京津冀地区一次浮尘过程的车载激光雷达走航观测

柴文轩，唐桂刚，王 帅，汪太明，郑皓皓，侯玉婧

中国环境监测总站， 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室， 北京 100012

沙尘天气是由于强风将地面沙尘携卷到空中，致使地面能见度变低的一种灾害性天气。沙尘气溶胶是春季我国北方地区大气气溶胶的重要来源，对城市环境、人体健康、地区气候有重大影响[1]。沙尘天气的主要监测方法集中分为近地面的常规数据监测和空基遥感监测2种：常规监测主要以地面监测站为固定监测点，通过人为肉眼观测和TSP、PM10检测器的测量，实现对沙尘的监测[2]；空基监测主要利用卫星遥感监测沙尘天气，比如利用短波通道、静止红外遥感定量等多种卫星观测沙尘气溶胶的反演和辐射强迫研究。但是，这些监测手段均不能监测到气溶胶的垂直分布信息。

激光雷达是一种能够探测气溶胶垂直分布信息的主动遥感技术，因其高时空分辨率被广泛用于沙尘气溶胶的分析研究中。黄艇等[3]利用激光雷达针对大连2006年4月7—8日的沙尘过程进行了探测，并分析了沙尘过程的时空分布特征。樊璠等[4]对北京2012年3月30—31日强沙尘过程前后的激光雷达探测结果进行了对比分析，探讨了沙尘过程中气溶胶的时空分布特征及输送特征。伍德侠等[5]利用激光雷达、地面站点数据观测资料，对无锡2014年3月9—10日的一次沙尘输送过程进行了综合分析。

随着研究的进一步深入，为使激光雷达以点位为单位的观测在空间上进行延展，实现我国区域大气污染分布的快速探测，研究地理气象条件对区域重污染形成的影响，评估区域大气污染输送，尤其是定量评估城市间大气污染相互传输，车载激光雷达观测手段开始被应用到观测实践中。王威等[6]针对2016年国庆期间一次污染消散过程，开展了激光雷达定点与走航观测；吕立慧等[7-8]利用车载激光雷达走航观测结果，反演了我国北部地区的PM2.5质量浓度与气溶胶消光系数廓线。2018年3月28日京津冀地区经历了一次浮尘天气过程，北京受外来沙尘影响，PM10短时达到2 000 μg/m3以上。为研究区域沙尘分布和传输特征，掌握北京及周边地区颗粒物时空变化情况，分析区域大气污染的变化趋势，在京津冀地区进行了一次车载激光雷达走航观测，并结合定点垂直观测结果综合分析了此次浮尘过程的污染物传输与分布特点。

1 原理和方法

1.1 车载走航观测激光雷达

车载走航观测是一种基于可移动观测激光雷达的大气监测技术，不仅将优化后的地基激光雷达系统放置在车辆这个移动观测平台上，还加入 GPS(全球定位系统)定位模块用以记录车辆移动观测过程中的位置信息。将激光雷达搭载于移动载体上，除了能够快速转移监测地点，实现对突发污染事件的应急监测之外，其移动走航探测模式还能够快速精确获取大气颗粒物沿测量路径的分布剖面，结合GPS 定位模块记录的位置信息便能获取大气颗粒物的区域分布特征；此外，将移动走航观测数据与风场数据相结合，还能估算区域颗粒物的输送通量，评估区域大气颗粒物污染输送对城市重污染形成的影响。车载激光雷达系统弥补了单个激光雷达站点或由多个激光雷达站点组成的激光雷达观测网在区域颗粒物污染探测方面的不足，实现了我国区域尺度上大气颗粒物分布特征的快速、实时监测，为有效制定颗粒物污染控制措施提供了一定的科学依据。

车载走航激光雷达系统以车辆为载体，有4个组成单元：激光发射单元、接收单元、信号采集单元、GPS单元。激光雷达结构如图1所示，雷达主要性能参数见表1。与定点垂直观测所用的激光雷达相比，其发射单元只发射波长为532 nm的激光光束，光束穿过反射镜的小孔后由扩束镜扩束，经消色差透镜组准直后垂直发射到大气中。接收单元使用透射式望远镜，激光与大气相互作用产生的后向散射光被望远镜接收后，通过消色差透镜组后经 45°反射镜反射后汇聚于小孔光阑内。被透镜准直后的 532 nm 的光穿过检偏棱镜又被分为平行光和垂直光2束线偏振光，最终2束线偏振光经过窄带滤光片去除天空背景光的干扰后到达光电倍增管将光信号转换为电信号。车载激光雷达系统还包括GPS单元，GPS 跟踪定位系统负责跟踪记录每个测量点位上的位置信息(经度、纬度等)和运动信息(车速、车辆行驶方位角等)。通过将大气颗粒物垂直分布信息与位置信息相结合，就能获得大气颗粒物的区域立体分布信息。

注：NDL YAG:钇铝石激光器图1 车载走航观测激光雷达系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of mobile vehicle lidar

系统组成项目 参数 发射单元 接受单元激光器 Nd:YAG中心波长532 nm单脉冲激光能量1mJ 重复频率2 000 Hz发散角0.2 毫弧度望远镜类型透射式望远镜直径180 mm探测器光电倍增管距离分辨率7.5 m

1.2 激光雷达数据反演算法

激光雷达方程[9]:

(1)

透过率，σa(r)、σm(r)分别为距离r处的气溶胶粒子和大气分子的消光系数。

为方便求解，引入气溶胶的消光后向散射比：Sa=σa(r)/βa(r)，根据瑞利散射公式可以确定大气分子的消光后向散射比为Sm=σm(r)/βm(r)=8π/3,代入公式(1)中可得:

(2)

式中：rc为参考高度。可以看出，只要确定了rc处的气溶胶消光系数和分子消光系数，就可解得rc处的气溶胶消光系数与后向散射系数。

在米散射理论[10]中，消光系数等于粒子的数密度与粒子的消光截面乘积，可见当单个气溶胶粒子的消光截面一定时，消光系数与颗粒物浓度呈正比，同理，后向散射系数与气溶胶数密度亦有类似的正比关系。通过激光雷达探测得到的消光系数廓线在一定程度上可以反映气溶胶浓度的空间分布特征，从而实现对颗粒物质量浓度的空间立体监测。

2 观测结果

2.1 北京上空沙尘过境时垂直观测结果

激光雷达可以获取颗粒物的消光系数与退偏振比的光学特性，其中消光系数与污染物浓度相关。研究[11]表明，中度污染期间，北京地区1 km高度以下大气气溶胶平均消光系数是(0.39±0.15) km-1，重污染期间气溶胶消光系数是(1.97±0.91) km-1，亚洲沙尘期间对应测量数值是(0.33±0.11) km-1。退偏振比与粒子的尺度与形状有关，一般灰霾气溶胶退偏振比小于0.2[12]，而沙尘气溶胶的退偏振比为0.2～0.3[13]，剧烈沙尘暴时可达0.4。

由北京各国控点监测数据的城市均值，绘制污染期间北京颗粒物的质量浓度变化时间序列和周边部分城市国控点均值情况图，见图2。由图2(a)可以发现，污染过程主要分为2个阶段：3月25—28日污染物以PM2.5为主，为细颗粒物累积阶段；28日凌晨开始PM10质量浓度急剧上升，至28日夜间污染物浓度开始下降，为沙尘传输阶段。在细颗粒累积阶段中，25日18：00之前PM2.5质量浓度为50 μg/m3左右，18：00开始PM2.5质量浓度不断升高，至28日00：00时PM2.5质量浓度达到255 μg/m3。在沙尘传输阶段，PM2.5质量浓度持续降低，此阶段污染物以PM10为主。28日06：00起PM10质量浓度迅速上升，至28日08：00质量浓度达到最大值2 178 μg/m3，随后污染物浓度开始逐渐降低，至29日04：00降低至200 μg/m3以下，29日04：00—22：00的PM10质量浓度仍维持在150～200 μg/m3，23：00以后降至100 μg/m3以下，污染过程结束，激光雷达监测结果与近地面颗粒物浓度变化趋势一致。图2(b)中给出了北京、天津、沧州、德州、聊城5个城市的PM10变化时间序列，数据来源为各城市国控点监测数据的城市均值。

图3为2018年3月25—30日期间激光雷达定点垂直观测结果，该激光雷达位于中国环境监测总站楼顶(北纬：40.22′24″,东径：116.24′36″)。25日下午起近地面颗粒物消光系数开始增加，由25日中午的0.25 km-1增加到27日1 km-1左右。26—28日边界层高度压低至0.8 km以下，垂直扩散条件转差，局地污染物易累积。26日下午起污染物在空间上分为2层：0.8 km以下以高消光值且低退偏振比的局地PM2.5污染物为主，消光系数在1 km-1左右，而退偏振比在0.2以下；0.8 km以上以低消光值但高退偏振比的沙尘污染物为主，消光系数为0.2～0.5 km-1，而退偏振比在0.4左右。27日起沙尘传输带高度逐渐降低。28日凌晨沙尘与近地面污染物混合，受沙尘影响近地面污染物浓度迅速升高,近地面污染物消光系数达到1 km-1,退偏振比也在0.4左右；28日午后沙尘污染开始逐渐向高空抬升，近地面污染物浓度逐渐降低。

图2 污染过程颗粒物质量浓度时间序列Fig.2 Time variations of PM2.5 and PM10 concentrations in the experimental period

图3 2018年3月25—30日激光雷达垂直观测结果Fig.3 Optical characteristics of aerosol measured by a ground-based lidar from March 25 to 30 in 2018

图4(a)为28日08：00的HYSPLIT(混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型)24 h后向轨迹结果，可见沙尘来自于内蒙古中东部，由北京东北方向输入；图4(b)为3月28日08：00的HYSPLIT 6 h前向轨迹结果。结果表明，沙尘于28日午时输送至空中后，开始沿西南方向传输。北京、天津、沧州、德州、聊城5个城市的PM10增长时段有明显的时序性[图2(b)]，可见沙尘从北向南传输导致了路径上各城市PM10质量浓度依次增长，与后向轨迹分析结果一致。结合激光雷达监测结果可以看出，沙尘传输过程带来沙尘的同时会带走本地的PM2.5污染物，沙尘沉降后空气质量转好。

图4 3月28日北京的HYSPLIT模式气团轨迹分析Fig.4 March 28th HYSPLIT model result at Beijing

2.2 车载走航观测结果

为研究区域沙尘气溶胶分布和传输特征，重点关注以北京为中心的沙尘分布特征以及京津冀区域间传输的影响，设计走航线路见图5。

由图5所示，走航车于2018年3月28日08：56分按走航路线从北京出发，向南开往沧州方向以探测走航路径上空污染物的传输特征及时空分布，28日11：14到达沧州，28日11：26从沧州开始返程观测，走航车沿探测路径于28日15：03回到北京，观测结果见图6、图7。由图6(a)可以看出，去程北京至沧州路段混合层内近地面至低空1.2 km内颗粒物消光系数逐渐降低，全程2.0 km以下退偏振比较高，表明粗颗粒物占比较高；由图6(b)可知，返程北京路段混合层内近地面至低空1.6 km内颗粒物消光系数较其他路段高，沧州至天津路段低空1.0 km左右有污染带，全程2.4 km以下退偏振比较高，表明粗颗粒物占比较高。由图7北京至沧州往返走航结果对比看出，出发时北京至沧州路段近地面消光系数较返程时高，返程时沧州至北京路段近地面消光系数明显降低，且比较全程退偏振比的变化可知，北京至沧州沙尘与近地面污染物逐渐混合且在1 km以下沿着近地面传输，近地面沙尘污染高度逐渐降低，沧州路段贴着近地面传输的沙尘气溶胶大部分已经沉降，但整体退偏振比仍在较高水平，区域整体处于浮尘天气中。

激光雷达走航监测结果显示，京津冀区域由北至南近地面颗粒物消光系数逐渐降低，北京在1.2 km区域的消光系数达到1 km-1左右，沙尘由北至南逐渐沉降，沙尘污染强度由北至南不断降低；天津在0.8 km以下区域污染物浓度较高，消光系数从北京的1 km-1下降到0.5～0.6 km-1；沧州附近区域近地面消光系数降至0.5 km-1以下。混合层内低空1.5 km左右存在沙尘传输带，沙尘传输带消光系数为0.8～1 km-1，这部分沙尘气溶胶并未与近地面污染物混合，将沿着东北气流向西南方向输送。走航观测期间，北京近地面消光系数要高于南部其他区域，15：03走航车返回北京后监测到的消光系数及退偏振比与08：56走航车从北京出发时相差不大，说明直至15：03北京近地面仍受沙尘气溶胶输入的影响，沙尘气溶胶与近地面污染物混合使PM10质量浓度维持在较高水平。

图6 2018年3月28日激光雷达走航观测结果Fig.6 Distribution of aerosol measured by mobile vehicle lidar on March 28, 2018

图7 激光雷达走航时间序列图Fig.7 Temporal distribution of aerosol measured by mobile vehicle lidar

3 讨论与展望

针对2018年3月28日京津冀区域的浮尘天气过程，进行了一次车载激光雷达走航观测，探测得到了浮尘天气中北京到沧州的沙尘气溶胶时空分布，并结合国控点地面观测数据、定点垂直激光雷达观测数据、HYSPLIT模式的结果，对这次浮尘天气进行了分析。位于北京六环附近的激光雷达监测结果显示，28日凌晨开始，沙尘气溶胶与近地面污染物混合，受沙尘影响近地面污染物浓度迅速升高，28日午后沙尘开始向空中传输。从北京到沧州的走航观测结果显示，沙尘气溶胶先向南传输到京津冀南部区域，随后向西南方向传输，南部区域近地面污染物浓度逐渐降低，同时观测到京津冀区域空中1.5 km存在沙尘传输带。

移动探测结果表明车载激光雷达走航观测突破了定点激光雷达观测点位离散的局限性，可以有效观测浮尘，快速、机动地捕获浮尘天气中沙尘气溶胶的时空分布与传输特征。为沙尘的预警预报提供有效支持。此外，车载走航观测数据可以进一步结合精细化的预警预报开展区域的空气质量监测，为重点区域污染的联防联控提供必要手段。