安阳市大气气溶胶激光雷达秋冬季监测案例

傅 冰，谢永霞，崔星华

(1.河南省安阳市生态环境监控中心，河南 安阳 455000；2.河南省安阳市生态环境科学研究所,河南 安阳 455000)

1 引言

大气气溶胶是悬浮在大气中空气动力学直径为0.001～100 μm 的液体或固体微粒体系[1]。城市上空的大气气溶胶颗粒极大影响了环境质量，影响人体健康。激光雷达是大范围快速监测大气环境的新型遥感探测设备，利用气溶胶激光雷达进行连续扫描且同时进行垂直监测探测外来的传输影响，可以监测城市高空污染演变、大气颗粒物跨界输送，开展污染物扩散规律研究，对大气环境监测和大气科学研究有着重要的意义, 具有其它测量手段不可替代的优势[2]。

目前国内应用激光雷达探究大气污染案例较多，其中潘鹄等利用激光雷达分析了上海的一次灰霾过程[3]；2002 年，刘东等[4]使用激光雷达对合肥上空卷云和沙尘气溶胶进行了观测及分析。北京上空的气溶胶特性，也被邱金桓等[5,6]分别在 2003 年和 2005 年进行了观测。之后，越来越多的激光雷达观测在我国不同地区展开[7～16]，对当地大气气溶胶光学及物理特性进行了较为深入的研究，取得了丰富的成果[17]。

气溶胶激光雷达由激光发射单元、光学接收单元、信号接收和数据采集处理4部分构成，能够进行水平和垂直扫描，颗粒物激光雷达软件三维显示空间数据，反演数据结果以伪彩图形式在三维地理信息系统(GIS)平台上显示。主要用于探测大气气溶胶垂直分布、监测大气边界层时空演变特征、反演颗粒物质量浓度、大气能见度，识别沙尘、烟尘等非球形粒子，研究气溶胶的光学性质以及传输与扩散的特性。

安阳市生态环境监控中心利用气溶胶激光雷达对安阳市的气溶胶进行了监测，从而分析研究监测期间的雾霾成因、追踪记录沙尘、查找颗粒物排放源、监测排放影响范围(面积)、监测颗粒物通量判别区域颗粒物输入或输出以及监测城市颗粒物立体分布。

2 垂直观测(特征天气下：沙尘+雾霾)

安阳市生态环境监控中心在2020年度第四季度应用天眼气溶胶激光雷达开始实施对安阳市布点监测，2020年11月1日至2021年2月1日激光雷达连续运行3个月，通过该时段大量的数据记录气溶胶的时空变化，探索本地污染排放规律、沙尘雾霾传输等特征天气。

2.1 以11月上旬颗粒物监测结果为例

由图1～5图分析：11月上旬颗粒物数据整体表明PM10占比维持较高，成为首要污染物；雷达退偏数据表明1日、6～7日、9～10日经历较重沙尘传输，传输高度在2 km以内，并快速影响近地面导致近地面PM10浓度维持较高。

图1 国控站点PM10、PM2.5浓度

3.2 安阳市垂直观测总体结论

(1)11月1日、11月6～7日、11月9～10日经历北方沙尘传输影响，传输高度在2 km以内。其中9～10日传输高度在1 km以内。 12月13日出现一次较严重沙尘传输过程，传输高度在2 km以内。12月23日出现浮尘传输，传输高度在1 km以内。12月29日～30日受北方冷空气影响出现沙尘传输影响，传输高度在2 km以内。1月6～7日受北方沙尘传输影响近地面PM10浓度占比较高，传输高度在2 km内。1月中旬经历两次较严重沙尘传输沉降影响过程，10～19日其中13日达到峰值。传输高度在2 km以内。1月27～29日受北方沙尘传输影响，近地面PM10浓度快速升高。

图2 激光雷达消光系数

图3 激光雷达退偏比

图4 后向轨迹图(11月4～10日)

(2)11月13～15日受细颗粒传输气团影响，传输高度主要集中在800 m左右，并与近地面形成混合对流影响加重本地细颗粒污染；11月16～17日受静稳高湿以及叠加500 m传输气团造成本地细颗粒浓度持续累积，加重PM2.5的污染11月25～26日、29～30日经历两次细颗粒传输影响，传输高度均在1 km以内并叠加高湿云团，造成近地面PM2.5小时峰值达到200以上。12月6～7日、9～10日出现两次严重污染过程，均是由外来传输与本地形成混合对流并叠加高湿形成复合型污染过程。11月26～29日早时出现细颗粒传输并叠加本地形成复合型污染，传输高度在600 m左右。1月2～5日受细颗粒气团传输沉降并叠加本地污染形成混合，造成近地面PM2.5浓度占比较高。1月22～23日、25～26日出现细颗粒传输沉降影响，近地面PM2.5浓度快速升高。

图5 后向轨迹图(11月11～17日)

3.2.3 结论

11月份至次年1月共计出现：10次沙尘传输沉降过程，其中1月10～19日最为严重。统计沙尘传输高度得出到达安阳城区沙尘传输高度为2 km以内，浮尘高度在1 km以内，传输方位均为西北方向。

11月份至次年1月份共计出现11次雾霾传输过程，传输高度集中在1 km以内，主要高度分布在600～800 m之间，传输方位以东北以及西南方位为主。

3 激光雷达水平扫描

3.1 通过秋冬防天眼雷达扫描得出较多固定污染源排放

3.1.1 环保局楼顶雷达

朝霞路与迎春东街、迎春东街与兴盛路、八里庄紫薇大道与曙光路交汇、平原路与建安街、光明路与灯塔路、朝霞路与灯塔路交汇、文峰大道与光明路交汇、人民医院新院、郑家庄、大八里庄出现、文明大道与光明路交汇、光明路与迎春东街交汇、朝霞路与文峰大道交汇、朝阳路与紫薇大道交汇、文峰大道王村南一街交汇、曙光路与灯塔路、灯塔路与朝霞路交汇、紫薇大道与兴泰路交汇、朝阳路与紫薇大道交汇、光明路与文明大道交汇、安阳迎宾馆附近、朝霞路与紫薇大道平原路与文峰大道多以凌晨时段、白天时段排放为主，以上地理位置为出现频率较高的源，主要以环保局东南方位、正东方位，以及西北方位为主。

源类型为正东方位工业排放、东南方位扬尘源排放、西北方位餐饮源排放为主。其中东南方位扬尘源排放强度较高且离信访局站点较近极易对信访局颗粒物以及NO2产生贡献。

3.1.2 新华学府楼顶雷达

长江大道与衡山大街、彰德路与益民路交汇、黄河大道与银杏大街交汇、黄河大道与峨眉大街交汇、彰德路与文昌大道交汇、银杏西路与海河大道交汇、彰德路与广顺街交汇、峨眉大街与长江大道交汇、衡山大街与安彩南路交汇、商颂大街与弦歌大道交汇、黄河大道南部区域师范学院附近、黄河大道与峨眉大街交汇、昆仑大街交汇、黄河大道与银杏西路交汇、文昌大道与东风路交汇、明福街与东工路、平原路与文昌大道交汇、中华路与文昌大道交汇、商颂大街与文昌大道交汇、平原路与安豫南线交汇、黄河大道与商颂大街、弦歌大道与商颂大街、弦歌大道与文鼎路交汇、银杏大街与弦歌大道交汇、黄河大街与峨眉大街、东工路与德隆街交汇，以上地理位置为出现频率较高的源，主要以银杏站点东南方位、正东方位、以及西南方位为主，多以早上以及晚时时段排放为主。

源类型为南部东南部餐饮排放、西南方位餐饮源排放为主、正东方位部分工业源，其中东南部餐饮排放源极易对银杏小区站点产生贡献。

3.2 雷达特征图数据

安钢职工学校指向PM2.5、SO2、NO2偏向与工业源；红庙街偏向SO2、说明周边存在燃煤影响，偏散煤型；信访局偏向与NO2以及PM10说明周边存在道路扬尘、尾气影响；银杏小区偏向与NO2以及PM10说明存在施工汽车尾气影响，偏向于SO2、PM2.5说明偏向于餐饮等生活源排放。

3.3 风玫瑰图数据

信访局PM2.5数据贡献来源于西北以及东南部区域、PM10数据贡献西北以及东南部区域，并呈同源性；银杏小区PM2.5、PM10数据贡献来源于站点北部以及东南部影响。

4 建议以及措施

(1)天眼雷达数据以及风玫瑰图说明信访局站点颗粒物主要来源于东南方位以及正东方位的扬尘源以及尾气源。所以需要对东南方位强化扬尘污染防治措施、强化机动车、非道路移动机械管控。

(2)天眼雷达数据以及风玫瑰图说明银杏小区站点颗粒物主要来源于东南方位餐饮、散煤等燃烧以及部分工业源影响，所以需要对此区域开展餐饮业专项治理加大力度排查街边早餐、小吃店散煤燃烧、不定时开展油烟净化抽检抽查。

5 结论

(1)11月份至次年1月共计出现：10次沙尘传输沉降过程，其中1月10～19日最为严重。安阳城区沙尘传输高度为2 km以内，浮尘高度在1 km以内，传输方位均为西北方向。

(2)11月份至次年1月份共计出现11次雾霾传输过程，传输高度集中在1 km以内，主要高度分布在600～800 m之间，传输方位以东北以及西南方位为主。

(3)11月份至次年1月份总结安阳市垂直探空规律得出：出现沙尘传输往往伴随边界层抬升，一般抬升到1.5 km左右，若出现雾霾传输时往往伴随边界层下降，一般下降到0.5 km左右。

(4)国控站点信访局颗粒物主要来源于东南方位以及正东方位的扬尘源以及尾气源，对站点贡献PM10及NO2。

(5)银杏小区站点颗粒物主要来源于东南方位餐饮、散煤等燃烧以及部分工业源影响，对站点贡献颗粒物。