霸州地区激光雷达气溶胶资料分析

张 鑫，周 鹏，黄浩杰，魏渠成

（廊坊市气象局，廊坊 065000）

大气气溶胶是悬浮在地球大气的液态或固态粒子，直径在10-3～20μm之间。尤其在京津冀地区，受大气污染影响较为严重，再加上沙尘的侵扰，当地各部门对大气气溶胶研究都极为重视。

大气气溶胶的遥感探测，按位置关系可分为卫星遥感探测和地面遥感探测。国内有很多学者从事卫星资料的气溶胶研究工作，如：张永宏等[1]利用卫星数据对徐州市气溶胶进行研究，张智等[2]将MODIS数据应用于大气污染监测中。张婕等[3]对MODIS和MERSI的气溶胶产品进行对比，齐玉磊等[4]将两种不同传感器得到的气溶胶光学厚度与地面观测数据进行了对比。柳晶[5]总结了卫星遥感在气溶胶上的研究。地面遥感观测应用较为成熟的是激光雷达观测。激光雷达（Light Detection And Ranging）可以很好的观测到雷达上方位置垂直方向上的气溶胶分布状况。激光雷达探测时间间隔短，对于气溶胶的变化过程也更易于分析。祝存兄等[6]对南京地区的激光雷达数据进行了初步分析。石玉立等对MPL雷达数据进行了研究。国内对于激光雷达气溶胶的研究多采用Fernald方法。

气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是气溶胶最为重要的光学特性，AOD描述了气溶胶对光的衰减作用，是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分。是表征大气浑浊度的重要参数。准确及时获取AOD的时空分布信息对研究京津冀地区大气污染和雾霾情况具有重要意义。但位于京津冀中部的霸州、廊坊区域气溶胶分布情况还未有研究，本文利用位于霸州市气象观测站的激光雷达对霸州区域上空气溶胶进行分析，这对廊坊市大气污染的改善和治理具有一定意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域及雷达参数介绍

廊坊市位于河北省总部偏东，北临首都北京，东与天津交界，南接沧州，西连保定，地处京津两大城市之间，环渤海腹地。霸州市是河北省廊坊市辖区的一个县级市，境内无山脉、丘陵，地势低平，自西北向东南缓倾，地面高程海拔11.1米缓降到2.1米。霸州乃至廊坊的气溶胶探测设备较少，针对此地的气溶胶特性研究也不多。

本文使用的雷达数据由位于霸州市气象局（39.17N，116.4E）的EV-Lidar激光探测雷达提供。EV-Lidar激光雷达由Nd：YAG激光器、激光发射和信号接收的光学系统、高灵敏度光电探测系统、高速多道计数系统以及控制和数据处理软件组成。探测器采用PMT单光子计数探头，口径160mm，工作波长为532nm，脉冲宽度为12ns，空间分辨率为15m，最大探测距离30km，提供2000个数据，分辨率为0.015km。

1.2 激光雷达简介及其探测原理

利用消光系数得到气溶胶光学厚度需要用到雷达MIE散射方程，MIE散射激光雷达方程如式（1）：

式中，P(Z)为激光雷达接收到了高度Z处的大气后向散射信号的能量；E为激光雷达的发射能量；C为雷达常数；σ(Z)为高度Z处的气溶胶消光系数；β(Z)为高度Z处的气溶胶后向散射系数。本文采用Fernald方法对上式求解。Fernald法将大气划分为空气分子和气溶胶，大气总的消光系数等于空气分子的消光系数和气溶胶消光系数之和。基于此假设，如果已知某一高度Z0处的气溶胶粒子和空气分子的消光系数，则Z0高度以下的气溶胶粒子消光系数(后向积分)可以表示为式（2），

Z0以上高度的气溶胶粒子消光系数(前向积分)可以表示为式（3），

式中，X(Z)表示距离矫正信号；S1=σ1/β1表示气溶胶消光散射比；S2=σ2/β2=8π/3表示大气分子消光散射比；σ1为待求气溶胶消光系数分子消光系数；σ2可以根据美国标准大气模式计算得到。通过式(2)与式(3)可以得到垂直高度上的消光系数，通过对其分别积分并求和便可得到气溶胶光学厚度。

2 雷达观测数据分析

将雷达在0-30km范围内探测到的所有气溶胶粒子或云的后向散射系数进行统计，得出整层大气的所有粒子的光学厚度值。对2017年夏季雷达探测数据统计分析得出：霸州区域雷达上空气溶胶的夏季日变化特征为早晚高、午时低，峰值多出现在2:00-3:00和17:00-20:00，气溶胶光学厚度所表现的白天下降、夜间上升的趋势与昼夜地表气温高低所导致的气流运动有关。本文选取2017年6月22日的数据进行绘图，光学厚度值随时间分布的状况如图1所示：

从图1中可以看出整层大气粒子光学厚度呈现夜间高、白天低的特征。光学厚度的变化较为剧烈，这多是由于云层运动导致，当云漂浮至雷达上空时，雷达探测到的光学厚度值就迅速增大；当云飘走后，光学厚度值又会迅速降低。由于受到云的影响，它并不能突出展现气溶胶粒子随时间的变化情况。

从图1中可以看出，气溶胶粒子光学厚度随时间的增加而增加，这是由于在大气相对稳定的情况下悬浮在空气的气溶胶粒子，沉降较缓慢，气溶胶粒子慢慢的累积，下午达到一天中的最大值。在7:20至8:50之间的时间段AOD数据波形急剧增大，本文提取这段时间每3min的数据进行分析，结果如图2所示。

图2中，大气粒子光学厚度值在7:20至8:10呈现平缓上升的变化状况，在8:10至8:50呈现波动上升，在8:20和8:45左右达到波动峰值。可以初步判断在7:20至8:10雷达上空有雾霾气溶胶发展成形。8:10至8:50的AOD变化则为气溶胶粒子团在雷达上空移动所产生的波动。

图1 0-30km整层大气粒子光学厚度日变化

图2 7:20-8:50 0-3km大气粒子光学厚度

3 结束语

（1）霸州站安装的气溶胶激光雷达可以观测得到高精度短间隔的大气纵向光学厚度数据，激光雷达的纵向最大探测距离为30km，但探测边际的数据可用性不佳，同时高层大气会受到云的影响，与人们生活息息相关的气溶胶多出现在0-3km高度范围内的大气层中，所以对气溶胶的研究应着重分析0-3km高度的雷达探测资料。

（2）霸州区域雷达上空气溶胶的夏季日变化特征为早晚高、午时低，峰值多出现在2：00-3：00和17：00-20：00，气溶胶光学厚度所表现的白天下降、夜间上升的趋势与昼夜地表气温高低所导致的气流运动有关。

（3）通过对2016年6月22日的个例进行分析，霸州区域上空发现一片连续发展的气溶胶粒子团，它在8：20出现并逐步发展壮大，这一片气溶胶是探测数据上升的主要原因，初步判断为较大范围的雾霾出现。