時(shí)由于水汽的高比熱會(huì)吸收更多的熱量，降低了本身熱量就很小的地面對(duì)空氣的加熱效率，從而致使混合層高度無法得到抬升。

圖7 空氣溫度與混合層高度的日變化

圖8 相對(duì)濕度與混合層高度的日變化

3 結(jié)論

在對(duì)Mie散射激光雷達(dá)反演混合層高度適用性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，基于SBH99算法對(duì)成都一次重霾過程中混合層高度的演變特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，進(jìn)一步揭示了混合層與氣象因子的關(guān)系，這將有利于深化對(duì)重霾發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并可為大氣環(huán)境規(guī)劃和應(yīng)急管理提供理論支撐。

1)經(jīng)過對(duì)比分析表明，由后向散射系數(shù)反演的混合層高度與溫度曲線表征的混合層高度之間存在較好的一致性，因此將Mie散射激光雷達(dá)用于反演大氣邊界層結(jié)構(gòu)參數(shù)具有可行的。

2)霾天氣發(fā)生后，混合層高度顯著下降，并且混合層高度的最大值與最小值之間差距縮小，日變化波動(dòng)不明顯；此次重霾過程中，混合層高度平均值較低，約378 m。在此氣象條件下，晚上產(chǎn)生的污染物在白天不能得到很好的稀釋，而白天產(chǎn)生的污染物在夜間有可能會(huì)得到進(jìn)一步積累，造成更加嚴(yán)重的污染。

3)混合層高度的發(fā)展與空氣溫度的變化趨勢(shì)存在較好的正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)存在明顯的反向關(guān)系。

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Analysis of Mixed Layer Height by Lidar Detection over a Heavy Haze Episode

ZHOU Yanqiu1,2, NI Changjian1,2, LIU Peichuan3, ZHANG Yan1

1.School of Atmosphere Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China 2.The Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China 3.Sichuan Province Environmental Monitoring Station, Chengdu 610041, China

In order to deepen the understanding of the mixed layer height in winter, a heavy haze episode from January 23 to February 4, 2014 in Chengdu was observed by Mie scattering lidar. Based on the backscatter coefficient observed from Mie scattering lidar, the mixed layer height was calculated by SBH99 algorithm, and then analysis its evolution characteristics and its relationship with meteorological factors. The main conclusions are summarized as following: According to a comparative analysis of mixed layer height indicated by lidar and stratification curve, results showed a better consistency, whose correlation coefficient R was 0.893 4. The average height of mixed layer was low during this heavy haze episode, which was about 378 m; after the occurrence of haze, the mixed layer height significantly decreased with little change in diurnal variation, and the gap between maximum and minimum of mixed layer was reduced. The development of the mixed layer height had a positive correlation with the change of air temperature, and a negative correlation with relative humidity.

Mie scattering lidar; heavy haze episode; the mixed layer height; SBH99 algorithm

2015-10-21;

2015-12-29

四川省環(huán)境保護(hù)重大科技資助專項(xiàng)(2013HBZX01)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15ZA0179)

周燕秋(1991-)，女，重慶人，在讀碩士研究生。

X823

A

1002-6002(2016)04- 0022- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.04