基于激光雷达技术的京津冀区域气溶胶特性分析

温玉海，倪晓昌，董 昊，程飞帆，张 琦

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

气溶胶是指悬浮在大气中的细小颗粒，是大气微量元素重要组成成分之一[1]。其产生主要分为自然气溶胶和人为气溶胶2种。自然气溶胶如火山爆发、沙尘、海盐等，人为气溶胶多为煤炭，石油，天然气等燃料的燃烧[2]。大气中的气溶胶颗粒包含真菌、病毒、细菌、致癌物质和多环芳香烃等多种有害物质，它们会随着空气的变化引起疾病的传播，危害人体健康。另外，气溶胶会影响气候系统辐射平衡：气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射以及地球长波辐射直接对地-气辐射收支造成影响；气溶胶粒子影响云的形成，进而通过云的变化间接对气候产生影响[3-4]。

大气系统中的气溶胶作用是复杂的，目前还没有被完全认知，虽然人们对大气气溶胶微物理、光学以及化学特性等方面的认知有了很大提高，但对其在大范围区域以及垂直分布等方面的观测手段仍处于相对不足的水平[5]。气溶胶的探测方式主要有地基激光雷达、机载激光雷达和星载激光雷达等方法。地基和机载虽然探测精度高，但不能进行大范围的探测，且在垂直分布上有很大限制，而星载激光雷达很好地弥补了这一缺陷，可提供长期实时的抗干扰、高空间、高时间分辨率的气溶胶后向散射系数和消光系数等气溶胶参数。2006年4月28日，美国航天局发射的CALIPSO卫星升空，作为A-Train系列卫星的一员CALIPSO携带的云-气溶胶正交偏振激光雷达（CALIOP）可以精确、快速地获取地面和大气三维信息[6-7]，可实时地对全球范围内的气溶胶进行连续观测，为探测和反演大气气溶胶的垂直分布等特性提供了有效的数据。

1 CALIPSO数据处理

CALIOP是CALIPSO卫星搭载的3个有效载荷数之一，是一台偏振双波长激光雷达，其激光器具有发射532 nm和1 064 nm 2种波长脉冲的功能，可获得532 nm通道总回波信号和垂直分量回波信号[8]。因此，可进行正交偏振检测，从而分辨云的水相和冰相，2个波段信号之间的后向散射比可用来辨别气溶胶的尺寸。首批卫星试验数据结果显示，其观测能力优异，具备识别沙尘、气溶胶、卷云以及烟尘的能力，为全球大气环境监测提供了丰富的气溶胶和云信息，引起了国内外学者的广泛关注[9]。其中主要数据包括Level 0、Level 1、Level 2、Level 3 和 Level 4 五个级别[10]。Level 1包括Level 1A和Level 1B，是指经过时间关联、地理校正、硬件因素校正并添加从属信息的重组数据。Level 2是与Level 1数据相对应的地球物理变量以及使用多种仪器处理Level 1数据后所得到的反演变量，主要包括水平分辨率为333 m、1 km、5 km的云信息和5 km的气溶胶廓线信息。本文使用5 km分辨率的气溶胶廓线数据，能够从中提取532 nm和1 064 nm的总衰减后向散射系数、532 nm的消光系数及消光不确定性参数、532 nm的垂直衰减后向散射系数，通过CAD Score、AVD、extinction QC 3个基本刷选参数和消光不确定参数对所选数据进行刷选，最终得到可靠度较高的数据。然后利用消光系数、体积退偏比和色比3个参数的垂直分布分析气溶胶特性。

根据CALIPSO激光雷达后向散射系数定义，用公式表示为：

式中：Pm（z）为气溶胶的后向散射系数；Pp（z）为大气分子的后向散射系数；T2（z）为大气的透射率。

总衰减后向散射系数以及垂直衰减后向散射系数可表示为：

体积退偏比δν（z）反映了被测颗粒物的规则程度，粒子的形状越接近球形其体积退偏比越小。体积退偏比值越小表示被测颗粒物形状越规则，一般认为水、云及形状规则的气溶胶的体积退偏比非常小，一般接近0；δν（z）为532 nm垂直后向散射系数与平行后向散射系数之比，可由式（3）和（4）得到：

色比χ（z）则反映被测颗粒粒径的大小，被测颗粒色比值越大表明粒子越大。色比χ（z）为1 064 nm与532 nm的后向散射系数之比，由式（2）可得：

2 不同类型天气的垂直分布

本文选取数据的地理范围位于京津冀部分地区（经度范围：39°N～41°N，纬度范围：116°E～118°E），针对京津冀地区发生的1次有外部污染源的霾天天气，1次强霾污染天气和1次晴朗天气进行研究分析；采用的数据为2016年11月29日霾天数据、2015年12月23日霾天数据、2015年12月30日晴朗数据。以上数据均来自NASA网站CALIPSO数据中心。

2.1 有外部污染源的霾天大气垂直分布特征

本文选取2016年11月29日数据（经度范围：39°N～41°N，纬度范围：116.7°E～117.3°E）。卫星扫过的区域是一条直线，每条直线上面有许多探测点，将每个点的探测数据的平均值作为该区域的探测数据，用得到的平均数据表征该天的天气状况，即平均消光系数廓线、平均体积退偏比廓线、平均色比廓线和不同高度有效样本廓线。不同高度的有效样本数量、廓线数量的不同是因数据中部分参数的不确定，有的被CALIPSO定义为非气溶胶，有的是确信度不高的数据，而样本数量是通过刷选后得到的确定性较高的大气气溶胶数据，因此在不同高度上有效数量不一样，数量越高表示有效数据越多。2016年11月29日所测得数据如图1所示。

图1 2016年11月29日样本数据

数据消光系数、体积退偏比和色比均通过CAD Score、AVD、extinction QC 3个基本刷选参数和消光不确定参数对所选数据进行刷选得到可靠度较高的数据，然后求平均值得到平均消光系数廓线、平均体积退偏比廓线、平均色比廓线。从图1（a）可以看到，消光系数有2个峰值，分别在0.8 km和2.3 km处，在1 km消光系数最大值高达1.6 km-1，在1 km以下消光系数平均达到1.0 km-1，说明能见度很低；在1.2 km以上消光系数骤降到最低0.1 km-1，且均小于0.2 km-1，在2.3 km处又出现高峰，其污染源为由外地飘来的污染物。随着高度的增加消光系数迅速减小。图1（b）贴近地表体积退偏比偏大是由于地表被风吹起的沙尘等不规则颗粒，1 km左右体积退偏比较小，均小于0.2，主要由于比较规则的粒子，2 km是分界点，2 km以上体积退偏比明显增大，其数值在0.4左右。在CAIPSO算法的场景分类中，定义了退偏比的范围，体积退偏比在0.07～0.2之间为污染型气溶胶，由于沙尘多为不规则形状，所以大于0.2时一般定义为沙漠型沙尘气溶胶。从图1（c）可以看到，贴近地表色比值非常大，是由于地表被吹起的较大颗粒引起，与其退偏比较大吻合，随着高度上升逐渐减小，1.5 km以上色比值均在0.5以上，说明污染物颗粒较大。

综合图1分析可知，本次强霾的污染源有2部分：本地污染物排放和由外部飘过来的高度较高的污染物。在1.2 km以下主要有尺寸较小的细颗粒引起的污染区，它是导致能见度低的主要原因；1.2 km以上外部污染源引起的污染相比低空颗粒物尺寸较大，不规则程度较高，其主要是随风传入进来的一些夹杂沙尘的污染物。

2.2 霾天大气垂直分布特征

本文选取2015年12月23日（经度范围：39°N～41°N，纬度范围：118.7°E～118.2°E）数据进行分析。2015年12月23日所测得数据如图2所示。

图2 2015年12月23日数据

从图2（a）平均消光系数廓线看出，近地面的消光系数较大，最大值达到2.6 km-1，表明污染物浓度高是造成当天天气能见度低的主要原因。消光系数随着高度增加迅速减小，在1.8 km处消失，在高层没有出现气溶胶，说明此次雾霾污染源没有外部传输。图2（b）中平均体积退偏比很小，在0.1左右，仅在边界层处有较大值，但也仅为0.3，说明此次霾天气溶胶主要是球形度比较规则的颗粒物，没有沙尘气溶胶。图2（c）中平均色比分布也比较均匀且数值在0.5左右。雾霾期间温度较低，风速较小，最大不超过3 m/s，不利于污染物的扩散，是污染物堆积的主要原因之一。

2.3 晴朗天气大气垂直分布特征

2015年 12月 30日（经度范围：39°N～41°N，纬度范围：117.2°E～116.55°E） 是晴朗天气，天气状况良好，该日所测数据如图3所示。由图3（a）可看到，晴天的气溶胶层非常低，仅为1.2 km，远远低于霾天的5.8 km。消光系数值最大值0.2 km-1仅在低空300 m以下，其他均小于0.12 km-1并随着高度上升迅速减小，在1.2 km处减小到0。图3（b）显示，在0～1.2 km高度其体积退偏比集中在0.1～0.3之间。图3（c）显示，平均色比较大，大部分集中在0.5～1之间，说明该日的气溶胶类型为少量的沙尘气溶胶，颗粒较大。

3 垂直分布对比分析

图3 2015年12月30日数据

从图1、图2和图3各个廓线的垂直分布可以看出，霾天和晴朗天气有着很大的区别。从平均消光廓线可以看出霾天消光系数大，约是晴朗天气的6～10倍，霾天的平均消光系数最大值为1.6 km-1，而晴天仅为0.22 km-1。霾天能见度低，气溶胶层分布较高，在6 km处仍存在少量气溶胶，而晴朗天气气溶胶层分布很低仅在1.2 km，这也是造成能见度低的原因之一。对比2次雾霾天气图1（a）和图2（a）平均消光系数，发现当有外部气溶胶源输送时，气溶胶会出现分层现象。对比图 1（b）、图 2（b）及图 3（b）的平均体积退偏比，霾天体积退偏比整体上比晴天大，特别是含有沙尘的雾霾天气，平均体积退偏比明显变大。不同天气的平均色比分布相差较大，这主要是由污染物的粒子不规则程度决定的。含有沙尘时，平均色比值明显增大，且分布不均匀，近地面高度较大，如图1（c）。而主要由烟煤型污染物产生的霾天，其平均色比值较小，且分布均匀。本次选取的晴朗天气由于是雾霾消散的后一天，空气中会残留少量气溶胶颗粒物，使得平均体积退偏比和平均色比值较大。

4 结 语

本文选取京津冀部分区域3种不同类型的天气，利用CALIPSO卫星二级数据，提取有效参数，通过对消光系数、体积退偏比和平均色比3个参数垂直分布的分析，结合区域实际天气状况相对比，分析不同天气状况下3个参数的差别原因，得出如下结论：①霾天气消光系数大，能见度低，若有外来污染源的传输，在高空也有大量气溶胶的分布；②晴天消光系数很小且分布比霾天低，仅为1.2 km，且消光系数值也远低于霾天时的消光系数；③霾天污染物颗粒的球形不规则程度和颗粒尺寸分布与引起霾天的污染物有关，当有不同类型气溶胶混合时退偏比值变大，而且色比值较大且分布不均匀。本研究表明，CALIPSO卫星数据能很好地反应气溶胶在大气的垂直分布特性，为研究气溶胶类型分辨、规则程度和尺寸提供了可靠数据。