基于激光雷达的厦门大气气溶胶监测分析

2017-08-30福建省大气探测技术保障中心厦门市气象台雍巫锡洪梁

海峡科学 2017年6期

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基于激光雷达的厦门大气气溶胶监测分析

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激光气溶胶雷达以其高时间和垂直空间分辨率的特点在大气气溶胶监测中发挥着日益重要的作用。该文利用偏振微脉冲激光雷达监测数据的反演结果，分析了2017年1～2月厦门国家级基准气候站上空气溶胶的时空变化情况，并对观测时间段内厦门地区的典型大气气溶胶演变过程进行了评价分析。

激光雷达大气气溶胶监测数据 AQI 消光系数

0 引言

大气气溶胶是悬浮在大气中空气动力学直径为0.001～ 100μm的液体或固体微粒体系[1]。随着城市化进程的快速推进和经济的高速发展，城市上空的大气气溶胶颗粒极大影响了环境质量，影响人体健康，日益受到关注。激光雷达是大范围快速监测大气环境的新型遥感探测设备，利用气溶胶激光雷达进行连续扫描，可以监测城市高空污染演变、大气颗粒物跨界输送、气溶胶时空分布，开展污染物扩散规律研究，对大气环境监测和大气科学研究有着重要的意义, 具有其它测量手段不可替代的优势。

目前国内学者在激光雷达方面做了很多工作，如靳磊等利用车载式多普勒激光雷达探测的北京地区大气边界层和低空对流层气溶胶的光学参数和变化特征[2]。潘鹄等利用激光雷达分析了上海的一次灰霾过程[3]。宋跃辉等提出了采用迭代反演算法开展气溶胶激光雷达比精细反演的新方法[4]。本文描述了气溶胶激光雷达的概况，介绍偏振微脉冲激光雷达探测厦门地区上空大气气溶胶时空变化的情况，并选取观测时间段内的典型大气气溶胶演变过程进行了评价分析。

1 气溶胶激光雷达系统概述

气溶胶激光雷达根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过定量分析激光大气回波进行大气环境探测[5]。由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时间演变特征、大气气溶胶消光系数垂直廓线和时间演变特征、云层高度及多层云结构、大气能见度等信息。本次观测分析采用的设备是部署在厦门国家级气候观测站的偏振微脉冲激光雷达EV-Lidar-CAM,其主要技术指标见表1。

表1 激光雷达技术指标

EV-Lidar-CAM系统的激光发射单元主要包括激光器和扩束器，光学接收单元包括接收望远镜、微孔光栏、窄带滤光片和聚焦透镜。发射和接收光学系统中加入偏振模块，使系统可以接收大气回波信号中的偏振信息，从而区分大气中球形粒子与非球形粒子。激光雷达采用全天候连续观测模式，测量时回波信号抵达到探测器，并由多道光子计数器按照时序累加平均接收的信号，同时将它们存储到数据存储单元。数据的分析和整个系统的控制软件由一台工控机执行。

2 监测数据分析

本文从厦门气溶胶激光雷达连续观测三个月的数据中选取2017年1月16日～2月15日共计32日的样本进行分析，该时段多为晴天与薄云天气，符合激光雷达通常的观测天气条件。

2.1 激光雷达观测数据总体分析

图1为厦门气溶胶激光雷达观测数据总体统计，柱状图表示大气边界层高度，点状折线为PM2.5浓度，点状虚线为PM10浓度。

图1 大气边界层高度与颗粒物浓度变化趋势

通过数据产品整体综合分析，可发现：

观测时段内，PM10和PM2.5浓度在相同的时间段出现了共计5个峰值，分别出现在1月18日、1月22日、1月28日、2月5日、2月11日。

大气边界层（PBL层）的高度变化趋势与颗粒物浓度变化趋势总体相反，PBL层高与PM10，PBL层高与PM2.5呈负相关关系。该相关关系符合大气变化的一般规律，即PBL层越高，大气气溶胶越容易垂直扩散，近地面的颗粒物浓度也越低。

另一方面，也可观察到存在与一般变化趋势不同的情况，如2月4日～2月6日，2月9日～2月11日，PBL层高度和颗粒物浓度均保持上升趋势，查阅厦门气候观测站的风向、风速观测记录，发现该时间段内的主导风向为东北风，平均风速达到3～4级，瞬时极大风速达到5级以上。综合考虑判断出现该变化趋势是水平风速较大导致近地面出现扬尘，从而使得在PBL层高上升的情况下，垂直方向上颗粒物浓度也出现升高。

图2展示了激光雷达消光系数与空气质量指数AQI变化趋势。柱状图为消光系数，点状折线为AQI，其中消光系数取105m高度处数值。雷达消光系数反映了大气气溶胶对雷达激光的衰减能力，因此AQI越高，对雷达激光的衰减作用越强。

图2 消光系数与AQI变化趋势

通过数据分析发现，观测时段内，厦门市空气质量指数变化与颗粒物浓度变化相似，AQI共出现5个峰值。雷达消光系数和AQI变化趋势总体保持一致，二者呈现负相关关系。1月18日、1月28日的峰值过程AQI和消光系数对应关系极佳；但1月22日、2月5日、2月11日AQI出现峰值时，消光系数只有较小幅度的增长，结合环保局发布的气体污染物数据（如图3），判断此3个峰值过程中部分时段造成AQI抬升的主要成分为气体污染物。

图3 观测时段厦门空气成分变化图

从以上监测数据总体趋势变化可见，厦门站气溶胶激光雷达反演大气气溶胶变化过程的效果符合要求。

2.2 典型AQI峰值过程个例分析

本文选取AQI和颗粒物浓度峰值最高的一个过程的激光雷达观测数据作为典型样本，详细分析相关参数的变化特点，该过程的时间段定义是峰值出现前一天至峰值出现后一天。

图4是所选典型峰值过程（2017年2月9日20时至12 日20时）的综合分析图，此过程天气晴好，主导风向为东北风，风力达3到4级。结合环境空气质量数据、PBL层高度、消光系数、退偏振比和相对湿度，分析的气溶胶时空变化过程。消光系数颜色的深浅表示气溶胶浓度的大小（浓度越高颜色越深），退偏振比颜色深浅表示非球形粒子占比的轻重（占比越重，颜色越深）。通过分析，可以发现：

2月9日20时～10日12时，主要污染物为气体污染物臭氧，而非PM10和PM2.5，臭氧多出现在阳光强烈的天气。但此阶段近地面颗粒物也逐渐积累，同时9日20时～10日06时，2.5km高空处有沙尘过境，其退偏振比数值大于0.3。

2月10日14时～12日04时，气溶胶呈现先沉降后扩散的趋势，近地面颗粒物浓度则先升后降。2月11日AQI达到过程峰值，12时～18时1km高度处存在气溶胶团。

2月12日08时后，近地面颗粒物逐渐积累，颗粒物浓度逐渐上升。16时后有微弱抬升扩散趋势。

如图5所示，结合该峰值过程厦门后向气流轨迹图，分析厦门高空沙尘过境情况。垂直高度取2500m为模拟终止高度。可以看到，9日20时～10日08时（图片上为UTC时间，对应时间为9日12时～10日00时）2000～3000m高度层为上升气流，保证了高空沙尘团不能沉降至近地面。水平方向气流来自西北方向（江西省、湖南省），由此可确定高空沙尘的来向。