顧人穎，廖桉樺，朱純陽

(1.寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315194； 2.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315202)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，公眾對環(huán)境問題的關注度也越來越高，近年來政府部門已經(jīng)在加大治理城市空氣污染，但是霧和霾等天氣時有發(fā)生。霧和霾等現(xiàn)象都是空氣中的氣溶膠粒子增多引起的能見度下降，其中，霾對人體健康影響較大，明顆粒物濃度與呼吸道疾病的發(fā)生有密切的關系，特別是空氣動力學直徑<2.5 μm的顆粒物(PM2.5)。

目前，國內(nèi)各地環(huán)保部門都有監(jiān)測顆粒物的儀器，但主要為近地面觀測。除個別地方利用鐵塔進行觀測外，國內(nèi)大部分地方仍沒有氣溶膠濃度的垂直觀測資料，這樣獲得的數(shù)據(jù)有一定的局限性，也不利于對氣溶膠的變化規(guī)律進行深入分析和研究。

隨著激光雷達的研制成功，已有部分學者對其測量精度進行對比，發(fā)現(xiàn)激光雷達探測的氣溶膠消光系數(shù)與實測的氣溶膠濃度之間存在較好的相關性[1]，這使研究氣溶膠的垂直時空分布變得可行。2015年，寧波市有2臺激光雷達在奉化和鎮(zhèn)海安裝投入使用，筆者對鎮(zhèn)海站2015年7月至2017年6月的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，初步探討寧波市氣溶膠垂直分布特征。

1 觀測場地和資料

1.1 觀測站點

寧波市氣象系統(tǒng)的2臺激光雷達分別安裝在寧波市鎮(zhèn)海區(qū)氣象局以及奉化區(qū)氣象局內(nèi)，離寧波城區(qū)直線距離分別為13和28 km。寧波市環(huán)境監(jiān)測中心也有一臺激光雷達在2016年投入使用，雖然就在城區(qū)，但目前積累數(shù)據(jù)時間相對較短。綜合考慮，挑選鎮(zhèn)海站的數(shù)據(jù)來代表寧波。

1.2 數(shù)據(jù)時段

由于云粒子也屬于氣溶膠，本研究重點關注PM2.5等顆粒物，在有多個波長的時候能夠通過不同波長的消光系數(shù)變化區(qū)分出云粒子和顆粒物粒子，但方法較為復雜，為盡可能減少云對結(jié)果的影響，此處單獨挑選晴天的數(shù)據(jù)進行研究。研究時間為2015年7月1日至2017年6月30日內(nèi)的晴天。對于晴天的挑選，按照預報服務的標準，即低云<1成或高云<4成。由于2014年起國家一般氣象站已經(jīng)取消了云的觀測，鎮(zhèn)海和奉化已無云觀測記錄，此處使用鄞州站的云觀測資料替代。以日平均低云量<1成且日平均總云量<4成進行篩選，同時考慮鎮(zhèn)海站全天無降水，日照時數(shù)>8.0 h，得到晴天日數(shù)。對于挑選出來的晴天，如當天激光雷達數(shù)據(jù)大量缺失的，則予以剔除，合計共挑選出參與計算晴天68 d。按照月份劃分季節(jié)，春(3月、4月、5月)、夏(6月、7月、8月)、秋(9月、10月、11月)、冬(12月、1月、2月)分別為28、10、10、20 d。

1.3 資料預處理

寧波市氣象局安裝的2臺激光雷達為無錫中科光電技術有限公司生產(chǎn)的AGHJ-I-LIDAR大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達。雷達使用355和532 nm雙波長探測，垂直分辨率為7.5 m，可測量出對應波長在0～15 km高度上的消光系數(shù)變化。本研究直接使用雷達輸出的消光系數(shù)進行計算，未進行波長轉(zhuǎn)換[2]。

從實際測量數(shù)據(jù)來看，存在2個比較明顯的問題：一是高度超過5 km后雜波明顯增加，在垂直高度和時間的二維圖像上表現(xiàn)為孤立零散的雜波點；二是激光雷達的數(shù)據(jù)在通過高消光系數(shù)區(qū)域后，雜波也會明顯增加，表現(xiàn)為明顯超出高值區(qū)的線狀雜波和離散的點狀雜波。

針對上面的第1個問題，從實際測量數(shù)據(jù)來看，一般顆粒物集中分布在2.5 km以下，本文重點討論垂直高度0～3 km的消光系數(shù)變化特征。針對第2個問題，考慮空氣狀態(tài)的連續(xù)變化，消光系數(shù)的變化也有一定的連續(xù)性，因此，在某一固定高度上的消光系數(shù)也應該是連續(xù)變化的。對每個高度上的數(shù)據(jù)進行時間上的滑動平均，以數(shù)據(jù)點本身以及前后各3個時次共7個數(shù)據(jù)求平均，此方法能平滑掉一部分雜波，但同時也對消光系數(shù)的高值區(qū)有一定影響。

2 氣溶膠消光系數(shù)垂直分布特征

2.1 能見度與消光系數(shù)

在氣象上，霾是根據(jù)能見度來定義其強度的，而能見度與消光系數(shù)之間的關系可以由Koschmieder公式來表示：

Vis=K/Bext×1 000。

式中：Vis為能見度，單位為km；Bext為消光系數(shù)，單位為km-1；K為常數(shù)，不同地區(qū)得出的值不一樣。Wang等[3]在研究珠三角地區(qū)時，K取3.912；Che[4]和Deng等[5]研究城市區(qū)域時，K取1.9；盧慧劍等[6]通過對杭州能見度和消光系數(shù)的實測值擬合，得出杭州地區(qū)K值為1.81?？紤]寧波與杭州在地理位置和氣候特征上都比較接近，本研究K值取與杭州一致，為1.81。

浙江氣象臺根據(jù)氣象服務需要劃分的霾等級標準中，在相對濕度<80%的情況下，以能見度進行劃分不同的霾等級，具體見表1。在此根據(jù)其能見度界限計算對應消光系數(shù)的界限，根據(jù)得出的消光系數(shù)界限求出超過對應消光系數(shù)范圍的高值區(qū)，并對全部數(shù)據(jù)進行平均。

表1 寧波市霾等級分級與對應消光系數(shù)

2.2 平均消光系數(shù)的垂直分布特征

在對前文所述的晴天鎮(zhèn)海站激光雷達消光系數(shù)數(shù)據(jù)平均統(tǒng)計后得到圖1，可以發(fā)現(xiàn)，355 nm波長的消光系數(shù)平均高值區(qū)可達0.6 km-1，離地面有一定的距離，主要出現(xiàn)在0.5～0.9 km，時間上主要出現(xiàn)在9：00—23：00。消光系數(shù)>0.4 km-1區(qū)域的上邊界呈現(xiàn)出一定的日變化趨勢，中午前后與日出、日落時相比略高。

在532 nm波長上，消光系數(shù)的平均值明顯<355 nm波長，消光系數(shù)>0.2 km-1區(qū)域的范圍比355 nm波長消光系數(shù)>0.4 km-1的范圍小。532 nm波長上消光系數(shù)高值區(qū)僅為0.4～0.6 km-1，未出現(xiàn)消光系數(shù)均值>0.6 km-1的區(qū)域，同時高值區(qū)主要出現(xiàn)在近地面層，集中分布在0.1～0.3 km。

355、532 nm波長的平均消光上界，在中午前后都會出現(xiàn)一個峰值，或與邊界層的變化有一定的關系。

2.3 消光系數(shù)高值區(qū)的范圍

考慮到直接對消光系數(shù)進行平均統(tǒng)計不一定能真實反映氣溶膠真實的分布范圍，特別是某幾次高消光系數(shù)可能會引起局部區(qū)域的平均值偏高。按照1.3節(jié)方法處理后，分析在某一消光系數(shù)以上區(qū)域的概率分布情況，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，在消光系數(shù)高值區(qū)的分布概率上，355和532 nm波長明顯不同。總體上，355 nm波長區(qū)域明顯>532 nm波長對應區(qū)域；從高度分布上來看，355 nm波長高概率區(qū)域的上界和下界均比532 nm波長高，同時，能看出有明顯的日變化，中午前后上界有峰值。

A為355 nm波長；B為532 nm波長圖1 寧波市平均消光系數(shù)的分布

A、C、E、F為355 nm波長，消光系數(shù)分別為0.362、0.603、0.905、1.81 km-1；B、D、G、H為532 nm波長，消光系數(shù)分別為0.362、0.603、0.905、1.81 km-1圖2 寧波市不同消光系數(shù)概率分布的區(qū)域

消光系數(shù)>0.362 km-1概率分布如圖2所示，與同時段的消光系數(shù)平均值分布相類似，存在日變化趨勢。355 nm波長上，有>0.4的概率會在7：00—9：00出現(xiàn)在近地面，9：00之后開始上升，11：00以后>0.4概率的區(qū)域下界上升至>0.2 km。而在532 nm波長上，>0.4的概率分布高值區(qū)下界較低，基本都在0.1 km以下。

消光系數(shù)>0.603 km-1的概率分布表明，>0.3概率區(qū)域大幅度減少，無>0.4概率區(qū)域。在355 nm波長上，各概率出現(xiàn)區(qū)域上界有比較明顯的日變化。在532 nm波長上，各概率區(qū)域的上界下界無明顯日變化，各概率的下界貼近地面分布。

消光系數(shù)>0.905 km-1的概率分布表明，355 nm波長上最大出現(xiàn)概率為0.2～0.3，主要出現(xiàn)在14：00以前，上界在中午前達到最大高度，下界日變化不明顯。而在532 nm波長上，0.1～0.2概率出現(xiàn)區(qū)域下界貼近地面，上界也幾乎維持在0.3 km左右，其中，日出前后出現(xiàn)概率為0.1以下。

消光系數(shù)在>1.81 km-1的概率分布表明，532 nm波長上沒有>0.1概率的區(qū)域。在355 nm波長上，出現(xiàn)>0.1概率區(qū)域與地面有一定距離，除了日出前后有少量分布在0.3～0.5 km外，其余時間主要分布在0.5～1.0 km。

3 小結(jié)與討論

對2015年7月至2017年6月鎮(zhèn)海站晴天AGHJ-I-LIDAR激光雷達的資料分析結(jié)果表明：1)355 nm波長的平均消光系數(shù)明顯高于532 nm波長，355 nm波長的消光系數(shù)平均高值區(qū)可達>0.6 km-1，離地面有一定的距離，主要出現(xiàn)在0.5～0.9 km，時間上主要出現(xiàn)在9：00—23：00。消光系數(shù)>0.4 km-1區(qū)域的上邊界呈現(xiàn)出一定的日變化趨勢，中午前后與日出、日落時相比略高。632 nm波長上消光系數(shù)高值區(qū)僅為0.4～0.6 km-1，主要出現(xiàn)在近地面層，集中分布在0.1～0.3 km，時間上主要在13：00—21：00。2)按照5、3、2、1 km劃定消光系數(shù)的界限為0.362、0.603、0.905、1.81 km-1，統(tǒng)計超過界限消光系數(shù)的出現(xiàn)區(qū)域概率。消光系數(shù)高值區(qū)的分布概率上，355 nm波長區(qū)域明顯>532 nm波長對應區(qū)域；從高度分布上來看，355 nm波長高概率區(qū)域的上界和下界都比532 nm波長要高。同時有明顯的日變化，特別是在355 nm波長上，中午前后上界有峰值。

由于數(shù)據(jù)時間段本身比較少，挑選出晴天后參數(shù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)更少，分布特征雖然看起來存在一定的合理規(guī)律，但這些統(tǒng)計后的量并不一定就能代表寧波市全年的真實平均狀態(tài)。分季節(jié)分析或許更有代表意義，但是數(shù)據(jù)量繼續(xù)減少將導致分析出的結(jié)果代表性進一步降低。使用不同通道資料將云和降水與顆粒物分別進行分析，提高可用數(shù)據(jù)量能有效提高分析的可靠性，這也是筆者下一步工作的方向。另外，激光雷達資料的時空分辨率高，使用此類資料進行過程分析和預報應用應該是另外一種合理的做法。

[1] 范廣強, 劉建國, 張?zhí)焓? 等. 基于差分吸收激光雷達的云消除算法研究[J]. 光子學報, 2012, 41(10): 1135-1139.

[2] 莊雯雯, 賀千山, 王軍, 等. 基于地面微脈沖激光雷達的上海冬季霾強度及高度分析[J]. 環(huán)境科學學報, 2015, 35(3): 627-635.

[3] WANG X M, DING X, FU X X, et al. Aerosol scattering coefficients and major chemical compositions of fineparticles observed at a rural site in the central Pearl River Delta, South China [J]. Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(1): 72-77.

[4] CHE H Z. Horizontal visibility trends in China 1981—2000 [J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(24): 497-507.

[5] DENG J J, WANG T J, JIANG Z Q, et al.Characterization of visibility and its affecting factors over Nanjing, China [J]. Atmospheric Research, 2010, 101(3): 681-691.

[6] 盧慧劍, 金均, 王瓊真, 等. 杭州市大氣PM2.5消光特性研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2016, 38(9): 53-56.

[7] 趙一鳴, 李艷華, 商雅楠, 等. 激光雷達的應用及發(fā)展趨勢[J]. 遙測遙控, 2014, 35(5): 4-22.

[8] 沈鐵迪, 王體健, 陳璞瓏, 等. 南京城區(qū)夏秋季能見度與PM2.5化學成分的關系[J]. 中國環(huán)境科學, 2015, 35(3): 652-658.

[9] 翟崇治, 周乾, 余家燕, 等. 偏振米散射激光雷達在大氣監(jiān)測中的應用[J]. 激光雜志,2013, 34(1): 34-36.

[10] 何濤, 侯魯健, 呂波, 等. 激光雷達探測反演PM2.5濃度的精度研究[J]. 中國激光, 2013, 40(1): 212-217.

[11] 嚴國梁, 韓永翔, 張祥志, 等. 南京地區(qū)一次灰霾天氣的微脈沖激光雷達觀測分析[J]. 中國環(huán)境科學, 2014, 34(7): 1667-1672.

[12] 伯廣宇, 劉東,吳德成, 等. 雙波長激光雷達探測典型霧霾氣溶膠的光學和吸濕性質(zhì)[J]. 中國激光, 2014, 41(1): 207-212.