基于微脉冲激光雷达的上海浦东地区不同强度霾研究

王 苑,耿福海,*,陈勇航*,贺千山,,张 华,潘 鹄,毛晓琴 (.东华大学环境科学与工程学院,上海060；.上海市气象局,上海 005；.中国气象局国家气候中心,北京 0008)

由于经济快速发展、人口车辆密集,霾已经成为影响上海大气环境质量的主要污染现象,给人体健康、生态环境和交通安全等带来了严重危害[1],是困扰政府及民众的急需解决的重要环境问题.

地面气象观测规范[2]定义:“霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于 10km 的空气普遍混浊现象,霾的特征或成因是大量极细微尘粒,均匀浮游空中,使空气普遍浑浊”.近年来,有关霾的研究受到国内外学者的关注[3-6],在城市霾天气的判定[7]、霾的成因分析[8]、源解析[9-10]、气溶胶特性[11-13]、能见度及其影响因素[14]等方面取得了重要进展,认为城市霾频繁出现是由于经济迅速发展和城市化进程加快,人类活动影响加剧使大气气溶胶污染日趋严重造成的, 表现为细粒子PM2.5增多造成的能见度下降[15].以往对大气气溶胶的研究主要是通过地面采样分析其组分[16-18],近年来卫星遥感气溶胶光学特性的研究取得了长足进展,如吴兑等[19]通过 EOS/MODIS卫星遥感分析探讨了珠三角一次典型霾过程的整层大气气溶胶特性,徐婷婷等[20]利用 CALIPSO星载激光雷达监测上海地区霾气溶胶消光系数的垂直分布,刘琼等[21]也利用 CALIPSO资料分析了上海地区发生不同强度干霾时气溶胶的垂直分布特征,为霾研究提供了新的角度.但是卫星遥感由于过境时间的限制难以提供连续的实时气溶胶观测数据.而作为主动遥感的地面微脉冲激光雷达(简称MPL),以其高时间分辨率能够提供从近地面至高空的气溶胶的垂直分布情况,因而是一个强有力的实时监测工具[22].

目前,国内外学者在利用地面微脉冲激光雷达监测大气气溶胶[23-25]、大气边界层[26]、研究气候变化[27]等方面已做了许多工作,在测量大气能见度方面也有较多应用.陈敏等[28]提出了利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度进行测量, 唐磊等[29]利用自行研制的半导体激光雷达能见度仪探测大气水平及斜程能见度.但利用激光雷达进行城市霾污染的研究仍然较少.Noh等[30]利用拉曼散射激光雷达研究了韩国光州一次重度霾气溶胶的光学特性和微物理特性.李礼等[31]利用Mie散射激光雷达分析了重庆地区2009年11月23-27日一次典型灰霾天气条件下连续的气溶胶演化过程.

本文主要利用地面微脉冲激光雷达消光系数的Fernald反演资料,结合地面其他气溶胶观测和气象资料,研究了2008年12月1日至2010年11月31日期间上海地区不同强度霾气溶胶消光特性的垂直分布特征,并从其日变化和季节变化特征角度将不同强度霾及非霾天气进行对比,期望能为认识和区分中-重度霾提供参考依据.

1 资料与方法

大气气溶胶消光系数数据来自 MPL_4B型微脉冲激光雷达系统(MPL)的 Fernald反演资料,MPL安装于上海市城市环境气象中心(31°13’16.6”N,121°32’54.8”E)三楼观测平台上的恒温室内(23.3℃),由激光发射系统、光学收发系统、探测器和数据采集系统四部分组成.其主要技术参数有:波长527nm;激光器类型ND:YLF;单次脉冲能量6～8μJ;脉冲宽度 24ns;脉冲重复频率 2.5kHz;激光发散度为 0.00286°;接收视场0.00573°;距离分辨率为 30m;积分时间是 30s;探测盲区为200m.采用Fernald远端求解法反演激光雷达消光系数.

表1 霾预报等级[32]Table 1 Forecast level of haze[32]

结合2010年6月1日中国气象局实施的《霾的观测和预报等级》[32]和相关研究[7],霾为能见度小于10.0km,相对湿度小于95%时,除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍以外的低能见度大气污染现象,并据此定义: 当研究时段内(一般为 1h)平均能见度小于 10.0km,平均相对湿度小于 95%,且排除该时段内出现降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气,则认为出现霾天气,定义该时段为霾时;平均相对湿度小于 80%的霾定义为干霾,平均相对湿度在 80%～95%之间的霾则定义为湿霾;8:00～18:00期间,霾时出现2次以上,则定义该日为霾日;按能见度大小将霾等级分为重度(0～2km)、中度(2～3km)、轻度(3～5km)和轻微霾(5～10km).大气能见度、相对湿度、风速等气象数据采用芬兰Vaisala公司Milos500七要素自动监测仪观测.降水、沙尘暴等天气现象的判断来自浦东气象站观测员目测.

2 结果与讨论

2.1 不同程度霾的时间分布特征

图1和表2给出了不同强度霾的季节分布频率.夏冬两季重度霾的发生比例为 7.9%和 6.3%,而春秋两季发生重度霾的比例仅为4.9%和3.1%,夏冬两季发生重、中度霾的比例高于春秋两季,说明夏冬两季发生霾时的污染程度较重.冬季易发生重度霾可能是因为气温低,大气垂直湍流较弱,边界层较低,不利于气溶胶的扩散和输送.夏季易发生重霾则可能是由于夏季湿度较高,而高湿度的霾天产生的消光更强[33],从而易导致低能见度的发生.有研究表明,当相对湿度达到 70%～80%时,水分可以贡献气溶胶总质量的 50%,甚至更多[34].

2.2 不同强度霾消光系数垂直分布日变化

图1 不同强度霾的季节分布特征Fig.1 Seasonal distribution characteristics of different intensity of haze

表2 不同强度霾的季节频率分布(%)Table 2 Seasonal frequency distribution of different intensity of haze(%)

图2～图5反映了春、夏、秋、冬四季上海浦东地区无霾(V≥10.0km)、轻微轻度霾(3.0km≤V＜10.0km)及中-重度霾(V＜3.0km)气溶胶消光系数垂直廓线日变化趋势,并以 08:00,12:00,15:00,18:00四个时次分别代表一日的清晨、中午、下午和傍晚时段.HUANG等[35]在黄土高原地区利用微脉冲雷达观测发现,在晚上与清晨,气溶胶层大多维持在 2km 以下,而在下午和傍晚,气溶胶层出现在 1～3km,3～10km 范围内气溶胶消光散射系数很小.上海浦东地区激光雷达数据显示 3km 以上消光系数很小,因此本节主要对3km以下的气溶胶消光系数进行分析.

从图2可以看出,春季无霾时段的2km以下小时平均消光系数波动范围约在 0～0.2km-1(除早8:00),2km以上大幅度波动,可能受云层干扰;轻微轻度霾时段平均消光系数波动范围约为0～0.5km-1,中-重度霾时段平均消光系数范围增加到 0～1.2km-1,分别是无霾和轻度霾的 6倍和2.4倍.无霾和轻度霾时段的消光系数日变化不明显,波动无规律.而图 2c显示中-重度霾消光系数小时均值呈现先升高再降低的过程,早8:00在210m和450m处各出现一个消光高峰,峰值分别约为 0.37km-1和 0.27km-1;到中午 12:00,消光高峰降低至 300m,消光峰值增大为日间最大值 1.11km-1;下午 15:00气溶胶层抬升至 330m,但消光系数减小至 0.46km-1;到了傍晚,气溶胶层开始下降(降至 270m),而消光系数重新上升,达到 0.64km-1,可能是受下班晚高峰的影响,交通运输污染排放导致污染加重.中-重度霾过程气溶胶层始终维持在330m以下的低空层中.

图 3是夏季不同强度霾消光系数垂直分布特征.夏季中-重度霾消光系数范围在 0～0.7km-1,无霾时段的消光仍维持在 0.2km-1以内,轻微轻度霾的消光系数范围在 0～0.4km-1.从图 3c可以看出,夏季早 8:00,首个消光高峰出现在 360m,为0.36km-1;之后的消光系数日变化经历了与春季中-重度霾相似的过程,消光系数均值先升高再降低,午时达到最大值0.65km-1(270m).整体气溶胶层维持在500m以下.

图4表明秋季中-重度霾发生时消光系数在0～0.7km-1范围内波动,无霾时段除早8:00消光均在 0.2km-1以内,轻微轻度霾的消光系数范围在0～0.4km-1.从图 4c可以看出,与春夏不同的是,上午8:00在800m处有一个较高的消光高峰值区.中午12:00的气溶胶层降低至400m左右,同样出现午时高峰.15:00消光降到最低,观察不到明显的峰值.傍晚18:00消光增大.

从图 5可以看出,冬季消光系数的波动幅度较大,没有明显的日变化规律,这可能是由于冬季天气条件较差、边界层结构易受人为热源影响而不稳定[36],或者云系的干扰造成.

图2 上海浦东地区春季不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线日变化Fig.2 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of spring in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

图3 上海浦东地区夏季不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线日变化Fig.3 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of summer in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

图4 上海浦东地区秋季不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线日变化Fig.4 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of autumn in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

图5 上海浦东地区冬季不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线日变化Fig.5 Daily variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of winter in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

从图2～图5可以看出,随着高度的增加,中-重度霾时段气溶胶消光系数迅速减少,中-重度霾时气溶胶层大多在 1km以下,1km以上的大气气溶胶消光基本为零.对比不同强度霾日及无霾日的消光系数垂直廓线图可以发现,随着水平能见度降低,污染程度逐渐加重,气溶胶消光系数值逐渐增加,气溶胶层高度则不断降低.无霾和轻度霾无明显的消光系数日变化规律.中-重度霾时段,早上 8:00,气溶胶层比较容易在低空(210m左右)聚集(除秋季),这主要是由于夜间温度较低,地表长波辐射冷却使地面温度迅速降低,近地层大气易形成逆温,颗粒物不易扩散,也有可能受城市交通早高峰、大量机动车尾气排放影响,因此上午是比较容易出现污染的时段;之后一直到下午 15:00,聚集的气溶胶层不断向高处抬升,这是由于日出之后,受太阳辐射作用,地表温度逐渐升高,热量向大气传递,湍流运动充分发展,逆温层削弱并逐渐消散,边界层抬升,气溶胶被输送至较高高度;至傍晚,随着日照减弱,边界层降低,气溶胶层也随之降低.一天之中,长江三角洲地区逆温出现时间约在傍晚,并在第2d早晨或中午消散[37],这与图2～图5所示中午的大气消光系数最高,气溶胶浓度最大,下午的气溶胶浓度最小(除冬季)具有一致性,表明逆温是限制颗粒物扩散的重要原因.一天中下午的大气层结较不稳定,大气边界层发展,扩散条件有利,空气质量比较好.

2.3 不同强度霾消光系数垂直分布季节变化

图6 上海浦东地区不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线季节变化Fig.6 Seasonal variation of different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

图 6 分别反映了上海浦东地区无霾 (V≥10.0km)、轻微轻度霾(3.0km≤V＜10.0km)及中-重度霾(V＜3.0km)气溶胶消光系数垂直廓线季节变化.不同季节的消光系数变化范围有明显差异.图6a表明,无霾时段2km以上气溶胶消光呈现春＞冬＞秋＞夏变化特征,1～2km 气溶胶消光系数则为冬＞秋＞春＞夏,1km 以下气溶胶消光系数呈现冬＞夏＞秋＞春的特点,但是在 210m 左右,夏季平均消光系数出现一个高峰,远远高过其他季节.夏季大气湿度相对较高,大气吸湿性导致低层大气消光较高;春季大气频繁受来自于北方的扬沙天气影响,因此高层大气消光系数较高;而冬秋两季趋势都是随高度增加消光逐渐降低,冬季消光波动剧烈;秋季由于西北干燥高压天气影响,空气较洁净,大气消光波动平缓.

图6b、图6c中不同强度霾时段与无霾时段的消光系数季节变化规律相似,但霾天气高空大气消光系数更小,低空大气消光更大,消光系数范围更加离散.中-重度霾天气近地面出现气溶胶污染高值区,与人类活动污染物排放——特别是机动车尾气排放较多,致使大量的污染物积聚在大气低层密切相关.

图7 上海浦东地区不同强度霾气溶胶消光系数垂直廓线Fig.7 Different intensity haze aerosol extinction coefficient vertical profile of spring, summer, autumn, winter in Shanghai from December 1, 2008 to November 31, 2010

图7 反映了上海浦东地区无霾、轻微轻度霾及中-重度霾气溶胶消光系数范围.从图4可以看出,中-重度霾时段气溶胶层主要聚集于500m以下低空中,其最大值分别能达到 0.29km-1(春240m)、0.17km-1(夏 240m)、0.045km-1(秋 210m)、0.26km-1(冬 240m),春＞冬＞夏＞秋,这说明冬春两

季不仅较易出现霾天气,而且出现重度霾时污染程度也更严重.春季北方沙尘的远距离输送、冬季大气层结的稳定性是主要原因.夏季太阳辐射强烈,日间地表辐射增强,大气不稳定度增加,对流边界层旺盛发展,从而使得污染物较易扩散.低空大气气溶胶消光系数总体呈现中-重度霾＞轻度霾＞无霾(除秋季).而在 500m 以上大气中,中-重度霾时段大气气溶胶均远小于非霾时段和轻度霾时段,非霾时段和轻度霾消光系数相差不大.霾层上方大气消光系数迅速减小是霾污染大气消光的重要特征,有研究表明,这一高度大气气溶胶颗粒物数浓度明显减少[38].

3 结论

3.1 夏冬两季较易发生中、重度霾,即发生霾时的污染程度较重,而春秋两季发生轻度霾和轻微霾的比例较高.

3.2 随着霾污染程度逐渐加重,气溶胶消光系数值逐渐增加,气溶胶层高度则不断降低.无霾和轻度霾无明显的消光系数日变化规律.中-重度霾时段,早上8:00,气溶胶层比较容易在低空聚集.一天之中,中午的气溶胶浓度最大,下午的气溶胶浓度最小.春、夏、秋三季无霾时段小时平均消光系数波动范围约在 0～0.2km-1;轻微轻度霾时段平均消光系数波动范围约为 0～0.5km-1,中-重度霾时段平均消光系数范围增加到0～1.2km-1,分别是无霾和轻度霾的6倍和2.4倍.冬季消光系数的波动幅度较大,没有明显的日变化规律.

3.3 夏季低层大气消光较高,春季高层大气较高,冬秋两季随高度增加消光逐渐降低.重、中度霾日的气溶胶主要分布在 500m 以下.低空大气气溶胶消光系数整体呈现中-重度霾＞轻度霾＞无霾,其中中-重度霾时段消光系数春＞冬＞夏＞秋.500m以上大气中,中-重度霾时段大气气溶胶远小于非霾时段和轻度霾时段,非霾时段和轻度霾消光系数相差不大.

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