陳 磊

（河北省環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心 河北 石家莊 050030）

2013年以來，中國遭遇了有史以來最嚴(yán)重的霧霾天氣，尤其是京津冀地區(qū)。隨著治理力度的不斷加大，空氣質(zhì)量取得了明顯的改善。2016年，河北省平均達(dá)標(biāo)天數(shù)為207 d，占全年總天數(shù)的56.6%，較2015年(190 d，52.1%)增加了17 d，較2013年(129 d，35.9%)增加了78 d。2016年，全省平均重污染天數(shù)為33 d，占全年總天數(shù)的9.0%，較2015年(36 d，9.9%)減少了3 d，較2013年(81 d，22.53%)減少了48 d。

空氣質(zhì)量狀況受兩方面的影響，一是污染物的排放，二是氣象條件的影響，特別是大氣邊界層的影響成為重要因素。根據(jù)環(huán)保部對重污染天氣應(yīng)對的指示，為加強(qiáng)京津冀區(qū)域重污染天氣應(yīng)對科技支撐能力建設(shè)，快速開展重污染天氣污染成因分析和應(yīng)急措施效果評估，將京津冀及周邊典型省份氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，分析區(qū)域內(nèi)污染成因，為大氣重污染天氣應(yīng)對提供決策支撐和數(shù)據(jù)支持，對京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量治理和改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 激光雷達(dá)原理

激光雷達(dá)(LIDAR，Light Detection And Ranging)是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。光波與大氣的相互作用，會產(chǎn)生包含氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等有關(guān)信息的輻射信號，利用相應(yīng)的反演方法就可以從中得到關(guān)于氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等大氣成分的信息。因此，激光雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)是光輻射與大氣成分之間相互作用所產(chǎn)生的各種物理過程。

當(dāng)一個(gè)激光脈沖發(fā)射到大氣中時(shí)，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距離)的后向散射光的大小與此高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，其后向散射光由激光雷達(dá)探測，通過求解米散射激光雷達(dá)方程就可以反演相對應(yīng)高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數(shù)。當(dāng)發(fā)射激光脈沖是線偏振光時(shí)，球形粒子的后向散射光會保持發(fā)射激光脈沖的偏振特性，但是非球形粒子(如沙塵粒子和卷云中冰晶)的后向散射光會發(fā)生退偏，利用激光雷達(dá)同時(shí)探測后向散射光中的平行分量和垂直分量回波信號，就可以得出大氣氣溶膠粒子和云的退偏振比垂直廓線，退偏振比數(shù)值的大小反映了大氣氣溶膠粒子和云粒子的非球形特征。

2 京津冀雷達(dá)網(wǎng)分布

京津冀雷達(dá)網(wǎng)主要為氣溶膠可視性雷達(dá)，采用垂直監(jiān)測的方式，監(jiān)測點(diǎn)位主要分布在北京、天津、石家莊、保定、衡水、邢臺、張家口、廊坊、滄州、邯鄲、唐山11個(gè)城市。

圖1 京津冀雷達(dá)分布圖

3 應(yīng)用實(shí)例分析

2016年12月1日0：00～2016年12月2日0：00京津冀地區(qū)經(jīng)歷了一次重污染過程，通過雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)對此次重污染過程進(jìn)行分析。

3.1 大氣邊界層高度對比。大氣邊界層高度與城市PM2.5均值對比如圖2所示。

圖2 各城市污染邊界層高度對比

3.1.1 張家口、北京大氣邊界層高度均值在1 200 m以上，城市污染擴(kuò)散能力好，PM2.5濃度較低。

3.1.2 廊坊市大氣邊界層高度較低，但是城市PM2.5濃度也相對較低。

3.1.3 保定、邯鄲大氣邊界層高度相近，但是城市PM2.5濃度差異性較大。

3.1.4 石家莊相比保定、邢臺邊界層高度較高，但其城市PM2.5日均濃度值較高。

3.2 氣溶膠光學(xué)厚度對比。各城市氣溶膠光學(xué)厚度對比如圖3所示。

圖3 氣溶膠光學(xué)厚度對比

3.2.1 張家口、北京氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)值較小，城市污染積累量低，城市大氣邊界層較高，城市整體PM2.5濃度較低。廊坊市城市污染積累量也較低，雖然廊坊市大氣邊界層較低，污染積累量相對較低，城市擴(kuò)散條件相對較差，但城市污染濃度較低。

3.2.2 保定、邯鄲大氣邊界層高度相近，但是城市PM2.5濃度差異性較大。石家莊、鄭州城市PM2.5濃度日均值一致，但是城市大氣邊界層相差較大。這兩組異常變化主要是由于城市基礎(chǔ)污染積累量決定。

3.2.3 石家莊相比保定、邢臺邊界層高度較高，但其城市PM2.5日均濃度值較高，同時(shí)石家莊城市污染積累量較小，城市污染的垂直擴(kuò)散能力中石家莊較強(qiáng)，因此是由于城市污染的水平擴(kuò)散條件不利導(dǎo)致出現(xiàn)該反常變化。

3.3 雷達(dá)監(jiān)測氣溶膠演變趨勢。城市氣溶膠時(shí)空演變?nèi)鐖D4。

圖4 城市氣溶膠時(shí)空演變圖

3.3.1 大氣邊界層。北京、保定、石家莊城市污染的垂直擴(kuò)散能力較好，鄭州、邢臺城市處于靜穩(wěn)天氣，垂直擴(kuò)散能力較差。

3.3.2 氣溶膠濃度變化。邢臺市12月1日早5：00左右城市氣溶膠濃度開始上升，隨后石家莊市、保定市城市氣溶膠濃度開始上升，并保持在一個(gè)較高的濃度上(早9：00左右)，北京市、鄭州市在下午16：00左右開始出現(xiàn)較為明顯的氣溶膠濃度上升的變化。推測存在區(qū)域與區(qū)域間的污染物輸送，污染物主要由邢臺、石家莊等地向北輸送，導(dǎo)致北京在12月1日夜間出現(xiàn)較為明顯的污染加重出現(xiàn)。

3.3.3 城市擴(kuò)散條件。邢臺、鄭州城市大氣邊界層較為穩(wěn)定，污染的垂直擴(kuò)散能力較差，其余各城市大氣邊界層不穩(wěn)定，垂直擴(kuò)散能力相對較好。

4 小結(jié)

4.1 利用雷達(dá)實(shí)時(shí)生成水平、3D掃描圖像，實(shí)現(xiàn)對大氣氣溶膠的在線監(jiān)測與追蹤，跨區(qū)域連續(xù)觀測氣溶膠時(shí)空變化，并能直觀的捕獲污染源位置，為及時(shí)啟動重污染天氣預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支持。

4.2 利用雷達(dá)對近地面大氣氣溶膠污染擴(kuò)散狀況的連續(xù)實(shí)時(shí)快速在線監(jiān)測及追蹤，對城市大氣污染進(jìn)行全過程監(jiān)測，對突發(fā)環(huán)境事故進(jìn)行快速應(yīng)急監(jiān)測。

4.3 通過雷達(dá)數(shù)據(jù)可對重污染天氣進(jìn)行過程分析和重污染天氣應(yīng)急預(yù)案的后評估。

[1]張培昌，戴鐵丕，杜秉玉.雷達(dá)氣象學(xué) [M].北京：氣象出版社，2001.

[2]張培昌，王振會.大氣微波遙感基礎(chǔ) [M].北京：氣象出版社，1995.

[3]劉東.偏振-米激光雷達(dá)的研制和大氣邊界層的激光雷達(dá)探測 [D].合肥：中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，2005.

[4]張婉春，張瑩，呂陽.利用激光雷達(dá)探測灰霾天氣大氣邊界層高度 [J].遙感學(xué)報(bào)，2013(4)：981～992.