陳 楠，徐寶東，張 瑜，毛飛躍，祝 波，田一平

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072 2.北京艾沃思科技有限公司，北京 100120 3.武漢大學(xué)，遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079

近年來，大氣污染在湖北省發(fā)生頻次越來越高，大范圍的灰霾和沙塵事件，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人民群眾的生產(chǎn)、生活，日益嚴(yán)重的顆粒物污染已對公眾健康和生態(tài)安全構(gòu)成了巨大威脅。為加強(qiáng)湖北省大氣污染防治工作，有必要對湖北省的污染傳輸過程進(jìn)行監(jiān)測與溯源[1]。

利用地面站空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備可以得到連續(xù)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度、粒徑譜等物理化學(xué)光學(xué)屬性[2]，但昂貴的建設(shè)和維護(hù)費用，限制了地面站獲得氣溶膠的面域分布信息，而且地面站難以獲得氣溶膠的垂直分布特征。激光雷達(dá)是20世紀(jì)60年代以后迅速發(fā)展起來的傳感器技術(shù)[3]，20世紀(jì)70年代后期，美國、德國、日本等用米氏散射、拉曼散射和差分吸收光譜等技術(shù)監(jiān)測污染過程[4-5]。作為探測大氣云和氣溶膠的一種有利手段，激光雷達(dá)具有波長短、抗干擾性高和體積小等特點[6-8]，呈現(xiàn)出較高的空間分辨率、探測靈敏度和抗干擾能力[9]，其觀測得到高時空分辨率的大氣垂直分布信息對大氣環(huán)境監(jiān)測具有獨特優(yōu)勢[10]，為定量分析顆粒物的時空演變規(guī)律和污染物的輸送強(qiáng)度提供了有效技術(shù)手段[8,11-12]。

利用激光雷達(dá)可對氣溶膠、大氣成分、邊界層、污染氣體等開展探測[13-14]，該研究通過利用星載激光雷達(dá)、位于湖北省不同區(qū)域的地基激光雷達(dá)，實時跟蹤城市上空污染物的擴(kuò)散、沙塵過境等過程，綜合各種探測手段，探究污染來源，為大氣污染的監(jiān)測、治理、防范提供數(shù)據(jù)支持[9-10,15]。

1 原理與方法

激光雷達(dá)的工作原理如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理Fig.1 Lidar system working principle

由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束方向性強(qiáng)、能量高的激光脈沖，激光束在大氣氣溶膠中傳輸并與大氣中氣溶膠粒子相互作用發(fā)生散射與吸收，后向散射信號被激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)接收[10]，光信號被光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電信號，同時記錄距離信息，最后通過計算機(jī)存儲、處理、反演氣溶膠的光學(xué)屬性[5,8,16-17]。在利用激光雷達(dá)監(jiān)測環(huán)境過程中，常用的技術(shù)手段包括激光雷達(dá)垂直監(jiān)測、水平掃描監(jiān)測及車載走航監(jiān)測。米散射激光雷達(dá)是最常用的激光雷達(dá)，其監(jiān)測的物理量主要包括5種：

1)消光系數(shù)：特定的空間坐標(biāo)點上氣溶膠對光的衰減程度，一般消光系數(shù)與顆粒物濃度正相關(guān)。

2)光學(xué)厚度：消光系數(shù)在距離上的積分，表征為氣溶膠空氣柱的透明度，光學(xué)厚度越大，氣溶膠濃度越大。

3)退偏振比：在激光雷達(dá)探測中用來區(qū)分球形粒子與非球形粒子的物理量，其值越大，代表非球形粒子的比例越高。

4)激光雷達(dá)反演獲得顆粒物質(zhì)量濃度：激光雷達(dá)探測的消光系數(shù)和地面實測顆粒物質(zhì)量濃度相關(guān)，擬合獲得相關(guān)系數(shù)，從而探測顆粒物質(zhì)量濃度。

5)邊界層高度：大氣邊界層高度是大氣環(huán)境和大氣數(shù)值模式的重要物理參數(shù)之一[18]，大氣污染主要發(fā)生在邊界層，其高度影響污染物的濃度和擴(kuò)散[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光雷達(dá)用于顆粒物傳輸監(jiān)測

利用激光雷達(dá)組網(wǎng)可以監(jiān)測顆粒物輸送特征，激光雷達(dá)測得的退偏振比可以區(qū)分非球形粒子與球形粒子，沙塵顆粒中主要以非球形粒子為主，細(xì)顆粒物主要以球形粒子為主，因此，利用激光雷達(dá)可以對沙塵粒子進(jìn)行監(jiān)測與識別[9]。

圖2(a)和圖2(b)分別顯示了2017年4月17—20日襄陽市和武漢市的激光雷達(dá)退偏振比時空演變情況。圖2(c)為襄陽市和武漢市PM10質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線。

圖2 2017年4月17—20日襄陽市和武漢市激光雷達(dá)觀測結(jié)果Fig.2 Lidar observations in Xiangyang and Wuhan, April 17-20,2017

由圖2(c)可知襄陽市PM10質(zhì)量濃度出現(xiàn)3次峰值，對應(yīng)的時刻分別為4月17日19:00，4月18日17:00和4月19日21:00(箭頭所指時刻)，且質(zhì)量濃度最高達(dá)328 μg/m3，結(jié)合激光雷達(dá)的退偏振比數(shù)據(jù)結(jié)果可知，襄陽市地面PM10增大的時刻與沙塵沉降到地面的時刻相符，武漢市PM10濃度也隨之有平緩上升的趨勢，這是因為受風(fēng)速風(fēng)向的影響，沙塵先由襄陽傳輸進(jìn)入湖北省，經(jīng)過約3 h的傳輸進(jìn)入武漢市上空〔圖2(a)中箭頭分別對應(yīng)沙塵先后傳入襄陽市的時刻，圖2(b)中箭頭分別對應(yīng)沙塵先后傳入武漢市的時刻〕，在武漢市上空過境，未大幅沉降到地面，對地面顆粒物質(zhì)量濃度變化影響有限，武漢市4月19日12:00和20:00出現(xiàn)降水(虛線橢圓)，與襄陽市顆粒物質(zhì)量濃度相比，21:00的PM10濃度并沒有出現(xiàn)上升趨勢，降水對降低顆粒物濃度產(chǎn)生了積極的作用。

圖3(a)為4月17—19日衛(wèi)星影像觀測結(jié)果，圖3(b)為OMPS傳感器上的紫外氣溶膠指數(shù)高值區(qū)，反映了沙塵傳入華中區(qū)域的路徑，來自內(nèi)蒙古西部的沙塵沿長江流域到達(dá)上海，又往東北方向移動；沙塵里的礦物質(zhì)和煙羽里的黑碳具有強(qiáng)烈的紫外吸收性，跟硫酸鹽等人為污染相反。圖3(c)為MODIS氣溶膠光學(xué)厚度(疊加850 hPa風(fēng)場，1 500 m左右的高度)，由圖3(c)可見，沙塵高值區(qū)4月17日在黃土高原，圖3(d)顯示4月18日沙塵到達(dá)了長江流域。

CALIPSO(The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)于2006年由美國NASA等聯(lián)合發(fā)射[11]，該衛(wèi)星搭載的正交偏振云和氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)能夠以高分辨率觀測全球范圍內(nèi)云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，可綜合立體監(jiān)測此次污染過程中沙塵等污染傳輸?shù)钠鹪?、過程、變化與影響[3]。圖4顯示了CALIOP激光雷達(dá)后向散射系數(shù)。由圖4(a)可見，4月17日午后黃土高原的沙塵層從地面到5 000 m 高度范圍內(nèi)，集中在地面1 000 m以上，圖4(b)顯示，4月18日凌晨在華北上空的浮塵高度已達(dá)6 000 m，部分在云層之上，在傳輸過程中受氣流抬升，并且在長三角地區(qū)開始下降與邊界層內(nèi)污染混合[12]。

圖3 4月17—19日湖北及周邊區(qū)域沙塵事件衛(wèi)星綜合觀測Fig.3 Comprehensive satellite observations of dust events in Hubei and surrounding areas on April 17 to 19

圖4 CALIOP激光雷達(dá)后向散射系數(shù)Fig.4 CALIOP lidar backscattering extinction

2.2 激光雷達(dá)用于邊界層高度監(jiān)測

邊界層高度是反映空間擴(kuò)散條件的重要指標(biāo)之一，其高度越低，越不利于近地層空氣垂直混合，大氣污染物的擴(kuò)散能力也越差。圖5為武漢市2017年11月7—11日顆粒物濃度隨邊界層變化趨勢圖，整個過程中邊界層的升高或降低與顆粒物濃度的降低與升高具有較高的相關(guān)性。由圖5(a)顯示，圖中A框內(nèi)300 m高度有一輸送帶且邊界層高為500 m以下，不利于污染物的擴(kuò)散，外部輸送與本地積累作用下，顆粒物濃度攀升至170 μg/m3左右，B框處大氣邊界層平均高度低于600 m，明顯偏低，污染物擴(kuò)散受阻，顆粒物濃度約為100 μg/m3。圖5(b)中b-c之間的時段，顆粒物濃度隨邊界層高度起伏變化。在c框時間段內(nèi)，邊界層不斷攀升，平均高度達(dá)2 000 m左右，有利于污染氣團(tuán)消散，空氣質(zhì)量趨于好轉(zhuǎn)，顆粒物濃度降至30 μg/m3左右。

2.3 激光雷達(dá)用于污染源溯源監(jiān)測

利用激光雷達(dá)水平掃描技術(shù)可以對污染源進(jìn)行溯源，2017年12月17日02:00襄陽市高新區(qū)管委會空氣點位PM10質(zhì)量濃度最高達(dá)100 μg/m3，而襄陽市PM10質(zhì)量濃度平均值為66 μg/m3，前者高出52%，如圖6所示。同期利用激光雷達(dá)對點位周邊進(jìn)行了水平掃描，消光系數(shù)結(jié)果如圖7所示，退偏振比結(jié)果如圖8所示，監(jiān)測半徑為5 000 m。

圖6 襄陽市高新區(qū)管委會監(jiān)測點位與襄陽市PM10平均濃度對比Fig.6 Average concentration of PM10 in high-tech monitoring station and Xiangyang

圖7 襄陽市激光雷達(dá)水平掃描監(jiān)測消光系數(shù)Fig.7 The extinction coefficient monitored by horizontal scanning in Xiangyang

圖8 襄陽市激光雷達(dá)水平掃描監(jiān)測退偏振比Fig.8 The depolarization ratio monitored by horizontal scanning in Xiangyang

從圖7中可以看出，監(jiān)測點位東北角(矩形標(biāo)識區(qū)域)消光系數(shù)明顯高于其他地區(qū)，利用退偏振比(圖8)結(jié)果對疑似污染源進(jìn)一步分析，矩形區(qū)域的退偏振比較大，以非球形粒子(大顆粒物)為主；氣象資料顯示，02:00時的主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，經(jīng)過現(xiàn)場核查，矩形區(qū)域下方為裸露地表，地面揚塵是導(dǎo)致此次PM10濃度增加的主要原因。

2.4 激光雷達(dá)用于走航監(jiān)測

激光雷達(dá)走航監(jiān)測是將激光雷達(dá)安裝在移動監(jiān)測車內(nèi)進(jìn)行走航監(jiān)測，獲得數(shù)據(jù)與三維地理信息系統(tǒng)相融合，隨移動的軌跡記錄顆粒物的空間分布特征，分析城市不同區(qū)域的相互影響，區(qū)分外來污染和本地污染。

圖9和圖10為黃岡激光雷達(dá)走航監(jiān)測結(jié)果，圖9為消光系數(shù)圖，圖10為退偏振比圖。

圖9 黃岡激光雷達(dá)走航監(jiān)測消光系數(shù)Fig.9 The extinction coefficient monitored by mobile platform based scanning in Huanggang

圖10 黃岡激光雷達(dá)走航監(jiān)測退偏振比Fig.10 The depolarization ratio monitored by mobile platform based scanning in Huanggang

如圖9所示，2017年7月23日22:00—24:00的走航監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)2處重點污染區(qū)域以及2條相應(yīng)的污染擴(kuò)散帶。第1個重點污染區(qū)域是工業(yè)集中區(qū)，包含乳業(yè)、電氣、紡織、藥業(yè)及灰砂磚廠等，生產(chǎn)過程產(chǎn)生較多顆粒物排放；第2個重點污染區(qū)域是居民集中區(qū)域，顆粒物的主要來源是燃煤和餐飲油煙等。圖10中，紅色四邊形區(qū)域內(nèi)的退偏振比高于周邊區(qū)域，表明該區(qū)域PM10比例較高，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，在該區(qū)域附近有灰砂磚廠及黃沙碎石售賣點，是PM10的主要來源。

3 總結(jié)與展望

激光雷達(dá)主動探測技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測帶來了新的思路，打破了傳統(tǒng)被動光學(xué)遙感在環(huán)境監(jiān)測中的局限性。激光雷達(dá)能夠直接獲取三維廓線信息，提升探測作用距離并準(zhǔn)確反演污染過程，這些獨特優(yōu)勢在該研究中得到突出體現(xiàn)：

1)在2017年4月17—20日的污染案例中，激光雷達(dá)同時監(jiān)測到高空沙塵輸送與本地顆粒物累積現(xiàn)象，這是其他監(jiān)測設(shè)備難以探測到的。此外，在該次污染初期，激光雷達(dá)的反演結(jié)果很好地揭示了沙塵輸入期間沙塵氣溶膠在武漢市上空沉降現(xiàn)象。雷達(dá)反演結(jié)果與衛(wèi)星遙感影像顯示的范圍一致，也說明激光雷達(dá)監(jiān)測大氣污染具有較高精度。

2)在2017年11月2—3日的污染過程中，激光雷達(dá)監(jiān)測到邊界層高度整體偏低，氣象條件不利于污染物擴(kuò)散，本地污染的累積與污染氣團(tuán)的輸入造成此次污染的發(fā)生。

3)利用激光雷達(dá)水平掃描技術(shù)，查明襄陽市高新區(qū)管委會空氣點位顆粒物數(shù)據(jù)超出市平均值的原因，為有效監(jiān)控大氣污染，制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

4)利用激光雷達(dá)走航監(jiān)測技術(shù)，探測黃岡主要街區(qū)顆粒物的垂直分布特征，結(jié)合地面監(jiān)測結(jié)果，能準(zhǔn)確把握顆粒物的擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散規(guī)律，為顆粒物污染影響溯源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)探測技術(shù)促進(jìn)了大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對城市上空大氣污染的擴(kuò)散、沙塵輸送過程進(jìn)行有效的監(jiān)測，為湖北大氣監(jiān)測提供了重要技術(shù)支撐。