吳明胤

（安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，安徽 合肥 230000）

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平提高，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響愈發(fā)增強(qiáng)［1］。城市環(huán)境空氣污染不僅導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度下降，同時(shí)容易引發(fā)人體的呼吸道系統(tǒng)疾?。?］，產(chǎn)生一系列社會(huì)健康問(wèn)題。環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)工作內(nèi)容，通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)了解環(huán)境空氣的現(xiàn)狀，為改善環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)有的環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)主要利用顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和氣態(tài)污染物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀等儀器對(duì)環(huán)境空氣中污染物含量進(jìn)行分析，缺乏空氣立體監(jiān)測(cè)。氣溶膠作為懸浮在氣體介質(zhì)中的氣態(tài)分散體系，主要由具有一定穩(wěn)定性、沉降速度小的固狀或液狀小質(zhì)點(diǎn)所形成，是大氣環(huán)境中危害較大的污染物之一［3］。激光雷達(dá)設(shè)備可以監(jiān)測(cè)氣溶膠、大氣密度、能見(jiàn)度的變化，并且表征空氣中污染物擴(kuò)散過(guò)程和沙塵天氣，由于其擁有極高的分辨率和可靠性的優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染所導(dǎo)致的大氣參量探測(cè)研究中。激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果是對(duì)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充，可以全面反映空氣質(zhì)量，對(duì)污染物解析與防控具有重要意義。本文針對(duì)大氣污染的管控需求，采用合肥市生態(tài)環(huán)境局樓頂?shù)墓腆w式氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)，獲取一系列大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為全面反映整體空氣質(zhì)量情況，預(yù)判環(huán)境變化提供有力支撐。

1 相關(guān)理論

1.1 環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)

我國(guó)自二十世紀(jì)七十年代陸續(xù)建立各級(jí)環(huán)保部門(mén)，制定各種監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)以手工采樣和便攜式設(shè)備監(jiān)測(cè)為主，主要利用現(xiàn)場(chǎng)采樣，然后將樣品有效保存后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。但是空氣中污染物濃度隨氣象條件和工況條件隨時(shí)在變，手工采樣—實(shí)驗(yàn)室分析的頻率低，時(shí)間代表性差，不能很好反映污染物實(shí)時(shí)的變化。二十世紀(jì)末我國(guó)引進(jìn)國(guó)外大氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)站普遍配備2臺(tái)顆粒物監(jiān)測(cè)儀、氣態(tài)污染物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、氣象五參數(shù)儀以及能見(jiàn)度儀，主要對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物含量與SO2、NOx、O3、CO含量進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1.2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是基于傳統(tǒng)雷達(dá)并集合現(xiàn)代激光技術(shù)的產(chǎn)物。自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)制造第一臺(tái)激光雷達(dá)以來(lái)，激光雷達(dá)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在軍事、海洋、地球科學(xué)及氣象領(lǐng)域。傳統(tǒng)雷達(dá)使用毫米和微米頻段，只能對(duì)金屬目標(biāo)物有明顯反射回波，對(duì)于非金屬物質(zhì)的回波信號(hào)較低，對(duì)于氣溶膠和分子無(wú)法產(chǎn)生回波信號(hào)。激光雷達(dá)利用電磁波譜中的紫外、可見(jiàn)光及近紅外波段，比毫米波和微米波段更短，對(duì)更小尺度的目標(biāo)物也能有回波信號(hào)，在探測(cè)細(xì)小顆粒的方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在探測(cè)距離、速度、角度上有更高的分辨率。按照激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)，激光雷達(dá)可以分為激光測(cè)距雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、大氣探測(cè)雷達(dá)、生物激光雷達(dá)和激光測(cè)速雷達(dá)。激光雷達(dá)在氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠、云、霧、能見(jiàn)度、污染氣體、溫度和濕度的變化，為研究空氣污染物在氣溶膠中的反應(yīng)和建立污染物反應(yīng)模型提供理論依據(jù)。

2 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)

2.1 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的原理

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的理論原理是利用激光在傳播路徑中的變化，是傳播路徑上大氣分子和氣溶膠的吸收和散射所引起的，與它們的濃度有關(guān)。激光與大氣相互作用時(shí)，產(chǎn)生了許多與大氣物理狀態(tài)密切相關(guān)的光信息，而后向散射光中就包含了這些大氣物理狀態(tài)的信息，通過(guò)一定的反演方法就可以反演出大氣中各種狀態(tài)物理量。根據(jù)激光的探測(cè)目的以及與大氣不同的作用方式，空氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)可以分為米散射激光雷達(dá)、偏振激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)和高光譜分辨激光雷達(dá)等。

米散射激光雷達(dá)是利用米散射機(jī)制探測(cè)大氣中的塵埃、云霧等氣溶膠粒子的激光雷達(dá)。米散射激光雷達(dá)接收的大氣后向散射回波信號(hào)可以表示成如下，米散射激光雷達(dá)方程式為：

其中P L（z，λL）是接收到高z處大氣的后向散射回波功率（W）；λL是激光波長(zhǎng)（nm）；KL是激光雷達(dá)系統(tǒng)的常數(shù)（W.km3.sr）；β（z，λL）是高度z處的大氣在波長(zhǎng)λL上的后向散射系數(shù)（km-1·sr-1），β（z，λL）=βm（z，λL）+βa（z，λL），βm（z，λL）和βa（z，λL）分別是空氣分子和大氣氣溶膠的后向散射系數(shù)；α（z，λL）是高度z處的大氣在波長(zhǎng)λL上的消光系數(shù)（km-1），α（z，λL）=αm（z，λL）+αa（z，λL）；αm（z，λL）和αa（z，λL）分別是空氣分子和大氣氣溶膠的消光系數(shù)；z0是激光雷達(dá)所在的高度（km）。

在米散射激光雷達(dá)接收到回波信號(hào)后，使用Fernald法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，反演出大氣中垂直方向氣溶膠的后向消光系數(shù)或散射系數(shù)空間分布。

拉曼激光雷達(dá)利用米散射機(jī)制和拉曼散射機(jī)制相結(jié)合。利用雙通道分別探測(cè)大氣氣溶膠的拉曼信號(hào)與米散射信號(hào)，獲取兩個(gè)獨(dú)立的觀測(cè)量，從而可以獨(dú)立反演出大氣中垂直方向氣溶膠的后向消光系數(shù)或散射系數(shù)空間分布。拉曼散射激光雷達(dá)方程為：

式（2）中，PR（z，λR）是激光雷達(dá)接收的高度z處的氮?dú)夥肿永笙蛏⑸浠夭üβ剩╓）；

KR為拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)（W.km3.sr）；

λL和λR分別是發(fā)射波長(zhǎng)和拉曼散射波長(zhǎng)（nm）；

N N2（z）是高度z處的氮?dú)夥肿拥臄?shù)密度（cm-3）；

dσN（λL，π）/dΩ是氮?dú)夥肿釉诓ㄩL(zhǎng)λL上的后向拉曼散射截面（cm2sr-1）；

αm（z，λL）和αm（z，λR）分別是高度z處的空氣分子在波長(zhǎng)λL和λR上的消光系數(shù)（km-1）；αa（zz，λL）和αa（z，λR）分別是高度z處的大氣氣溶膠在波長(zhǎng)λL和λR上的消光系數(shù)（km-1）；z0是激光雷達(dá)所在的高度（km）。

偏振激光雷達(dá)通過(guò)探測(cè)非球形粒子后向散射光的退偏振特性來(lái)研究粒子的形態(tài)，是一種研究卷云和沙塵氣溶膠等大氣非球形粒子形態(tài)的有效工具。大氣中的沙塵粒子和卷云粒子都是典型的非球形粒子，當(dāng)一束線偏振激光照射到這些非球形粒子時(shí)，其后向散射光將不再是線偏振光，探測(cè)其后向散射光中的垂直分量和平行分量，可以獲得粒子的退偏振特性。

偏振激光雷達(dá)是利用空間不規(guī)則粒子會(huì)造成雷達(dá)信號(hào)退偏振特性，通過(guò)探測(cè)不規(guī)則粒子后向推偏信號(hào)來(lái)研究不規(guī)則粒子的形態(tài)。大氣中的沙塵粒子都是典型的不規(guī)則粒子形態(tài)，探測(cè)其后向散射光中的平行分量和垂直分量，可以獲得空間中粒子的退偏振特性。相比于拉曼激光雷，偏振激光雷達(dá)更適應(yīng)與雨雪天氣中的大氣監(jiān)測(cè)。它不僅能夠探測(cè)氣溶膠粒子后向散射光的強(qiáng)度信號(hào)，同時(shí)能檢測(cè)出回波信號(hào)偏振態(tài)的垂直分量和平行分量，以此來(lái)獲得大氣氣溶膠的退偏振比等參數(shù)，從而可以有效地辨別大氣中氣溶膠粒子的形態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠的時(shí)空分布廓線，云層、城市邊界層以及大氣能見(jiàn)度等大氣屬性諸參數(shù)的探測(cè)［3］，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

高光譜分辨率激光雷達(dá)（HSRL）是一種以精細(xì)分光技術(shù)為核心的激光雷達(dá)［4］，具有較高的光譜分辨能力。在數(shù)據(jù)反演精度上，高光譜分辨率激光雷達(dá)（HSRL）是一種適用于全波段下觀測(cè)的激光雷達(dá)。因?yàn)楦吖庾V分辨率激光雷達(dá)具有的這些優(yōu)點(diǎn)，使得其受到了很多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重視與廣泛應(yīng)用［5］。

2.2 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的組成

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和釆集控制系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、反射鏡及擴(kuò)束鏡等；接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡、分束片、濾光片等；探測(cè)系統(tǒng)包括光電倍增管（PMT）、雪崩二極管等（如圖1所示）；釆集控制系統(tǒng)包括采集卡、瞬態(tài)記錄儀、計(jì)算機(jī)等。激光雷達(dá)通過(guò)激光器發(fā)射激光信號(hào)，反射鏡將激光信號(hào)反射入天空，激光在空中與大氣成分相互作用，望遠(yuǎn)鏡接收后向散射回波信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)光電倍增管等轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后由采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別信號(hào)，并保存數(shù)據(jù)。

圖1 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的組成圖

2.3 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的應(yīng)用

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)在氣溶膠以及邊界層、溫度、大氣能見(jiàn)度、風(fēng)廓線中均能實(shí)現(xiàn)精確探測(cè)，這為全球氣候變化研究和氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)提供了系統(tǒng)、長(zhǎng)期和穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)資料，有效滿足了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的需要。

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)可以探測(cè)氣溶膠以及邊界層，其通過(guò)反演氣溶膠消光系數(shù)來(lái)獲得大氣氣溶膠濃度信息［6］。近年來(lái)，全球氣象問(wèn)題愈發(fā)突出，這使得激光探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用不斷深入到實(shí)際探測(cè)中，主要探測(cè)對(duì)象包含了大氣中氣溶膠、黃沙、霧霾、沙塵等諸多內(nèi)容，這些內(nèi)容的監(jiān)測(cè)對(duì)于氣象災(zāi)害預(yù)防工作開(kāi)展具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義［7］。

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)可以探測(cè)大氣垂直溫度和濕度分布。在溫度探測(cè)中，拉曼激光雷達(dá)是較為常見(jiàn)的一種監(jiān)測(cè)形式。利用拉曼激光雷達(dá)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)流層內(nèi)大氣水汽的有效探測(cè)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)技術(shù)可獲得高度35 km以下大氣溫度的高效探測(cè)。［8］

大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)可以探測(cè)大氣中CO2、NOx、SO2、O3、CH4等氣體的垂直分布。大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)采用氣體的特征吸收峰來(lái)對(duì)大氣中的氣體進(jìn)行探測(cè)，其在2~12μm的紅外波段都有非常典型的吸收譜帶，可以客觀反映污染氣體含量與污染空間分布。目前主要采用差分吸收激光雷達(dá)對(duì)這些氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

激光雷達(dá)可以精準(zhǔn)探測(cè)大氣污染，通過(guò)分析雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染現(xiàn)象并加以整治，具有探測(cè)性能好、時(shí)空分辨率高、可靠性高、抗有源干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)［9］。本文選取2020年10月和11月合肥市生態(tài)環(huán)境局激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，該激光雷達(dá)通過(guò)532 nm偏振平行通道和532 nm偏振垂直通道對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用2020年10月和11月激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)反算出大氣邊界層高度，并疊加同期合肥市PM2.5顆粒物濃度數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖2所示。

圖2 2020年10月、11月合肥市大氣邊界層高度與顆粒物濃度

（1）大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有效補(bǔ)充環(huán)境空氣立體監(jiān)測(cè)的盲區(qū)，通過(guò)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演，可以得到邊界層高度、顆粒物立體分布等信息。

（2）2020年10月合肥市每日邊界層平均高度維持在0.2~1.2 km左右；11月維持在0.2~1 km。11月的邊界層高度要低于10月邊界層高度。PM2.5濃度偏高時(shí)邊界層高度維持在0.5~0.7 km左右。過(guò)低的邊界層高度基本由降雨過(guò)程產(chǎn)生，帶來(lái)污染清除。

（3）合肥市11月邊界層高度整體較10月偏低，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差；11月PM2.5濃度也高于10月PM2.5濃度。

（4）日內(nèi)邊界層高度均呈現(xiàn)早晚低（0.55 km左右）、中午高的趨勢(shì)（0.8~0.9 km），PM2.5濃度則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，邊界層高度越高，大氣湍流發(fā)展旺盛，邊界層較低，可使顆粒物在近地面聚集［10］。說(shuō)明邊界層高度的變化對(duì)顆粒物濃度的影響較大；夜間高濕低風(fēng)速及邊界層高度偏低的頻次高發(fā)，需要加強(qiáng)夜間的污染管控，錯(cuò)時(shí)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。

（5）在日常監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)存在局限性，大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示合肥市10月17日邊界層高度小于0.3 km，但同時(shí)PM2.5濃度偏低。這是由于當(dāng)時(shí)合肥市處于雨水天氣，激光束遇到雨水反射，無(wú)法有效反演當(dāng)時(shí)大氣數(shù)據(jù)，說(shuō)明大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)在雨雪天氣情況下無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展，以期為環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)提供有力數(shù)據(jù)支撐。