柴文軒，唐桂剛，王 帥，汪太明，鄭皓皓，侯玉婧

中國環(huán)境監(jiān)測總站， 國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室， 北京 100012

沙塵天氣是由于強風(fēng)將地面沙塵攜卷到空中，致使地面能見度變低的一種災(zāi)害性天氣。沙塵氣溶膠是春季我國北方地區(qū)大氣氣溶膠的重要來源，對城市環(huán)境、人體健康、地區(qū)氣候有重大影響[1]。沙塵天氣的主要監(jiān)測方法集中分為近地面的常規(guī)數(shù)據(jù)監(jiān)測和空基遙感監(jiān)測2種：常規(guī)監(jiān)測主要以地面監(jiān)測站為固定監(jiān)測點，通過人為肉眼觀測和TSP、PM10檢測器的測量，實現(xiàn)對沙塵的監(jiān)測[2]；空基監(jiān)測主要利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測沙塵天氣，比如利用短波通道、靜止紅外遙感定量等多種衛(wèi)星觀測沙塵氣溶膠的反演和輻射強迫研究。但是，這些監(jiān)測手段均不能監(jiān)測到氣溶膠的垂直分布信息。

激光雷達是一種能夠探測氣溶膠垂直分布信息的主動遙感技術(shù)，因其高時空分辨率被廣泛用于沙塵氣溶膠的分析研究中。黃艇等[3]利用激光雷達針對大連2006年4月7—8日的沙塵過程進行了探測，并分析了沙塵過程的時空分布特征。樊璠等[4]對北京2012年3月30—31日強沙塵過程前后的激光雷達探測結(jié)果進行了對比分析，探討了沙塵過程中氣溶膠的時空分布特征及輸送特征。伍德俠等[5]利用激光雷達、地面站點數(shù)據(jù)觀測資料，對無錫2014年3月9—10日的一次沙塵輸送過程進行了綜合分析。

隨著研究的進一步深入，為使激光雷達以點位為單位的觀測在空間上進行延展，實現(xiàn)我國區(qū)域大氣污染分布的快速探測，研究地理氣象條件對區(qū)域重污染形成的影響，評估區(qū)域大氣污染輸送，尤其是定量評估城市間大氣污染相互傳輸，車載激光雷達觀測手段開始被應(yīng)用到觀測實踐中。王威等[6]針對2016年國慶期間一次污染消散過程，開展了激光雷達定點與走航觀測；呂立慧等[7-8]利用車載激光雷達走航觀測結(jié)果，反演了我國北部地區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度與氣溶膠消光系數(shù)廓線。2018年3月28日京津冀地區(qū)經(jīng)歷了一次浮塵天氣過程，北京受外來沙塵影響，PM10短時達到2 000 μg/m3以上。為研究區(qū)域沙塵分布和傳輸特征，掌握北京及周邊地區(qū)顆粒物時空變化情況，分析區(qū)域大氣污染的變化趨勢，在京津冀地區(qū)進行了一次車載激光雷達走航觀測，并結(jié)合定點垂直觀測結(jié)果綜合分析了此次浮塵過程的污染物傳輸與分布特點。

1 原理和方法

1.1 車載走航觀測激光雷達

車載走航觀測是一種基于可移動觀測激光雷達的大氣監(jiān)測技術(shù)，不僅將優(yōu)化后的地基激光雷達系統(tǒng)放置在車輛這個移動觀測平臺上，還加入 GPS(全球定位系統(tǒng))定位模塊用以記錄車輛移動觀測過程中的位置信息。將激光雷達搭載于移動載體上，除了能夠快速轉(zhuǎn)移監(jiān)測地點，實現(xiàn)對突發(fā)污染事件的應(yīng)急監(jiān)測之外，其移動走航探測模式還能夠快速精確獲取大氣顆粒物沿測量路徑的分布剖面，結(jié)合GPS 定位模塊記錄的位置信息便能獲取大氣顆粒物的區(qū)域分布特征；此外，將移動走航觀測數(shù)據(jù)與風(fēng)場數(shù)據(jù)相結(jié)合，還能估算區(qū)域顆粒物的輸送通量，評估區(qū)域大氣顆粒物污染輸送對城市重污染形成的影響。車載激光雷達系統(tǒng)彌補了單個激光雷達站點或由多個激光雷達站點組成的激光雷達觀測網(wǎng)在區(qū)域顆粒物污染探測方面的不足，實現(xiàn)了我國區(qū)域尺度上大氣顆粒物分布特征的快速、實時監(jiān)測，為有效制定顆粒物污染控制措施提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

車載走航激光雷達系統(tǒng)以車輛為載體，有4個組成單元：激光發(fā)射單元、接收單元、信號采集單元、GPS單元。激光雷達結(jié)構(gòu)如圖1所示，雷達主要性能參數(shù)見表1。與定點垂直觀測所用的激光雷達相比，其發(fā)射單元只發(fā)射波長為532 nm的激光光束，光束穿過反射鏡的小孔后由擴束鏡擴束，經(jīng)消色差透鏡組準直后垂直發(fā)射到大氣中。接收單元使用透射式望遠鏡，激光與大氣相互作用產(chǎn)生的后向散射光被望遠鏡接收后，通過消色差透鏡組后經(jīng) 45°反射鏡反射后匯聚于小孔光闌內(nèi)。被透鏡準直后的 532 nm 的光穿過檢偏棱鏡又被分為平行光和垂直光2束線偏振光，最終2束線偏振光經(jīng)過窄帶濾光片去除天空背景光的干擾后到達光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。車載激光雷達系統(tǒng)還包括GPS單元，GPS 跟蹤定位系統(tǒng)負責(zé)跟蹤記錄每個測量點位上的位置信息(經(jīng)度、緯度等)和運動信息(車速、車輛行駛方位角等)。通過將大氣顆粒物垂直分布信息與位置信息相結(jié)合，就能獲得大氣顆粒物的區(qū)域立體分布信息。

注：NDL YAG:釔鋁石激光器圖1 車載走航觀測激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mobile vehicle lidar

系統(tǒng)組成項目 參數(shù) 發(fā)射單元 接受單元激光器 Nd:YAG中心波長532 nm單脈沖激光能量1mJ 重復(fù)頻率2 000 Hz發(fā)散角0.2 毫弧度望遠鏡類型透射式望遠鏡直徑180 mm探測器光電倍增管距離分辨率7.5 m

1.2 激光雷達數(shù)據(jù)反演算法

激光雷達方程[9]:

(1)

透過率，σa(r)、σm(r)分別為距離r處的氣溶膠粒子和大氣分子的消光系數(shù)。

為方便求解，引入氣溶膠的消光后向散射比：Sa=σa(r)/βa(r)，根據(jù)瑞利散射公式可以確定大氣分子的消光后向散射比為Sm=σm(r)/βm(r)=8π/3,代入公式(1)中可得:

(2)

式中：rc為參考高度?？梢钥闯觯灰_定了rc處的氣溶膠消光系數(shù)和分子消光系數(shù)，就可解得rc處的氣溶膠消光系數(shù)與后向散射系數(shù)。

在米散射理論[10]中，消光系數(shù)等于粒子的數(shù)密度與粒子的消光截面乘積，可見當單個氣溶膠粒子的消光截面一定時，消光系數(shù)與顆粒物濃度呈正比，同理，后向散射系數(shù)與氣溶膠數(shù)密度亦有類似的正比關(guān)系。通過激光雷達探測得到的消光系數(shù)廓線在一定程度上可以反映氣溶膠濃度的空間分布特征，從而實現(xiàn)對顆粒物質(zhì)量濃度的空間立體監(jiān)測。

2 觀測結(jié)果

2.1 北京上空沙塵過境時垂直觀測結(jié)果

激光雷達可以獲取顆粒物的消光系數(shù)與退偏振比的光學(xué)特性，其中消光系數(shù)與污染物濃度相關(guān)。研究[11]表明，中度污染期間，北京地區(qū)1 km高度以下大氣氣溶膠平均消光系數(shù)是(0.39±0.15) km-1，重污染期間氣溶膠消光系數(shù)是(1.97±0.91) km-1，亞洲沙塵期間對應(yīng)測量數(shù)值是(0.33±0.11) km-1。退偏振比與粒子的尺度與形狀有關(guān)，一般灰霾氣溶膠退偏振比小于0.2[12]，而沙塵氣溶膠的退偏振比為0.2～0.3[13]，劇烈沙塵暴時可達0.4。

由北京各國控點監(jiān)測數(shù)據(jù)的城市均值，繪制污染期間北京顆粒物的質(zhì)量濃度變化時間序列和周邊部分城市國控點均值情況圖，見圖2。由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，污染過程主要分為2個階段：3月25—28日污染物以PM2.5為主，為細顆粒物累積階段；28日凌晨開始PM10質(zhì)量濃度急劇上升，至28日夜間污染物濃度開始下降，為沙塵傳輸階段。在細顆粒累積階段中，25日18：00之前PM2.5質(zhì)量濃度為50 μg/m3左右，18：00開始PM2.5質(zhì)量濃度不斷升高，至28日00：00時PM2.5質(zhì)量濃度達到255 μg/m3。在沙塵傳輸階段，PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)降低，此階段污染物以PM10為主。28日06：00起PM10質(zhì)量濃度迅速上升，至28日08：00質(zhì)量濃度達到最大值2 178 μg/m3，隨后污染物濃度開始逐漸降低，至29日04：00降低至200 μg/m3以下，29日04：00—22：00的PM10質(zhì)量濃度仍維持在150～200 μg/m3，23：00以后降至100 μg/m3以下，污染過程結(jié)束，激光雷達監(jiān)測結(jié)果與近地面顆粒物濃度變化趨勢一致。圖2(b)中給出了北京、天津、滄州、德州、聊城5個城市的PM10變化時間序列，數(shù)據(jù)來源為各城市國控點監(jiān)測數(shù)據(jù)的城市均值。

圖3為2018年3月25—30日期間激光雷達定點垂直觀測結(jié)果，該激光雷達位于中國環(huán)境監(jiān)測總站樓頂(北緯：40.22′24″,東徑：116.24′36″)。25日下午起近地面顆粒物消光系數(shù)開始增加，由25日中午的0.25 km-1增加到27日1 km-1左右。26—28日邊界層高度壓低至0.8 km以下，垂直擴散條件轉(zhuǎn)差，局地污染物易累積。26日下午起污染物在空間上分為2層：0.8 km以下以高消光值且低退偏振比的局地PM2.5污染物為主，消光系數(shù)在1 km-1左右，而退偏振比在0.2以下；0.8 km以上以低消光值但高退偏振比的沙塵污染物為主，消光系數(shù)為0.2～0.5 km-1，而退偏振比在0.4左右。27日起沙塵傳輸帶高度逐漸降低。28日凌晨沙塵與近地面污染物混合，受沙塵影響近地面污染物濃度迅速升高,近地面污染物消光系數(shù)達到1 km-1,退偏振比也在0.4左右；28日午后沙塵污染開始逐漸向高空抬升，近地面污染物濃度逐漸降低。

圖2 污染過程顆粒物質(zhì)量濃度時間序列Fig.2 Time variations of PM2.5 and PM10 concentrations in the experimental period

圖3 2018年3月25—30日激光雷達垂直觀測結(jié)果Fig.3 Optical characteristics of aerosol measured by a ground-based lidar from March 25 to 30 in 2018

圖4(a)為28日08：00的HYSPLIT(混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型)24 h后向軌跡結(jié)果，可見沙塵來自于內(nèi)蒙古中東部，由北京東北方向輸入；圖4(b)為3月28日08：00的HYSPLIT 6 h前向軌跡結(jié)果。結(jié)果表明，沙塵于28日午時輸送至空中后，開始沿西南方向傳輸。北京、天津、滄州、德州、聊城5個城市的PM10增長時段有明顯的時序性[圖2(b)]，可見沙塵從北向南傳輸導(dǎo)致了路徑上各城市PM10質(zhì)量濃度依次增長，與后向軌跡分析結(jié)果一致。結(jié)合激光雷達監(jiān)測結(jié)果可以看出，沙塵傳輸過程帶來沙塵的同時會帶走本地的PM2.5污染物，沙塵沉降后空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

圖4 3月28日北京的HYSPLIT模式氣團軌跡分析Fig.4 March 28th HYSPLIT model result at Beijing

2.2 車載走航觀測結(jié)果

為研究區(qū)域沙塵氣溶膠分布和傳輸特征，重點關(guān)注以北京為中心的沙塵分布特征以及京津冀區(qū)域間傳輸?shù)挠绊?，設(shè)計走航線路見圖5。

由圖5所示，走航車于2018年3月28日08：56分按走航路線從北京出發(fā)，向南開往滄州方向以探測走航路徑上空污染物的傳輸特征及時空分布，28日11：14到達滄州，28日11：26從滄州開始返程觀測，走航車沿探測路徑于28日15：03回到北京，觀測結(jié)果見圖6、圖7。由圖6(a)可以看出，去程北京至滄州路段混合層內(nèi)近地面至低空1.2 km內(nèi)顆粒物消光系數(shù)逐漸降低，全程2.0 km以下退偏振比較高，表明粗顆粒物占比較高；由圖6(b)可知，返程北京路段混合層內(nèi)近地面至低空1.6 km內(nèi)顆粒物消光系數(shù)較其他路段高，滄州至天津路段低空1.0 km左右有污染帶，全程2.4 km以下退偏振比較高，表明粗顆粒物占比較高。由圖7北京至滄州往返走航結(jié)果對比看出，出發(fā)時北京至滄州路段近地面消光系數(shù)較返程時高，返程時滄州至北京路段近地面消光系數(shù)明顯降低，且比較全程退偏振比的變化可知，北京至滄州沙塵與近地面污染物逐漸混合且在1 km以下沿著近地面?zhèn)鬏?，近地面沙塵污染高度逐漸降低，滄州路段貼著近地面?zhèn)鬏數(shù)纳硥m氣溶膠大部分已經(jīng)沉降，但整體退偏振比仍在較高水平，區(qū)域整體處于浮塵天氣中。

激光雷達走航監(jiān)測結(jié)果顯示，京津冀區(qū)域由北至南近地面顆粒物消光系數(shù)逐漸降低，北京在1.2 km區(qū)域的消光系數(shù)達到1 km-1左右，沙塵由北至南逐漸沉降，沙塵污染強度由北至南不斷降低；天津在0.8 km以下區(qū)域污染物濃度較高，消光系數(shù)從北京的1 km-1下降到0.5～0.6 km-1；滄州附近區(qū)域近地面消光系數(shù)降至0.5 km-1以下?；旌蠈觾?nèi)低空1.5 km左右存在沙塵傳輸帶，沙塵傳輸帶消光系數(shù)為0.8～1 km-1，這部分沙塵氣溶膠并未與近地面污染物混合，將沿著東北氣流向西南方向輸送。走航觀測期間，北京近地面消光系數(shù)要高于南部其他區(qū)域，15：03走航車返回北京后監(jiān)測到的消光系數(shù)及退偏振比與08：56走航車從北京出發(fā)時相差不大，說明直至15：03北京近地面仍受沙塵氣溶膠輸入的影響，沙塵氣溶膠與近地面污染物混合使PM10質(zhì)量濃度維持在較高水平。

圖6 2018年3月28日激光雷達走航觀測結(jié)果Fig.6 Distribution of aerosol measured by mobile vehicle lidar on March 28, 2018

圖7 激光雷達走航時間序列圖Fig.7 Temporal distribution of aerosol measured by mobile vehicle lidar

3 討論與展望

針對2018年3月28日京津冀區(qū)域的浮塵天氣過程，進行了一次車載激光雷達走航觀測，探測得到了浮塵天氣中北京到滄州的沙塵氣溶膠時空分布，并結(jié)合國控點地面觀測數(shù)據(jù)、定點垂直激光雷達觀測數(shù)據(jù)、HYSPLIT模式的結(jié)果，對這次浮塵天氣進行了分析。位于北京六環(huán)附近的激光雷達監(jiān)測結(jié)果顯示，28日凌晨開始，沙塵氣溶膠與近地面污染物混合，受沙塵影響近地面污染物濃度迅速升高，28日午后沙塵開始向空中傳輸。從北京到滄州的走航觀測結(jié)果顯示，沙塵氣溶膠先向南傳輸?shù)骄┙蚣侥喜繀^(qū)域，隨后向西南方向傳輸，南部區(qū)域近地面污染物濃度逐漸降低，同時觀測到京津冀區(qū)域空中1.5 km存在沙塵傳輸帶。

移動探測結(jié)果表明車載激光雷達走航觀測突破了定點激光雷達觀測點位離散的局限性，可以有效觀測浮塵，快速、機動地捕獲浮塵天氣中沙塵氣溶膠的時空分布與傳輸特征。為沙塵的預(yù)警預(yù)報提供有效支持。此外，車載走航觀測數(shù)據(jù)可以進一步結(jié)合精細化的預(yù)警預(yù)報開展區(qū)域的空氣質(zhì)量監(jiān)測，為重點區(qū)域污染的聯(lián)防聯(lián)控提供必要手段。