激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性

刘文婷，陈 昂，杨屹松，王慧琴，陈 莲，徐艳格，余友清

（长江师范学院 绿色智慧环境学院，重庆 408100）

气溶胶是指悬浮于大气中相对稳定的固体或液体微粒。它们通过散射和吸收太阳辐射改变地气系统的辐射平衡[1]，在全球和区域气候变化中扮演着十分重要的角色。气溶胶的特性取决于它们的物理、化学和光学性质，与其在大气中的非均相化学反应有着密切的关系，在空间和时间上都具有很大的差异[2]。此外，气溶胶还与酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关，也会对人体健康产生重要影响。不同污染类型气溶胶对应不同的化学组分，具有相异的吸收/散射特征[3]。在快速的工业化与城镇化进程中，中国城市地区的气溶胶排放复杂多变，对气候、环境变化产生关键而不确定的影响。然而目前针对城市灰霾气溶胶光学特性的观测仍然十分有限。

卫星和地基遥感技术是目前研究气溶胶光学特性和辐射效应最常用的手段[4]。近年来，我国基于地基遥感研究气溶胶光学特性大多是在经济快速发展的城市地区进行的，这些地方通常都具有较高的气溶胶负荷。在垂直方向上对气溶胶进行不同时间长度的观测，目前的技术手段主要包括高层建筑、铁塔、激光雷达和系留飞艇观测[5]。前两者受到高度的限制，不能探测到边界层高层（1 km以上）污染情况，而系留飞艇难以做到实时快捷的监测。激光雷达系统观测高度能够到达对流层顶，以定量的方式测量气溶胶的光学属性，能评估气溶胶粒子的主要微物理属性[6-7]。因此，激光雷达具有其他方法不能比拟的优势，被广泛地应用于气溶胶的观测研究。

近年来，越来越多的观察利用激光雷达研究大气气溶胶特性，以期得到其在特定地区的光学和理化特征及时空演变规律。张朝阳等[8]利用微脉冲激光雷达探测网监测气溶胶，建立了激光雷达气溶胶垂直分布反演方法。在利用激光雷达探测气溶胶光学参数特性方面，国内开展了一系列短期观测特定地区或者特定气候条件下气溶胶光学性质的研究[9-11]。

重庆市地形条件特殊，兼有东部的平原、中部的浅丘、西部的山地及三峡库区的特大河道型水库，大气环境在下垫面、气象和污染排放等方面显著不同。由于地形、地势和气象条件的复杂性，对该地区大气气溶胶的特点及时空演变规律的研究具有重要意义。在重庆地区的相关研究中，主要利用激光雷达对重庆市主城区冬季的典型灰霾天气进行监测[12]，以及对周边区县气溶胶日均昼夜的变化进行监测[13]。而针对涪陵地区气溶胶光学参数的研究还没有报道。涪陵区位于重庆主城和远郊区县结合部，为三峡水库腹地，兼有浅丘、山地和大江（长江和乌江），同时有我国最大、世界第三的页岩气开采区，下垫面、气象和污染排放条件独具特性。因此，本文以重庆市涪陵区为研究对象，利用气溶胶激光雷达对本地区夏季气溶胶光学参数进行研究，以期对本地区气溶胶特点及时空演变规律有更深入了解，进而为本地区大气污染防治提供可靠的基础数据支持。

1 研究方法

1.1 采样点

采样点位于重庆市涪陵区长江师范学院校内，采样器安置于学校致远楼楼顶（107.266°E，29.751°N）。致远楼周围地面材质为水泥、地砖，地面不产生烟尘，四周均为长江师范学院教学办公区，无明显局部源污染。采样时间为2018年6—8月。在开展气溶胶垂直结构观测期间，观测点周边没有工地建设、工业生产，仅仅在周边道路上存在车辆流动，确保了本研究激光雷达系统观察到的数据的可靠性。

1.2 仪器设备及数据处理

在本次研究中，采用气溶胶激光雷达（北京怡孚融和科技有限公司，EV-Lidar）对重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶消光系数等光学参数进行监测。激光雷达参数如表1所示。

该雷达由激光器、光学部分和主机组成。激光雷达工作波长为532 nm，单脉冲输出能量为10 mJ，脉冲重复频率为2 500 Hz，空间分辨率为15 m，最大探测高度为30 km。激光雷达数据进行反演之前需对驻留脉冲、背景噪声、低层重叠因子、距离和近端填充效果进行校正。

表1 EV-Lidar系统运行的主要技术参数Table 1 EV-Lidar system specifications

激光雷达以连续采样的方式采集数据，时间分辨率为3 min。主要针对气溶胶的后向散射系数（backscattering coefficient,BS）、粒子消光系数（extinction coefficient,Ext）及其次生产品气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）和大气边界层厚度（planet boundary layer,PBL）开展研究。后向散射系数和消光系数可以通过Fernald后向积分法得到，详细计算过程见文献[14]。

2 结果与讨论

2.1 夏季气溶胶光学性质

通过实验观测，可以得到重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶光学属性特征。在150～20 000 m高度范围内，气溶胶粒子后向散射系数、消光系数、气溶胶光学厚度、大气边界层厚度这4个光学参数在夏季的最大值、最小值与平均值如表2所示。

表2 激光雷达观察的重庆市涪陵区夏季气溶胶粒子光学特征Table 2 The optical properties of summer aerosol observed by lidar in Fuling of Chongqing

2.2 夏季气溶胶粒子光学参数日均值变化特征

气溶胶性质可以通过后向散射系数与消光系数这两个光学参数的细节特征进行研究。消光系数是大气中各种气溶胶成分对太阳辐射衰减的综合描述，消光系数越大，能见度越低[15]。后向散射系数又叫作雷达散射系数[16]，指的是入射方向上目标物单位截面的雷达反射率，这个系数代表入射方向散射强度。2018年重庆市涪陵区夏季气溶胶激光雷达监测数据显示后向散射系数与消光系数的日均值变化趋势基本保持一致（图1）。

涪陵区夏季的日平均消光系数在4 191～9 666 Mm-1范围内变化，后向散射系数为105～242 Mm-1·sr-1。消光系数在较大范围内波动可能与重庆市涪陵区夏季相对湿度较高有关。随着大气环境湿度的增加，气溶胶粒子吸湿增长，而折射率则逐渐减小，这导致颗粒物的消光系数产生显著变化[17]。如图1所示，在夏季6—8月这三个月中都有不同程度的最高值存在，消光系数和后向散射系数的日均最高值大小顺序依次为7月、8月、6月。

6月的消光系数和后向散射系数的变化，从6月1日至6月6日均呈现下降的趋势，并在6月6日均出现最小值，分别为4 191 Mm-1和105 Mm-1·sr-1。月平均消光系数为6 987 Mm-1，后向散射系数平均为175 Mm-1·sr-1。6月4—9日和6月22—30日消光波动太大，可能与气温变化和空气湿度的变化有关。查阅当地气象资料发现，6月4—9日及22—30日分别有一次升温过程。6月4—9日最高气温从4日的25℃升高到6日的33℃，然后回落到9日的29℃；6月22—30日最高气温从22日的30℃升高到27日的35℃，然后回落到30日的32℃。且6月降雨天数达到15 d，空气湿度偏大，导致气溶胶粒子吸湿性增强，粒子尺寸变大[17]。

图1 2018年6—8月气溶胶消光系数和后向散射系数日均值变化Fig.1 Daily average of aerosol extinction coefficient and backscattering coefficient in the period of June to August 2018

7月消光系数和后向散射系数的波动趋势也有很强的一致性。7月的气溶胶消光系数为4 000～8 000 Mm-1，对应的后向散射系数在100～140 Mm-1·sr-1范围内变化。7月2日至7月10日波动较大，可能与该时间段当地大气温度变化较大有关。查阅当地气象资料发现，当地气温从7月2日34℃降低到6日的27℃，然后又升温到10日的34℃。7月20日到7月27日消光系数呈现一个上升的趋势，在7月27日两者均达到本月的最大值，分别为9 666 Mm-1和242 Mm-1·sr-1。在7月20日出现了本月最小日均值，分别为4 356 Mm-1和109 Mm-1·sr-1。查阅气象资料发现，7月20—27日当地风力较强，污染物扩散速度快。7月消光系数日均值在4 000～6 500 Mm-1天数最多，在8 000 Mm-1以上有的6天，在5 000 Mm-1以下的有7 d。

8月的消光系数和后向散射系数日均值变化趋势也具有很强的一致性，均在8月1—13日期间呈现下降的趋势，但在8月3日两者都出现了最大值，分别为9 524 Mm-1和238 Mm-1·sr-1。8月13—30日波动较大，在短时间内剧升和剧降，结合涪陵区2018年8月的天气预报来看，这几天的降水量相差很大，消光系数的剧增和剧减有可能是降水量变化引起[18]。

AOD和PBL是描述气溶胶光学特性的重要参数[18]。AOD是大气消光系数在垂直方向上的积分，体现气溶胶对光衰减作用，受到降水和大气相对湿度的影响[4]。大气边界层是大气层与地面摩擦作用最强烈的区域，其高度随气象条件、地形、地面粗糙度的变化而变化，是反映污染物空间扩散条件的一个重要指标。大气边界层高度低，则不利于近地层空气的垂直混合，大气污染物的扩散就会变差。

图2可以看出2018年夏季重庆市涪陵区AOD和PBL日均值具有明显的波动性。在监测的三个月内，AOD的日均值为0.43～3.31，PBL的日均值为261.4～2 874.1 m。以往的研究表明，可以用拐点法来确定大气边界层高度，因此，可取相对典型的消光系数出现明确突变的点作为大气边界层高度。由激光雷达监测的数据可知，夏季日平均大气边界层高度大约为1 200 m，边界层高度变化范围为262.3～2 874.6 m。7月27日到8月10日大气边界层高度低于500 m，对照2018年的天气预报来看，该变化可能与当时持续的高温气候有关。夏季AOD日均值大多数都大于1.0，在观测的三个月内均有峰值。

6月的AOD和PBL日均值波动较大，相似性不明显。当AOD呈上升趋势时大气边界层高度呈下降的趋势，在6月26日，AOD和PBL分别达到日均值最低值和最高值，分别为0.5891和2 874.1 m。在6月1—25日，AOD的变化趋势较为平稳，但从整个6月来看PBL波动较大。PBL超过1 000 m的天数有7 d，而AOD超过2.0的天数有9 d。6月的AOD和PBL总体处于较高的日均值范围内，大气边界层高度越高越利于近地层空气的垂直混合，大气污染物扩散效果就越好，因此，污染物的浓度会降低[19]。

7月的AOD和PBL的日均值变化趋势从总体上看来和6月的变化趋势相似，AOD和PBL均呈现负相关。AOD日均值除去7月2—6日波动范围较大的这几天，基本处于1.0以下，而AOD的数值通常在0～1之间。PBL日均值大部分处于800 m以上，整个7月一直处于急剧上升和下降的状态。这可能由于7月的气候不稳定，气候的短时变化会引起气溶胶光学厚度的变化[14]。AOD和PBL在7月15日分别出现日均最小值和最大值，分别为0.4323和2 563.2 m。

8月的AOD和PBL日均值变化和6、7月的变化趋势略有不同。8月1—10日，PBL主要呈上升的趋势，AOD主要呈下降的趋势，AOD下降的波动程度明显比PBL上升的波动程度大。但在8月10—15日均呈现上升趋势；在8月21—22日AOD急剧增加，而PBL的变化较为平稳。当AOD日均值出现最大值2.156 7时，PBL并没有出现日均值最小值，这与2018年夏季其他两个月份明显不同。8月AOD低于1.0的天数有16 d，由此可以看出，涪陵区的大气透明度处于完全不透明和完全透明之间的天数要多，可以从侧面反映出该地区存在大气污染问题[20]。

图2 2018年6—8月大气边界层高度和气溶胶光学厚度均值变化Fig.2 Daily average of PBL and AOD in the period of June to August 2018

2.3 夏季气溶胶后向散射系数特征

通过将选择的后向散射系数在时间（每12 h的数据平均为一个数据）与空间（每150 m的数据平均为一个数据）上进行平均化处理，可以获得气溶胶后向散射系数平均廓线。由图3可知，重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶的后向散射系数廓线分布具有相似的多层结构特征。

从空间形态上看，后向散射系数的高值区域主要位于15 000 m高度的范围内，在近地层15 000 m位置附近依次存在3个峰值点。这同重庆市涪陵区的气候和环境特征密切相关，如重庆市涪陵区2018年夏季存在比较强的对流天气的天数较多，其中降雨天气达到35 d（6月15 d，7月7 d，8月13 d）。从地面开始，随着海拔高度的逐步增加，所监测到的散射系数值呈现出先逐步增加后逐步减小的变化趋势，在高度达到20 000 m后基本达到背景值，这同其他相关研究给出的结果一致。

从夏季平均的后向散射系数来看，在0.15～20 km高度范围内，重庆市涪陵区6—8月最大的平均后向散射系数为17.3 Mm-1·sr-1，这表明重庆市涪陵区在夏季时刻具有相对较大的湿度和较强的对流。

6—8月的后向散射系数廓线呈现出锯齿状，在15 000 m处均到达峰值，而8月的峰值明显大于其他两个月份，此时的气溶胶粒子具有很强的吸湿性，这使得其对应的气溶胶粒子尺寸要大于其他两个月份的尺寸[17]。

图3 重庆市涪陵区2018年6—8月气溶胶平均后向散射系数廓线Fig.3 Average of aerosol backscattering coefficient in the period of June to August 2018

2.4 夏季气溶胶消光系数特征

为了更好地了解重庆市涪陵区的光学参数特征，对该地区的消光系数进行连续观测，得到夏季气溶胶消光系数持续性变化廓线，如图4所示。

图4 重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶平均消光系数廓线Fig.4 Average of aerosol extinction coefficient in the period of June to August 2018

由图4可知，重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶平均消光系数廓线的变化特征和同时期气溶胶平均后向散射系数廓线（图3）的变化特征一致。从平均消光系数能量值角度来讲，在0.15～20 km高度范围内，夏季平均消光系数最大值为0.43 Mm-1。气溶胶平均消光系数在高度为15 000 m左右达到背景值。由图中可以明显地得知2018年夏季的最大消光系数出现在8月。可能与8月当地强对流天气有关。查阅当地气象数据发现，8月降雨天数多达13 d，其他时间则以多云天气为主，空气湿度偏大，能见度偏低，消光系数偏大。

3 结语

本文利用气溶胶激光雷达对重庆市涪陵区2018年6—8月气溶胶光学参数特性进行研究。观察到的后向散射系数和消光系数的日平均变化趋势相同；2018年夏季消光系数和后向散射系数最大值分别为9 666 Mm-1和242 Mm-1·sr-1，且这两个系数时间廓线都具有显著的多层结构特征，两个系数的最大递减均发生在17 km高度范围内；在15～20 km高度范围内做垂直平均，夏季的消光系数和后向散射系数有最大平均值，分别为17.3 Mm-1·sr-1和 0.43 Mm-1。这表明重庆市涪陵区夏季具有比较强的对流；夏季最大的大气边界层高度和气溶胶光学厚度分别为2 874.1 m和3.319 4。