基于偏振激光雷达对远距离传输沙尘在局地混合过程的观测研究

殷振平,易帆*,王威,何芸,柳付超,张云鹏,余长明

(1武汉大学电子信息学院,湖北 武汉 430072;2武汉大气遥感国家野外科学观测研究站,湖北 武汉 430072)

0 引言

大气气溶胶影响着大气辐射传输过程、云的形成、人体健康和出行安全[1]。实时掌握气溶胶的分布对人类的生产生活具有重大意义。沙尘作为最大的自然界气溶胶源之一,含量占大气气溶胶总量的40%[2]。作为世界三大沙尘源之一,亚洲沙漠每年排放约800 Tg的沙尘,贡献全球总沙尘含量的40%到80%[3]。这些沙尘中的70%经由大气向外部输送,最终通过干湿沉降等过程影响下游地区[4]。

虽然现有许多模型用来模拟和预报亚洲沙尘的分布,但是因为模型假设的不合理、气象要素的误差和参数化模型的精准度等问题,模型的输出结果和实际情况存在较大的偏差[5],因此需要通过融合实时的观测结果进行修正。

我国从2000年开始常规发布主要城市的地表污染物含量的观测结果。这些污染物的含量直接影响空气质量,并直接影响人们的出行和身体健康。地表污染物的来源多种多样,其中远距离传输的气溶胶也会通过对流混合、沉降等进入到低层大气中。因此只有了解污染物的三维分布情况,才能对局地污染物变化进行更准确的分析。

地基偏振激光雷达作为主动遥感设备,具有高时空分辨率的特点,能实时准确地得到大气中气溶胶的垂直分布。结合不同颗粒物的退偏振特性,可以反演得到沙尘的含量分布[6]。基于武汉大学中高层大气实验室自主研制的532 nm偏振激光雷达的观测结果,本文分析了一次亚洲沙尘的来源、传输和通过夹卷过程以及对流混合对武汉地区边界层内颗粒物分布的影响。并结合垂直含量分布,估计了武汉上空沙尘和城市气溶胶的总质量。

1 仪器与数据

武汉位于我国中部地区,地处江汉平原,土地面积8494平方公里,拥有约1200万常住人口。整体气候特征为湿润的亚热带气候,四季均多雨。春秋季因为北方冷空气影响,会出现较多的沙尘天气[7,8]。

研究中所使用的观测站点位于武汉大学珞珈山上(30.5°N,114.4°E,海拔70 m),拥有多种用于监测大气中或地表污染物和大气基本参量(水汽和温度)的设备[9-12]。研究中采用实验室自主研制的偏振激光雷达[12],该雷达已经积累了近10年的观测数据(2011–2020年),并在2018年经过方舱升级,已经初步具备7×24小时的观测能力。

1.1 532 nm偏振激光雷达

偏振激光雷达发射激光波长为532 nm,拥有平行和垂直两个偏振接收通道,如图1所示。

图1 532 nm偏振激光雷达结构图Fig.1 Diagram of 532 nm polarization lidar

该雷达采用Nd:YAG固体型(Inllite-II)激光器作为光源,经过Brewster偏振晶体(Brewster polarizer)提纯后,偏振纯度优于10000:1。通过半波片(HWP)调整出射激光的偏振方向,与接收光路一致,最终由四倍扩束镜(Beam expander)扩束后(将光束发散角从0.75 mrad压缩到小于0.2 mrad)经反射镜(RM1)调整出射方向指向天顶,射入大气中。后向散射信号经由直径为305 mm的卡塞格林望远镜接收,通过系统光阑控制接收端视场角为1 mrad。偏振分光晶体(PBS)将其分为水平和垂直两个偏振分量,并各自由额外的偏振片进行提纯后,被光电倍增管(PMT)转换为电信号,再经过Licel数据采集卡采集,最后存储到计算机中。原始数据的分辨率为1 min和3.75 m。

武汉地区一年四季潮湿多雨,为了进行连续观测,实验室的观测方舱在2018年进行了升级改造,改造部分如图2所示。在改造中,设计了防雨的天窗,并采用耐热的BOROFLOAT 33玻璃(https://www.schott.com/borofloat/chinese/attribute/thermic/index.html),这种玻璃可以长时间工作在小于450°C的温度下,且热膨胀系数(3.25×10-6K-1)非常小。在使用过程中,这种玻璃即使在夏天正午太阳直射的情况下也不会产生退偏振效应[13]。此外,为了防止凌晨镜片表面凝结形成露水,额外加装了鼓风机。鼓风机吹出热风加热发射窗玻璃,从而防止露水的生成,不仅如此,当降雨强度不大时,加装的鼓风机可以快速风干降落到玻璃表面的雨水,从而保证即使在有小雨的时候,激光雷达也能进行正常观测。

图2 观测方舱改造后实物图Fig.2 Picture of lidar container after upgrade

1.2 辅助分析数据

从2013年1月份起,中国生态环境部开始发布逐小时的城市空气质量数据(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/),数据中包含有六种基本的污染物含量(SO2,NO2,O3,CO,PM2.5,PM10)和基于这六种污染物含量得到的空气质量指数AQI,其中PM10可以用来反映沙尘颗粒的含量[14]。

2 基于偏振激光雷达的沙尘含量反演算法

自然界中的气溶胶,根据形状可以分为球形和非球形两种。这两种不同形状的气溶胶颗粒会产生不同的偏振效应。球形粒子在与偏振光作用时,其后向(180°散射角)散射光的偏振态跟入射光相同,因此偏振激光雷达探测得到的体退偏比δv(垂直偏振分量与平行偏振分量之比)接近于0;非球形粒子在与偏振光作用时,会产生不同于入射光偏振状态的偏振分量,因此体退偏比大于0。粒子产生的退偏振效应可以通过粒子退偏比δp来衡量,典型的球形粒子如城市气溶胶(δp～0.05)和海盐气溶胶(δp＜0.02)[15],典型的非球形粒子如沙尘 (δp～0.31)、花粉 (δp～0.15)和火山灰 (δp～0.40)。

偏振激光雷达观测到的粒子退偏比,是不同气溶胶粒子体系的典型粒子退偏比的加权之和。武汉在秋季时,大气气溶胶成份比较简单,不同气溶胶成份的含量可以通过POLIPHON方法来进行计算[16]。一种典型的情况是大气中存在沙尘(d)和城市污染型气溶胶(nd),二者的后向散射系数为

式中:βd和βnd分别代表沙尘和城市气溶胶的后向散射系数,βp和δp分别为总的后向散射系数和总的粒子退偏比,δd和δnd分别为沙尘粒子和城市气溶胶的典型粒子退偏比。

在得到沙尘和城市气溶胶的后向散射系数后,可以通过这两者典型的雷达比S(如表1所示)而将其转换为沙尘和城市气溶胶的消光系数σ,其计算公式分别为

表1 典型的用于沙尘质量浓度反演算法的参考值Table 1 Typical values applied in dust mass separation algorithm

根据两种气溶胶的物理特性可以将消光系数转换为对应的颗粒物含量

表1列举了式(1)-(6)中所使用的参量。

3 观测结果与分析

2019年10月28日受北方冷高压的影响,蒙古地区的沙尘被较大的地表风速(＞10 m·s-1)扬起,进入大气中,如图3(a)所示,其中PM10在一定程度上可以当成沙尘含量的示踪[21];并于10月29日随着南下的冷空气进入华北和华东地区,与此同时华中地区也受到较大影响,如图3(b)-(c)所示;盘踞在华中华东地区一段时间后,于11月1日,PM10开始逐步下降,如图3(c)所示;并在11月3日达到背景水平,如图3(d)所示。

图3 2019年10月28日00:00(a)、10月29日12:00(b)、11 月1 日12:00(c)、11月3日18:00(d)全国各城市地表PM10含量分布图Fig.3 Distribution of PM10at cities over China at 00:00,October 28(a),12:00,October 29(b),12:00,November 1(c)and 18:00,Novemver 3(d)in 2019

武汉地区2019年10月26日–11月6日期间地表的PM10和PM2.5含量分布如图4所示。从图中可以看到,10月29日前(武汉“军运会”期间)当地的污染物含量较低,PM10和PM2.5普遍低于50 μg·m-3;在10月29日中午开始,PM10含量突然出现较大增长,从50 μg·m-3快速上升到150 μg·m-3,但与此同时PM2.5含量却并未发生较大变化,而PM2.5可以初步反应城市气溶胶水平[21],因此可以排除当地短期内城市排放超标的影响,结合之前对蒙古地区沙尘的分析可知沙尘导致了武汉当地PM10含量的增长。11月3日,地表风向由东北转为正北,PM10含量在短时间内降低后再升高,同时PM2.5也在降低后升高并超过100 μg·m-3,与此同时PM2.5在PM10中的占比升高,由此可知此时的沙尘的影响已经降低,并且当地的污染物特征已经跟沙尘期间不同。

图4 2019年10月26日–11月6日武汉地区沙尘前后地表PM10和PM2.5含量变化Fig.4 Timeseries of PM10and PM2.5concentration at Wuhan from October 26 to November 6 in 2019

在此期间偏振激光雷达观测结果如图5所示。图5(d)表明,沙尘在10月28日11:50(GMT+8)就已经到达武汉上空,此时沙尘层高度为1～1.6 km。而边界层内体退偏比很小(＜0.08),表明边界层内(＜0.8 km)仍然是城市气溶胶占主导。到10月29日10:00,沙尘层厚度达到2 km,如图5(e),且沙尘的体退偏比接近0.3,表明此时沙尘层主要由沙尘粒子组成[22]。与此同时,边界层内的体退偏比仍然非常小,因此可认为沙尘的沉降并不明显。从11:00开始,随着边界层的发展,可以观察到体退偏比较大的气团开始进入边界层内。且随着对流混合强度增强,从13:00开始,边界层顶高度已经抵达主沙尘层高度处(1 km)。此时从图5(e)中可以清楚观察到携带有大量沙尘颗粒的气团(增强的体退偏比表征的区域)从边界层顶经夹卷过程进入边界层内,再经过对流混合充分扩散到整个边界层中。从体退偏比的结果中可以看到这种对流混合气团的时间尺度约为5 min,结合边界层内的平均风速(2 m·s-1),可以得知对流混合气团的空间尺度约为600 m。经过边界层顶的夹卷过程后,沙尘层的空间分布形态被破坏,沙尘层开始向地表扩展。经过数小时的沉降,16:00左右沙尘层已经完全混合进入边界层中,因此地表上开始观测到较大的PM10含量,如图4所示。从10月29日一直到11月3日,雷达观测得到边界层内的体退偏比一直维持在0.1～0.2之间。在11月3日17:30时开始,粒子散射信号突然增强,表明颗粒物含量上升,与此同时,体退偏比降低到0.08,这表明此时沙尘粒子的相对含量已经降低,结果与PM2.5和PM10的变化相吻合,根据轨迹追踪结果可以得知此时的城市污染可能来自华北地区。

图5 偏振激光雷达观测结果。(a)-(c)标定过的距离修正信号;(d)-(f)体退偏比Fig.5 Measurements of polarization lidar.(a)-(c)attenuated backscatter,(d)-(f)volume depolarization ratio

根据第2节中展示沙尘反演算法,可以得到在沙尘混合进入边界层前后的沙尘含量和城市气溶胶含量的变化关系。图6(a)展示了沙尘层已经出现但没有混合进入边界层内时的沙尘和城市气溶胶的垂直分布剖面。通过该剖面,可以发现0.8 km以内主要是城市气溶胶,平均含量为137 μg·m-3(因为雷达盲区的影响,不能得到350 m高度以下的颗粒物分布情况);沙尘主要分布在0.8～1.8 km高度内,平均含量为240 μg·m-3。图6(b)展示了沙尘层充分混合进入边界层后的分布情况,从该剖面结果中可以看到,沙尘此时分布在近地表至2.5 km高度,且1.5 km以下分布较为均匀,平均含量为348 μg·m-3。图6(c)展示了沙尘末期的分布情况。从该图中可以看到,此时沙尘顶的高度已经下降到约2 km,且平均含量已经下降到约100 μg·m-3。因为风向的变化,华北地区的城市气溶胶开始进入武汉,导致此时2.5 km以下充满着非常高浓度的城市气溶胶,其中1 km以下城市气溶胶的含量超过400 μg·m-3。如果把图6(b)中沙尘含量部分换算到整个武汉地区,可以估算得到此时漂浮在武汉上空的沙尘总质量达到约2000 t。主沙尘层在10月29日到达武汉地区,在经过数小时的夹卷和对流混合后,进入武汉地区边界层内的沙尘总质量(边界层高度1 km)约为2800 t。在11月3日,北方城市气溶胶的输入在短时间内让武汉地区的PM2.5含量超标,如图4和图5(c)所示。根据图6(c)中所展示的城市气溶胶含量剖面,并去除10月29日同时刻观测到的城市气溶胶含量(约400 t),可以得到在华北污染入侵初期,传输到武汉上空的北方城市气溶胶总质量约为4300 t,这大约是军运会期间武汉地区城市气溶胶总含量的十倍。

图6 不同时间段的沙尘和城市气溶胶垂直剖面。(a)沙尘未混合进入边界层时(2019年10月28日16:00–16:30);(b)沙尘混合(2019年10月29日16:00–16:30);(c)沙尘末期(2019年11月3日18:30–19:00)Fig.6 Profiles of dust and non-dust mass concentration at different stages.(a)Results before dust mixing(from 16:00 to 16:30 on October 28,2019),(b)results after dust mixing(from 16:00 to 16:30 on October 29,2019),(c)results at the end of dust episode(from 18:30 to 19:00 on November 3,2019)

4 结论

利用全国国控站点的污染物数据,分析了一次蒙古沙尘的传输路径。根据武汉地区的近地表PM2.5和PM10的含量,区分了沙尘前、中、后三个过程,并结合地基雷达的观测结果分析了这三个过程中的污染物和沙尘的时空变化特点。可以清晰看到沙尘颗粒通过边界层顶的夹卷过程和边界层内的对流混合进入边界层内的整个变化过程。结合雷达观测结果,可以更好地理解地表PM10含量的变化。最后通过沙尘含量反演算法,得到了这三个过程中典型沙尘和城市气溶胶含量的高度分布,并结合这些分布得到了沙尘事件初期的武汉地区上空的沙尘总质量约为2000 t,在主沙尘层经过夹卷过程和对流混合后,进入边界层内的沙尘总质量约为2800 t。而在沙尘事件末期,因为风场的改变,北方污染开始到达武汉,并向武汉注入约4300 t的城市气溶胶,这是军运会期间武汉地区城市气溶胶含量的约十倍。