楊浩 袁學(xué)竹 焦永杰 陳紅 張曉慧 孫克靜

摘 要：根據(jù)大氣對激光的散射、吸收、消光等物理效應(yīng)，通過分析激光回波，可以進(jìn)行大氣環(huán)境中氣溶膠的監(jiān)測。雷達(dá)垂直監(jiān)測可以分析城市污染成因，結(jié)合氣象條件可以對城市未來幾天的空氣情況作出預(yù)測，針對污染變化作出預(yù)警。水平掃描對監(jiān)測區(qū)域污染分布有重要作用，通過雷達(dá)水平監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析測試點(diǎn)周邊污染物聚集程度，主要污染點(diǎn)源等。利用微脈沖激光雷達(dá)對北方某城市對流層氣溶膠的光學(xué)特性進(jìn)行了測量和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域有污染跨境傳輸，并且主要以大顆粒形式，依靠自身重力和下沉氣流下降;本地正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染，產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。

關(guān)鍵詞：地面微脈沖;激光雷達(dá);氣溶膠;濃度;高度

激光雷達(dá)是大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境氣溶膠分布的新一代的高技術(shù)手段，它根據(jù)大氣對激光的散射、吸收、消光等物理效應(yīng)，通過定量分析激光回波，可以對大氣環(huán)境氣溶膠進(jìn)行探測。雷達(dá)系統(tǒng)對小尺度的大氣氣溶膠粒子尤為敏感，這是因?yàn)樾〕叨攘Ｗ訉梢姽獠ǘ斡泻軓?qiáng)的散射特征（1）。對于長時間連續(xù)的雷達(dá)探測，尤其對于氣候方面的觀測需要較長時間的連續(xù)測量，傳統(tǒng)雷達(dá)持續(xù)時間短、高能量發(fā)射光危害人眼等特點(diǎn)已經(jīng)無法滿足需求。激光具有單色性好、相干性強(qiáng)、方向性高以及高亮度、大功率等特點(diǎn)（2）。激光的高方向性、高亮度和高脈沖重復(fù)率，使激光雷達(dá)可以對幾公里以至幾十公里大范圍大氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時快速監(jiān)測;由激光雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時空演變特征、大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線和時間演變特征、云層高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見度和PM2.5及PM10濃度等信息，還可監(jiān)測工業(yè)煙塵的排放等城市上空環(huán)境污染物的擴(kuò)散規(guī)律等。

微脈沖激光雷達(dá)探測系統(tǒng)從研究到應(yīng)用在國際上僅有十年的歷史，EV-Lidar-CAM激光雷達(dá)主要由以下結(jié)構(gòu)組成：半導(dǎo)體激光泵浦的Nd：YAG脈沖激光器;發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng);高靈敏度光電探測器（CPM）;3D全天候掃描裝置;高速多道計數(shù)器和計算機(jī);控制和數(shù)據(jù)處理軟件等組成;該雷達(dá)安裝方式可以分為固定式和移動式兩種。

一、北方某城市實(shí)測數(shù)據(jù)詳解

1.垂直數(shù)據(jù)觀測

垂直掃描主要是通過觀察高空的污染分布，分析高空的污染跨境傳輸，比如沙塵、霧霾等，從而可以分析污染成因。

圖2.1為后向軌跡圖，選擇起始高度為1500米，圖的上方為整體的一個風(fēng)向，下方為高空氣流的走勢。

距離平方信號是通過激光雷達(dá)所接收到的不同偏振方向回波信號乘上距離平方得到。原始信號乘上距離平方，主要是彌補(bǔ)由于球面波隨距離的2次方衰減使得雷達(dá)信號隨著距離的增加光子數(shù)會減少。圖2.2為A通道距離平方信號，A通道代表接收水平偏振原始回波信號（球形粒子），球形粒子回波信號，可以理解為水汽，氣體類氣溶膠信號;圖2.3為B通道距離平方信號，B通道代表接收退偏振原始回波信號（非球形粒子），非球形粒子信號，可以理解為顆粒物，揚(yáng)塵沙塵等小顆粒物信號。從圖2.2和圖2.3可看出，高空9公里處有外來的污染物，隨著時間推移逐漸在沉降，說明來自跨境傳輸?shù)奈廴疚锛扔星蛐瘟Ｗ佑钟?/p>

非球形粒子，于14日凌晨3：30到達(dá)地面造成監(jiān)測區(qū)域近地面的污染。

圖2.4為消光系數(shù)圖，消光系數(shù)代表大氣對光的衰減系數(shù)，表示每千米或每米對光的吸收，或是單位距離內(nèi)氣溶膠顆粒對原始光學(xué)信號的衰減，其大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比，廓線代表距離平方信號與距離的關(guān)系。圖2.5為退偏比圖，退偏比是根據(jù)散射電磁輻射的退偏振信息，來探測和區(qū)分球形粒子與非球形粒子存在的比重程度，也可理解為粗粒子與細(xì)粒子的比值。從圖中的消光系數(shù)可看出高空有外來的污染物，隨著時間的推移在逐漸沉降，同時近地面也有少量污染物產(chǎn)生，可看到污染物于14日凌晨3：30到達(dá)近地面，與近地面本身產(chǎn)生的少量污染物混合起來造成近地面污染。高空沉降從兩方面解釋，一是由于跨境輸送過來的比較大的顆粒物由于自身重力的原因在逐漸沉降;二是高空有大范圍下降的氣流，而從后向軌跡圖也證實(shí)了這點(diǎn)。從圖2.4可看出，14日沉降下來的污染物由于下降氣流的原因，短時間內(nèi)擴(kuò)散不出去，故造成近地面污染，這與近地面空氣子站發(fā)布的AQI基本吻合。而從圖2.5可看出整體的退偏都比較偏大，而在高空的退偏比接近0.2左右，說明跨境傳輸?shù)闹饕獮楸容^大的顆粒物;而本地產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，隨著下沉氣流，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。從雷達(dá)的消光系數(shù)以及退偏比的數(shù)值分析，消光在1.5左右，退偏比小于0.1，基本確定為霾。

圖2.6為污染邊界層高度圖，污染邊界層可理解為人為活動能到達(dá)的最大的一個空間高度值，是對激光雷達(dá)距離修正信號的廓線求導(dǎo)得出的，導(dǎo)數(shù)最小對應(yīng)的高度即為污染邊界層高度;該高度上的大氣氣溶膠粒子的濃度變化最大。一般情況下可認(rèn)為：在晚間沒有外界環(huán)境干擾情況下（比如降雨、沙塵暴等），人為活動逐漸減少、溫度開始回落，邊界層高度較低;在白天溫度回升、人為活動增強(qiáng)、汽車尾氣濃度增大，地面浮沉開始上升，地表氣溶膠會有一個上升的趨勢，邊界層高度白天一般比晚間大;城市污染邊界層PBL可以從側(cè)面反映城市污染狀況，假定城市污染物總量固定，污染邊界層高，則單位體積污染物濃度會稍低，當(dāng)污染邊界層較低時單位體積污染物濃度會急劇上升。上圖可看到隨著下降氣流，污染物邊界層整體也在逐漸下降?？煽吹?4日整體的邊界層都比較低，單位體積污染物濃度比較高，高空污染物逐漸沉降，主要集中在大約300米左右一個區(qū)域高度。

2.水平掃描數(shù)據(jù)觀測

水平掃描主要是將激光雷達(dá)固定一個位置，通過對水平方位進(jìn)行掃描，來觀測監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的污染源分布。

圖2.7～2.13為現(xiàn)場實(shí)測水平數(shù)據(jù)效果圖。消光系數(shù)的大小與空氣中氣溶膠的濃度成正比;PM10為雷達(dá)反演出的PM10數(shù)據(jù)。由于東邊以及東南方向基本都被高建筑遮擋，我們選擇水平角-20到320度的掃描區(qū)間。圖中顏色的不同代表污染的輕重。選取五公里數(shù)據(jù)，盡管白天有太陽光的影響，但可以發(fā)現(xiàn)在正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染。正北偏東方向：從上述圖中可看出距離雷達(dá)點(diǎn)位將近3公里左右，可看到污染物隨著風(fēng)向由西北向著東南擴(kuò)散。通過雷達(dá)不間斷掃描發(fā)現(xiàn)污染出現(xiàn)頻率較高，可能是固定污染源。正南方向：從圖中可以看出倆公里左右出現(xiàn)顏色比較深區(qū)域，可看到在向雷達(dá)測試點(diǎn)位以及西邊擴(kuò)散。正西方位：從圖中看出雷達(dá)西面出現(xiàn)污染物不規(guī)律現(xiàn)象，可能是近地面人為活動、車輛等臨時污染源排放導(dǎo)致。

圖2.14為14日下午調(diào)整水平測試所測數(shù)據(jù)，由于當(dāng)天受跨境傳輸影響，沉降到近地面，造成近地面污染嚴(yán)重，可以看出數(shù)據(jù)越靠近雷達(dá)方位顏色比較深。在600米左右PM10高達(dá)300多，也說明了污染比較嚴(yán)重。

二、結(jié)語

1.雷達(dá)垂直監(jiān)測可以分析城市污染成因，結(jié)合氣象條件可以對城市未來幾天的空氣情況作出預(yù)測，針對污染變化作出預(yù)警。

2.雷達(dá)水平掃描對監(jiān)測區(qū)域污染分布有重要作用，通過雷達(dá)水平監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析測試點(diǎn)周邊污染物聚集程度，主要污染點(diǎn)源等。

3.通過對北方某城市進(jìn)行觀測，垂直掃描時，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域有污染跨境傳輸，并且主要以大顆粒形式，依靠自身重力和下沉氣流下降;本地產(chǎn)生的為細(xì)顆粒物，綜合產(chǎn)生的粗細(xì)顆粒物造成近地面嚴(yán)重污染。水平掃描時，發(fā)現(xiàn)在正北偏東方向、正南方向以及正西方向有幾處明顯的區(qū)域污染。

參考文獻(xiàn)：

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