殷振平,易帆*,王威,何蕓,柳付超,張?jiān)迄i,余長明

(1武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072;2武漢大氣遙感國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,湖北 武漢 430072)

0 引言

大氣氣溶膠影響著大氣輻射傳輸過程、云的形成、人體健康和出行安全[1]。實(shí)時(shí)掌握氣溶膠的分布對(duì)人類的生產(chǎn)生活具有重大意義。沙塵作為最大的自然界氣溶膠源之一,含量占大氣氣溶膠總量的40%[2]。作為世界三大沙塵源之一,亞洲沙漠每年排放約800 Tg的沙塵,貢獻(xiàn)全球總沙塵含量的40%到80%[3]。這些沙塵中的70%經(jīng)由大氣向外部輸送,最終通過干濕沉降等過程影響下游地區(qū)[4]。

雖然現(xiàn)有許多模型用來模擬和預(yù)報(bào)亞洲沙塵的分布,但是因?yàn)槟Ｐ图僭O(shè)的不合理、氣象要素的誤差和參數(shù)化模型的精準(zhǔn)度等問題,模型的輸出結(jié)果和實(shí)際情況存在較大的偏差[5],因此需要通過融合實(shí)時(shí)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

我國從2000年開始常規(guī)發(fā)布主要城市的地表污染物含量的觀測(cè)結(jié)果。這些污染物的含量直接影響空氣質(zhì)量,并直接影響人們的出行和身體健康。地表污染物的來源多種多樣,其中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臍馊苣z也會(huì)通過對(duì)流混合、沉降等進(jìn)入到低層大氣中。因此只有了解污染物的三維分布情況,才能對(duì)局地污染物變化進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析。

地基偏振激光雷達(dá)作為主動(dòng)遙感設(shè)備,具有高時(shí)空分辨率的特點(diǎn),能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地得到大氣中氣溶膠的垂直分布。結(jié)合不同顆粒物的退偏振特性,可以反演得到沙塵的含量分布[6]?；谖錆h大學(xué)中高層大氣實(shí)驗(yàn)室自主研制的532 nm偏振激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果,本文分析了一次亞洲沙塵的來源、傳輸和通過夾卷過程以及對(duì)流混合對(duì)武漢地區(qū)邊界層內(nèi)顆粒物分布的影響。并結(jié)合垂直含量分布,估計(jì)了武漢上空沙塵和城市氣溶膠的總質(zhì)量。

1 儀器與數(shù)據(jù)

武漢位于我國中部地區(qū),地處江漢平原,土地面積8494平方公里,擁有約1200萬常住人口。整體氣候特征為濕潤的亞熱帶氣候,四季均多雨。春秋季因?yàn)楸狈嚼淇諝庥绊?會(huì)出現(xiàn)較多的沙塵天氣[7,8]。

研究中所使用的觀測(cè)站點(diǎn)位于武漢大學(xué)珞珈山上(30.5°N,114.4°E,海拔70 m),擁有多種用于監(jiān)測(cè)大氣中或地表污染物和大氣基本參量(水汽和溫度)的設(shè)備[9-12]。研究中采用實(shí)驗(yàn)室自主研制的偏振激光雷達(dá)[12],該雷達(dá)已經(jīng)積累了近10年的觀測(cè)數(shù)據(jù)(2011–2020年),并在2018年經(jīng)過方艙升級(jí),已經(jīng)初步具備7×24小時(shí)的觀測(cè)能力。

1.1 532 nm偏振激光雷達(dá)

偏振激光雷達(dá)發(fā)射激光波長為532 nm,擁有平行和垂直兩個(gè)偏振接收通道,如圖1所示。

圖1 532 nm偏振激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of 532 nm polarization lidar

該雷達(dá)采用Nd:YAG固體型(Inllite-II)激光器作為光源,經(jīng)過Brewster偏振晶體(Brewster polarizer)提純后,偏振純度優(yōu)于10000:1。通過半波片(HWP)調(diào)整出射激光的偏振方向,與接收光路一致,最終由四倍擴(kuò)束鏡(Beam expander)擴(kuò)束后(將光束發(fā)散角從0.75 mrad壓縮到小于0.2 mrad)經(jīng)反射鏡(RM1)調(diào)整出射方向指向天頂,射入大氣中。后向散射信號(hào)經(jīng)由直徑為305 mm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收,通過系統(tǒng)光闌控制接收端視場(chǎng)角為1 mrad。偏振分光晶體(PBS)將其分為水平和垂直兩個(gè)偏振分量,并各自由額外的偏振片進(jìn)行提純后,被光電倍增管(PMT)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過Licel數(shù)據(jù)采集卡采集,最后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。原始數(shù)據(jù)的分辨率為1 min和3.75 m。

武漢地區(qū)一年四季潮濕多雨,為了進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),實(shí)驗(yàn)室的觀測(cè)方艙在2018年進(jìn)行了升級(jí)改造,改造部分如圖2所示。在改造中,設(shè)計(jì)了防雨的天窗,并采用耐熱的BOROFLOAT 33玻璃(https://www.schott.com/borofloat/chinese/attribute/thermic/index.html),這種玻璃可以長時(shí)間工作在小于450°C的溫度下,且熱膨脹系數(shù)(3.25×10-6K-1)非常小。在使用過程中,這種玻璃即使在夏天正午太陽直射的情況下也不會(huì)產(chǎn)生退偏振效應(yīng)[13]。此外,為了防止凌晨鏡片表面凝結(jié)形成露水,額外加裝了鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)吹出熱風(fēng)加熱發(fā)射窗玻璃,從而防止露水的生成,不僅如此,當(dāng)降雨強(qiáng)度不大時(shí),加裝的鼓風(fēng)機(jī)可以快速風(fēng)干降落到玻璃表面的雨水,從而保證即使在有小雨的時(shí)候,激光雷達(dá)也能進(jìn)行正常觀測(cè)。

圖2 觀測(cè)方艙改造后實(shí)物圖Fig.2 Picture of lidar container after upgrade

1.2 輔助分析數(shù)據(jù)

從2013年1月份起,中國生態(tài)環(huán)境部開始發(fā)布逐小時(shí)的城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/),數(shù)據(jù)中包含有六種基本的污染物含量(SO2,NO2,O3,CO,PM2.5,PM10)和基于這六種污染物含量得到的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,其中PM10可以用來反映沙塵顆粒的含量[14]。

2 基于偏振激光雷達(dá)的沙塵含量反演算法

自然界中的氣溶膠,根據(jù)形狀可以分為球形和非球形兩種。這兩種不同形狀的氣溶膠顆粒會(huì)產(chǎn)生不同的偏振效應(yīng)。球形粒子在與偏振光作用時(shí),其后向(180°散射角)散射光的偏振態(tài)跟入射光相同,因此偏振激光雷達(dá)探測(cè)得到的體退偏比δv(垂直偏振分量與平行偏振分量之比)接近于0;非球形粒子在與偏振光作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同于入射光偏振狀態(tài)的偏振分量,因此體退偏比大于0。粒子產(chǎn)生的退偏振效應(yīng)可以通過粒子退偏比δp來衡量,典型的球形粒子如城市氣溶膠(δp～0.05)和海鹽氣溶膠(δp＜0.02)[15],典型的非球形粒子如沙塵 (δp～0.31)、花粉 (δp～0.15)和火山灰 (δp～0.40)。

偏振激光雷達(dá)觀測(cè)到的粒子退偏比,是不同氣溶膠粒子體系的典型粒子退偏比的加權(quán)之和。武漢在秋季時(shí),大氣氣溶膠成份比較簡(jiǎn)單,不同氣溶膠成份的含量可以通過POLIPHON方法來進(jìn)行計(jì)算[16]。一種典型的情況是大氣中存在沙塵(d)和城市污染型氣溶膠(nd),二者的后向散射系數(shù)為

式中:βd和βnd分別代表沙塵和城市氣溶膠的后向散射系數(shù),βp和δp分別為總的后向散射系數(shù)和總的粒子退偏比,δd和δnd分別為沙塵粒子和城市氣溶膠的典型粒子退偏比。

在得到沙塵和城市氣溶膠的后向散射系數(shù)后,可以通過這兩者典型的雷達(dá)比S(如表1所示)而將其轉(zhuǎn)換為沙塵和城市氣溶膠的消光系數(shù)σ,其計(jì)算公式分別為

表1 典型的用于沙塵質(zhì)量濃度反演算法的參考值Table 1 Typical values applied in dust mass separation algorithm

根據(jù)兩種氣溶膠的物理特性可以將消光系數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的顆粒物含量

表1列舉了式(1)-(6)中所使用的參量。

3 觀測(cè)結(jié)果與分析

2019年10月28日受北方冷高壓的影響,蒙古地區(qū)的沙塵被較大的地表風(fēng)速(＞10 m·s-1)揚(yáng)起,進(jìn)入大氣中,如圖3(a)所示,其中PM10在一定程度上可以當(dāng)成沙塵含量的示蹤[21];并于10月29日隨著南下的冷空氣進(jìn)入華北和華東地區(qū),與此同時(shí)華中地區(qū)也受到較大影響,如圖3(b)-(c)所示;盤踞在華中華東地區(qū)一段時(shí)間后,于11月1日,PM10開始逐步下降,如圖3(c)所示;并在11月3日達(dá)到背景水平,如圖3(d)所示。

圖3 2019年10月28日00:00(a)、10月29日12:00(b)、11 月1 日12:00(c)、11月3日18:00(d)全國各城市地表PM10含量分布圖Fig.3 Distribution of PM10at cities over China at 00:00,October 28(a),12:00,October 29(b),12:00,November 1(c)and 18:00,Novemver 3(d)in 2019

武漢地區(qū)2019年10月26日–11月6日期間地表的PM10和PM2.5含量分布如圖4所示。從圖中可以看到,10月29日前(武漢“軍運(yùn)會(huì)”期間)當(dāng)?shù)氐奈廴疚锖枯^低,PM10和PM2.5普遍低于50 μg·m-3;在10月29日中午開始,PM10含量突然出現(xiàn)較大增長,從50 μg·m-3快速上升到150 μg·m-3,但與此同時(shí)PM2.5含量卻并未發(fā)生較大變化,而PM2.5可以初步反應(yīng)城市氣溶膠水平[21],因此可以排除當(dāng)?shù)囟唐趦?nèi)城市排放超標(biāo)的影響,結(jié)合之前對(duì)蒙古地區(qū)沙塵的分析可知沙塵導(dǎo)致了武漢當(dāng)?shù)豍M10含量的增長。11月3日,地表風(fēng)向由東北轉(zhuǎn)為正北,PM10含量在短時(shí)間內(nèi)降低后再升高,同時(shí)PM2.5也在降低后升高并超過100 μg·m-3,與此同時(shí)PM2.5在PM10中的占比升高,由此可知此時(shí)的沙塵的影響已經(jīng)降低,并且當(dāng)?shù)氐奈廴疚锾卣饕呀?jīng)跟沙塵期間不同。

圖4 2019年10月26日–11月6日武漢地區(qū)沙塵前后地表PM10和PM2.5含量變化Fig.4 Timeseries of PM10and PM2.5concentration at Wuhan from October 26 to November 6 in 2019

在此期間偏振激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。圖5(d)表明,沙塵在10月28日11:50(GMT+8)就已經(jīng)到達(dá)武漢上空,此時(shí)沙塵層高度為1～1.6 km。而邊界層內(nèi)體退偏比很小(＜0.08),表明邊界層內(nèi)(＜0.8 km)仍然是城市氣溶膠占主導(dǎo)。到10月29日10:00,沙塵層厚度達(dá)到2 km,如圖5(e),且沙塵的體退偏比接近0.3,表明此時(shí)沙塵層主要由沙塵粒子組成[22]。與此同時(shí),邊界層內(nèi)的體退偏比仍然非常小,因此可認(rèn)為沙塵的沉降并不明顯。從11:00開始,隨著邊界層的發(fā)展,可以觀察到體退偏比較大的氣團(tuán)開始進(jìn)入邊界層內(nèi)。且隨著對(duì)流混合強(qiáng)度增強(qiáng),從13:00開始,邊界層頂高度已經(jīng)抵達(dá)主沙塵層高度處(1 km)。此時(shí)從圖5(e)中可以清楚觀察到攜帶有大量沙塵顆粒的氣團(tuán)(增強(qiáng)的體退偏比表征的區(qū)域)從邊界層頂經(jīng)夾卷過程進(jìn)入邊界層內(nèi),再經(jīng)過對(duì)流混合充分?jǐn)U散到整個(gè)邊界層中。從體退偏比的結(jié)果中可以看到這種對(duì)流混合氣團(tuán)的時(shí)間尺度約為5 min,結(jié)合邊界層內(nèi)的平均風(fēng)速(2 m·s-1),可以得知對(duì)流混合氣團(tuán)的空間尺度約為600 m。經(jīng)過邊界層頂?shù)膴A卷過程后,沙塵層的空間分布形態(tài)被破壞,沙塵層開始向地表擴(kuò)展。經(jīng)過數(shù)小時(shí)的沉降,16:00左右沙塵層已經(jīng)完全混合進(jìn)入邊界層中,因此地表上開始觀測(cè)到較大的PM10含量,如圖4所示。從10月29日一直到11月3日,雷達(dá)觀測(cè)得到邊界層內(nèi)的體退偏比一直維持在0.1～0.2之間。在11月3日17:30時(shí)開始,粒子散射信號(hào)突然增強(qiáng),表明顆粒物含量上升,與此同時(shí),體退偏比降低到0.08,這表明此時(shí)沙塵粒子的相對(duì)含量已經(jīng)降低,結(jié)果與PM2.5和PM10的變化相吻合,根據(jù)軌跡追蹤結(jié)果可以得知此時(shí)的城市污染可能來自華北地區(qū)。

圖5 偏振激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果。(a)-(c)標(biāo)定過的距離修正信號(hào);(d)-(f)體退偏比Fig.5 Measurements of polarization lidar.(a)-(c)attenuated backscatter,(d)-(f)volume depolarization ratio

根據(jù)第2節(jié)中展示沙塵反演算法,可以得到在沙塵混合進(jìn)入邊界層前后的沙塵含量和城市氣溶膠含量的變化關(guān)系。圖6(a)展示了沙塵層已經(jīng)出現(xiàn)但沒有混合進(jìn)入邊界層內(nèi)時(shí)的沙塵和城市氣溶膠的垂直分布剖面。通過該剖面,可以發(fā)現(xiàn)0.8 km以內(nèi)主要是城市氣溶膠,平均含量為137 μg·m-3(因?yàn)槔走_(dá)盲區(qū)的影響,不能得到350 m高度以下的顆粒物分布情況);沙塵主要分布在0.8～1.8 km高度內(nèi),平均含量為240 μg·m-3。圖6(b)展示了沙塵層充分混合進(jìn)入邊界層后的分布情況,從該剖面結(jié)果中可以看到,沙塵此時(shí)分布在近地表至2.5 km高度,且1.5 km以下分布較為均勻,平均含量為348 μg·m-3。圖6(c)展示了沙塵末期的分布情況。從該圖中可以看到,此時(shí)沙塵頂?shù)母叨纫呀?jīng)下降到約2 km,且平均含量已經(jīng)下降到約100 μg·m-3。因?yàn)轱L(fēng)向的變化,華北地區(qū)的城市氣溶膠開始進(jìn)入武漢,導(dǎo)致此時(shí)2.5 km以下充滿著非常高濃度的城市氣溶膠,其中1 km以下城市氣溶膠的含量超過400 μg·m-3。如果把圖6(b)中沙塵含量部分換算到整個(gè)武漢地區(qū),可以估算得到此時(shí)漂浮在武漢上空的沙塵總質(zhì)量達(dá)到約2000 t。主沙塵層在10月29日到達(dá)武漢地區(qū),在經(jīng)過數(shù)小時(shí)的夾卷和對(duì)流混合后,進(jìn)入武漢地區(qū)邊界層內(nèi)的沙塵總質(zhì)量(邊界層高度1 km)約為2800 t。在11月3日,北方城市氣溶膠的輸入在短時(shí)間內(nèi)讓武漢地區(qū)的PM2.5含量超標(biāo),如圖4和圖5(c)所示。根據(jù)圖6(c)中所展示的城市氣溶膠含量剖面,并去除10月29日同時(shí)刻觀測(cè)到的城市氣溶膠含量(約400 t),可以得到在華北污染入侵初期,傳輸?shù)轿錆h上空的北方城市氣溶膠總質(zhì)量約為4300 t,這大約是軍運(yùn)會(huì)期間武漢地區(qū)城市氣溶膠總含量的十倍。

圖6 不同時(shí)間段的沙塵和城市氣溶膠垂直剖面。(a)沙塵未混合進(jìn)入邊界層時(shí)(2019年10月28日16:00–16:30);(b)沙塵混合(2019年10月29日16:00–16:30);(c)沙塵末期(2019年11月3日18:30–19:00)Fig.6 Profiles of dust and non-dust mass concentration at different stages.(a)Results before dust mixing(from 16:00 to 16:30 on October 28,2019),(b)results after dust mixing(from 16:00 to 16:30 on October 29,2019),(c)results at the end of dust episode(from 18:30 to 19:00 on November 3,2019)

4 結(jié)論

利用全國國控站點(diǎn)的污染物數(shù)據(jù),分析了一次蒙古沙塵的傳輸路徑。根據(jù)武漢地區(qū)的近地表PM2.5和PM10的含量,區(qū)分了沙塵前、中、后三個(gè)過程,并結(jié)合地基雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果分析了這三個(gè)過程中的污染物和沙塵的時(shí)空變化特點(diǎn)?？梢郧逦吹缴硥m顆粒通過邊界層頂?shù)膴A卷過程和邊界層內(nèi)的對(duì)流混合進(jìn)入邊界層內(nèi)的整個(gè)變化過程。結(jié)合雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果,可以更好地理解地表PM10含量的變化。最后通過沙塵含量反演算法,得到了這三個(gè)過程中典型沙塵和城市氣溶膠含量的高度分布,并結(jié)合這些分布得到了沙塵事件初期的武漢地區(qū)上空的沙塵總質(zhì)量約為2000 t,在主沙塵層經(jīng)過夾卷過程和對(duì)流混合后,進(jìn)入邊界層內(nèi)的沙塵總質(zhì)量約為2800 t。而在沙塵事件末期,因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)的改變,北方污染開始到達(dá)武漢,并向武漢注入約4300 t的城市氣溶膠,這是軍運(yùn)會(huì)期間武漢地區(qū)城市氣溶膠含量的約十倍。