激光雷达组网在沈阳地区大气污染监测中的应用研究

2022-11-17王佳音孙学斌高木木杜毅明

绿色科技 2022年20期

王佳音,侯乐,王男,孙学斌,李娜,王闯,高木木,杜毅明

(辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁沈阳 110000)

1 引言

大气污染对人类健康、生态环境、气候变化等均有重要影响[1，2]；社会各界也越来越关注大气污染治理、监测和空气质量评价问题[3，4]。目前，随着监测技术和手段的不断进步与发展，地基遥感中的激光雷达以其高度连续性和高时空分辨率的特点已成为研究大气边界层气溶胶光学特性最常用的手段之一[5，6]。将激光雷达监测与近地面环境空气污染物常规监测相结合，对于进一步了解分析污染物浓度时空分布特征、分析大气污染成因、研判污染来源起到重要的技术支撑作用[7]。

目前，我国已从多个方面开展激光雷达对大气污染相关的研究工作[8～10]。激光雷达在获取气溶胶垂直方向的光学特性及混合层高度特征等方面具有优势[11，12]。研究发现，内陆地区大气边界层高度的发展主要受感热通量、粗糙度和风速影响，呈现明显的日变化和季节变化特征，一般表现为春夏高、秋冬低[13]，沿海地区大气边界层高度季节特征与内陆相反[14]。李霞[15]对北京地区的研究结果认为，夏季较高的PBL及维持时间均大于冬季，同时云层对PBL存在显著影响。王佳音等[6]认为，在冬季重度及以上污染天中，气溶胶光学厚度(AOD)大于1.5对于颗粒物重污染过程具有重要指示意义。同时，激光雷达对于不同类型污染天气预报预警及分析均具有重要作用[16～18]。李菲等[19]对广州一次典型灰霾过程进行了分析,指出大气边界层高度较低及偏东和偏南气流带来的高湿度环境是广州出现严重灰霾天气重要原因。杨丽丽[16]对于沙尘过程的分析结果显示，沙源地附近沙尘垂直发展高度为2～3 km，向下游传输过程中沙尘不断向上发展，部分地区达到3～4 km，但沙尘浓度明显减小。李嫣婷[20]研究了深圳市生态区与城区的臭氧(O3)分布，认为城区高空的O3区域传输作用更加显著。近年来，利用激光雷达监测网开展大气污染物时空变化特征的研究已逐渐开展[21，22]，但相对较少。

基于现有的研究多集中在单站点激光雷达对于气溶胶光学特性及污染过程分析等方面，本研究采用沈阳市激光雷达监测网反演数据，探究沈阳市垂直方向扩散条件变化特征，并从多站点雷达组网监测角度对典型气溶胶演变特征及污染过程进行分析研究，以期为沈阳地区大气污染研究提供技术支撑，为大气环境治理提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

沈阳市位于中国东北地区的南部，辽宁省的中部，地势东高西低，以平原为主。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。本研究使用的激光雷达站点包括位于城市西南部的黄腊坨点位、城市南部的李相点位、城市东北部的辉山大街点位，以及市区内部的超级站、陵东街点位共5个激光雷达站点，形成雷达组网。

2.2 数据来源

本研究使用的激光雷达为EV-LIDAR型微脉冲激光雷达，监测数据采用雷达反演的2019年数据。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10J，脉冲重复频率2500 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。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，包括沈阳市黄腊坨、李相、辉山大街、超级站、陵东街5个环境空气自动监测点位颗粒物浓度数据。

3 结果与讨论

3.1 垂直扩散特征分析

PBL作为反映垂直方向扩散条件的重要指标，一般情况下PBL高度越低，越不利于近地层空气垂直混合，大气污染物扩散也就越差。图1为沈阳市2019年各月雷达监测数据反演的PBL变化趋势。从各点位平均情况来看，4月份PBL相对最高，对应的垂直方向扩散条件相对较好；12月份相对最低，对应的扩散条件相对较差；7月份PBL也较低，考虑主要是受到频繁降水过程影响，导致PBL较低。从各点位具体PBL看，超级站点位在一年的大多数月份中PBL均较高；辉山大街点位在大多数月份中均低于PBL均值。

图1 沈阳市2019年1～12月各雷达点位PBL变化情况

为进一步探究中度及以上污染天各雷达点位垂直扩散情况，由图2可知，中度及以上污染天主要分布在1～4月份及10月份、12月份。其中，1～4月份及10月份，各雷达点位PBL主要集中在400～800 m范围波动，12月份中度及以上污染天垂直扩散条件相对较差，对应的PBL仅在200～400 m范围内波动。从各点位具体PBL分布情况看，整体相差不大，仅4月各点位PBL差距较大，一般来讲，4月中度及以上污染天主要以沙尘污染过程为主，而沙尘污染过程主要是由于风速较大，吹起本地扬尘或受到上游污染城市的传输影响，一般情况下垂直方向扩散条件尚可，因此部分时段PBL并不是很低。

图2 沈阳市2019年中度及以上污染天各雷达点位PBL变化情况

3.2 典型细颗粒物污染特征

3.2.1 本地积累型

1月11～14日，沈阳市共出现2 d重度污染、2 d中度污染；空气质量指数(AQI)分别为198、262、234、186，首要污染物为PM2.5，15日空气质量转为良。本次污染主要以不利气象条件下污染物在本地持续累积为主，同时也受到周边区域污染影响。

图3为雷达组网监测结果，可以看出11日白天，沈阳市PBL出现明显下降趋势，垂直方向扩散条件转差，5个雷达点位PBL在600～800 m范围内波动，本地出现污染物累积趋势。12日凌晨，高空2000 m处出现污染物气溶胶团，并有沉降至近地面的趋势，此后各雷达点位PBL持续较低，受到本地累积和高空污染物沉降的共同影响。13日PBL再次降低，污染物累积严重。14日随PBL抬升，累积在地面的污染物向高空扩散。

图3 1月11～14日激光雷达组网PBL、消光系数及退偏比监测结果

本次重污染过程，各点位激光雷达PBL持续较低，且后期在PBL原本已经较低的情况下，出现再次下降的趋势，导致垂直方向扩散条件极差，且迟迟未出现抬升趋势。加之期间短时段内受到高空污染沉降影响，导致污染过程持续。

3.2.2 区域传输型

2月27日至3月5日，共出现重度污染4 d、中度污染2 d、轻度污染1 d；AQI分别为227、149、165、196、247、249、246，首要污染物为PM2.5，6日空气质量转为良。2月下旬以来，在工业企业春节后逐渐复工、大范围秸秆焚烧叠加的情况下，京津冀及周边地区持续长时间重污染天气过程。在西南风持续影响下，污染区域逐渐北移。27日以来，MODIS卫星遥感火点图监测到黑龙江、吉林、辽中南、河北北部存在大量秸秆焚烧火点。

图4为各点位的雷达监测图，27日中午开始，沈阳市各点位PBL出现明显下降趋势，从1200 m降至600 m左右，垂直方向扩散条件转差。28日中午时段，高空2000 m处出现大量污染物气溶胶团沉降至近地面，与本地污染物叠加。直至3月2日下午，高空再次出现污染沉降，各雷达监测点位PBL未出现明显抬升，污染物持续累积。

图4 2月27日至3月5日激光雷达组网PBL及消光系数监测结果

本次重污染过程，各点位激光雷达PBL整体表现出较明显的日变化特征，表明边界层扩散条件尚可，但由于高空污染沉降及传输等原因，沈阳市污染过程持续。

3.3 沙尘污染过程

4月4日下午至5日早晨，我市及周边地区持续出现严重沙尘污染天气，此次沙尘污染主要是在大风条件下本地扬沙和周边区域沙尘传输共同影响所致。4月4日，沈阳市空气质量严重污染，AQI 377，首要污染物为可吸入颗粒物(PM10)。4日下午起，沈阳市地面由低压前强梯度逐渐向低压后移动，风向由西南风转为西北风，转风过程中风速下降较快；转为西北风后，风速再次上升并维持在4.5 m/s左右，沈阳市沙尘污染有所缓解，但可吸入颗粒物浓度下降速度较慢。沈阳市周边铁岭、鞍山、辽阳、抚顺可吸入颗粒物浓度变化与沈阳市相似，均呈缓慢下降趋势。具体风力风速见图5。

图5 4月4～5日地面风力风速变化

从图6的雷达监测结果可以看出，4日上午，高空出现大量沙尘污染物气溶胶团，并沉降至本地，与低空及近地面污染物叠加。4日下午，各监测点位PBL由西南部点位率先抬升，随后是城市中心点位。5日早随PBL升高，风速减小，污染物逐渐消散。本次重污染过程，各点位激光雷达PBL整体表现出较明显的日变化特征，且PBL较高，最高可达1500 m，表明边界层扩散条件尚可，但同样由于趋于污染传输及沉降等原因，污染过程持续。