陳柯蓓 何夢(mèng)迪 張琦 馮俊 董昊 倪曉昌 蘆宇

摘 要：基于美國(guó)國(guó)家航空航天局云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)與紅外探測(cè)衛(wèi)星搭載的激光雷達(dá) CALIPSO衛(wèi)星系統(tǒng)二級(jí)數(shù)據(jù)，選取了華北地區(qū)（緯度范圍：38°N～40°N，經(jīng)度范圍：115°E～117°E）3種不同天氣特征，與經(jīng)緯度地理位置相結(jié)合，通過(guò)后向散射系數(shù)不同高度色度顯示選取的總懸浮顆粒物（TSP）濃度垂直分布廓線，并利用該分布輪廓線進(jìn)行了不同特征天氣對(duì)比分析。結(jié)果表明：空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良、輕度霧霾、重度霧霾3種情況下繪制出的二維色度圖存在明顯顏色和分布的差異，并給出了二維色度圖平均值與當(dāng)天氣象局提供的大氣懸浮顆粒物濃度的對(duì)比關(guān)系曲線，表明不同天氣TSP濃度垂直分布存在很大差異，對(duì)直觀分析天氣狀況具有重要意義。

關(guān)鍵詞：大氣總懸浮顆粒物（TSP）;CALIPSO;背散射系數(shù);二維色度圖

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0258-05 中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

總懸浮顆粒物（TSP）是氣溶膠的一種，氣溶膠是指氣體粒子、固體粒子或其在氣體介質(zhì)中的懸浮體。氣溶膠按顆粒的直徑大小分為總懸浮顆粒物TSP（直徑≤100 μm）、可吸入顆粒物PM10（直徑≤10 μm）、微細(xì)顆粒物PM2.5（直徑≤2.5 μm）。其中TSP是大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中的一個(gè)主要指標(biāo)，主要來(lái)源于秸稈燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙塵、生產(chǎn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉末、建造建筑和交通過(guò)程中的揚(yáng)塵、風(fēng)沙揚(yáng)塵以及氣態(tài)污染物經(jīng)過(guò)復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)在空氣中生成的相應(yīng)的鹽類(lèi)顆粒[1]。影響TSP在大氣中運(yùn)動(dòng)的主要因素有風(fēng)向、風(fēng)力大小、溫度、大氣穩(wěn)定度等。大氣對(duì)于TSP的運(yùn)輸和擴(kuò)散主要作用在垂直和水平兩個(gè)方向。TSP對(duì)人體的危害程度主要決定于自身的粒度大小及化學(xué)組成。慢性呼吸道炎癥、肺氣腫、肺癌的發(fā)病與TSP的污染程度明顯相關(guān)。

大氣中的TSP能夠吸收一部分光線，還能使一部分的光線散射，這減少了太陽(yáng)光到達(dá)地面的強(qiáng)度，從而影響城市的能見(jiàn)度，還可以改變?cè)茖哟嬖跁r(shí)間和多少、降雨的多少以及陽(yáng)光反射的方式。TSP對(duì)能見(jiàn)度影響的程度取決于其中顆粒物的大小和相應(yīng)的折射指數(shù)。在TSP濃度大的時(shí)候，在人的視野中物體和環(huán)境之間失去了對(duì)比度; 而且由于大氣中TSP對(duì)光的吸收和散射削弱了光的強(qiáng)度，由此就有了晴天、陰天、霧霾等氣候現(xiàn)象。

對(duì)TSP的檢測(cè)主要有3種：地面觀測(cè)、衛(wèi)星測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。激光雷達(dá)具有長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、抗干擾和高空間分辨率的特點(diǎn)，可提供后向散射系數(shù)和氣溶膠的消光系數(shù)。而基于地面的激光雷達(dá)，空基激光雷達(dá)能獲得更多高海拔、長(zhǎng)距離、時(shí)間長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，從而為氣象檢測(cè)提供了多方面的信息[2]。

本次研究是基于CALIPSO衛(wèi)星所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。CALIPSO衛(wèi)星是美國(guó)航天宇航局和法國(guó)國(guó)家空間研究中心合作發(fā)射的衛(wèi)星，是用來(lái)測(cè)量云層和大氣中的漂浮物，由此來(lái)促進(jìn)對(duì)長(zhǎng)期氣候變遷和氣候變化性的預(yù)報(bào) [3]。其中的云-氣溶膠偏振激光雷達(dá)CALIOP用于檢測(cè)云和氣溶膠的特性。而總懸浮顆粒物（TSP）屬于氣溶膠的一部分，所以本文討論的TSP垂直濃度也基于CALIPSO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，主要是檢測(cè)TSP垂直分布的濃度特征。通過(guò)對(duì)雷達(dá)所反饋的數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，對(duì)TSP及其天氣狀況變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析研究，以便獲取更加全面和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

本文的數(shù)據(jù)主要來(lái)自于CALIPSO激光雷達(dá)的二級(jí)數(shù)據(jù)中氣溶膠濃度信息數(shù)據(jù)，選取華北地區(qū)2018年中優(yōu)良天氣、輕度霧霾、重度霧霾3種特征天氣各一天的數(shù)據(jù)，采用Matlab制圖軟件對(duì)3個(gè)特征天氣的TSP濃度進(jìn)行繪制二維色度圖，直觀地表現(xiàn)出不同天氣的TSP濃度隨高度和經(jīng)緯度的變化，為探討分析天氣變化與TSP關(guān)系提供了一種新方案。

1 數(shù)據(jù)選取與處理辦法

1.1 CALIPSO激光雷達(dá)探測(cè)原理

本次采用的激光雷達(dá)所采集的數(shù)據(jù)是在單次散射的情況下，雷達(dá)接收到了離地面z'目標(biāo)的后向散射的回歸功率為p'，雷達(dá)方程為[4]：

1.2 CALIPSO的數(shù)據(jù)獲取過(guò)程及其處理

近年來(lái)衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，搭載的云—?dú)馊苣z衛(wèi)星觀測(cè)平臺(tái)（CALIPOSO）主要載荷雙波長(zhǎng)正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)（CALIOPS）[5]，為研究全球范圍內(nèi)的云和大氣懸浮顆粒物垂直分布廓線及其光學(xué)特性提供了很大的便利。其具有發(fā)射532 nm和1 064 nm 2種波長(zhǎng)的功能，兩種波長(zhǎng)的反向散射信號(hào)可以比較和區(qū)分大氣顆粒物密度與大小，通過(guò)正交偏振測(cè)量可以區(qū)分云的冰相和水相。其對(duì)大氣顆粒物、煙塵、沙塵等氣溶膠成分有很強(qiáng)的觀測(cè)與區(qū)分能力，可以獲得大氣污染物空間分布的三維結(jié)構(gòu)。CALIOP目前在科學(xué)研究中較常用的是一級(jí)產(chǎn)品（Level 1）和二級(jí)產(chǎn)品（Level 2），通過(guò)Level 2產(chǎn)品數(shù)據(jù)可分析大氣中總懸浮顆粒物的垂直分布廓線。CALIOP提供了總后向散射系數(shù)、退偏比、色比和氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）等各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征[6]。

圖1介紹了從NASA下載CALIPSO雷達(dá)數(shù)據(jù)的流程。

依據(jù)已有的研究來(lái)看，采用的方法有很多。這里從提取CALIPSO采集的數(shù)據(jù)中的體積退偏比及后向散射系數(shù)這2種值來(lái)分析大氣中的氣溶膠分布情況的例子來(lái)說(shuō)明。

體積退偏比是用來(lái)測(cè)量目標(biāo)物體的規(guī)則程度，一般認(rèn)為云、水分子和規(guī)則形狀的氣溶膠，這些的體積退偏比很小，近乎為零。被測(cè)物質(zhì)的形狀越不規(guī)則、越不能被看作是球形的體積退偏比越大[7]。

總消光后向散射系數(shù)，又稱(chēng)為大氣衰減，是指光波在大氣中傳播時(shí)，因受氣溶膠和氣體分子的散射和吸收而削弱的現(xiàn)象。由定義可知，在氣溶膠和氣體分子分布較多的區(qū)域，這部分的后向散射系數(shù)較大。用這組數(shù)據(jù)可以繪制出后向散射系數(shù)隨高度變化的柱狀分布圖。

以上的2種對(duì)氣溶膠的分析方式都是通過(guò)采集數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的柱狀圖，由氣溶膠分布數(shù)值的高低來(lái)確定柱狀圖，柱狀高低得出相應(yīng)區(qū)域的氣溶膠分布數(shù)量的高低。

本次采用繪制氣溶膠在大氣中分布的二維圖的方式來(lái)分析氣溶膠分布的多少。近些年隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展城市進(jìn)程的加快，華北地區(qū)天氣狀況逐漸惡化，晴朗天氣逐漸減少，霧霾天氣持續(xù)增加，嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量和公共安全。因此選取華北地區(qū)的優(yōu)良天氣、輕度霧霾、重度霧霾3種特征天氣的總懸浮顆粒物濃度作為研究對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)中擬合了氣溶膠分布高度和經(jīng)緯度之間關(guān)系，得到了關(guān)于典型天氣的氣溶膠垂直廓線圖 。在圖中用不同顏色標(biāo)記大氣中不同的物質(zhì)，藍(lán)色的部分為水分子，也就是大氣中的云，顏色越接近于黃色表示那部分大氣污染物含量越高，接近黃色或者黃色部分越多，表明當(dāng)天的大氣污染程度越高。

本次繪制的是氣溶膠垂直廓線圖，能直觀地表現(xiàn)出所測(cè)區(qū)域的大氣氣溶膠分布情況。不僅可以從顏色的深淺不同直接看出大氣污染物多少，還可以從顏色所分布的位置來(lái)得知當(dāng)天所測(cè)區(qū)域的大氣污染物處在大氣中的高低位置。圖2介紹了本次運(yùn)用MATLAB繪圖的過(guò)程：

2 特征天氣二維色度圖結(jié)果分析

2.1 重度霧霾

選取華北地區(qū)E115°N40°-E116°N38°。高度從0～3 KM低空激光雷達(dá)氣溶膠數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維彩色圖形繪制，如圖3和圖4所示。

首先，選取2種繪圖方法繪制出圖3和圖4，圖3和圖4同時(shí)選取2019年1月12日華北地區(qū)重度霧霾特征天氣。在繪制圖3時(shí)，選取經(jīng)緯度信息為橫坐標(biāo)，高度為縱坐標(biāo)，右側(cè)為T(mén)SP對(duì)光的后向散射系數(shù)數(shù)值的彩色分布規(guī)律表示圖。通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)，使用激光雷達(dá)提供的二級(jí)數(shù)據(jù)繪制了TSP濃度的二維廓線圖，廓線圖可以看出TSP濃度的大體分布狀況，但是本文認(rèn)為圖3中TSP具體高低的分布狀況通過(guò)廓線圖不能直接展現(xiàn)出來(lái)，只能看出大體的分布輪廓，所以進(jìn)行了改正繪制出圖4。圖4中可以清晰的看出TSP的濃度分布規(guī)律，包括每個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)TSP濃度分布規(guī)律，對(duì)比圖3廓線圖更能全面直觀的看出任何位置的TSP濃度分布規(guī)律，從而選取圖4進(jìn)行后面TSP濃度分析，后面的2組特征天氣也使用圖4的方法進(jìn)行繪制和分析。

圖4中橫坐標(biāo)顯示經(jīng)緯度信息，縱坐標(biāo)為海拔高度，右側(cè)為T(mén)SP對(duì)光的后向散射系數(shù)數(shù)值的彩色分布規(guī)律表示圖。后向散射系數(shù)數(shù)值大小與TSP濃度大小成正比。2018年1月12日華北地區(qū)E115°N40°～E116°N38°區(qū)域內(nèi)，高度從0～3 KM低空TSP濃度分布為：低空近地面0～1 KM內(nèi)TSP 濃度隨高度的增加濃度越來(lái)越低，該高度內(nèi)后向散射系數(shù)分布在此之間。通過(guò)后向散射系數(shù)和TSP濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，當(dāng)天近地面TSP濃度很高、霧霾嚴(yán)重，隨著高度的增加（1～2 KM高度內(nèi)）后向散射系數(shù)分布在0～0.005之間，TSP濃度比1 KM以下有所降低，大氣質(zhì)量較好。2～3 KM內(nèi)后向散射系數(shù)基本為0，TSP濃度基本為零?？梢?jiàn)當(dāng)天天氣為重度污染，污染物主要聚集在近地面1 K以下，當(dāng)天人們感受霧霾嚴(yán)重，圖像表示出來(lái)的信息與氣象臺(tái)發(fā)布的天氣信息相符合。

2.2 輕度霧霾

選取華北地區(qū)E116°N40°～E117°N38°。高度從0～3 KM低空激光雷達(dá)氣溶膠數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維彩色圖形繪制，如圖5所示。

圖5選取2018年2月21日華北地區(qū)輕度霧霾特征天氣，圖中橫坐標(biāo)顯示經(jīng)緯度信息，縱坐標(biāo)為海拔高度，右側(cè)為T(mén)SP對(duì)光的后向散射系數(shù)數(shù)值的彩色分布規(guī)律，后向散射系數(shù)數(shù)值大小與TSP濃度大小成正比。圖中清晰可見(jiàn)，2018年2月21日華北地區(qū)E116°N40°～E117°N38°區(qū)域內(nèi)，高度從0～3 KM低空TSP濃度分布為：低空0～1 KM內(nèi)圖中顯示后向散射系數(shù)在0.005～0.01之間，表明TSP濃度相對(duì)較低。高度1～2 KM內(nèi)后向散射系數(shù)基本為0.005～0.01內(nèi)數(shù)值較低，表明TSP濃度相對(duì)較低，與0～1 KM內(nèi)TSP濃度基本相同。高度2～3 KM內(nèi)后向散射系數(shù)為0～0.005內(nèi)，基本沒(méi)有污染物。如圖5所示該地區(qū)低空TSP濃度較高，霧霾較為嚴(yán)重空氣質(zhì)量略差，圖中西部地區(qū)相對(duì)晴朗，TSP主要分布在低空0～2 KM內(nèi)，所以當(dāng)天污染為低空污染近地霧霾，TSP濃度不高。由圖顯示當(dāng)天天氣狀況為輕度霧霾，和氣象局發(fā)布的信息相對(duì)應(yīng)，圖片顯示較為準(zhǔn)確。

2.3 優(yōu)良天氣

選取華北地區(qū)E116°N40°～E117°N38°。高度從0～3 KM低空激光雷達(dá)氣溶膠數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維彩色圖形繪制，如圖6所示。

圖6選取2018年2月 5日 華北地區(qū)優(yōu)良特征天氣，圖中橫坐標(biāo)顯示經(jīng)緯度信息，縱坐標(biāo)為海拔高度，右側(cè)為T(mén)SP對(duì)光的后向散射系數(shù)數(shù)值的彩色分布規(guī)律表示圖。后向散射系數(shù)數(shù)值大小與TSP濃度大小成正比。圖中清晰可見(jiàn)，2018年2月5日華北地區(qū)E116°N40°～E117°N38°區(qū)域內(nèi)，高度從0～3 KM低空TSP濃度分布為：0～1 KM內(nèi)通過(guò)顏色可以直觀看出后向散射系數(shù)為5×10-3以下，數(shù)值很小，所以當(dāng)天TSP濃度很低，空氣狀態(tài)良好為優(yōu)良天氣，與當(dāng)天氣象局檢測(cè)結(jié)果一致。

2.4 平均AQI濃度和平均后向散射系數(shù)104與大氣污染程度關(guān)系

圖7擬合了平均AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）濃度和平均后向散射系數(shù)104與大氣污染程度之間的關(guān)系。由圖中可以看出，在污染程度加重的同時(shí)，平均AQI濃度和平均后向散射系數(shù)*104這2個(gè)指數(shù)的大小呈上升趨勢(shì)，展現(xiàn)為一定的線性關(guān)系，當(dāng)平均后向散射系數(shù)低于3.2×103時(shí)或AQI低于92時(shí)為優(yōu)良天氣，當(dāng)w平均后向散射系數(shù)低于1.1×104或AQI低于310時(shí)為輕度污染天氣，當(dāng)平均后向散射系數(shù)高于1.1×104或AQI高于310時(shí)為重度污染。隨著污染程度的增加，這2個(gè)指數(shù)的增長(zhǎng)速度越來(lái)越快，上升的幅度也更大。

為了驗(yàn)證本文方法的可行性，隨機(jī)選取天津地區(qū)的2018年12月16日的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)后向散射系數(shù)進(jìn)行繪制圖形分析，擬合后得出當(dāng)天平均后向散射系數(shù)為2.3×104，對(duì)比圖7得出2018年12月16日當(dāng)天的天氣狀況應(yīng)為重度污染，這與當(dāng)天氣象局所提供的AQI為290當(dāng)天為重度污染相符合，證明了此驗(yàn)證方法的可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)CALIPSO的主要荷載激光雷達(dá)CALIOP的基本參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其提供的二級(jí)產(chǎn)品（Level 2）的下載和從中提取相應(yīng)有效數(shù)據(jù)并對(duì)處理、繪制、擬合圖形進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。首先選取了3種典型天氣（優(yōu)良天氣、輕度霧霾、重度霧霾），基于CALIOP的提供的二級(jí)數(shù)據(jù)選取華北地區(qū)3種典型天氣，通過(guò)MATLAB進(jìn)行處理并繪制出二維色度圖，可以直觀地反映出所選區(qū)域經(jīng)緯度和垂直高度與大氣對(duì)光的后向散射系數(shù)大小的色彩對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出平均后向散射系數(shù)、后向散射系數(shù)與TSP濃度的關(guān)系圖，進(jìn)而可以直觀地看出TSP在大氣中的分布位置和以及所測(cè)量區(qū)域污染物的多少。結(jié)果表明：不同特征天氣情況下二維色度圖有明顯差異，二維色度圖平均值與當(dāng)天TSP濃度對(duì)比曲線成正比例關(guān)系，不同天氣濃度垂直分布存在很大差異。通過(guò)二維色度圖更加直觀地反映出當(dāng)天的空氣質(zhì)量狀況，為以后的大氣檢測(cè)與環(huán)境治理提供便利。

參考文獻(xiàn)

[1]吳瑛，馬金鵬. 校園PM2.5和PM10的分布及形貌觀察[J]. 干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2019，33（1）：8-12.

[2] 帕麗達(dá)·牙合甫，楊鵬月. 烏魯木齊市近幾年大氣顆粒物中重金屬的濃度特征[J/OL]. 干旱區(qū)地理：1-9[2019-03-31].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/65.1103.X.20190315.1358.036.html.

[3] 溫玉海，倪曉昌，董昊，等. 基于激光雷達(dá)技術(shù)的京津冀區(qū)域氣溶膠特性分析[J]. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28（2）：18-23.

[4] 溫玉海. 局域激光雷達(dá)信號(hào)參數(shù)對(duì)氣溶膠特性的分析研究[D]. 天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2017.

[5] 賈瑞，劉玉芝，華珊，等. 青藏高原地區(qū)CALIPSO衛(wèi)星氣溶膠觀測(cè)資料的訂正研究[C]//第33屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì). 西安：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2016：119.

[6] 葛巧麗. 基于激光雷達(dá)的杭州市區(qū)不同強(qiáng)度霾探測(cè)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2014.

[7] 張武，顏嬌瓏，曹越前. 西北東部及長(zhǎng)三角地區(qū)霾事件中氣溶膠的空間特征與比較[C]//第十三屆全國(guó)氣溶膠會(huì)議摘要集. 石家莊：中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)氣溶膠專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2017：119.

[8] 馬驍駿，秦艷，陳勇航，等. 上海地區(qū)霾時(shí)氣溶膠類(lèi)型垂直分布的季節(jié)變化 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2015，35（4）：961-969.

[9] MARENCO F， AMIRIDIS V， MARINOU E， et al. Airborne verification of CALIPSO products over the Amazon：a case study of daytime observations in a complex atmospheric scene [J]. Atmospheric Chemistry & Physics， 2014，14（7）：11871-11881.

[10]TIAN Pengfei，CAO Xianjie，ZHANG Lei，et al. Aerosol vertical distribution and optical properties over China from long-term satellite and ground-based remoteensing[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2017（4）：2509-2523.