遥感技术在雾霾天气中的应用

王克兢，邢延峰，孙越天

（黑龙江省环境监测中心站，哈尔滨 150056）

遥感技术在雾霾天气中的应用

王克兢，邢延峰，孙越天

（黑龙江省环境监测中心站，哈尔滨 150056）

随着城市化进程的加快，雾霾天气逐渐增多，人们对雾霾的治理与监测越来越关注。常规的监测手段只能监测近地面的雾霾，激光雷达应用可以从高空到近地更加立体的监测，为未来预警预报、提前知悉相关沉降信息及扩散走势提供数据支持。

雾霾；激光雷达；应用

近年来，城市空气污染的治理力度有所加大，但是灰霾等天气却频繁出现。由于大气气溶胶浓度变化直接影响到生存环境和人们的健康，特别是PM2.5已引起了人们的广泛关注。雾霾的主要污染物为道路扬尘、汽车尾气、建筑施工、工业排放等一次粒子及硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、黑碳、有机碳氢化合物等气粒转化过程中产生的超细粒子，对人体健康产生极大的损害，并且影响区域气候及交通［1］。常规的颗粒物探测仪器只能探测近地面的颗粒物浓度变化，且局地性较强，较难获取颗粒物的时空分布规律，激光雷达的出现使得大气颗粒物的时空探测成为现实［2］。

1 工作原理

该系统是将激光脉冲发射到大气中，大气中的气溶胶颗粒或大气构成分子对光束发生后向散射，利用望远镜接收该散射光，通过发射和接收的时间差计算出距离，并依据接收光的信号强度计算出大气气溶胶的密度谱及其空间分布［3］。

2 数据分析

2.1 当时的实际后向轨迹示意图

可以明显看出有从西北面吹来的冷空气流，从2 000m高空缓慢的下降到近地面。

如果高空有污染团或较重颗粒物团时，在下降气流的作用下，高空污染物易被带到近地面，造成城市近地面颗粒物的浓度上升。通过趋势变化了解到起初高空颗粒物浓度较高，随着整理下沉气流影响，有聚集近地面的趋势，且随时间增加，颗粒物会产生两种变化趋势，一种为随扩散气流向高空，到夜里会沉降近地面。另一种为直接沉降近地，形成颗粒物积累趋势。

图1 实际后向轨迹示意图Fig1.Schematic diagram of practical backward trajectory

2.2 城市上空气溶胶时空演变

当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度（距离）的后向散射回波信号的大小与此高度（距离）的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射回拨信号由激光雷达探测，通过求解米散射激光雷达方程就可以反演相对应高度（距离）的大气气溶胶粒子和云粒子。

数据分析：通过对比双通道变化，可以看出水平分量和垂直分量两通道随时间变化的时空演变图。通过上图可以判断城市上空大气污染物变化趋势。如图1，AB两通道，如图标示在2 000m左右有气溶胶团从高空出现且有明显沉降聚集趋势，至25日完全沉降到近地表，24日中午和25日下午分别有两次较重的近气溶胶堆积现象出现。通过后向轨迹可以看出，25号主要是沉降后本地气流吹起的扬尘，这一过程的发生势必会造成近地表污染物浓度上升。

图2 不同高度水汽和颗粒物浓度随时间变化趋势Fig.2 Changing trend of moisture and particulate matter concentration in different height with time

2.3 城市PM10浓度变化

图3 不同高度PM10浓度随时间变化趋势Fig.3 Changing trend of PM10 concentration in different height with time

数据分析：如图3为不同高度PM10随时间变化趋势图，我们发现近地表PM10浓度随时间变化先较大随后扩散减小，短暂小幅度升高到后期浓度较高的变化趋势（图3中颜色的深浅代表浓度的高低）。图4为雷达数据导出后形成PM10随时间变化趋势图，如图4可以更直观地反映PM10浓度的变化，针对PM10夜间升高的问题，通过颗粒物通道可以发现有颗粒物沉降。

图4 PM10随时间变化趋势图Fig.4 Changing trend of PM10 with time

3 结论

通过风向轨迹图，结合雷达数据中颗粒物通道、沙尘粒子消光系数、PM10等数据我们发现，风向轨迹体现的下降气流与与雷达监测的沉降在高度上完全吻合，23日早上出现较强的高空下降气流，随时间变化一段时间，25日完全沉降。在该气流的作用下，会携带大量的高空污染物进入近地表，这一过程中颗粒物发生进一步的沉降，会造成城市污染。通过雷达数据中粉尘消光可以看出这一沉降过程，该沉降过程会造成城市较重的污染，随后通过雷达PM10数据和趋势图发现，颗粒物沉降和PM10浓度上升较吻合，因此此次城市污染加重是由高空区域污染物迁徙沉降造成。

通过结合当时的天气和其他参数，污染源分布及污染物走势进行分析，对此次污染天气走势变化详细分析，从高空到近地数据进行协同分析，利用激光雷达探测对雾霾过程的时空分布特征进行精确分析，可以在典型天气案例经验总结下，对未来预警预报、提前知悉相关沉降信息及扩散走势实施并形成预案方案提供有力的帮助。

［1］ 张伟.浅谈灰霾自动监测系统的建设［J］.环境监控与预警，2010，（05）：15-17.

［2］ 陆晓波.许建华.一次典型灰霾天气过程及成因分析［J］.环境监控与预警，2009，1（1）：10-13.

［3］ 吴永华，胡欢陵，周军，等.L625激光雷达探测平流层气溶胶［J］.光学学报，2001，21（8）：1012-1015.

Application of remote sensing technology in fog and haze

WANG Ke-jing，XING Yan-feng，SUN Yue-tian
（Heilongjiang Environmental Monitoring Center Station，Harbin 150056，China）

With the acceleration of urbanization，the city's fog and haze has increased，and people have increasingly concerned on the governance and monitoring of haze.Conventional monitoring methods can only monitor near-surface haze，the application oflaser radar can make more three-dimensional monitoringfromthe upper tothe ground，and provide data tofuture forecast，relevant settlement information and diffusion trend.

Fogand haze；Laser radar；Application

X87

A

1674-8646（2016）16-0030-02

2016-07-05