王 旭 趙曰峰 高 靜

( 山東師范大學物理與電子科學學院，250358，濟南 )

1 引 言

作為灰霾等大氣污染的主要元兇，大氣懸浮顆粒物，特別是細粒子，對空氣污染產(chǎn)生了重要的影響.對于顆粒物的測量方式，地面觀測可以得到質(zhì)量、濃度等物理化學性質(zhì)參數(shù)，但地面測量儀器不能獲得顆粒物的空間分布信息.利用探空氣球、飛機觀測等方式可以掌握顆粒物的垂直分布情況，但運行成本較高，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性[1].由于站內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測設備無法實現(xiàn)對大氣污染物擴散趨勢的準確判斷，因此為了加強大氣防治監(jiān)測能力，為大氣污染防治提供技術支撐，需要添置大氣顆粒物激光雷達及配套車載顆粒物監(jiān)測儀對大氣進行跟蹤監(jiān)測.大氣顆粒物激光雷達主要用于大氣傳輸過程監(jiān)測和大區(qū)域大尺度的測量，輔助車載顆粒物監(jiān)測儀能夠?qū)崿F(xiàn)排放源的快速移動監(jiān)測，對影響大氣污染的主要排放源，包括建筑工地揚塵、道路揚塵、運輸車輛移灑等進行實時監(jiān)測，為污染來源分析提供了有效的數(shù)據(jù)支持.為了驗證激光雷達監(jiān)測污染源排放的可行性，利用車載顆粒物量子激光雷達在合肥市組織了一次污染源的監(jiān)測實驗.

2 實驗條件與方法

2.1監(jiān)測目的首先為了獲得垂直空間邊界層特征，對污染容量和污染物輸入進行分析，其次通過巡航測量了解城區(qū)空間顆粒分布全景，最后通過監(jiān)測過程驗證激光雷達監(jiān)測污染源排放的可行性以及準確性.

2.2監(jiān)測條件2018年2月7日-2018年2月11日在合肥主城區(qū)利用車載和固定顆粒物量子激光雷達進行了連續(xù)的大氣污染監(jiān)測.

2.3監(jiān)測方式監(jiān)測方式主要為以下三種.

固定垂直監(jiān)測：固定站點的長時間垂直測量可以分析空間污染物傳輸情況.結(jié)合風場激光雷達可以計算污染物傳送比，分析污染物本地/外來的比例.通過垂直測量可以獲取垂直的顆粒物時空演變數(shù)據(jù)，了解本地PBL層分布變化情況，是本地的污染物預警預報的重要模式.

移動走航監(jiān)測：車載激光雷達移動走航監(jiān)測技術，能夠快速獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物剖面，結(jié)合氣象、地形等宏觀環(huán)境條件，有效分析顆粒物污染的生消過程和跨界輸送，在區(qū)域顆粒物污染探測方面有重要的應用價值.通過走航測量結(jié)合氣象條件分析城市污染成因，也可以直觀地反映城市各個區(qū)域的污染情況.在固定加走航監(jiān)測結(jié)合的模式下，可以全面獲取“點面域、地空天”的一體化數(shù)據(jù).

平面掃描監(jiān)測：激光雷達掃描測量能夠探測和記錄所在位置平均有效監(jiān)控半徑為4 km范圍內(nèi)的污染源(本地源以及外來源)變化過程，尋找水平顆粒物排放源.

2.4監(jiān)測因子及監(jiān)測方法根據(jù)巡航監(jiān)測合肥市周邊環(huán)境狀況及主要污染源組分，選取顆粒物時空演變、PM10，PM2.5濃度作為監(jiān)測因子，采用巡航掃描監(jiān)測，協(xié)同風向、風速、低云、氣壓、氣溫等常規(guī)氣象參數(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析.

2.5數(shù)據(jù)選擇要求監(jiān)測點位選擇為視野寬闊的高處，盡量遠離水汽重的地方.通過連續(xù)不間斷的掃描，分析臨時污染源、固定污染源等不同污染點源產(chǎn)生的時間.

3 數(shù)據(jù)處理

3.1激光雷達探測原理激光雷達探測大氣的基本原理即激光與大氣相互作用的機制[2].激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)發(fā)射到大氣中，在大氣中遇到空氣分子、氣溶膠等成分便會發(fā)生散射、吸收等作用.散射中的小部分能量(后向散射光)落人接收望遠鏡視場[3].其基本原理可以用公式(1)來表示,

(1)

式中,P(z)為接收的信號，z為信號到激光雷達的距離，C為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)，E為激光脈沖能量，β為后向散射系數(shù)，T2為雙向透過率.BG、AP、DTC、O(z)分別表示背景噪聲、殘余脈沖、探測器延時校正和重疊因子校正[4].

3.2信號校正由于幾何重疊因子的影響，米散射激光雷達的低層大氣探測信號在幾何因子的作用距離內(nèi)沒有全部接收到大氣的后向散射光，因此需要對低層大氣后向散射回波信號進行幾何重疊因子O(z)訂正[5].

3.3氣溶膠消光系數(shù)反演方法氣溶膠消光系數(shù)的反演，需要求解激光雷達方程.

(2)

(3)

利用上式對激光雷達米散射回波信號反演即可得到大氣氣溶膠后向散射系數(shù)分布的情況[7].

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1城市氣象情況分析本次污染過程監(jiān)測期間，如圖1所示，重污染出現(xiàn)之前(8日-9日)，合肥市有2級左右的東南風，有利于外來污染物的傳輸；重污染過程中(9日-10日)濕度較大(大于 60%)，且基本處于無風的氣象條件下，風速弱有利于PM2.5污染沉降累積，濕度較高則促進了污染物的非均相反應和液相反應的發(fā)生，從而表明合肥市在此段重污染期間，污染物擴散條件極為不利.

圖1 合肥市2月7日至11日風級變化曲線圖

圖2 合肥市2月7日至11日濕度變化曲線圖

圖3 合肥市2018年2月8日(左)高空600 m與近地面(右)后向軌跡追蹤圖

圖3為合肥市2018年2月8日高空600 m 與近地面后向軌跡追蹤圖，即外來擴散污染時段合肥市的風向走勢.可以看出，合肥市高空600 m風向為東南風，近地面為東南風，則外來污染傳輸來源方向主要考慮為合肥市東南方向.

4.2固定垂直監(jiān)測根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，從2018年2月8日19:03時監(jiān)測開始，到2月9日凌晨左右，合肥市高空約600 m處存在外來污染物擴散傳輸現(xiàn)象，與近地面層分層明顯，PBL層逐漸降低，高空污染層逐漸沉降，到2月9日凌晨左右，高空污染層與近地面層復合.2月8日19:00時在高空約600 m處PBL層逐漸降低，一直持續(xù)到2月9日凌晨，隨后基本保持不變.隨著高空污染傳輸?shù)某两狄约盎旌蠈拥慕档?，外來污染與本地污染復合的同時，PBL層的降低不利于污染的擴散，導致近地面顆粒物污染濃度急劇加大.

圖5 合肥市2018年2月8日17時至2018年2月9日10時國控點監(jiān)測AQI走勢圖

對照圖5 ，顆粒物走勢基本上代表了AQI走勢，國控點在2月8日17～22時的監(jiān)測指數(shù)走高，主要原因是混合層降低，不利于顆粒物的擴散；從2月9日凌晨開始，國控點監(jiān)測數(shù)據(jù)開始升高，較2月8日走勢更高，原因是外來傳輸污染沉降與本地污染復合，混合層降低.

4.3移動走航監(jiān)測2018年2月10日10∶05時進行了走航監(jiān)測，風速風向為東北風3級，空氣質(zhì)量為中度污染.走航路線為翡翠路與繁華大道交口-繁華大道-金寨南路-銅陵路-北二環(huán)路-西二環(huán)路-集賢路-集賢路與蘆花路交口附近.由圖6可以看出，在走航時段內(nèi)，高空2 000 m左右存在較厚云層，大氣邊界層隨著監(jiān)測路段的變化而出現(xiàn)變化，受云層厚度的影響較大，云層越厚，高度降低，隨之大氣邊界層下壓，大氣擴散條

圖6 合肥市2018年2月10日10∶05時走航監(jiān)測反演分析圖

件惡化，近地面顆粒物濃度加大.在走航監(jiān)測時段內(nèi)，高空云層下存在顆粒物污染層，總體高度約為1 000 m.從走航起點翡翠路與繁華大道交口，到銅陵路與北二環(huán)路交口，二者之間的路段區(qū)域云層相對較厚，層高較低，大氣邊界層約為500 m,隨后從銅陵路轉(zhuǎn)到北二環(huán)，云層厚度減小，大氣邊界層升高至約800 m左右，大氣擴散條件改善，監(jiān)測到近地面顆粒物濃度減小.

4.4平面掃描監(jiān)測2018年2月10日21∶08～21∶43時進行了平面掃描監(jiān)測，掃描傾角5°，風速風向為西北風2級，空氣質(zhì)量指數(shù)在良好范圍內(nèi).由圖7可知，總體空氣質(zhì)量較為樂觀.可以看出距掃描中心點水平距離約300 m，垂直高度約100 m的空間范圍內(nèi)，顆粒物濃度較其他掃描區(qū)域更大，主要為近地面顆粒物較高空濃度大.在西北風影響下，掃描中心點東南方向顆粒物濃度較西北方向顆粒物濃度大，主要原因是以污染源為掃描中心點的附近區(qū)域存在不明來源，在西北風向推動下，向東南擴散，導致東南方向區(qū)域顆粒物濃度較西北區(qū)域濃度高.

圖7 高新區(qū)2月10號21:43平面掃描分析圖

5 結(jié) 語

根據(jù)固定監(jiān)測，平面掃描，走航監(jiān)測結(jié)果顯示，本次重污染過程的兩大影響要素為：1) 高空污染傳輸沉降，傳輸路徑為東偏南且邊界層高度長時間穩(wěn)定在0.4 km左右的狀態(tài).2) 合肥市地面平均風速均小于2米/秒，且濕度較大(平均相對濕度60%左右)，擴散條件極為不利，有利于PM2.5的累積和氣溶膠的吸濕增長及二次轉(zhuǎn)化.針對此次合肥市出現(xiàn)的較長時間輕度污染，通過雷達數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)城市上空有污染團過境，污染團過境時發(fā)生擴散、沉降，加之這段時間氣候條件的影響，城市 PBL 層降低，污染物擴散能力較弱，導致城市污染呈現(xiàn)出持續(xù)性的特點.通過固定監(jiān)測，平面掃描，走航監(jiān)測三位一體，綜合分析，獲得了垂直空間邊界層特征，污染物容量和污染物輸入等信息，分析了城區(qū)空間顆粒分布情況.同時，監(jiān)測結(jié)果與國控點發(fā)布的數(shù)據(jù)基本一致，從而得出了精準污染來源和走勢，驗證了激光雷達監(jiān)測污染源排放的可行性以及準確性.