基于激光雷达分析一次重霾过程混合层高度

周燕秋，倪长健，刘培川，张 研

1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225 2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225 3.四川省环境监测总站，四川 成都 610041

基于激光雷达分析一次重霾过程混合层高度

周燕秋1,2，倪长健1,2，刘培川3，张 研1

1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225 2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225 3.四川省环境监测总站，四川 成都 610041

为深化对冬季重霾天气大气混合层高度的认识，利用Mie散射激光雷达观测了成都市2014年1月23日至2月4日一次典型重霾天气过程。基于Mie散射激光雷达探测获取的后向散射系数，使用SBH99算法计算了该过程的混合层高度，并系统分析其演变特征及其与气象因子的关系，研究结果表明:将激光雷达探测的混合层高度与探空曲线表征出的混合层高度进行对比分析，结果显示两者具有较好的一致性，相关系数为0.893 4；此次重霾过程中，混合层高度平均值较低，约378 m；霾天气发生后，混合层高度显著下降，并且混合层高度的最大值与最小值之间差距缩小，日变化波动不明显；混合层高度的发展与空气温度的变化趋势呈正相关关系，与相对湿度呈负相关关系。

Mie散射激光雷达；重霾过程；混合层高度；SBH99算法

在污染气象学中，混合层高度用于表征污染物在垂直方向上被湍流稀释扩散的范围, 即低层空气热力对流与动力湍流所能达到的高度[1]。作为决定空气污染状况的重要参数，混合层高度的系统研究在空气质量预报、环境监测和环境规划等方面具有重要的应用价值[2-3]。目前确定混合层高度的方法有很多，如国标法、罗氏法以及干绝热法等，进一步分析表明，上述方法均存在计算精度难以评估以及缺乏物理过程描述等不足[4-8]。激光雷达作为一种新型的大气遥感设备，具有较高的时空分辨率，能够实现对大气边界层结构的实时监测[9-10]。针对激光雷达反演混合层高度的算法而言，国外在20世纪70年代开展了这方面的研究工作，ENDLICH等[11]将后向散射系数垂直变化率最大的位置所对应的高度定为混合层高度，BOERS等[12]认为激光雷达的后向散射信号发生最大衰减的地方即为边界层的高度，MOK等[13]则根据气溶胶后向散射系数的垂直变化对混合层和卷夹层的高度进行了进一步的识别。STEYN等[14]将实际测量的大气气溶胶后向散射系数垂直分布拟合成理想的后向散射系数廓线，据此提出了SBH99算法，该方法增强了基于激光雷达混合层高度反演算法的实用性和客观性。张金业[15]将其应用于武汉边界层结构的分析，进一步验证了SBH99算法的可行性。

成都市作为西南地区经济发展中心，随着城市化进程的加快，以灰霾为代表的空气污染问题日益严重[16-17]。本文以成都冬季一次典型重霾过程为研究时段，在对Mie散射激光雷达反演混合层高度的适用性进行验证的基础上，进一步将SBH99算法用于分析该时段混合层高度的变化特征。所得成果在加深对重霾发生机理理解的同时，也可应用于成都大气环境容量计算、污染潜势预报等研究，进而为大气环境监测、大气污染防治和大气环境规划等环境管理工作提供理论支撑。

1 实验部分

1.1 观测仪器及数据

本文采用的雷达数据由四川省环境监测总站提供。监测点设置于西南交通大学九里堤校区，受工业排放污染源的影响很小；仪器安装在西南交通大学土木馆楼顶，此处距地35 m，视野开阔，不受四周建筑物阻挡。

观测仪器为北京产EV-lidar激光雷达(偏振Mie散射微脉冲激光雷达)。由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时空演变特征、大气气溶胶消光系数垂直廓线和时间演变特征等信息。仪器组件包括半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器、发射和接收光学系统、高灵敏度光电探测器(CPM)、高速多道计数器和计算机、控制和数据处理软件等。该激光雷达系统可以全天自动地进行数据采集，于2013年6月正式投入观测，每3 min提供一次数据，主要观测范围可达30 km，探测盲区为60 m，测距分辨率为15 m，其主要相关系统参数见表1。

用于对比的探空数据来源于成都市温江气象站，该数据为一天2次(探测时间分别为北京时间07:00、19:00)的探空观测资料，其垂直空间上的分辨率为5 m，主要包含气温、气压、湿度和露点温度等气象要素。探空站位于郊区，而激光雷达探测点位于城区，两地相距大约20 km，下垫面有所不同，因此两地的混合层高度可能存在一定的差距，但考虑到对比分析时所采用的数据均选自早晚时刻，这样的时间里混合层高度比较低，且受下垫面热力作用的影响不大，同时两地都受同一天气系统影响，所以在一定的误差范围内2种结果具有一定的可比性。

表1 主要技术参数

1.2 反演方法

大气边界层中富含气溶胶粒子，据此可将气溶胶作为追踪剂以实现Mie散射激光雷达对大气边界层特征参数的反演。气溶胶浓度在混合层中垂直分布趋于均匀，在混合层以上部分则会迅速减小，因此气溶胶后向散射系数将会在混合层顶发生一个由强到弱的突变过程[18]。故可以利用这一特征确定混合层的高度，算法的流程[14]：

1)采用SBH99拟合方法将探测所得的气溶胶后向散射系数随高度变化曲线拟合成理想的后向散射系数曲线B(z)。拟合方法中假定Bm为大气混合层内后向散射系数的平均值，Bn为混合层以上区域大气后向散射系数的平均值，拟合的理想后向散射系数B(z)可由误差函数erf(a)表示为

(1)

(2)

式中Z为所研究大气层高度，Zm为混合层高度，s是一个与卷夹层厚度有关的参数。

2)利用最小二乘法(rmsd)对实际探测得到的后向散射系数值和拟合的理想后向散射系数的差值求最小均方根值，以获得大气混合层高度Zm和参数s的值。

3)最后根据拟合的后向散射系数B(z)的垂直分布曲线来获得混合层高度和卷夹层厚度。

2 结果与讨论

2.1 Mie散射激光雷达反演混合层高度的适用性验证

在混合层中，由于湍流运动的扩散和稀释作用，气层内空气混合充分，各种物理量包括动量、热量、水汽和其他物质在垂直方向上趋于常值。逆温层是稳定性层结，能像盖子一样阻碍污染物向上输送，将其束缚在混合层内，因而逆温层底对应的高度即为大气混合层高度[19]。在此，将激光雷达实测数据反演结果与同一时间探空气球所测位温随高度变化的数据进行对比，以验证激光雷达所测结果的有效性。以2014年1月31日07：00探空资料的大气温度廓线为例，如图1(a)所示，从地面到240 m高度，大气温度随高度的增加略微减小，位温随高度的增加则呈现缓慢增加，表明这一气层的稳定度是趋于中性的。240～275 m的这一气层内大气温度随高度的增加出现了明显的增长，同时位温的增长率也明显增大。据此可以判定该气层由逆温控制，大气处于稳定状态，逆温层底高约为240 m。图1(b)为同一时间激光雷达测量的气溶胶后向散射系数的垂直廓线，从中可以清晰地看出，185～280 m这一气层中，气溶胶后向散射系数发生了突变，其值发生急剧减小，240 m处约为后向散射系数垂直变化率最大的位置，由此可以确定混合层高度也在240 m左右。

图1 成都市2014年1月31日07：00温度廓线及位温廓线与后向散射系数曲线

从图1可以看出，2014年1月31日07：00温度廓线、位温廓线表征的混合层高度与后向散射系数反演的混合层高度基本保持一致。通过对其他时段类似对比分析，进一步验证了上述结论。图2为2014年1月运用探空数据中的位温得到的混合层高度与激光雷达反演得到的混合层高度两者之间的线性关系图，相关系数r为0.893 4，由此可见，通过2种数据得到的混合层高度具有较好的一致性，因此可以推断出Mie散射激光雷达在反演边界层参数中的可行性。

2.2 重霾过程背景情况

2014年春节前后，即1月23日至2月4日四川盆地出现了一次持续时间长达13 d的区域性污染天气过程，影响范围极广，涉及16个地级城市，其中以成都市的污染程度最为严重。

图2 观测期激光雷达与探空气球得到的混合层高度的相关性

根据四川省环境监测总站的观测资料，在此期间，成都地区严重污染天气出现了6 d、重度污染6 d、中度污染1 d，其中1月27—31日连续5 d为严重污染。1月23日AQI便已达到较高水平，当天为严重污染。此后几天，由于多云阴天天气，近地面有较强的逆温层存在，层结稳定且风速较小，大气扩散条件差，致使污染物不断累积，污染程度加重，到1月27日，AQI已达到363。1月31日(初一)受除夕夜烟花爆竹集中燃放的影响，颗粒物进一步累积，加重了污染程度，当天AQI高达470。2月1—4日，污染物累积效应减弱，污染程度缓慢减轻，相应地AQI也逐渐减小，直至2月5日冷空气到来，污染过程彻底结束，AQI下降至105。成都市1月23日至2月4日AQI逐日变化趋势如图3所示。

图3 成都市1月23日至2月4日AQI逐日变化趋势

2.3 重霾过程混合层高度分析

以1月23日至2月4日为研究时段，利用SBH99算法计算该时段逐时的混合层高度，通过计算得出，整个过程中混合层高度平均值很低，约378 m，其变化曲线如图4所示。从图4可以看出，混合层高度在夜间最低，其值通常在300 m上下波动，午后15：00、16：00达到最大值。此外，1月27日之前，混合层高度较高，日变化明显；在1月27日到2月1日期间，混合层高度相比于前几日发生了明显降低，并且混合层高度的最大值、最小值之间差距缩小，日变化特征不明显，对应于这段时间空气质量指数(AQI)升高、空气质量状况严重。2月1日之后，混合层高度有所增加且日变化趋势明显，对应于污染程度减缓。由此可见，霾天气发生时混合层高度显著下降，重霾污染期间混合层高度较低，大气扩散条件很差，十分不利于污染物在垂直方向上的运动。本计算值低于王治华等[20]在成都类似的研究结果，这也进一步反映了此次重霾过程气象条件的特殊性。

图4 成都市1月23日至2月4日混合层高度的演变

为进一步描述该污染过程中混合层高度的日变化特征，以2014年1月30日为典型日进行研究，图5则为该日后向散射系数24 h时空变化图，黑色圆点表示混合层高度。由图5可见，00:00—07:00混合层高度比较低，平均约277 m，湍流活动很弱，层结稳定，气溶胶主要集中在地表；07:00之后，由于太阳辐射增强，地面逐渐升温，下垫面与大气之间的相互作用得到加强，大气层结由夜间的稳定状态向不稳定状态过渡，混合层高度抬升，污染物在垂直方向上扩散；中午前后，太阳辐射最强，对流最旺盛，对应14:00混合层高度达到最大值530 m，夜间集中在地面的气溶胶被稀释扩散，因此图5显示此时段后向散射系数小；随着太阳辐射的减弱，大气层界向稳定状态过渡，混合层高度也在此阶段逐渐降低，到夜间18:00大气处于稳定状态，混合层高度稳定在260 m左右，气溶胶又聚集在近地面。但从图5可以看出，1月30日混合层高度的变化波动不明显，即混合层高度的最大值与最小值之间相差不大，此种情况在整个重霾过程中都有体现。

图5 成都市2014年1月30日后向散射系数24 h时空变化图

图6进一步给出了利用SBH99算法得到的成都市2014年1月30日07:00、08:00、09:00、10:00混合层高度的反演结果。综合图5和图6分析可以看出，此次重霾过程中，混合层高度很低，且日变化较小。在此气象条件下，晚上产生的污染物在白天不能得到很好的稀释，而白天产生的污染物在夜间有可能会得到进一步积累，造成更加严重的污染。

图6 SBH99算法得到的成都市2014年1月30日混合层高度

2.4 混合层高度与气象因子对比分析

混合层高度的发展不仅与太阳辐射强度有关，同时也受空气湿度、空气温度、风速等气象因子及人类活动的共同影响。在此，以重霾过程中污染较为严重的1月30日、31日以及随后污染程度减弱的2月1日、2日、3日为例，列举出空气温度、相对湿度与混合层高度的日变化情况，以便于更加详细地分析气象要素与混合层之间的关系，具体见图7、图8。由于空气温度是太阳辐射强度的直接体现，它随着太阳辐射的增强而升高，促使混合层高度得以发展，反之，则会对混合层的发展起抑制作用。

从图7可以看出，混合层高度与空气温度有很好的相关性，在日变化分析中，空气温度的最大值、最小值分别出现在午后和夜间，对应于混合层高度的最大值、最小值也出现在相应时段；在过程分析中，在1月30日、31日期间污染严重，空气温度值比较低，平均约10.0 ℃，对应于混合层较高，2月1—3日，空气温度逐渐升高，平均约12.9 ℃，对应于混合层高度也出现了增高的趋势。由此可见，混合层高度与空气温度存在着较好的正相关关系。

从图8可以看出，混合层高度与相对湿度呈现出很明显的反向变化趋势。相对湿度本身与空气温度存在负相关关系，当空气温度升高时，地面水汽的蒸发作用增强，相对湿度降低，而在湿度较高的环境下，会伴随较低的地面温度，同时由于水汽的高比热会吸收更多的热量，降低了本身热量就很小的地面对空气的加热效率，从而致使混合层高度无法得到抬升。

图7 空气温度与混合层高度的日变化

图8 相对湿度与混合层高度的日变化

3 结论

在对Mie散射激光雷达反演混合层高度适用性验证的基础上，基于SBH99算法对成都一次重霾过程中混合层高度的演变特征进行了详细分析，进一步揭示了混合层与气象因子的关系，这将有利于深化对重霾发生机理的认识，并可为大气环境规划和应急管理提供理论支撑。

1)经过对比分析表明，由后向散射系数反演的混合层高度与温度曲线表征的混合层高度之间存在较好的一致性，因此将Mie散射激光雷达用于反演大气边界层结构参数具有可行的。

2)霾天气发生后，混合层高度显著下降，并且混合层高度的最大值与最小值之间差距缩小，日变化波动不明显；此次重霾过程中，混合层高度平均值较低，约378 m。在此气象条件下，晚上产生的污染物在白天不能得到很好的稀释，而白天产生的污染物在夜间有可能会得到进一步积累，造成更加严重的污染。

3)混合层高度的发展与空气温度的变化趋势存在较好的正相关关系，与相对湿度的变化趋势存在明显的反向关系。

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Analysis of Mixed Layer Height by Lidar Detection over a Heavy Haze Episode

ZHOU Yanqiu1,2, NI Changjian1,2, LIU Peichuan3, ZHANG Yan1

1.School of Atmosphere Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China 2.The Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China 3.Sichuan Province Environmental Monitoring Station, Chengdu 610041, China

In order to deepen the understanding of the mixed layer height in winter, a heavy haze episode from January 23 to February 4, 2014 in Chengdu was observed by Mie scattering lidar. Based on the backscatter coefficient observed from Mie scattering lidar, the mixed layer height was calculated by SBH99 algorithm, and then analysis its evolution characteristics and its relationship with meteorological factors. The main conclusions are summarized as following: According to a comparative analysis of mixed layer height indicated by lidar and stratification curve, results showed a better consistency, whose correlation coefficient R was 0.893 4. The average height of mixed layer was low during this heavy haze episode, which was about 378 m; after the occurrence of haze, the mixed layer height significantly decreased with little change in diurnal variation, and the gap between maximum and minimum of mixed layer was reduced. The development of the mixed layer height had a positive correlation with the change of air temperature, and a negative correlation with relative humidity.

Mie scattering lidar; heavy haze episode; the mixed layer height; SBH99 algorithm

2015-10-21;

2015-12-29

四川省环境保护重大科技资助专项(2013HBZX01)；四川省教育厅重点项目(15ZA0179)

周燕秋(1991-)，女，重庆人，在读硕士研究生。

X823

A

1002-6002(2016)04- 0022- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.04