王偉齊，王章軍，臧增亮，胡俊忠，張誠(chéng)杰，莊全風(fēng)

（1.中國(guó)人民解放軍66199 部隊(duì)，北京 100041；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，大氣環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，PM2.5、PM10等氣溶膠顆粒物是目前大部分地區(qū)的主要污染物。盡管政府已經(jīng)采取很多措施降低氣溶膠顆粒物，但在不利的氣象條件下，依然會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的氣溶膠污染事件[1-3]。已有很多針對(duì)氣象條件與氣溶膠濃度之間關(guān)系的研究，張仁健 等[4]研究了北京地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度及其譜分布特征與相對(duì)濕度的關(guān)系。林俊等[5]統(tǒng)計(jì)分析了上海地區(qū)不同粒徑大氣氣溶膠的數(shù)濃度與溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等氣象因素之間的關(guān)系。

受制于氣溶膠垂直分布觀測(cè)手段的不足，研究大多針對(duì)地面的污染物和氣象變量進(jìn)行，但大氣環(huán)境是三維的，特別是垂直方向的大氣穩(wěn)定度對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散起重要作用，因此掌握氣溶膠的垂直分布特征對(duì)于深入了解氣溶膠污染過(guò)程十分重要[6]。隨著國(guó)內(nèi)外激光雷達(dá)的應(yīng)用，雷達(dá)廓線資料為研究氣溶膠的垂直分布提供了依據(jù)。Raman 等[7]將中國(guó)喜馬拉雅測(cè)得的37個(gè)氣溶膠垂直分布數(shù)據(jù)與云和氣溶膠偏振激光雷達(dá)（CALIPSO）數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)秋、冬兩季的垂直分布結(jié)構(gòu)基本相似，而春、夏兩季在海拔低于3 km 時(shí)差異明顯。呂陽(yáng)等[8]選取北京地區(qū)2013 年1 月灰霾天氣和2 月晴天天氣進(jìn)行氣溶膠垂直分布對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)晴好天氣溶膠的垂直分布不均勻，易出現(xiàn)垂直分層現(xiàn)象，而灰霾天氣溶膠主要集中在垂直高度1 km 以下，基本無(wú)分層現(xiàn)象。許瀟峰等[9]分析了2013 年12月華北地區(qū)一次典型大范圍霧霾污染事件中氣溶膠的分布特征，發(fā)現(xiàn)霾日和清潔日的消光系數(shù)在低層差異很大，隨高度增加，差異減小。

雖然對(duì)特定季節(jié)或是特別污染天氣背景下氣溶膠垂直分布特征進(jìn)行了較多研究，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間范圍 內(nèi)不同污染條件下氣溶膠的垂直分布及其與氣象條件的關(guān)系研究仍較少。文中利用2017 年9 月至2018年8 月08 時(shí)和20 時(shí)北京地區(qū)的激光雷達(dá)廓線資料反演氣溶膠消光系數(shù)，并結(jié)合探空觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)保部發(fā)布的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，對(duì)不同污染條件下氣溶膠垂直分布和大氣溫濕廓線進(jìn)行分析，探索其影響機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)分析處理

1.1 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)

本研究使用的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自主研發(fā)的多波長(zhǎng)氣溶膠激光雷達(dá)[10-11]，該設(shè)備在北京進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，積累了2017 年9 月至2018 年8 月的全年觀測(cè)數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)接收到距離z 處的后向散射信號(hào)可以表示為：

式中：z 為探測(cè)距離；P 表示高度z 處的大氣回波信號(hào)功率；P0為激光發(fā)射功率；C 為系統(tǒng)常數(shù)；β為后向散射系數(shù)；α 為消光系數(shù)；下標(biāo)a、m 分別代表氣溶膠、大氣分子。利用激光雷達(dá)接收的回波信號(hào)可以反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)等信息，本研究采用的 532 nm 氣溶膠消光系數(shù)利用Fernald 算法[12]反演獲得。利用Fernald 反演算法計(jì)算氣溶膠消光系數(shù)時(shí)，標(biāo)定高度zc以下高度（后向積分）和zc以上高度（前向積分）的消光系數(shù)表達(dá)式分別為：

式中：X(z)=P(z)·z·z，分子消光系數(shù)αm可由理論計(jì)算得到，Sm、Sa分別為分子和氣溶膠的消光散射比，Sm=αm/βm=8π/3，Sa的取值取決于發(fā)射激光的波長(zhǎng)、氣溶膠的尺度譜分布、折射指數(shù)和地理位置，取值范圍一般在10～100 sr 之間，可以根據(jù)不同觀測(cè)地點(diǎn)、不同天氣情況而事先給定，文中反演532 nm 波長(zhǎng)的消光系數(shù)時(shí)，將Sa取值50 sr。相比于氣溶膠或云粒子，大氣分子的性質(zhì)比較穩(wěn)定。標(biāo)定高度zc的設(shè)定可選取近乎不含氣溶膠粒子的清潔大氣層所在的高度（大氣介質(zhì)僅被視為分子），如視大氣狀況選定在10 km 或其他高度。在參考高度，氣溶膠消光系數(shù)臨界值可由1+βa(zc)/ βm(zc)=1.01 確定。

為匹配探空觀測(cè)時(shí)間，研究選取激光雷達(dá)每天08 時(shí)和20 時(shí)的消光系數(shù)廓線，從210 m 開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

1.2 探空氣象數(shù)據(jù)

美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心整合了一套全球范圍內(nèi)的高質(zhì)量探空站點(diǎn)數(shù)據(jù)集-IGRA(the Integrated Global Radiosonde Archive)[13]。IGRA 數(shù)據(jù)集包括11 個(gè)數(shù)據(jù)源整合的全球1538 個(gè)探空站經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的探空數(shù)據(jù)。在垂直層次上，該探空數(shù)據(jù)集包括標(biāo)準(zhǔn)等壓面、特性層以及風(fēng)層的資料[14]。探測(cè)要素包括位勢(shì)高度、氣溫、露點(diǎn)溫度差、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等。文中收集了2017 年9 月至2018 年8 月北京站的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

PM2.5濃度觀測(cè)資料來(lái)自于全國(guó)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)，目前該平臺(tái)提供全國(guó)375 個(gè)城市1649 個(gè)監(jiān)測(cè)站的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5的逐小時(shí)濃度值，以及空氣質(zhì)量指數(shù)AQI。文中收集了研究期間北京市官園站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，該站距離激光雷達(dá)觀測(cè)站和探空站的距離均小于10 km，能夠較好地代表局地的污染狀況。

除了空間上匹配外，還要進(jìn)行時(shí)間上的匹配。探空觀測(cè)僅在北京時(shí)08 時(shí)和20 時(shí)進(jìn)行，本研究將激光 雷達(dá)資料和PM2.5數(shù)據(jù)在相應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠消光系數(shù)特征分析

由地面PM2.5濃度和激光雷達(dá)210 m 氣溶膠消光系數(shù)的基本統(tǒng)計(jì)量可知，相比于1 年730 個(gè)（每天2次）樣本而言，兩者的有效樣本量均比較高，均達(dá)到85%以上。PM2.5濃度最小值僅為1.000 μg/m3，最大值達(dá)到298.000 μg/m3，平均值為54.402 μg/m3。近地面氣溶膠消光系數(shù)的變化幅度也比較大，最小值僅為0.004 km-1，最大值達(dá)3.296 km-1，平均值為0.395 km-1。

月均值地面PM2.5濃度、210 m 氣溶膠消光系數(shù)和地面相對(duì)濕度的時(shí)間序列如圖1 所示，可以看出，地面PM2.5濃度和210 m 氣溶膠消光系數(shù)的時(shí)間序列有很好的一致性。對(duì)相同時(shí)刻匹配后PM2.5濃度和 210 m 氣溶膠消光系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析顯示，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77。值得注意的是，夏季（6—8月）的地面PM2.5濃度明顯偏低，但210 m 氣溶膠消光系數(shù)卻未明顯偏低，甚至在7 月份有較明顯的增大。這主要是由于夏季邊界層高度比較高，PM2.5濃度擴(kuò)散的高度也比較高，造成地面PM2.5濃度偏低，但夏季近地層水汽濕度較大，特別是在7 月份（見(jiàn)圖1c），PM2.5吸濕增長(zhǎng)致使消光特性增強(qiáng)[15]。冬季（12、1 和2 月）的210 m 氣溶膠消光系數(shù)偏低，但地面PM2.5濃度卻未明顯偏低。冬季往往有貼地逆溫層存在，由于PM2.5和水汽常集中在該逆溫層以下，導(dǎo)致地面PM2.5濃度偏高；210 m 可能已經(jīng)處于貼地逆溫層以上，PM2.5濃度較低，相對(duì)濕度也較小，故氣溶膠消光系數(shù)偏低。北京冬季08 時(shí)和20 時(shí)貼地逆溫層出現(xiàn) 頻數(shù)和逆溫層頂高度的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1，可以看出，08 時(shí)和20 時(shí)大部分情況下均存在貼地逆溫層，其中貼地逆溫層頂高度最小值為21 m，最大值可達(dá)500 m以上，平均高度均低于210 m。

圖1 月均值地面PM 2.5 濃度、210 m 氣溶膠消光系數(shù)和地面相對(duì)濕度的時(shí)間序列

表1 北京冬季08 時(shí)和20 時(shí)貼地逆溫層出現(xiàn)頻數(shù)和 逆溫層頂高度的統(tǒng)計(jì)特征

選取冬、夏季節(jié)各一個(gè)樣本進(jìn)行說(shuō)明。如圖2 所示，2018 年1月19 日08 時(shí)地面PM2.5濃度為89 μg/m3， 達(dá)到輕度污染水平，但210 m 氣溶膠消光系數(shù)僅為0.21 km-1。2018 年8 月20 日08 時(shí)，地面PM2.5濃度為29 μg/m3，210 m 氣溶膠消光系數(shù)卻達(dá)到0.32 km-1。由當(dāng)時(shí)的氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線可以看出，1 月19 日08 時(shí)在210 m 高度以下有明顯的貼地逆溫層，抑制了PM2.5濃度的垂直擴(kuò)散，使地面PM2.5濃度偏大[16]。210 m 高度位置在貼地逆溫層頂部，相對(duì)濕度也比較小，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)偏小。8 月20 日08 時(shí)在210 m 高度以下無(wú)逆溫層，空氣垂直對(duì)流比較充分，且地面至210 m 高度，大氣相對(duì)濕度一直在80%以上，PM2.5吸濕增長(zhǎng)明顯，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)偏大。

圖2 氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對(duì)濕度廓線

2.2 大氣溫濕廓線對(duì)氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的影響

季節(jié)平均的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布如圖3 所示，可以看出，在大氣底層，春季和夏季的消光系數(shù)相對(duì)較大，冬季的消光系數(shù)最小，這應(yīng)該和相對(duì)濕度有關(guān)。同時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)邊界層以上消光系數(shù)的影響也很大，造成垂直分布的波動(dòng)較大。特別是當(dāng)有云存在時(shí)，云的消光系數(shù)要比氣溶膠的消光系數(shù)大得 多[17]。2018 年3 月30 日08 時(shí)氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖4 所示，可以看出，氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布特征與相對(duì)濕度在垂直高度上的變化趨勢(shì)結(jié)果相近。圖4a、c 的消光系數(shù)和相對(duì)濕度均從地面開(kāi)始減小，在1000 m 高度附近達(dá)到最小值，然后相對(duì)濕度開(kāi)始增大。當(dāng)相對(duì)濕度增加到50%時(shí)，氣溶膠消光系數(shù)開(kāi)始緩慢增大。當(dāng)相對(duì)濕度增加到80%時(shí)，氣溶膠消光系數(shù)開(kāi)始迅速增加，在2000 m高度均達(dá)到最大值，說(shuō)明在2000 m 高度附近可能存在云區(qū)。此外，春季的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布波動(dòng)較大，還受外來(lái)輸送的沙塵氣溶膠影響。2018 年3月28 日20 時(shí)氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖5 所示，可以看出，此時(shí)大氣垂直相對(duì)濕度均小于35%，且溫度廓線沒(méi)有逆溫存在，但氣溶膠消光系數(shù)在800 m 高度以上存在一個(gè)明顯的高值區(qū)。當(dāng)天北京 市氣象臺(tái)發(fā)布了沙塵藍(lán)色警報(bào)，說(shuō)明該消光系數(shù)高值區(qū)可能就是由沙塵造成的。

圖3 季節(jié)平均的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布

圖4 2018 年3 月30 日08 時(shí)受云影響的氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對(duì)濕度廓線

圖5 2018 年3 月28 日20 時(shí)受沙塵影響的氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對(duì)濕度廓線

為了降低云對(duì)氣溶膠消光系數(shù)廓線的影響，對(duì)每條氣溶膠消光系數(shù)廓線及其對(duì)應(yīng)的大氣相對(duì)濕度廓線進(jìn)行云剔除。首先尋找氣溶膠消光系數(shù)和相對(duì)濕度均存在峰值的區(qū)域，然后判斷此區(qū)域的相對(duì)濕度是否大于80%，如果大于80%，則將消光系數(shù)開(kāi)始快速增長(zhǎng)的起始高度作為云底高，否則不作處理，最后將云底高以上數(shù)據(jù)全部剔除。如圖4 中的1730 m 高度即為云底高，做云剔除時(shí)，將1730 m 高度以上的氣溶膠消光系數(shù)和大氣溫濕廓線數(shù)據(jù)剔除。此外，對(duì)于云區(qū)較低，不易區(qū)分消光系數(shù)的變化是由云還是氣溶膠引起的，就將整個(gè)廓線剔除，所以經(jīng)過(guò)云剔除后的樣本量略有減少。各季節(jié)的受云影響樣本的平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖6 所示，可以看出，夏季有云樣本最多，冬季有云樣本最少。此外，通過(guò)比較有云樣本不同季節(jié)的大氣相對(duì)濕度廓線，可以看出，夏季的云多為低于1500 m 的云，而其他三個(gè)季節(jié)的云多為高于1500 m 的云。這主要是由于夏季大氣中水汽充分，對(duì)流凝結(jié)高度和抬升凝結(jié)高度均比較低，易出現(xiàn)低云，而其他季節(jié)，尤其是冬季，大氣中水汽含量較低，多為中高云。

2.3 不同污染條件下氣溶膠消光系數(shù)垂直分布特征分析

為更好比較清潔和污染條件下氣溶膠垂直分布與大氣溫濕廓線的關(guān)系，將匹配的數(shù)據(jù)按PM2.5濃度分為兩類：一類是PM2.5小時(shí)濃度小于50 μg/m3對(duì)應(yīng)的樣本，代表清潔條件；一類是PM2.5小時(shí)濃度大于等于50 μg/m3對(duì)應(yīng)的樣本，代表污染條件。不同條件下各季節(jié)的平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫濕廓線如圖7 所示。整體上看，各個(gè)季節(jié)的氣溶膠消光系數(shù)均從地面開(kāi)始迅速減小，夏季減小的速率較慢，而冬季減小較快。這主要是由于夏季的大氣邊界層較高，污染物擴(kuò)散得高，而冬季的大氣邊界層高度較低，污染物擴(kuò)散得低。

圖6 受云影響樣本的平均氣溶膠消光系數(shù)、大氣溫度和相對(duì)濕度廓線

比較圖7 中清潔和污染條件下氣溶膠消光系數(shù)的廓線，可以看出，春季、秋季和冬季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的5 倍，夏季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的3 倍。這主要是由于夏季大氣水汽含量較大，在PM2.5吸濕增長(zhǎng)后，其折射指數(shù)和粒子的眾數(shù)半徑也隨之改變，導(dǎo)致氣溶膠消光系數(shù)在污染和清潔條件下的差異變小。此外，相較清潔條件下，污染條件下各季節(jié)的大氣溫度垂直遞減率均偏小，而低層（1000 m 以下）大氣相對(duì)濕度均偏大。大氣溫度垂直遞減率越小，說(shuō)明大氣層結(jié)越穩(wěn)定，抑制對(duì)流發(fā)展，進(jìn)而影響PM2.5的垂直擴(kuò)散，導(dǎo)致地面PM2.5濃度增大，反之亦然。低層大氣相對(duì)濕度較大，PM2.5吸濕增長(zhǎng)，當(dāng)空氣濕度較大而未發(fā)生沉降作用時(shí)，PM2.5吸水懸浮在低空不易擴(kuò)散，從而造成PM2.5高濃度污染[17]。

圖7 平均氣溶膠消光系數(shù)廓線和大氣溫度和相對(duì)濕度廓線

3 結(jié)論

文中利用2017 年9 月至2018 年8 月08 時(shí)和20時(shí)北京地區(qū)的氣溶膠消光系數(shù)和探空數(shù)據(jù)，通過(guò)匹配PM2.5濃度數(shù)據(jù)，分析了大氣溫濕廓線對(duì)不同污染條件下氣溶膠垂直分布的影響，得到如下結(jié)論。

1）地面PM2.5濃度和210 m 氣溶膠消光系數(shù)的時(shí)間序列有很好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77。

2）受近地層大氣溫度層結(jié)和相對(duì)濕度影響，夏季地面PM2.5濃度偏低，冬季210 m 氣溶膠消光系數(shù)偏低。

3）春季、秋季和冬季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的5 倍，夏季污染條件下的近地面消光系數(shù)約是清潔條件下的3 倍。相比清潔條件下，污染條件下各季節(jié)的大氣溫度垂直遞減率偏小，并且低層大氣相對(duì)濕度偏大。

4）大氣溫度廓線代表大氣層結(jié)穩(wěn)定性，影響氣溶膠的擴(kuò)散高度，而相對(duì)濕度廓線與氣溶膠吸濕增長(zhǎng)密切相關(guān)，兩者對(duì)氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布都有重要影響。