馬 娜，楊思鵬,2，王 界,4,5，萬(wàn)佳寧，孟曉艷

1.無(wú)錫中科光電技術(shù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214135 2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 4.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中科院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 5.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026

秋冬季京津冀區(qū)域的灰霾頻發(fā)現(xiàn)象受到極大的關(guān)注，對(duì)于這種大范圍且過(guò)程復(fù)雜的污染現(xiàn)象，常規(guī)的觀測(cè)手段很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分析。激光雷達(dá)是一種非常有效的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，它憑借較高的時(shí)空分辨率和靈敏度，被廣泛應(yīng)用于氣溶膠觀測(cè)，并作為地面常規(guī)觀測(cè)的重要補(bǔ)充[1-2]。顆粒物激光雷達(dá)能反演得到氣溶膠的消光系數(shù)廓線[3-4]，從而獲取大氣氣溶膠的空間分布信息[5]，在氣溶膠的發(fā)生與發(fā)展研究中發(fā)揮了極大的作用。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大氣溫濕度廓線、風(fēng)廓線、氣溶膠粒子譜[6]以及各種污染氣體[7]的高精度和高分辨率反演。然而對(duì)于影響范圍較大的灰霾過(guò)程，單臺(tái)激光雷達(dá)則不足以對(duì)污染過(guò)程整個(gè)區(qū)域的污染物時(shí)空分布以及變化特征進(jìn)行準(zhǔn)確分析，需利用多臺(tái)激光雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)觀測(cè)來(lái)研究大尺度的氣溶膠分布及傳輸過(guò)程。

2018年3月9—15日，京津冀區(qū)域[8-9]發(fā)生了一次重污染過(guò)程，此次污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7 d，影響范圍廣，影響城市超過(guò)50個(gè)。筆者利用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站激光雷達(dá)組網(wǎng)的地基激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合CALIPSO衛(wèi)星上搭載的正交極化云-氣溶膠激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)此次污染過(guò)程進(jìn)行了地天聯(lián)合觀測(cè)分析，并結(jié)合區(qū)域站的風(fēng)廓線激光雷達(dá)和微波輻射計(jì)的觀測(cè)結(jié)果以及 KMA近地面天氣圖等氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)，綜合分析了此次污染過(guò)程的成因及區(qū)域污染輸送的特點(diǎn)，并對(duì)污染過(guò)程中污染團(tuán)的時(shí)空分布特點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1 觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 地基遙感數(shù)據(jù)

針對(duì)此次污染過(guò)程，使用顆粒物激光雷達(dá)、風(fēng)廓線激光雷達(dá)與微波輻射計(jì)等地基遙感設(shè)備對(duì)大氣進(jìn)行觀測(cè)，以得到污染過(guò)程中大氣的消光系數(shù)、風(fēng)廓線與溫濕度廓線數(shù)據(jù)對(duì)污染過(guò)程進(jìn)行綜合分析。此次污染過(guò)程伴有西南向的區(qū)域傳輸過(guò)程，故在京津冀的西南傳輸通道上設(shè)置地基監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分別在北京、保定與衡水設(shè)立監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)這一污染過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，其中北京站點(diǎn)使用激光雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保定和衡水站點(diǎn)使用激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)以及微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)。

1.1.1 顆粒物激光雷達(dá)

顆粒物激光雷達(dá)使用中科光電的AGHJ-I-LIDAR型激光雷達(dá),雷達(dá)結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光雷達(dá)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of lidar system

表1 顆粒物激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Key specifications of particulate lidar system

雷達(dá)使用Nd:YAG激光器發(fā)射頻率為20Hz的532nm(激光能量為25mJ)與355nm(激光能量為30mJ)激光脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為6～9ns。激光通過(guò)發(fā)射單元的擴(kuò)束器擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)2個(gè)反射鏡使光束與望遠(yuǎn)鏡的中心軸線同軸，垂直向上進(jìn)入大氣。在大氣傳輸過(guò)程中，激光光束會(huì)與大氣分子和氣溶膠粒子發(fā)生相互作用(散射作用和吸收作用)，其中一部分返回地面的后向散射回波信號(hào)由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡過(guò)濾后進(jìn)入信號(hào)采集通道，通過(guò)各自的干涉濾光片進(jìn)行分離，然后用光電倍增管(PMT)進(jìn)行檢測(cè)。3個(gè)通道的光子信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后得到電信號(hào)，最終由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)在主控計(jì)算機(jī)中。

1.1.2 風(fēng)廓線激光雷達(dá)

風(fēng)廓線激光雷達(dá)采用青島華航的WindPrint S4000 型雷達(dá)，采用3D掃描的方法來(lái)反演得到大氣的風(fēng)場(chǎng)廓線數(shù)據(jù)[10]。激光雷達(dá)系統(tǒng)使用單脈沖光纖激光器，發(fā)射中心波長(zhǎng)為1 550 nm的激光脈沖到大氣中，利用大氣中氣溶膠的激光后向散射信號(hào)和激光發(fā)射系統(tǒng)的本振光作外差檢測(cè)，獲得2束光的外差信號(hào)，進(jìn)而得到大氣運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移，測(cè)量徑向風(fēng)速，采用微型光束掃描系統(tǒng)得到不同方位角上的徑向風(fēng)速，最終反演得到風(fēng)速風(fēng)向廓線。風(fēng)廓線激光雷達(dá)主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)廓線激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 2 Key specifications of windprint lidar system

1.1.3 微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所的QFW6000型微波輻射計(jì)，由大氣輻射測(cè)量單元、GPS信號(hào)雙頻接收單元、環(huán)境要素測(cè)量單元、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)單元、中央信號(hào)處理單元、電源單元和顯控終端組成。微波輻射計(jì)利用大氣的選擇吸收性和透過(guò)性來(lái)被動(dòng)接受大氣發(fā)射的微波信息，從而探測(cè)大氣的溫濕度廓線[11]，是一種被動(dòng)遙感探測(cè)方式。大氣中V波段(60GHz附近)的輻射主要來(lái)自氧氣，而氧氣發(fā)射的輻射強(qiáng)度與溫度和氧氣密度成正比；K波段(22GHz附近)的輻射主要來(lái)自水汽，其輻射強(qiáng)度與溫度和水汽密度成正比，微波輻射計(jì)通過(guò)接受2個(gè)波段的輻射信息，反演得到大氣的溫濕度廓線，微波輻射計(jì)的主要性能參數(shù)如表3所示。風(fēng)廓線激光雷達(dá)結(jié)合微波輻射計(jì)可以精確地描述氣象場(chǎng)分布情況，用以對(duì)污染團(tuán)的形成、輸送及生消過(guò)程進(jìn)行綜合分析。

表3 微波輻射計(jì)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 3 Key specifications of microwave radiometer system

1.2 星載數(shù)據(jù)

研究使用了CALIPSO衛(wèi)星[12]的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。CALIPSO是 “A-Train”衛(wèi)星編隊(duì)的一員，主要任務(wù)是提供全球云和氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于研究云和氣溶膠在調(diào)節(jié)地球氣候中的作用以及兩者的相互作用。其搭載的主要探測(cè)設(shè)備CALIOP是一臺(tái)偏振雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)，系統(tǒng)中的激光器可輸出波長(zhǎng)為532、1 064 nm的脈沖，一共有3個(gè)回波通道(532 nm 2個(gè)偏振方向和1 064 nm)，由于高空大氣較為純凈，激光衰減程度低，故CALIOP可在垂直方向上探測(cè)出比地基激光雷達(dá)距離更長(zhǎng)的高空數(shù)據(jù)。地基激光雷達(dá)結(jié)合CALIOP的觀測(cè)結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反映污染團(tuán)的空間分布。

2 結(jié)果分析

2.1 污染過(guò)程概述

此次污染過(guò)程中京津冀區(qū)域部分城市PM2.5質(zhì)量濃度變化如圖2所示。

圖2 京津冀區(qū)域部分城市PM2.5質(zhì)量濃度Fig.2 The concentration of PM2.5in some cities in Beijing-Tianjin-Hebei region

由圖2可見(jiàn)，各城市PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相近，3月9—10日PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)升高，其中邯鄲與邢臺(tái)PM2.5質(zhì)量濃度最高時(shí)超過(guò)200 μg/m3。10日夜間，各城市PM2.5質(zhì)量濃度開(kāi)始下降，除邯鄲與邢臺(tái)外均降至50 μg/m3以下，11日12:00后PM2.5質(zhì)量濃度再次攀升，至14日除滄州外其余城市PM2.5質(zhì)量濃度均達(dá)到300 μg/m3以上，邯鄲PM2.5質(zhì)量濃度于14日12：00超過(guò)400 μg/m3。邯鄲、衡水與邢臺(tái)于13日12：00—14日12：00的PM2.5質(zhì)量濃度呈明顯的U型變化特征，且12：00顆粒物濃度較高，凌晨顆粒物濃度較低，不符合局地污染物累積變化的規(guī)律，應(yīng)是區(qū)域污染物輸送伴隨著風(fēng)向改變?cè)斐傻模?3日下午風(fēng)向改變導(dǎo)致空氣短時(shí)清潔，14日凌晨過(guò)后風(fēng)向再次改變并帶來(lái)污染物的輸入，導(dǎo)致顆粒物濃度再次升高。15日起各城市PM2.5質(zhì)量濃度開(kāi)始降低，至15日12：00所有城市的PM2.5質(zhì)量濃度均降至50 μg/m3以下。

9日京津冀區(qū)域位于弱高壓后部，不利于污染物擴(kuò)散，京津冀各城市污染物開(kāi)始累積，11日受東南部的高壓影響，北京、天津與河北中部城市近地面為東北風(fēng)，污染物濃度短時(shí)下降。15日冷高壓南下至京津冀區(qū)域，受冷高壓影響京津冀區(qū)域污染由北至南開(kāi)始消散。整個(gè)污染過(guò)程主要分為2個(gè)階段，3月9日00：00—11日00：00為污染階段，11日00：00—16日00：00為污染區(qū)域傳輸與消散階段，現(xiàn)對(duì)該次過(guò)程2個(gè)階段的大氣遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 污染過(guò)程分析

2.2.1 局地污染累積

圖3為各城市的顆粒物激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，各城市于9日上午開(kāi)始有污染物傳輸，與近地面污染物混合后局地污染物開(kāi)始累積。北京于9日中午開(kāi)始受到傳輸污染物的影響，隨后局地污染物不斷累積，近地面消光系數(shù)增大。保定從9日上午開(kāi)始近地面消光系數(shù)較高，局地污染物不斷累積。9日15：00北京和保定近地面消光系數(shù)均達(dá)到較大值。衡水于9日下午開(kāi)始受到傳輸污染物的影響，與近地面污染物混合后局地污染物開(kāi)始累積，消光系數(shù)于10日中午達(dá)到較大值，污染程度較北京與保定輕。10日各城市邊界層都?jí)旱椭?00 m以下，保定的邊界層甚至壓低至探測(cè)點(diǎn)位水平面以下，環(huán)境容量減小，京津冀區(qū)域污染較重。

圖3 3月9—10日各城市激光雷達(dá)消光系數(shù)探測(cè)結(jié)果Fig.3 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 9-10

2.2.2 區(qū)域污染傳輸與污染消散

圖4為各城市激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，11日北京空中1 km處一直存在著污染物傳輸帶，存在區(qū)域污染傳輸過(guò)程，污染物由太行山脈傳輸?shù)骄┙蚣絽^(qū)域北部時(shí)受近地面偏東風(fēng)影響被抬升至空中。

圖4 3月11—15日各城市激光雷達(dá)消光系數(shù)探測(cè)結(jié)果Fig.4 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 11-15

圖5給出了CALIPSO衛(wèi)星11日02：00的監(jiān)測(cè)結(jié)果。CALIPSO衛(wèi)星的觀測(cè)路線正好通過(guò)京津冀區(qū)域，所觀測(cè)的消光系數(shù)剖面可以代表京津冀區(qū)域的氣溶膠空間分布；圖5(c)的垂直特征圖表明京津冀探測(cè)到的高消光區(qū)域?yàn)闅馊苣z而不是云，京津冀對(duì)應(yīng)區(qū)域的消光后向散射系數(shù)結(jié)果顯示在CALIPSO的觀測(cè)路徑上，京津冀區(qū)域的污染團(tuán)呈現(xiàn)出明顯的南北高低分布特征，污染團(tuán)南部仍舊貼近于近地面，而北部污染團(tuán)被抬升至空中，污染物從南至北由地面向空中傳輸，北部近地面消光系數(shù)低，與地基激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果相符。

12日傳輸污染物降落至近地面，導(dǎo)致北京近地面污染物濃度迅速升高，且在區(qū)域污染輸送的作用下污染物不斷累積。而衡水則在較強(qiáng)的系統(tǒng)性東南風(fēng)影響下，污染物濃度降低，消光系數(shù)明顯減小。

圖6給出了北京11日08：00與12日08：00的后向軌跡圖，可見(jiàn)北京11日空中1 km的傳輸污染帶由西南方向輸入，12日近地面的污染物也來(lái)自于西南方向的污染物傳輸，與衛(wèi)星和地基激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致。

13—15日衡水的消光系數(shù)較低，但保定和北京等北部城市近地面消光系數(shù)仍然較大。15日隨著冷空氣的南下，各城市污染物開(kāi)始消散，至15日夜間各城市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)良，污染過(guò)程結(jié)束。

2.3 氣象條件分析

利用保定與衡水的風(fēng)廓線激光雷達(dá)與微波輻射計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)污染過(guò)程與污染消散過(guò)程的氣象場(chǎng)進(jìn)行分析。圖7和圖8是9日00：00—16日00：00的風(fēng)廓線激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果。

在9日00：00—15日00：00的污染過(guò)程中，保定1 km以下風(fēng)速較弱，污染物不易擴(kuò)散。衡水污染過(guò)程中氣象場(chǎng)主要有3個(gè)階段，9日00：00—10日00：00，1 km以下主要以西南風(fēng)為主，太行山脈沿線城市累積的污染物沿著風(fēng)向擴(kuò)散至東北方向；10日開(kāi)始近地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，污染物被抬升至空中，近地面污染物濃度降低，污染程度減輕；12日衡水近地面風(fēng)向再次轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，污染團(tuán)快速沿著太行山由南向北傳輸。 15日00：00—16日00：00受強(qiáng)冷高壓影響，保定風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，衡水風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為較強(qiáng)東風(fēng)，大氣擴(kuò)散條件較好，污染團(tuán)消散。11—12日的風(fēng)廓線觀測(cè)結(jié)果與圖7的后向軌跡結(jié)果較為一致，后向軌跡圖是基于大尺度氣象場(chǎng)的模式計(jì)算結(jié)果，分辨率較低，而風(fēng)廓線激光雷達(dá)能進(jìn)行高分辨率的風(fēng)廓線反演，能夠?qū)鬏斶^(guò)程進(jìn)行精細(xì)的分析研究，正好彌補(bǔ)了后向軌跡分析分辨率不足的缺點(diǎn)。

圖5 CALIPSO衛(wèi)星11日02：00觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Observation of CALIPSO at 02:00 March 11

圖6 北京500、1 000、1 200 m高度48 h后向軌跡圖Fig.6 The 48 hours backward trajectory at 500 m, 800 m and 1 000 m of Beijing

圖7 3月9日00：00—12日12：00風(fēng)場(chǎng)圖Fig.7 Wind field from 00：00 March 9 to 12:00 March 12

圖8 3月12日12：00—16日00：00風(fēng)場(chǎng)圖Fig.8 Wind field from 12:00 March 12 to 00:00 March 16

圖9和圖10為9日00：00—16日00：00衡水與保定微波輻射計(jì)的溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果。

可以發(fā)現(xiàn)各城市的溫濕度都有明顯的晝夜變化，在9日00：00—15日00：00的污染過(guò)程中保定空中1 km處一直有逆溫層存在，且各城市的近地面濕度較高，均為80%左右，逆溫靜穩(wěn)且高濕的氣象條件非常利于污染物的累積，15日00：00之后保定持續(xù)了6 d的逆溫層消失，大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，同時(shí)，15、16日之后各城市近地面相對(duì)濕度也低于污染期間。

結(jié)合各觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，京津冀區(qū)域性的復(fù)合灰霾污染發(fā)生在偏南氣流下，南方暖濕氣流的輸入配合穩(wěn)定的大氣層結(jié)，導(dǎo)致京津冀各區(qū)域在污染前期局地污染物不斷累積。中期各地污染物濃度累積至一定程度時(shí)在氣流影響下輻合并不斷由南至北輸送，形成一個(gè)覆蓋范圍極大的污染氣團(tuán)，這一過(guò)程中受氣流變化的影響污染氣團(tuán)會(huì)來(lái)回移動(dòng)甚至上下抬升，導(dǎo)致部分城市污染物濃度突然降低或者迅速升高，形成U形曲線，但是污染氣團(tuán)內(nèi)污染物濃度整體是在持續(xù)升高的，污染氣團(tuán)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且覆蓋范圍大。當(dāng)北方冷空氣南下時(shí)，冷空氣驅(qū)散污染氣團(tuán)并打破穩(wěn)定的大氣層結(jié)，污染過(guò)程結(jié)束。因此京津冀區(qū)域性灰霾發(fā)生時(shí)需控制區(qū)域內(nèi)的污染排放，限制污染氣團(tuán)的持續(xù)增長(zhǎng)，在冷空氣到來(lái)之前控制住污染物濃度。

圖9 3月9日00：00—16日00：00溫度場(chǎng)Fig.9 Temperature field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

圖10 3月9日00：00—16日00：00濕度場(chǎng)Fig.10 Humidity field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

3 結(jié)論

2018年3月9—15日京津冀區(qū)域的污染過(guò)程是一次影響范圍大、污染物濃度變化快、污染物空間變化復(fù)雜且伴有區(qū)域污染物傳輸?shù)奈廴具^(guò)程，針對(duì)該次過(guò)程使用地天聯(lián)合觀測(cè)進(jìn)行分析。顆粒物激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果表明污染過(guò)程前期主要為局地污染累積；后期受區(qū)域系統(tǒng)性偏南風(fēng)影響，觀測(cè)到明顯的污染物區(qū)域傳輸過(guò)程，污染物在太行山和燕山山前積聚，形成污染輻合帶，在偏南風(fēng)影響下污染物由南至北輸送，北京受太行山沿線城市污染輸送影響較大。風(fēng)廓線激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果表明此次污染過(guò)程近地面主要為偏南風(fēng)且風(fēng)力較弱，有助于污染物累積與傳輸，后期受冷空氣影響區(qū)域轉(zhuǎn)為較強(qiáng)東北風(fēng)，大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好導(dǎo)致污染消散。微波輻射計(jì)觀測(cè)到保定在污染過(guò)程中出現(xiàn)持續(xù)6 d的逆溫層，在污染過(guò)程中近地面相對(duì)濕度較高，區(qū)域大部分地區(qū)持續(xù)靜穩(wěn)，有助于污染物積累形成污染團(tuán)，冷空氣到來(lái)后逆溫層被打破，污染開(kāi)始消散。

分析過(guò)程中使用了地基遙感數(shù)據(jù)(如顆粒物激光雷達(dá)、風(fēng)激光雷達(dá)和微波輻射計(jì))，并聯(lián)合星載數(shù)據(jù)，對(duì)污染過(guò)程的各個(gè)階段、污染團(tuán)的空間分布與變化特征做出準(zhǔn)確分析，并進(jìn)一步剖析了大氣污染的成因，對(duì)污染傳輸過(guò)程進(jìn)行了更加精細(xì)立體的分析，可見(jiàn)地天聯(lián)合觀測(cè)對(duì)污染物的累積與輸送研究有重要意義，能對(duì)京津冀及周邊地區(qū)的大氣污染聯(lián)防聯(lián)控提供有效支持。

但是在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于所選點(diǎn)位在空間上有一定距離，空間分辨率不足，污染團(tuán)在空間上的連續(xù)變化分析還有所欠缺。在下一步工作中，計(jì)劃結(jié)合車載走航觀測(cè)的數(shù)據(jù)，使各通道上離散的觀測(cè)結(jié)果連續(xù)化，并結(jié)合更多組網(wǎng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，更精細(xì)地捕捉污染過(guò)程各個(gè)階段的特征，同時(shí)結(jié)合空氣質(zhì)量同化模式的結(jié)果進(jìn)行污染過(guò)程前、中、后期的評(píng)價(jià)，為京津冀及周邊地區(qū)的大氣污染監(jiān)測(cè)與聯(lián)防聯(lián)控提供更有利的技術(shù)支持。