基于激光雷达组网的沈阳地区气溶胶光学厚度分布特征及影响因素研究

王佳音 孙学斌

（辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁沈阳 110000）

1 引言

大气气溶胶作为反映大气边界层垂直特性和时空分布的天然载体，其组成成分、光学特性、粒谱分布与时空变化已经成为当前区域性大气环境与气候变化的焦点问题之一［1］。气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）作为气溶胶最基本的光学特性，是研究气溶胶作用的基础。AOD反映了整层大气或某特定大气层中颗粒物对太阳辐射的削弱程度，是表征大气气溶胶消光特性的一个重要参数［2］。

目前，随着监测手段的进步，卫星遥感和地基遥感技术是研究大气边界层中气溶胶光学特性和辐射效应最常用的手段［3-4］。利用雷达对AOD 垂直特性的研究已经逐渐开展，如周海江等［5］采用CALIPSO卫星产品，分析了2017 年塔中地区AOD、消光系数和气溶胶类型的时空分布特征。洪也等［6］对沈阳冬季雾霾日大气颗粒物的元素粒径分布特征进行了分析。宋童艾等［7］、赵胡笳等［8］研究了太湖站大气气溶胶光学特性数据并进行分类研究。张小曳等［9］指出复合型污染是当今我国面临的主要问题，而气象条件对气溶胶的形成、分布、传输等有着非常显著的影响。已有研究表明，自然因素对气溶胶的生成与传输、聚集与扩散等有着重要影响，如温度［10］、湿度［11］、周边区域大范围秸秆焚烧［12］、工业和城市型气溶胶［13］排放以及人类活动［14］等引起的区域污染传输。

目前，对于特定季节或者是在典型污染过程天气背景下的气溶胶光学属性观测、研究分析工作开展了很多，但是对于长时间序列、多监测点位所反映的时空差异上的AOD 光学属性、垂直分布特征以及影响因素的研究有所不足。本研究采用2019 年5 台激光雷达组成的监测网络，分析长时间序列下沈阳地区不同区域的AOD 垂直分布特性，探讨AOD 与气象因素及污染物浓度之间的相互影响，以期为空气质量的预报预警工作提供技术支撑。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

沈阳市位于我国东北地区的南部，辽宁省的中部；南面连接辽东半岛，北部依傍长白山麓。地处长白山余脉与辽河冲积平原过渡地带，地势东高西低，以平原为主，平均海拔50 m 左右。沈阳市气候属北温带受季风影响的半湿润大陆性气候，因受季风影响，全年四季分明，温差较大。

2.2 数据来源

本研究所用污染物监测数据为辽宁省沈阳生态环境监测中心提供，包括2019 年1 月1 日至12 月31 日沈阳市黄腊坨、超级站、辉山大街、李相、陵东街共5 个环境空气自动监测点位细颗粒物（PM2.5）浓度资料。气象资料为沈阳市同期的常规观测资料。

本研究使用的激光雷达为EV－LIDAR 型微脉冲激光雷达，采用2019 年1 月1 日至12 月31 日AOD 数据。雷达监测网络的站点包括黄腊坨、李相、辉山大街3 个边界站点位，连同市区南部的超级站点位、市区中心的陵东街点位共5 个激光雷达，形成雷达组网。该激光雷达由激光器、光学部分和主机组成。激光雷达工作波长532 nm，单脉冲输出能量为10 J，脉冲重复频率2 500 Hz，空间分辨率为15 m。激光雷达数据进行反演之前对背景噪音等进行校正。激光雷达数据分析作图采用EV LIDAR Data Analyse Software。

3 结果与讨论

3.1 AOD 季节特征

图1 为2019 年沈阳地区雷达组网监测的AOD季节特征变化趋势。AOD 是表征大气浑浊度的一个重要物理量，反映的是环境空气中水汽和污染物气溶胶的含量，AOD 的值越大说明空气中气溶胶含量越多。

图1 2019 年沈阳地区各雷达组网点位AOD 季节特征

由图1 可知，5 个激光雷达点位AOD 均值的季节变化特征表现为秋季最小，夏季最大，春季与冬季相差不大。春夏秋冬4 个季节AOD 均值分别为0.78，1.32，0.68，0.72。从春夏秋冬4 个季节分别看，春季5 个雷达点位的AOD 在0.66～0.88 范围内波动，整体变动不大；夏季5 个雷达点位的AOD 在1.04～1.52 范围内波动；秋季5 个雷达点位的AOD在0.62～0.73 范围内波动；冬季5 个雷达点位的AOD 在0.61～0.96 范围内波动。从空间分布看，城市西南部AOD 较小，市区中心AOD 较大，主要受到人为活动、城市热岛效应等影响。

沈阳地区夏季AOD 较高的原因可能是夏季阵性降水过程较多，同时7 月、8 月受副热带高压控制，以湿热少风天气为主，较高的相对湿度导致颗粒物吸湿增长，大气中的气溶胶数量增加，均易导致AOD 数值较高［15］。春季AOD 较高的原因主要是由于沈阳地区春季降水较少，且空气干冷，受春季低压前强梯度天气形势影响，本地多为西南大风天气，极易吹起扬尘；同时春季4 月、5 月易受到蒙古国东南部及我国内蒙古西部沙尘传输的影响，出现沙尘污染区域传输，环境空气中沙尘粒子含量明显较多［16］。冬季正处于沈阳地区采暖季，本地污染物排放明显增多，加之冬季大气整体扩散条件较差，早晚易出现逆温，颗粒物本地积累现象时有发生。从区域空间分布看，春夏两季位于市区中心的陵东街点位AOD 相对较高，反映出市区中心AOD 更多地受到人为活动、工业污染源及交通排放的影响。

3.2 不同空气质量下AOD 分布特征

依据HJ 633—2013《环境空气质量评价技术规范》，将2019 年PM2.5浓度分为5 个等级，对应不同级别的空气质量状况。PM2.5浓度范围在0～35 μg/m3，空气质量优；PM2.5浓度范围在36～75 μg/m3，空气质量良；PM2.5浓度范围在76～115 μg/m3，空气质量轻度污染；PM2.5浓度范围在116～150 μg/m3，空气质量中度污染；PM2.5浓度范围大于151 μg/m3，空气质量为重度及以上污染。

图2 为2019 年沈阳市各雷达组网点位不同空气质量下AOD 分布情况。对2019 年PM2.5及AOD日数据进行统计分析，发现各雷达点位重度及以上污染主要集中在1 月、2 月，优良天数多集中在5 月至9 月。从污染天AOD 看，各点位累计出现重度及以上污染天共计40 d，其中在AOD 大于1.5 的情况下出现污染天有22 d，占比达到55%,表明大气浑浊度较高的情况下，大气垂直扩散条件越差。从各点位来看，在重度及以上污染天中，各点位AOD 大于1.5的天数均在50%以上，其中以李相点位为最高，达到60%。另外，夏季受降水影响，AOD 呈波动变化趋势，出现过高值，但此时AOD 较高主要是雷达监测空气中大量水汽所致。

图2 2019 年沈阳地区各雷达组网点位不同空气质量下AOD 分布情况

历史数据显示，AOD 最高值在5.0 左右，说明污染层较厚，扩散条件差，此时若遇上静稳天气，水平风速较小，或空气中相对湿度较大，颗粒物吸湿增长现象将导致污染物生成并累积，表明AOD 也是影响空气质量的主要因素之一。

3.3 AOD 与颗粒物浓度相关分析

考虑到AOD 季节性分布特征，本研究分析了四季AOD 与环境空气中两项颗粒物PM2.5，PM10浓度的关系。如图3 所示，AOD 与颗粒物浓度呈正相关关系，且多数均通过了显著性水平检验，此研究结论与吴炜等［17］研究结论一致。整体来看，春季、冬季AOD 与两项颗粒物浓度相关性最好，秋季次之，夏季最差。其中，相较于PM10，AOD 与PM2.5浓度相关性更好一些，且在春季更为明显。AOD 与PM2.5，PM10浓度相关性最好的出现在冬季辉山大街点位，相关系数r 分别为0.46，0.41。综合上述结果，对于颗粒物浓度而言，与AOD 相关性较好的区域主要集中在城市东北部，反映出AOD 的变化趋势对于沈阳地区东北部区域有更好的代表性。

图3 2019 年沈阳市各雷达组网点位四季AOD 与颗粒物浓度相关系数

3.4 气象因素对AOD 的影响

气温、相对湿度以及风速是影响气溶胶光学特性的重要参数，当相对湿度超过60%时，颗粒物吸湿增长是影响气溶胶光学特性的重要因素［18］。考虑到季节性差异，分季节讨论各点位AOD 数据与气象因子的相关性。2019 年沈阳市各雷达组网点位四季AOD 与气象因子相关系数见图4。由图4 可知，各雷达点位AOD 在四季均与相对湿度呈现出显著正相关，主要是由于在相对湿度较高的情况下，环境空气中气溶胶粒子与水汽结合，出现吸湿增长，其散射作用也会随之增强，从而出现AOD 升高。春季与冬季为AOD 与湿度相关性最好的季节，秋季次之，夏季最差；其中，春季辉山大街、冬季李相点位AOD 与湿度相关系数最高，相关系数R 分别为0.62，0.68。AOD 与气温的相关关系中，夏季、冬季二者相关性相对较好，呈显著正相关，其中冬季的超级站点位相关系数较高，为0.33，说明随着气温的升高，大气湍流活动增强，且有益于逆温层的破坏，有利于扩散条件的转好，AOD 随之下降。AOD 与风速的相关关系中，秋季、冬季二者相关性相对较好，呈显著正相关，主要是由于风速的增大有利于环境空气中污染物气溶胶团的扩散，同时也影响着AOD［19］。

图4 2019 年沈阳市各雷达组网点位四季AOD 与气象因子相关系数

4 结论

（1）沈阳市激光雷达组网AOD 季节特征存在差异性。受降水影响，夏季AOD 最大，为1.32；春季与冬季AOD 受采暖季及沙尘天气影响相差不大，分别为0.78，0.72；秋季AOD 最小，为0.68。从空间区域分布看，受人为活动、工业污染源及交通排放的影响，市区中心AOD 相对较高。

（2）在冬季重度及以上污染天中，AOD 大于1.5对于颗粒物重污染过程具有重要指示意义；AOD 大于1.5 对于重度及以上污染天的预测概率可达50%以上。但针对不同情况，如春季西南大风下的沙尘传输过程、夏季阵性降水导致空气中湿度较大等特殊情况需另作考虑。

（3）春季、冬季AOD 与颗粒物浓度相关性最好，秋季次之，夏季最差；且AOD 与PM2.5相关性好于PM10。从数据结果看，AOD 的变化趋势对于沈阳地区东北部区域有更好的代表性。

（4）选取的主要气象因子中，各雷达点位四季AOD 均与相对湿度呈现出显著正相关，主要由于气溶胶粒子与水汽结合吸湿增长；春季与冬季为相关性最好的季节。城市东北、东南部AOD 与湿度相关性最高，相关系数R 分别为0.62，0.68。秋冬两季，市区南部AOD 与气温、风速呈显著正相关，均说明随着大气湍流活动增强，扩散条件的转好，AOD 随之下降。