林阿玲 巫錫洪 蔣永成 陳 賽 黃 亮

2017年2-3月廈門氣溶膠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析*

林阿玲1,2巫錫洪1,2蔣永成1,2陳 賽1,2黃 亮1,2

1. 海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室 2.廈門市氣象臺(tái)

利用2017年2月16日－3月15日廈門氣溶膠激光雷達(dá)反演得出的顆粒物邊界層（PBL）高度、消光系數(shù)、退偏振比等雷達(dá)產(chǎn)品，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)的風(fēng)速和相對(duì)濕度、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)綜合分析。結(jié)果表明，激光雷達(dá)在反演顆粒物邊界層高度PBL時(shí)，對(duì)降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對(duì)脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測(cè)顆粒物的消光特性，能在污染期間對(duì)氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要作用；激光雷達(dá)反演的AOD值的變化能較好反映研究期間大氣污染過(guò)程的變化；激光雷達(dá)能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過(guò)程。

激光雷達(dá) 氣溶膠 顆粒物邊界層 AOD AQI

1 概述

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，它是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，波長(zhǎng)一般在微米量級(jí)，主要用于探測(cè)極細(xì)小的微粒和分子。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如分辨率高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率；低空探測(cè)性能好，抗有源干擾能力強(qiáng)；單色性好，方向性強(qiáng)；體積小，質(zhì)量輕等。激光雷達(dá)可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變。由激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層（PBL)的結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）消光系數(shù)垂直廓線和時(shí)間演變特征、云層高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見度和PM2.5、PM10濃度等信息[1]。目前激光雷達(dá)已經(jīng)成為對(duì)大氣、海洋和陸地進(jìn)行高精度遙感探測(cè)的有效手段，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天、通信、導(dǎo)航和定位等高新技術(shù)領(lǐng)域，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象要素測(cè)量等方面顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和突出的發(fā)展前景[1-4]。

激光雷達(dá)探測(cè)大氣環(huán)境的工作原理是：激光器發(fā)射的激光通過(guò)與大氣中的氣溶膠及各種大氣成分的作用而產(chǎn)生后向散射信號(hào)。對(duì)探測(cè)器接收的攜帶著被測(cè)物質(zhì)有關(guān)的信息(吸收、散射等)進(jìn)行分析處理便可得到所需的大氣物理要素[4]。激光雷達(dá)可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變。由激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層（PBL)的結(jié)構(gòu)和時(shí)空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）消光系數(shù)垂直廓線和時(shí)間演變特征、云層高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見度和PM2.5、PM10濃度等信息[3]。

Piirrone等[5-6]利用激光雷達(dá)反演了對(duì)流邊界層厚度和云層信息，并通過(guò)與探空曲線、衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了激光雷達(dá)探測(cè)的有效性；Cohn等[7]與林常青等[8]分別通過(guò)在伊利諾斯州和北京的一次激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了激光雷達(dá)探測(cè)邊界層高度的可行性，通過(guò)將激光雷達(dá)觀測(cè)與地面觀測(cè)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了激光雷達(dá)的反演結(jié)果和算法的可靠性；李禮等[9]利用激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)得出了大氣重污染期間PBL平均高度為320~350m，大氣顆粒物污染帶處于100~400m，異常的大氣環(huán)形勢(shì)和重慶主城區(qū)獨(dú)特的地形、氣候特征是造成持續(xù)重污染天氣的原因；李紅等[10]基于小波變換法開展了激光雷達(dá)資料的邊界層高度反演方法研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是理想廓線還是疊加擾動(dòng)的廓線中，較大的小波振幅易得到比較穩(wěn)定準(zhǔn)確的白天邊界層與夜間混合層高度；胡向軍等[11-12]就激光雷達(dá)資料的氣溶膠輻射效應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)能夠很好地反映出晴朗天氣、浮沉天氣及揚(yáng)沙天氣背景下大氣氣溶膠廓線的變化特征，驗(yàn)證了其探測(cè)資料在邊界層模式中的應(yīng)用價(jià)值。

已有的相關(guān)研究表明了激光雷達(dá)探測(cè)的可行性、有效性及其應(yīng)用價(jià)值，揭示了其對(duì)監(jiān)控污染物擴(kuò)散和輸送的重要作用。目前，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，大氣污染物已經(jīng)成為政府部門關(guān)注、廣大民眾關(guān)心的問題之一[13-17]，利用激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)對(duì)污染物沉降過(guò)程監(jiān)測(cè)分析，以及大氣污染物清除的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[17-19]。

激光雷達(dá)是大范圍快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段，利用氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行垂直掃描，可以開展城市高空污染演變、污染物跨界輸送、氣溶膠時(shí)空分布特征等研究。我們?cè)?017年2月16日～3月15日期間，綜合利用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)反演的PBL和AOD、國(guó)家基本氣象站觀測(cè)多要素?cái)?shù)據(jù)，以及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，初步探討了激光雷達(dá)在顆粒物污染過(guò)程中應(yīng)用。

2 氣象空氣質(zhì)量和氣象要素變化情況

微脈沖激偏振光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，簡(jiǎn)稱MPL）設(shè)置在廈門市氣象局（24°29′N，118°04′E），工作波長(zhǎng)532nm。氣象多要素站位于廈門市（24°29′N，118°04′E），是國(guó)家基本站。觀測(cè)時(shí)間為2017年2月16～3月15日，對(duì)應(yīng)時(shí)段的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采用網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)。

2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)變化情況

圖1給出了2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI變化時(shí)間序列圖。從圖中可以看出出現(xiàn)兩次明顯的污染過(guò)程，分別為2月16～20日以及2月27日～3月9日，AQI均大于50，為良；其中3月1日AQI達(dá)到127，為輕度污染。其中2月18日和3月1日顆粒物出現(xiàn)明顯的峰值，2月18日AQI指數(shù)為99，PM2.5和P10濃度分別為71μg/m3，99μg/m3，AQI為96；3月1日PM2.5和PM10濃度分別為95μg/m3，132μg/m3，AQI則達(dá)到127。

圖1 2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI時(shí)間序列圖

2.2 氣象要素變化情況

圖2給出了廈門市國(guó)家基本氣象站（59134）在研究期間的日雨量、日平均能見度、日平均相對(duì)濕度變化的時(shí)間序列圖。從圖2可見，研究期間出現(xiàn)了兩次較為明顯的降水天氣過(guò)程，分別為2月19～27日以及3月7～11日，其中2月22日達(dá)到暴雨量級(jí)，日累計(jì)雨量為71.8mm，另外，2月25日和3月10日達(dá)到中雨量級(jí)，日降水分別是11.8mm和15.1mm。在兩次降水過(guò)程期間，相對(duì)濕度基本都超過(guò)80%，在降水間歇期，即2月28日～3月6日，近地面濕度較小，日均相對(duì)濕度為40%～70%左右。受降水沖刷作用的影響，降水過(guò)程期間，日均能見度較高（大于20km），對(duì)應(yīng)顆粒物濃度較低（圖1）；而在降水間歇期低濕條件下，能見度顯著下降（小于15km），且對(duì)應(yīng)較高的顆粒物濃度（圖1），2月28日～3月6日期間，僅有3月6日空氣質(zhì)量為優(yōu)（AQI小于50），其余日AQI均大于50，空氣質(zhì)量受近地面氣象要素影響顯著。

圖2 2017年2月16日～3月15日，廈門市日雨量、平均相對(duì)濕度和能見度序列圖

3 激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 激光雷達(dá)產(chǎn)品分析

顆粒物邊界層（PBL）高度是大氣層與地面摩擦作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，其高度隨氣象條件、地形、地面粗糙度而變化，一般在300~1000m[9]，是反映污染物空間擴(kuò)散條件的重要指標(biāo)之一，能反映大氣垂直擴(kuò)散條件的優(yōu)劣[20]。

圖3給出了邊界層高度PBL在觀測(cè)期間的變化序列，其中橙色為 PM2.5濃度，黑色為PM10濃度。綜合圖2和圖3可知，在兩次降水天氣過(guò)程期間（2月19～27日和3月7～11日），除3月7～9日弱降水過(guò)程外，PBL高度總體較低，保持在 400～600m左右，顯然，持續(xù)的降雨過(guò)程導(dǎo)致 PBL層高度明顯降低，其中PBL高度最低為2月23日，對(duì)應(yīng)暴雨日，26～27日降水減弱，PBL高度明顯抬升；降水期間，PM10和 PM2.5均低于40μg/m3。大氣濕清除過(guò)程使得顆粒物濃度總體下降，顆粒物被降水拖拽后基本落地，且連續(xù)的降水過(guò)程使得近地面顆粒物被不斷沖刷清除，2月19～27日，顆粒物濃度在低濃度情況下仍呈下降趨勢(shì)。在降水間歇期中（2月28日～3月6日），顆粒物在近地面累積，濃度顯著上升，2月26～27日弱降水期間PBL高度較高，而后2月28日～3月1日無(wú)明顯降水時(shí)，PBL高度降低，對(duì)應(yīng)著PM2.5和PM10濃度顯著上升的情形，說(shuō)明在無(wú)降水天氣下，相對(duì)穩(wěn)定的大氣條件使得PBL高度下降，引起近地面顆粒物的累積。激光雷達(dá)在反演邊界層高度時(shí)，對(duì)降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對(duì)于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測(cè)顆粒物的消光特性，能在污染期間對(duì)氣溶膠的垂直特性分析發(fā)揮重要的作用。

3月14日，PBL高度為582m，低于13日的662m和15日的981m。

圖3 2017年2月16日～3月15日廈門市顆粒物邊界層高度、顆粒物濃度、AQI變化趨勢(shì)

氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是描述氣溶膠對(duì)光衰減作用的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，可以理解為氣溶膠的空間平均密度[6]。圖5是觀測(cè)期間氣溶膠光學(xué)厚度的變化趨勢(shì)。通過(guò)分析可知，在兩次連續(xù)性降水期間，受降水粒子以及深厚云層的影響，氣溶膠激光雷達(dá)反演的AOD值較高，值得注意的是，在第一次降水過(guò)程后期，26日起降水不明顯，AOD開始下降，雨后空氣較為清潔，27日AOD達(dá)到最低，為0.6左右，隨著2月28日～3月1日顆粒物的累積，且無(wú)明顯降水云系，AOD顯著抬升，超過(guò)1.5。此外，在非降水日的2月17～18日，也出現(xiàn)了顆粒物累積和AOD值升高的空氣污染過(guò)程，AQI值達(dá)到研究期間的次高峰（為99）。因此，激光雷達(dá)反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過(guò)程的變化。

圖4 2017年2月16日～3月15日廈門市氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢(shì)

3.2 污染過(guò)程分析

從AQI的變化趨勢(shì)上看，觀測(cè)階段內(nèi)2月18日、3月1日前后有輕度污染過(guò)程，下文結(jié)合AQI數(shù)據(jù)、PBL高度、消光系數(shù)、退偏振比、風(fēng)速和相對(duì)濕度，對(duì)2017年2月16～18日、2月27日～3月5日的氣溶膠時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行分析。消光系數(shù)顏色的深淺表示氣溶膠濃度的大?。舛仍礁撸伾缴睿?，退偏振比顏色深淺表示非球形粒子占比的輕重（占比越重，顏色越深）。

3.2.1 2017年2月16～18日

如圖5所示，通過(guò)分析可見：2月16日～17日上午（9～11時(shí)左右）近地面消光系數(shù)和退偏振比顏色加深，表明近地面有顆粒物逐漸積累。消光系數(shù)圖表明，自800m上空有氣溶膠粒子的沉降過(guò)程，這也是近地面顆粒物濃度上升的一個(gè)重要因素。16～17日，除9～11時(shí)前后AQI值較高外，整體空氣質(zhì)量較為良好，消光系數(shù)呈淺色，且PBL高度較高，午后大氣湍流垂直混合條件較好，氣溶膠粒子濃度下降迅速。2月18日邊界層高度下降顯著，夜晨PBL高度基本維持在500m以下，表明18日形勢(shì)總體較為靜穩(wěn)，水平和垂直擴(kuò)散能力較差，因此與16～17日出現(xiàn)短時(shí)峰值不同，17日夜間至18日，顆粒物濃度一直維持在較高的濃度水平，相對(duì)濕度也維持在90%左右，有利于顆粒物的吸濕增長(zhǎng)過(guò)程，PM2.5濃度在17日夜間至18日白天一直維持在75μg/m3以上，為典型的霾天氣過(guò)程，午后風(fēng)力加大后污染物逐漸消散。

相對(duì)濕度和退偏振比存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對(duì)濕度較小時(shí)，退偏振比顏色加深，數(shù)值增大，推測(cè)相對(duì)濕度較小時(shí)，缺少水汽在粒子表面冷凝形成水膜，因此氣溶膠團(tuán)整體呈現(xiàn)出非球形粒子的特征。

圖5 2017年2月16～18日污染過(guò)程多參數(shù)綜合分析圖

3.2.2 2017年2月27日～3月5日

如圖6所示，2月27日～3月1日顆粒物濃度和AQI逐漸上升，此時(shí)PBL高度逐漸下降，高空氣溶膠粒子沉降，近地面顆粒物逐漸積累，非球形粒子比重較大，其中1日06時(shí)和1日22時(shí)，消光系數(shù)均有明顯加深，顆粒物濃度達(dá)峰值。3月2日0時(shí)～3日0時(shí)，退偏振比圖表明廈門地區(qū)上空2～3km高度出現(xiàn)浮塵，消光系數(shù)圖表明，在0.8～2km高度，氣溶膠團(tuán)有先沉降后抬升的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，且有部分浮塵沉降至近地面。3月3日0時(shí)～4日6時(shí)，近地面消光系數(shù)、退偏振比顏色較淺，此時(shí)空氣質(zhì)量良好。3月4日6時(shí)～5日0時(shí)，陰雨天氣導(dǎo)致PBL高度降低，大氣擴(kuò)散條件變差，暖區(qū)，基本弱降水，顆粒物吸濕性增長(zhǎng)，局地氣溶膠粒子逐漸積累，顆粒物濃度上升。3月4～5日天氣記錄出現(xiàn)小雨，濕度上升，消光系數(shù)圖上用降雨符號(hào)標(biāo)注，可以清晰地看到降雨過(guò)程。

圖6 2017年2月27日～3月5日污染過(guò)程多參數(shù)綜合分析圖

4 結(jié)論

在研究期間（2017年2月16日～3月15日）內(nèi)，廈門地區(qū)經(jīng)歷兩次污染過(guò)程，分別為2月16～18日、2月27日～3月5日。結(jié)合雷達(dá)參數(shù)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)綜合分析，可知：

（1）激光雷達(dá)在反演邊界層高度時(shí)，對(duì)降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對(duì)于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測(cè)顆粒物的消光特性，能在污染期間對(duì)氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要的作用。

（2）激光雷達(dá)反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過(guò)程的變化。

（3）激光雷達(dá)能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過(guò)程。

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