高愛臻，夏靜雯，項馨儀

（1.寧波市氣象網(wǎng)絡與裝備保障中心，浙江寧波 315012；2.寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江寧波 315194；3.寧波市安全技術(shù)中心，浙江寧波 315012）

0 引言

近幾年來，寧波市一直注重空氣質(zhì)量提升，所以寧波地區(qū)空氣質(zhì)量一直處于良好的狀態(tài)，空氣中一些污染物如PM2.5、PM10、SO2等也是出現(xiàn)下降的趨勢，灰霾日比例減少，酸雨率持續(xù)下降，但是PM2.5 和NO2的濃度仍然高出國家二級標準，部分區(qū)域秋冬季空氣污染依然嚴峻，尤其是冬季，灰霾發(fā)生比較頻繁。各污染物濃度的變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性和季節(jié)性差異，灰霾天氣主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，并且現(xiàn)象嚴重。在統(tǒng)計過程中將能見度低于10 km、相對濕度低于90%，并且時間持續(xù)0.5 h 的過程記為一個灰霾過程，統(tǒng)計結(jié)果如圖1 所示。

圖1 2015—2019 年每年灰霾天數(shù)

從2015—2019 年的整體趨勢可以看出，2017 年灰霾天數(shù)最少，只有61 d，2015 年最多，超過200 d，灰霾基本每個月都會出現(xiàn)，但是季節(jié)性還是比較明顯，夏季雨水較多、濕度較大，形成灰霾的條件會相對較弱，而春、秋、冬3 個季節(jié)空氣會相對比較干燥，雨水會少一些，一些大顆粒雜質(zhì)更容易漂浮在空氣中形成灰霾。其實總體趨勢都是空氣質(zhì)量向著逐年變好的方向發(fā)展。但是環(huán)境問題還是不容忽視的大問題，所以，寧波市氣象局就應對霧霾天氣狀況進行了實時監(jiān)測、信息共享、聯(lián)合發(fā)布等一系列應對措施。除此之外，氣象部門也加強與環(huán)保部門的合作，并且做到氣象與環(huán)保之間數(shù)據(jù)的合作共享，共同搭建寧波市大氣污染監(jiān)測網(wǎng)絡；寧波市氣象局規(guī)劃部署大氣成分監(jiān)測網(wǎng)絡，在各縣（市、區(qū)）建成大氣成分監(jiān)測網(wǎng)點，共享環(huán)保部門對PM2.5 等相關大氣污染物污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)；不斷加強對區(qū)域自動站的升級改造，增加能見度站點的建設，增加區(qū)域自動站氣象要素數(shù)據(jù)種類，通過能見度和地面氣象要素來綜合檢測城市污染物分布狀態(tài)；構(gòu)建顆粒物激光雷達觀測網(wǎng)，在寧波市奉化、鎮(zhèn)海分別建設一臺顆粒物激光雷達，并共享環(huán)保局一臺，搭建顆粒物監(jiān)測網(wǎng)；并且將相關監(jiān)測信息和會商結(jié)果通過多種方式如報紙、微博、電視、LED 大屏、微信、網(wǎng)站等方式及時傳遞給大眾；另外，各個部門之間定期開展大氣污染檢測與預報方面相關的技術(shù)研究，并且優(yōu)化設備檢測布局，進一步提高大氣污染物監(jiān)測的預報和服務水平。

1 部門共享監(jiān)測信息

1.1 監(jiān)測站點共建共享

寧波市氣象部門為了更好地完成大氣成分監(jiān)測，積極規(guī)劃布局，自2012 年起分別在鄞州、北侖等地安裝了大氣成分監(jiān)測設備，主要監(jiān)測顆粒物如PM10、PM2.5 和PM1 等的分布和變化情況。后續(xù)2013—2014 年期間，寧波市氣象部門分別在鎮(zhèn)海、象山、寧海等3 地分別安裝1 套大氣成分觀測站，而后在奉化、余姚、慈溪、三隱潭、石浦再新增5 套大氣成分監(jiān)測站，部門內(nèi)監(jiān)測站點將達到10 個，基本上實現(xiàn)每個縣（市、區(qū)）一個站點。為應對日益嚴重的灰霾天氣，環(huán)保部門與氣象部門共同合作，于2013年簽訂了兩個部門的合作協(xié)議，實現(xiàn)了與環(huán)保部門17 套監(jiān)測站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時共享的新局面。表1 為兩個部門共享的監(jiān)測站點分布情況。

表1 寧波大氣成分監(jiān)測站點布局分布表

1.2 大氣成分監(jiān)測數(shù)據(jù)共享顯示

各個縣（市、區(qū)）的氣象部門在本地通過監(jiān)測設備得到大氣成分的實時數(shù)據(jù)，通過光纖每小時以報文的方式上傳到市氣象局，經(jīng)過相關程序分解、處理后錄入本地數(shù)據(jù)庫，同時上傳上級氣象部門；環(huán)保部門的監(jiān)測資料經(jīng)過協(xié)商后，通過WEB SEVICE 的方式共享給氣象部門，共享后的資料存在本地數(shù)據(jù)庫。Web Service 是以SOAP 作為基本通信協(xié)議，避免了復雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，Web Service 可以訪問的權(quán)限范圍比較廣，只有能夠支持HTTP和XML 技術(shù)的設備可以訪問，Web Service 在調(diào)用的時候也比較廣泛，支持的平臺和開發(fā)語言比較多。Web Service 的共享方式有自己獨有的特點，主要包括3 個方面：①行業(yè)間的數(shù)據(jù)源之間的傳輸不用經(jīng)過專門的通信線，此時內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫就起不到任何作用；②可以使用外網(wǎng)傳輸?shù)姆绞竭M行連接，數(shù)據(jù)庫或資源就不用直接進行訪問；③會定時生成相關的數(shù)據(jù)訪問表。

氣象部門與環(huán)保部門共享的大氣成分監(jiān)測數(shù)據(jù)，存放于數(shù)據(jù)庫中，間隔是1 h，其監(jiān)測結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上，供雙方有關業(yè)務人員參考。文中提供了近12 h 的數(shù)據(jù)觀測資料結(jié)果，顯示頁面如圖2 所示。圖2 中給出了“寧波市環(huán)境監(jiān)測中心”單站的最近12 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁顯示中還包括曲線、柱狀圖以及表格等多種樣式來表示PM10、PM2.5 和AQI 的數(shù)據(jù)濃度，顯示比較直觀。

圖2 寧波監(jiān)測站點共享數(shù)據(jù)

在監(jiān)測資料共享網(wǎng)頁中不僅可以看到如圖2 所示的氣溶膠顆粒物濃度分布，還可以顯示其他污染性氣體的數(shù)據(jù)濃度，如O3、CO、NO2和SO2的濃度數(shù)值及分布情況等，可以直接在底圖上疊加顯示。在共享資料產(chǎn)品中，后續(xù)將會繼續(xù)增加相關的各類污染物濃度分布情況圖，圖3 是不同地區(qū)各個站點的污染物質(zhì)量濃度分布情況，通過網(wǎng)頁不僅可以看到實時氣溶膠濃度和反應氣體濃度數(shù)據(jù)，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖3 污染物PM2.5 質(zhì)量濃度分布

1.3 自動站站升級改造

特殊天氣發(fā)生時，能見度數(shù)據(jù)會有較大影響，為了更好地監(jiān)測災害性天氣，寧波市氣象局自2014 年建設能見度站點，到目前為止共建成88 套，具體分布情況如圖4、表2 所示。另外，寧波市氣象局在國家基準站都設有能見度站點，并且含有氣象六要素，“十三五”項目中更是對區(qū)域站有計劃的升級改造，目前為止已有30 套區(qū)域站完成了升級改造，增加了相對濕度、能見度等氣象要素，這兩者對于監(jiān)測災害性天氣具有非常關鍵的作用。這也說明寧波市氣象局對于災害性天氣的重視程度不斷增加。

表2 寧波能見度站點布局分布表

圖4 寧波能見度分布情況

1.4 顆粒物激光雷達數(shù)據(jù)共享

2015 年以來，寧波市氣象局分別在奉化和鎮(zhèn)海布置2臺顆粒物激光雷達，并共享環(huán)保部門市區(qū)一臺顆粒物激光雷達數(shù)據(jù)。大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達是由無錫中科光電公司研制的，大氣顆粒物激光雷達是基于Mie 散射原理，顆粒物激光雷達的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示，表3 給出了設備的基本參數(shù)，雙波長顆粒物激光雷達可以發(fā)射出波長為532 nm 和355 nm 的激光，然后經(jīng)過擴束鏡擴束后進入天空中，光束在大氣中發(fā)生散射產(chǎn)生后向散射信號，后向散射信號通過望遠鏡匯聚到光電探測器，通過光子計數(shù)和A/D 轉(zhuǎn)換的技術(shù)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后利用相關公式進一步被計算機處理，得到氣溶膠粒子的消光系數(shù)和退偏振比系數(shù)。寧波市氣象部門于2015 年上半年開始購入顆粒物激光雷達，并且正式投入觀測，顆粒物激光雷達時間分辨率為5 min，空間分辨率為7.5 m，提供24 h 實時的信號采集和數(shù)據(jù)顯示。

表3 顆粒物激光雷達技術(shù)參數(shù)

圖5 顆粒物激光雷達結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)有3 臺顆粒物激光雷達數(shù)據(jù)與已有的大氣成分觀測設備、氣象自動站設備共同監(jiān)測環(huán)境污染情況。3 臺設備數(shù)據(jù)入市局數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理后網(wǎng)頁顯示，如圖6 所示，通過激光雷達組網(wǎng)信息顯示系統(tǒng)可以實時監(jiān)測到灰霾發(fā)生—消散的整個過程，并且能夠通過消光系數(shù)、退偏振比等數(shù)據(jù)分析灰霾發(fā)生過程中氣溶膠粒子的光學特性。

圖6 顆粒物激光雷達組網(wǎng)顯示

2 多種設備聯(lián)合觀測灰霾

2.1 地面氣象數(shù)據(jù)判定灰霾

灰霾主要對人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、經(jīng)濟發(fā)展等都會造成危害。灰霾發(fā)生時相對濕度會低于90%，能見度降到10 km 以下，所以，結(jié)合地面氣象要素中的能見度和相對濕度數(shù)據(jù)，可以對灰霾進行初步判定，而結(jié)合氣象要素數(shù)據(jù)中的雨量和風速值，可以對灰霾發(fā)生時的天氣情況進行分析，這也是最初對灰霾的判定方法。

2016 年1 月9 日，在寧波市范圍出現(xiàn)了一次發(fā)生時間持續(xù)比較久的灰霾過程，選取奉化（58565）、鎮(zhèn)海（58561）兩個國家自動站的地面氣象數(shù)據(jù)對此次灰霾過程進行分析。從圖7、圖8 可以看出兩站點的能見度、濕度、風速變化整體趨勢基本一致，從能見度和相對濕度圖可以看出1 月19 日0:00—12:30 期間，能見度低于10 km，最低達到3 km，相對濕度維持在30%～70%之間，12:35—18:00 期間，能見度先升高后降低，超過10 km，灰霾情況有一定的緩解，但18:10 以后能見度持續(xù)降低，奉化站點相對濕度數(shù)據(jù)低于70%，灰霾持續(xù)，鎮(zhèn)海站點相對濕度數(shù)據(jù)出現(xiàn)持續(xù)上升的情況，21:40以后灰霾逐漸演變成霧。右邊風速和雨量圖可以看出，整個風速數(shù)據(jù)與能見度數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，風速值較小時，顆粒物堆積無法擴散，能見度降低，灰霾程度加重，風速值增大時，顆粒物容易被吹散，能見度升高，灰霾程度減輕。

圖7 58565 奉化站點地面氣象要素

圖8 58561 鎮(zhèn)海站點地面氣象要素

利用地面氣象要素來分析灰霾，可以了解灰霾發(fā)生過程中的整個宏觀天氣狀況，進而分析灰霾產(chǎn)生過程中前后、整個進程中的天氣因素的影響，也可以獲知灰霾發(fā)生、消散過程中能見度、濕度、風速的整個變化趨勢、情況，通過氣象要素風的變化趨勢也可以看出，在無風或微風的情況下更容易產(chǎn)生霧霾，主要原因是地面細顆粒物的積聚對于霧霾的形成創(chuàng)造出有利的條件，但是對于具體的污染物分布情況、濃度大小及其他特性都無法了解到。

2.2 空氣污染物監(jiān)測設備分析灰霾成分

圖9 是對58565 和58561 兩個站點的空氣污染物濃度數(shù)據(jù)進行分析，在整個灰霾的發(fā)生過程中大顆粒物占據(jù)較大比重，整個顆粒物濃度變化趨勢與圖8 中能見度趨勢相反，與相對濕度變化趨勢相似。從顆粒物濃度分布圖可以看到PM10 和PM2.5含量明顯大于PM1.0，PM2.5 濃度最大值超過130 μg/m3，0:00—15:00 期間顆粒物濃度呈下降趨勢，說明此時間段灰霾呈減緩的趨勢。15:00 以后顆粒物濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢，灰霾開始加重。

圖9 站點空氣污染物濃度

利用空氣污染物監(jiān)測設備分析灰霾，可以看到固定點整個灰霾發(fā)生過程中顆粒物的濃度和比重，在灰霾發(fā)生時，PM2.5 濃度較大，所占比重較高。但是對于周邊的天氣狀況無法獲取，不能從宏觀天氣環(huán)境來分析灰霾過程的整個演變過程。

2.3 顆粒物激光雷達分析灰霾光學特性

圖10 是奉化站點的顆粒物激光雷達探測到的氣溶膠消光系數(shù)圖，顆粒物激光雷達有532 nm 和355 nm 兩個波長，對于大小顆粒物的探測敏感程度不同，但是整體變化趨勢一致。通過顆粒物激光雷達探測得到的消光系數(shù)圖，可以看到整個氣溶膠層在高度和時間上的變化，在垂直方向上可以看出，整個氣溶膠層主要分布在近地面50～500 m，消光系數(shù)數(shù)值濃度在整個時間軸上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，上午濃度較大，后續(xù)逐漸變小。

圖10 58565 站點消光系數(shù)

圖11 是選取單一站點奉化（58565）站點的顆粒物激光雷達退偏振比的數(shù)據(jù)圖，通過圖中的信息就可以進一步分析得到灰霾退偏振比在時間和高度上的空間變化情況，在50～500 m 高度范圍內(nèi)，退偏振比范圍主要為0.1～0.2，說明在此次灰霾過程中主要以非球形大顆粒物為主。通過對顆粒物激光雷達監(jiān)測到的消光系數(shù)和退偏振比圖進一步分析，就可以比較明顯的看出顆粒物濃度隨著時間和空間的變化趨勢，進而比較清楚的分析出灰霾的整個演變過程。

圖11 58565 站點退偏振比

顆粒物激光雷達的引用對于探測灰霾光學特性具有較好的幫助，顆粒物激光雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富，能夠從雙波長消光系數(shù)、退偏振比等多個指標來分析寧波地區(qū)的灰霾光學特性，也可以給出云底高度數(shù)據(jù)，對于觀測不同高度氣溶膠分布及云層分布都帶來較大便利。但是，顆粒物激光雷達只能觀測到單點不同高度不同時間的氣溶膠層分布，對于多個點的探測來說還是具有一定的局限性。

3 結(jié)語

寧波市氣象局重視清新空氣建設，近幾年來更是引進多種觀測設備，并且通過部門間的監(jiān)測設施布局共同規(guī)劃、資源共享，實現(xiàn)大氣監(jiān)測資源的有效配置和合理利用，每種設備在灰霾監(jiān)測中都存在優(yōu)勢和弊端：地面氣象設備可以觀測到灰霾發(fā)生過程中宏觀天氣的變化情況，但是對于污染物具體分布情況、濃度大小的觀測具有局限性；空氣污染物監(jiān)測設備可以觀測到污染物濃度的變化，但是無法監(jiān)測到宏觀天氣變化；顆粒物激光雷達可以觀測到單點不同高度不同時間的氣溶膠層分布，對于多個點的探測來說還是具有一定的局限性，所以在灰霾監(jiān)測過程中，需要多種設備相互配合，共同打造大氣監(jiān)測網(wǎng)。結(jié)合多媒體、廣渠道的大氣污染監(jiān)測信息發(fā)布方式，及時、適時開展聯(lián)合會商，啟動大氣重大污染預警，及早向相關部門給出預警和防范措施；同時聯(lián)合對公眾發(fā)布相關信息及防御建議等內(nèi)容，對于政府部門進一步治理空氣污染，引導人們安全生產(chǎn)生活有著重要的意義。