朱 余，陶宗明，張 帥，施奇兵

1.安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽 合肥 230031 2.解放軍陸軍炮兵防空兵學(xué)院基礎(chǔ)部物理教研室, 安徽 合肥 230031 3.合肥光博量子科技有限公司，安徽 合肥 230031

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑在0.001～100 μm的液體或固體顆粒物，它是大氣污染物的主要成分，是城市光化學(xué)煙霧的重要來(lái)源，對(duì)人體的健康環(huán)境和全球氣候都有一定的影響[1]。近年來(lái)中國(guó)主要城市的顆粒物污染狀況得到一定遏制，但顆粒物濃度仍然較高[2-3]。要科學(xué)、有效防治大氣污染，精準(zhǔn)探測(cè)大氣污染物的立體時(shí)空分布是基礎(chǔ)。PM2.5監(jiān)測(cè)儀只能探測(cè)所在位置的污染情況，不能進(jìn)行遙控探測(cè)。衛(wèi)星中搭載主動(dòng)和被動(dòng)儀器(如MODIS和CALIOP等)，可對(duì)全球氣溶膠進(jìn)行主被動(dòng)觀測(cè)，它們的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣，可實(shí)現(xiàn)全球探測(cè)，但也存在一定的局限性(如MODIS產(chǎn)品的空間分辨率不夠高，CALIOP數(shù)據(jù)的信噪比不夠好等)。

激光自20世紀(jì)60年代被發(fā)明以來(lái)，很快被應(yīng)用到大氣探測(cè)中，激光雷達(dá)以精細(xì)的時(shí)間、空間和光譜分辨率，大的垂直跨度和高的探測(cè)精度吸引了各國(guó)科學(xué)家與工程技術(shù)人員的密切關(guān)注。近些年來(lái)隨著激光技術(shù)、光學(xué)機(jī)械加工技術(shù)、信號(hào)探測(cè)與采集技術(shù)的不斷提高和新的探測(cè)原理與方法的不斷涌現(xiàn)，激光雷達(dá)取得了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步，并在大氣、海洋及空間等領(lǐng)域得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用[4-7],其探測(cè)平臺(tái)也由地基探測(cè)發(fā)展為機(jī)載和星載。氣溶膠激光雷達(dá)的探測(cè)技術(shù)也由原來(lái)的米散射探測(cè)[8]發(fā)展為拉曼探測(cè)[9]和高分辨率光譜探測(cè)[10]。激光雷達(dá)已成為探測(cè)大氣氣溶膠的強(qiáng)有力工具。

把激光雷達(dá)裝在汽車(chē)上，可以實(shí)現(xiàn)地面上的移動(dòng)探測(cè)，適合對(duì)城市進(jìn)行大氣污染監(jiān)測(cè)。早期的車(chē)載激光雷達(dá)中汽車(chē)僅是運(yùn)輸工具，汽車(chē)把激光雷達(dá)從一地運(yùn)輸?shù)搅硪坏?，汽?chē)停下后激光雷達(dá)開(kāi)始探測(cè)[11]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段的車(chē)載激光雷達(dá)是走航式工作，即邊走動(dòng)邊探測(cè)[12-13]，同時(shí)還可以進(jìn)行掃描探測(cè)[14]。

筆者以激光雷達(dá)走航車(chē)為例，分析了激光雷達(dá)走航式探測(cè)污染物的原理，對(duì)該車(chē)在合肥、蕪湖等地的探測(cè)實(shí)例進(jìn)行分析。結(jié)果表明，激光雷達(dá)走航式探測(cè)技術(shù)在大氣污染物立體探測(cè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 走航車(chē)主要儀器簡(jiǎn)介

激光雷達(dá)走航車(chē)實(shí)物如圖1所示，主要儀器有氣溶膠激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)等。工作方式主要有定點(diǎn)豎直探測(cè)、定點(diǎn)掃描探測(cè)和走航式豎直探測(cè)等。氣溶膠激光雷達(dá)是車(chē)載的主要儀器，筆者對(duì)它進(jìn)行較詳細(xì)的介紹，而簡(jiǎn)要介紹測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。氣溶膠激光雷達(dá)的工作原理如圖2所示，主要由激光器、望遠(yuǎn)鏡、光電探測(cè)器、采集卡、掃描頭和工控計(jì)算機(jī)等部分組成，其各部分的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 激光雷達(dá)走航車(chē)外觀Fig.1 The photograph of lidar navigation vehicle

圖2 氣溶膠激光雷達(dá)原理Fig.2 The schematic diagram of aerosol lidar

表1 氣溶膠激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of aerosol lidar

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是利用激光干涉原理和多普勒效應(yīng)來(lái)探測(cè)大氣中不同高度水平的風(fēng)速，相關(guān)探測(cè)原理較繁，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。

2 走航車(chē)探測(cè)原理

激光雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)由激光雷達(dá)方程來(lái)描述。

(1)

式中：P(z)為激光雷達(dá)接收距離z處的大氣后向散射回波信號(hào)，C為系統(tǒng)常數(shù)，η(z)為系統(tǒng)幾何因子，α1(z)和β1(z)分別為距離z處大氣氣溶膠的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，α2(z)和β2(z)分別為距離z處大氣分子的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)的幾何因子η(z)，采用CCD來(lái)探測(cè)和修正處理[16]。經(jīng)幾何因子修正后的激光雷達(dá)信號(hào)可變?yōu)榫嚯x修正信號(hào)，后面的分析都是基于距離修正信號(hào)進(jìn)行的。

(2)

2.1 污染物源搜尋

為了方便快捷搜尋污染物源，對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)采用了定性與定量相結(jié)合的處理方法。在尋找污染物源距離(或位置)時(shí)，進(jìn)行定量處理，獲得精確的距離數(shù)值；在污染物源排放強(qiáng)度方面是定性處理，獲得污染物的相對(duì)強(qiáng)度。

(3)

式中：α2(0)和β2(0)分別為地面上大氣分子模式的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。

大氣透過(guò)率項(xiàng)隨著距離增加而單調(diào)衰減， 而氣溶膠后向散射系項(xiàng)隨距離變化情況是由z處污染物多少?zèng)Q定的。因?yàn)闅馊苣z的后向散射系數(shù)與污染濃度成正相關(guān)關(guān)系，若大氣污染物在探測(cè)路徑上是均勻分布的，則后向散射系數(shù)項(xiàng)就是常數(shù)，那么X(z)也是隨距離增加單調(diào)變小；假設(shè)大氣污染物在探測(cè)路徑上不均勻分布，則氣溶膠后向散射系數(shù)在探測(cè)路徑上也是不均勻的，如圖3(a)所示。由圖3(a)污染物的后向散射系數(shù)分布，根據(jù)激光雷達(dá)方程(3)，正演出激光雷達(dá)的距離修正信號(hào)，結(jié)果如圖3(b)所示?？梢钥闯觯篨(z)在隨距離增加總體變小的趨勢(shì)下，會(huì)出多個(gè)峰值，峰值的位置(定量的、精確的)對(duì)應(yīng)于污染物多的地方，峰值的大小(定性的、相對(duì)的)對(duì)應(yīng)于污染物排放強(qiáng)度的大小。

圖3 假設(shè)的探測(cè)路徑上污染物后向散射系數(shù)和對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)距離修正信號(hào)Fig.3 The assumptive pollutant backscattering coefficient in laser direction and the corresponding range-corrected lidar simulation signal

2.2 氣溶膠消光系數(shù)的反演

當(dāng)激光雷達(dá)垂直工作時(shí)(定點(diǎn)或走航工作方式)，大氣分子的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)由大氣分子的模式來(lái)得到，激光雷達(dá)常數(shù)可由對(duì)流層附近的清潔點(diǎn)來(lái)消除。

再假設(shè)氣溶膠的消光后向散射比(S1)為常數(shù)，則由Fernald方法，可得氣溶膠的消光系數(shù)表達(dá)式[17]。

(4)

(5)

式中：zc為氣溶膠清潔點(diǎn)的高度。

2.3 PM2.5質(zhì)量濃度的反演

PM2.5是指粒徑小于2.5 μm的氣溶膠粒子總稱(chēng)，而氣溶膠消光系數(shù)(或后向散射系數(shù))是所有氣溶膠分子貢獻(xiàn)，但它們之間有一定的聯(lián)系[18]。

α1(z)=K·CPM2.5(z)

(6)

式中：α1(z)是氣溶膠消光系數(shù)，CPM2.5(z)是PM2.5質(zhì)量濃度，K是比例系數(shù)。比例系數(shù)K是由氣溶膠的種類(lèi)、折射率指數(shù)、譜分布、大氣相對(duì)濕度等諸參數(shù)決定的常數(shù)。在近地面的邊界層內(nèi)，由于湍流的混合作用，可合理地認(rèn)為氣溶膠的折射率指數(shù)是相同的，氣溶膠粒子的譜分布特征也是相同的。忽略不同高度上大氣相對(duì)濕度的區(qū)別，可認(rèn)為比例系數(shù)K在不同高度上是相同的，即是與高度無(wú)關(guān)的常數(shù)。因此，利用公式(5)，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠的消光系數(shù)廓線向PM2.5質(zhì)量濃度廓線的轉(zhuǎn)化。

2.4 城市區(qū)域污染物PM2.5輸送估算

為了便于介紹污染物PM2.5輸送，仿照水或電量分別通過(guò)河流或?qū)w時(shí)的流動(dòng)描述，定義污染物PM2.5在大氣中傳輸?shù)?個(gè)物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5柱狀傳輸通量和PM2.5傳輸通量，它們的定義分別為PM2.5傳輸密度是指單位時(shí)間在垂直于風(fēng)速方向單位面積上傳輸PM2.5的質(zhì)量，根據(jù)此定義有

E(z)=v(z)·CPM2.5(z)

(7)

式中：E(z)為PM2.5傳輸密度，v(z)是風(fēng)速，單位為μg/(m2·s)。

PM2.5柱狀傳輸通量是指在所有高度方向上單位時(shí)間單位水平長(zhǎng)度傳輸?shù)腜M2.5質(zhì)量，根據(jù)此定義有

(8)

式中：φ為柱狀傳輸通量，單位為μg/(m·s)。

PM2.5傳輸通量是指單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)一定面積(l和Z分別代表垂直于風(fēng)速方向的水平距離和垂直高度)的PM2.5質(zhì)量，根據(jù)此定義有

(9)

式中：Φ為傳輸通量，單位為μg/s。

定義了以上3個(gè)污染物PM2.5輸送概念后，估算污染物輸送通量的思路為走航車(chē)垂直工作，由公式(6)直接獲得豎直方向不同高度的污染物PM2.5濃度；結(jié)合風(fēng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)，由公式(7)和公式(8)獲得污染物PM2.5在不同高度上的傳輸密度及整個(gè)高度上的污染物柱狀傳輸通量；走航車(chē)邊走邊測(cè)，由公式(9)就可估算總的傳輸通量。

對(duì)于一個(gè)城市區(qū)域而言，其大氣污染物的來(lái)源可分為自主產(chǎn)生的(包括降解)和外來(lái)輸送的2種情況，這2種情況往往是同時(shí)存在的，只不過(guò)所占的比例可能隨時(shí)在變化。城市污染物PM2.5估算模型的條件：①忽略城市污染物的產(chǎn)生和降解；②污染物PM2.5僅在對(duì)流層內(nèi)；③依照風(fēng)速的方向，把城市簡(jiǎn)化成一個(gè)立方體的空間，AB為城市的橫向邊界，AD為城市的縱向邊界，豎直邊界為對(duì)流層頂，其俯視的二維模型如圖4所示。

圖4 城市污染物輸送二維模型Fig.4 The 2-dimension model of urban pollutant transport

污染物PM2.5從城市的上風(fēng)口AB邊輸入城市，從下風(fēng)口DC邊輸出城市，兩者之差就是外界對(duì)城市PM2.5的凈輸送。

設(shè)激光雷達(dá)分別探測(cè)得上風(fēng)口AB邊的風(fēng)速高度廓線為vAB(z)和下風(fēng)口DC邊風(fēng)速廓線為vDC(z)，PM2.5濃度高度廓線分別為CPM2.5-AB(z)和CPM2.5-DC(z)，AB邊的長(zhǎng)度為l。則單位時(shí)間內(nèi)，從AB邊輸入到城市的PM2.5總量為

圖5 繞城走航氣溶膠消光系數(shù)三維圖Fig.5 The 3-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

(9)

從DC邊輸出的PM2.5總量為

(10)

式中：zt為對(duì)流層頂，x是AB邊和DC邊方向上的坐標(biāo)。

單位時(shí)間內(nèi)對(duì)城市輸送PM2.5的凈量為

Mpure=Minput-Moutput

(11)

3 走航車(chē)探測(cè)個(gè)例

激光雷達(dá)走航車(chē)系統(tǒng)研制成功后，先后在合肥、蕪湖等市進(jìn)行了車(chē)載走航和定點(diǎn)掃描探測(cè)實(shí)驗(yàn)，下面選取3個(gè)典型探測(cè)個(gè)例進(jìn)行介紹。

3.1 氣溶膠時(shí)空分布走航探測(cè)

行駛的車(chē)輛、建筑工地以及工廠等都是排放污染的源頭，再加上外界污染物的輸送，城市中氣溶膠的時(shí)空分布隨時(shí)隨地都在變化。車(chē)載激光雷達(dá)走航探測(cè)，是觀測(cè)氣溶膠時(shí)空分布最方便快捷的工具。

2018年11月21日00:00—21:00，合肥市受西北方污染傳輸影響，疊加本地污染排放及顆粒物的二次轉(zhuǎn)化過(guò)程，經(jīng)歷了一次輕度污染到重度污染的過(guò)程。車(chē)載激光雷達(dá)于21日14:18從高新區(qū)高速入口沿合肥繞城高速公路一周進(jìn)行逆時(shí)針走航觀測(cè)，先后經(jīng)過(guò)包河區(qū)繞城南段、肥東縣繞城東段、廬陽(yáng)區(qū)繞城北段，至15:47回到起點(diǎn)高新區(qū)高速入口。根據(jù)公式(4)和公式(5)，反演出走航路徑上的氣溶膠消光系數(shù)的空間分布，如圖5所示。為了便于觀看，把三維立體圖轉(zhuǎn)化為圖6的二維平面圖。

圖6 繞城走航氣溶膠消光系數(shù)二維圖Fig.6 The 2-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

從圖5和圖6 中可以清楚地看出，繞城高速路徑上氣溶膠分布是不均勻的，西邊和北邊的污染物較南邊和東邊多。結(jié)合車(chē)載上的風(fēng)雷達(dá)可知，走航時(shí)間段為西北風(fēng)，污染物是由西北邊輸送過(guò)來(lái)的。

3.2 污染源的掃描搜尋

激光雷達(dá)掃描方式探測(cè)的主要目的是尋找污染物源頭。在微風(fēng)或無(wú)風(fēng)的天氣情況下，污染源排放的污染物主要是向上擴(kuò)散，水平方向擴(kuò)散較慢。故在污染源的上空就會(huì)形成污染物聚積，激光雷達(dá)探測(cè)到污染源上方時(shí)雷達(dá)信號(hào)會(huì)突然增強(qiáng)。根據(jù)回波信號(hào)的這一特征，利用公式(3)，就可定量判斷污染源的距離(位置)以及污染源的相對(duì)排放強(qiáng)度。

2019年3月26日15：17開(kāi)始，車(chē)載激光雷達(dá)在蕪湖市無(wú)為縣的比亞迪大橋上對(duì)周?chē)M(jìn)行水平掃描探測(cè)，結(jié)果如圖7所示，中心陰影區(qū)為車(chē)載激光雷達(dá)所在地。圖7中，在地圖上疊加由公式(3)處理過(guò)的激光雷達(dá)距離修正信號(hào)，用顏色棒表示信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。激光雷達(dá)掃描一周后，根據(jù)公式(3)利用激光雷達(dá)回波的顏色差異，找到了4處激光雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)的地方，它們距車(chē)載激光雷達(dá)所在地的距離分別為4.545、4.905、6.187、1.275 km。經(jīng)實(shí)時(shí)實(shí)地考察后，獲取了這4處回波信號(hào)強(qiáng)處近距離照片(圖7)，發(fā)現(xiàn)它們正在產(chǎn)生污染，的確是污染物源。根據(jù)地圖比例尺估算出它們到激光雷達(dá)所在地的距離，分別是比亞迪大橋附近的工地?fù)P塵(約4.54 km)，郭村附近開(kāi)墾荒地(約4.91 km)，無(wú)為縣基督教堂附近揚(yáng)塵(約6.18 km)和南壩村附近開(kāi)墾荒地(約1.27 km)，激光雷達(dá)探測(cè)到的距離與從地圖上估算的距離一致性很好。

圖7 車(chē)載激光雷達(dá)水平掃描結(jié)果Fig.7 The horizontal scanning result by mobile lidar

3.3 PM2.5輸送估算探測(cè)

把氣溶膠激光雷達(dá)垂直探測(cè)和風(fēng)雷達(dá)垂直探測(cè)的探測(cè)結(jié)果融合在一起，就可以估算污染物的輸送情況。2018年3月25日00:00—23:00在合肥市第11中學(xué)校園內(nèi)，車(chē)載激光雷達(dá)進(jìn)行了定點(diǎn)垂直探測(cè)。由氣溶膠激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)，先利用公式(4)和公式(5)反演出氣溶膠的消光系數(shù)垂直廓線；然后利用公式(6)，把氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線轉(zhuǎn)化為PM2.5質(zhì)量濃度垂直廓線；再結(jié)合風(fēng)雷達(dá)探測(cè)出的風(fēng)垂直廓線，利用公式(7)，估算出PM2.5傳輸密度廓線，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出：PM2.5傳輸密度是高度和時(shí)間的函數(shù)，不同高度、不同時(shí)間的PM2.5傳輸密度有顯著區(qū)別。約在03:00—11:00之間，40～400 m的高度上PM2.5傳輸密度最大，可達(dá)1 g/(m2·min)。把輸送PM2.5傳輸密度對(duì)高度在0～3 000 m積分，可得出PM2.5柱狀傳輸通量，其結(jié)果如圖9所示。

圖8 PM2.5傳輸密度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 The relationship of PM2.5 transport density with time

圖9 PM2.5傳輸柱狀通量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.9 The relationship of PM2.5 transport column flux with time

4 結(jié)論

介紹了基于氣溶膠激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)走航車(chē)立體探測(cè)污染物技術(shù)及相應(yīng)探測(cè)原理，科學(xué)定義了污染物PM2.5輸送的3個(gè)物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5傳輸柱狀通量和傳輸通量。給出了走航車(chē)在合肥和蕪湖等地相應(yīng)的探測(cè)實(shí)例及分析。結(jié)果表明：基于激光雷達(dá)的走航車(chē)探測(cè)污染物是可行的；走航車(chē)是探測(cè)大氣顆粒物時(shí)空分布,搜尋大氣污染物源和估算顆粒物PM2.5通量強(qiáng)有力的工具。