林阿玲 巫錫洪 蔣永成 陳 賽 黃 亮

2017年2-3月廈門氣溶膠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析*

林阿玲1,2巫錫洪1,2蔣永成1,2陳 賽1,2黃 亮1,2

1. 海峽氣象開放實驗室 2.廈門市氣象臺

利用2017年2月16日－3月15日廈門氣溶膠激光雷達(dá)反演得出的顆粒物邊界層（PBL）高度、消光系數(shù)、退偏振比等雷達(dá)產(chǎn)品，結(jié)合地面監(jiān)測的風(fēng)速和相對濕度、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)綜合分析。結(jié)果表明，激光雷達(dá)在反演顆粒物邊界層高度PBL時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要作用；激光雷達(dá)反演的AOD值的變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化；激光雷達(dá)能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過程。

激光雷達(dá) 氣溶膠 顆粒物邊界層 AOD AQI

1 概述

激光雷達(dá)是一種主動式現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，它是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，波長一般在微米量級，主要用于探測極細(xì)小的微粒和分子。它具有諸多優(yōu)點，如分辨率高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率；低空探測性能好，抗有源干擾能力強；單色性好，方向性強；體積小，質(zhì)量輕等。激光雷達(dá)可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結(jié)構(gòu)和時空演變。由激光雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層（PBL)的結(jié)構(gòu)和時空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）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、PM10濃度等信息[1]。目前激光雷達(dá)已經(jīng)成為對大氣、海洋和陸地進(jìn)行高精度遙感探測的有效手段，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、航天、通信、導(dǎo)航和定位等高新技術(shù)領(lǐng)域，在大氣環(huán)境監(jiān)測、氣象要素測量等方面顯示了其獨特的優(yōu)勢和突出的發(fā)展前景[1-4]。

激光雷達(dá)探測大氣環(huán)境的工作原理是：激光器發(fā)射的激光通過與大氣中的氣溶膠及各種大氣成分的作用而產(chǎn)生后向散射信號。對探測器接收的攜帶著被測物質(zhì)有關(guān)的信息(吸收、散射等)進(jìn)行分析處理便可得到所需的大氣物理要素[4]。激光雷達(dá)可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠的組成結(jié)構(gòu)和時空演變。由激光雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層（PBL)的結(jié)構(gòu)和時空演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）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、PM10濃度等信息[3]。

Piirrone等[5-6]利用激光雷達(dá)反演了對流邊界層厚度和云層信息，并通過與探空曲線、衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)的對比驗證了激光雷達(dá)探測的有效性；Cohn等[7]與林常青等[8]分別通過在伊利諾斯州和北京的一次激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)，證實了激光雷達(dá)探測邊界層高度的可行性，通過將激光雷達(dá)觀測與地面觀測進(jìn)行比較，驗證了激光雷達(dá)的反演結(jié)果和算法的可靠性；李禮等[9]利用激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)得出了大氣重污染期間PBL平均高度為320~350m，大氣顆粒物污染帶處于100~400m，異常的大氣環(huán)形勢和重慶主城區(qū)獨特的地形、氣候特征是造成持續(xù)重污染天氣的原因；李紅等[10]基于小波變換法開展了激光雷達(dá)資料的邊界層高度反演方法研究，發(fā)現(xiàn)無論是理想廓線還是疊加擾動的廓線中，較大的小波振幅易得到比較穩(wěn)定準(zhǔn)確的白天邊界層與夜間混合層高度；胡向軍等[11-12]就激光雷達(dá)資料的氣溶膠輻射效應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)能夠很好地反映出晴朗天氣、浮沉天氣及揚沙天氣背景下大氣氣溶膠廓線的變化特征，驗證了其探測資料在邊界層模式中的應(yīng)用價值。

已有的相關(guān)研究表明了激光雷達(dá)探測的可行性、有效性及其應(yīng)用價值，揭示了其對監(jiān)控污染物擴散和輸送的重要作用。目前，隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，大氣污染物已經(jīng)成為政府部門關(guān)注、廣大民眾關(guān)心的問題之一[13-17]，利用激光雷達(dá)反演數(shù)據(jù)對污染物沉降過程監(jiān)測分析，以及大氣污染物清除的短時臨近預(yù)報具有重要的現(xiàn)實意義[17-19]。

激光雷達(dá)是大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段，利用氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行垂直掃描，可以開展城市高空污染演變、污染物跨界輸送、氣溶膠時空分布特征等研究。我們在2017年2月16日～3月15日期間，綜合利用激光雷達(dá)監(jiān)測反演的PBL和AOD、國家基本氣象站觀測多要素數(shù)據(jù)，以及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，初步探討了激光雷達(dá)在顆粒物污染過程中應(yīng)用。

2 氣象空氣質(zhì)量和氣象要素變化情況

微脈沖激偏振光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，簡稱MPL）設(shè)置在廈門市氣象局（24°29′N，118°04′E），工作波長532nm。氣象多要素站位于廈門市（24°29′N，118°04′E），是國家基本站。觀測時間為2017年2月16～3月15日，對應(yīng)時段的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采用網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)。

2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)變化情況

圖1給出了2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI變化時間序列圖。從圖中可以看出出現(xiàn)兩次明顯的污染過程，分別為2月16～20日以及2月27日～3月9日，AQI均大于50，為良；其中3月1日AQI達(dá)到127，為輕度污染。其中2月18日和3月1日顆粒物出現(xiàn)明顯的峰值，2月18日AQI指數(shù)為99，PM2.5和P10濃度分別為71μg/m3，99μg/m3，AQI為96；3月1日PM2.5和PM10濃度分別為95μg/m3，132μg/m3，AQI則達(dá)到127。

圖1 2017年2月16日～3月15日廈門市PM2.5、PM10和AQI時間序列圖

2.2 氣象要素變化情況

圖2給出了廈門市國家基本氣象站（59134）在研究期間的日雨量、日平均能見度、日平均相對濕度變化的時間序列圖。從圖2可見，研究期間出現(xiàn)了兩次較為明顯的降水天氣過程，分別為2月19～27日以及3月7～11日，其中2月22日達(dá)到暴雨量級，日累計雨量為71.8mm，另外，2月25日和3月10日達(dá)到中雨量級，日降水分別是11.8mm和15.1mm。在兩次降水過程期間，相對濕度基本都超過80%，在降水間歇期，即2月28日～3月6日，近地面濕度較小，日均相對濕度為40%～70%左右。受降水沖刷作用的影響，降水過程期間，日均能見度較高（大于20km），對應(yīng)顆粒物濃度較低（圖1）；而在降水間歇期低濕條件下，能見度顯著下降（小于15km），且對應(yīng)較高的顆粒物濃度（圖1），2月28日～3月6日期間，僅有3月6日空氣質(zhì)量為優(yōu)（AQI小于50），其余日AQI均大于50，空氣質(zhì)量受近地面氣象要素影響顯著。

圖2 2017年2月16日～3月15日，廈門市日雨量、平均相對濕度和能見度序列圖

3 激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 激光雷達(dá)產(chǎn)品分析

顆粒物邊界層（PBL）高度是大氣層與地面摩擦作用最強烈的區(qū)域，其高度隨氣象條件、地形、地面粗糙度而變化，一般在300~1000m[9]，是反映污染物空間擴散條件的重要指標(biāo)之一，能反映大氣垂直擴散條件的優(yōu)劣[20]。

圖3給出了邊界層高度PBL在觀測期間的變化序列，其中橙色為 PM2.5濃度，黑色為PM10濃度。綜合圖2和圖3可知，在兩次降水天氣過程期間（2月19～27日和3月7～11日），除3月7～9日弱降水過程外，PBL高度總體較低，保持在 400～600m左右，顯然，持續(xù)的降雨過程導(dǎo)致 PBL層高度明顯降低，其中PBL高度最低為2月23日，對應(yīng)暴雨日，26～27日降水減弱，PBL高度明顯抬升；降水期間，PM10和 PM2.5均低于40μg/m3。大氣濕清除過程使得顆粒物濃度總體下降，顆粒物被降水拖拽后基本落地，且連續(xù)的降水過程使得近地面顆粒物被不斷沖刷清除，2月19～27日，顆粒物濃度在低濃度情況下仍呈下降趨勢。在降水間歇期中（2月28日～3月6日），顆粒物在近地面累積，濃度顯著上升，2月26～27日弱降水期間PBL高度較高，而后2月28日～3月1日無明顯降水時，PBL高度降低，對應(yīng)著PM2.5和PM10濃度顯著上升的情形，說明在無降水天氣下，相對穩(wěn)定的大氣條件使得PBL高度下降，引起近地面顆粒物的累積。激光雷達(dá)在反演邊界層高度時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析發(fā)揮重要的作用。

3月14日，PBL高度為582m，低于13日的662m和15日的981m。

圖3 2017年2月16日～3月15日廈門市顆粒物邊界層高度、顆粒物濃度、AQI變化趨勢

氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是描述氣溶膠對光衰減作用的一個無量綱數(shù)，可以理解為氣溶膠的空間平均密度[6]。圖5是觀測期間氣溶膠光學(xué)厚度的變化趨勢。通過分析可知，在兩次連續(xù)性降水期間，受降水粒子以及深厚云層的影響，氣溶膠激光雷達(dá)反演的AOD值較高，值得注意的是，在第一次降水過程后期，26日起降水不明顯，AOD開始下降，雨后空氣較為清潔，27日AOD達(dá)到最低，為0.6左右，隨著2月28日～3月1日顆粒物的累積，且無明顯降水云系，AOD顯著抬升，超過1.5。此外，在非降水日的2月17～18日，也出現(xiàn)了顆粒物累積和AOD值升高的空氣污染過程，AQI值達(dá)到研究期間的次高峰（為99）。因此，激光雷達(dá)反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化。

圖4 2017年2月16日～3月15日廈門市氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢

3.2 污染過程分析

從AQI的變化趨勢上看，觀測階段內(nèi)2月18日、3月1日前后有輕度污染過程，下文結(jié)合AQI數(shù)據(jù)、PBL高度、消光系數(shù)、退偏振比、風(fēng)速和相對濕度，對2017年2月16～18日、2月27日～3月5日的氣溶膠時空變化過程進(jìn)行分析。消光系數(shù)顏色的深淺表示氣溶膠濃度的大?。舛仍礁?，顏色越深），退偏振比顏色深淺表示非球形粒子占比的輕重（占比越重，顏色越深）。

3.2.1 2017年2月16～18日

如圖5所示，通過分析可見：2月16日～17日上午（9～11時左右）近地面消光系數(shù)和退偏振比顏色加深，表明近地面有顆粒物逐漸積累。消光系數(shù)圖表明，自800m上空有氣溶膠粒子的沉降過程，這也是近地面顆粒物濃度上升的一個重要因素。16～17日，除9～11時前后AQI值較高外，整體空氣質(zhì)量較為良好，消光系數(shù)呈淺色，且PBL高度較高，午后大氣湍流垂直混合條件較好，氣溶膠粒子濃度下降迅速。2月18日邊界層高度下降顯著，夜晨PBL高度基本維持在500m以下，表明18日形勢總體較為靜穩(wěn)，水平和垂直擴散能力較差，因此與16～17日出現(xiàn)短時峰值不同，17日夜間至18日，顆粒物濃度一直維持在較高的濃度水平，相對濕度也維持在90%左右，有利于顆粒物的吸濕增長過程，PM2.5濃度在17日夜間至18日白天一直維持在75μg/m3以上，為典型的霾天氣過程，午后風(fēng)力加大后污染物逐漸消散。

相對濕度和退偏振比存在一定的對應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對濕度較小時，退偏振比顏色加深，數(shù)值增大，推測相對濕度較小時，缺少水汽在粒子表面冷凝形成水膜，因此氣溶膠團(tuán)整體呈現(xiàn)出非球形粒子的特征。

圖5 2017年2月16～18日污染過程多參數(shù)綜合分析圖

3.2.2 2017年2月27日～3月5日

如圖6所示，2月27日～3月1日顆粒物濃度和AQI逐漸上升，此時PBL高度逐漸下降，高空氣溶膠粒子沉降，近地面顆粒物逐漸積累，非球形粒子比重較大，其中1日06時和1日22時，消光系數(shù)均有明顯加深，顆粒物濃度達(dá)峰值。3月2日0時～3日0時，退偏振比圖表明廈門地區(qū)上空2～3km高度出現(xiàn)浮塵，消光系數(shù)圖表明，在0.8～2km高度，氣溶膠團(tuán)有先沉降后抬升的運動過程，且有部分浮塵沉降至近地面。3月3日0時～4日6時，近地面消光系數(shù)、退偏振比顏色較淺，此時空氣質(zhì)量良好。3月4日6時～5日0時，陰雨天氣導(dǎo)致PBL高度降低，大氣擴散條件變差，暖區(qū)，基本弱降水，顆粒物吸濕性增長，局地氣溶膠粒子逐漸積累，顆粒物濃度上升。3月4～5日天氣記錄出現(xiàn)小雨，濕度上升，消光系數(shù)圖上用降雨符號標(biāo)注，可以清晰地看到降雨過程。

圖6 2017年2月27日～3月5日污染過程多參數(shù)綜合分析圖

4 結(jié)論

在研究期間（2017年2月16日～3月15日）內(nèi)，廈門地區(qū)經(jīng)歷兩次污染過程，分別為2月16～18日、2月27日～3月5日。結(jié)合雷達(dá)參數(shù)、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)綜合分析，可知：

（1）激光雷達(dá)在反演邊界層高度時，對降水天氣較為敏感，大雨滴和厚云層對于脈沖光束的削弱作用較大，但在非降水期間能準(zhǔn)確探測顆粒物的消光特性，能在污染期間對氣溶膠的垂直特性分析中發(fā)揮重要的作用。

（2）激光雷達(dá)反演的AOD值變化能較好反映研究期間大氣污染過程的變化。

（3）激光雷達(dá)能有效捕捉到城市上空氣溶膠的沉降和抬升過程。

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福建省氣象局新錄用研究生基層專項（2015G09）。