构建以激光雷达为核心的区域污染立体监测体系

王界 万学平 胡婷婷 张天舒 董云升

摘要：提出建立以大气颗粒物监测激光雷达、大气臭氧探测激光雷达等地基遥感监测仪器设备为核心的区域污染立体监测体系，重点介绍了颗粒态污染物、气态污染物和气象场垂直探测的方法和原理。基于该监测体系，能够准确解析从近地面至高空颗粒态污染物（尤其是细粒子）和大气氧化剂的时空分布规律，结合近地面数据、卫星探测结果，建立剖析污染物的垂直分布特征的方法，准确判识污染团的外来输送过程和局地形成过程，为进一步采取防控、预警措施提供有力的数据支撑。

关键词：地基遥感监测；颗粒物监测激光雷达；臭氧激光雷达；区域污染；外来输送

中图分类号 ： X831；X51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（A）-0000-00

现在我国大气污染已从煤烟型进入复合型污染时期。大气复合污染主要表现为大气氧化性增强、细颗粒物浓度升高、大气能见度显著下降、环境恶化趋势向区域蔓延[1-3]。自2012年来，我国中东部，尤其在“京津冀”、“长三角”、“珠三角”城市群爆发的灰霾污染，就是典型的大气复合污染[4]。大气复合污染已严重制约我国社会经济的可持续发展，威胁人民群众的身体健康[5-7]。

由于大气污染物排放高度集中、城市间大气污染物的相互影響，区域污染特征呈现高度的趋同性和一致性，大气污染防治工作还将面临前所未有的压力。我国城市空气污染状况主要由近地面空气质量监测网提供。目前的空气质量评价指标仅包括SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10在内最基本的污染表征数据[8]。空气质量的监测方法除常规点式空气质量监测技术外，卫星雷达遥感离地面5km内误差较大，探空气球及机载监测因航空管制等原因受时间、空间限制，因此，现有的表征手段及评价指标不能提供足够的信息来确定污染物的动态时空演化过程和变化趋势，因而难以揭示污染的形成、来源、输送影响等根本问题，缺乏对污染浓度水平的必要了解和预见能力，不能够为环境污染源解析及预警预报提供有效数据支撑，亦不能为政府决策者制定污染控制策略提供必要的依据[9-11]。

环境保护部指出，将“区域污染联防联控战略”作为推进我国大气污染防治工作的重要手段和主攻方向，把深化区域污染联防机制作为改善环境空气质量的有效途径，切实提升人民群众的生活环境质量[12]。本文提出尝试构建区域污染立体监测体系，有效实现区域大气污染联防联控。区域污染立体监测体系是整合现有的监测手段，将地基遥感监测技术与常规近地面监测技术、星载机载监测技术有效结合，形成立体的数据平台，在时间与空间纬度上综合分析本区域污染形成过程、污染表现特征、污染输送来源，同时利用环境要素与气象要素探空数据同化污染预报模式系统，提升预报预测准确度，对污染防控措施的执行效果以及改善环境的进展进行评价。

1 技术路线

区域污染立体监测体系的技术路线，包含三个层次的监测模块：近地面监测（地面常规监测、气象监测、大气气溶胶物理特性监测、气溶胶化学成分监测、臭氧前驱体监测），地基遥感监测（气溶胶监测、大气成分监测、空间气象要素监测），天基遥感监测（卫星数据反演、机载数据以及飞艇数据等）。除观测设备外，质量保障体系提供各设备的校准校标，信息共享与发布平台保障多部门的联动协商、应急决策。

1.1 近地面监测

近地面监测内容涉及基本的空气质量评价，即按照空气质量标准（GB 3095-2012）的建设要求，完成空气质量指数的评价。但是空气质量评价6要素仅能够反映与人类活动最为密切的贴地层（20米）以内的污染信息。如果在此基础上，补充气溶胶物理特性的监测，例如PM1，气溶胶的尺度谱信息，气溶胶光散射系数、光吸收系数、消光系数，可以实现对污染过程中气溶胶的生成演化机理以及雾霾判识进行准确的界定，帮助监测人员有效地解析目前灰霾污染强度。对颗粒物中含有的化学组份的详细解析能够帮助监测人员进行污染来源判识。气溶胶化学组分监测内容包括元素碳/有机碳、重金属元素、水溶性离子、无机盐、有机物等。针对我国大气复合污染现状，在开展灰霾细粒子污染特征监测的同时，也需要对污染发生过程中伴随的光化学烟雾水平进行衡量。我国城市地区较高的臭氧浓度水平可能来源于不同的敏感前驱体，通过实时监测近地面的臭氧浓度水平、氮氧化物（NOx）的浓度水平、挥发性有机物（VOCs）以及光化学烟雾的生成物水平（PANs），对光化学烟雾的污染过程进行把握。另外，气象参数的实时记录，也是分析污染形成过程的重要外因。

1.2 地基遥感监测

近地面的监测反映的是限于距地面20～30米内的污染信息，对污染过程中，尤其重污染中是否存在高空的污染物（颗粒态、气态）输送和地面污染物的耦合，近地面的监测结果尚显不足。近年来不断发展激光雷达等地基遥感大气探测技术，能够捕获边界层内、甚至对流层内的污染信息。应用于大气环境探测的地基遥感监测仪器包含三类。（1）颗粒态污染物的探测，例如大气颗粒物监测激光雷达；（2）气态污染物的探测，例如多轴差分吸收光谱仪，大气臭氧探测激光雷达等；（3）空间气象要素的探测，例如微波辐射计，风廓线仪等。

1.2.1 颗粒态污染物的探测

以激光为光源的大气颗粒物监测激光雷达在对流层气溶胶颗粒物的探测高度、垂直跨度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独特的优势。文献[13-14]中对近年来颗粒物监测激光雷达的种类和结构进行了系统的总结。一般地，大气颗粒物监测激光雷达系统包括激光发射系统、光学接收系统和信号检测系统三个子部分组成。激光器出射1064nm/532nm/355nm多种频段的激光，经光束准直、扩束后射入大气。激光脉冲与气溶胶或大气分子相互作用，产生后向散射信号被接收系统获取。接收系统由望远镜和光电探测器组成，其中望远镜用于接收大气后向散射信号，探测器分别对各通道进入的光学信号进行探测，使用光阑滤除背景光。信号经模/数转换、放大后被计算机分析处理。

我国早期采用的激光雷达演用了美国微脉冲激光雷达网（MPL）技术，探测脉冲能量在微焦量级，通过1000～2000个脉冲信号的累积来达到探测的信噪比要求，但由于近十年来我国中东部（如“十二五”规划的重点区域）灰霾污染呈现出区域性和重污染频发的特征，污染过程中高空气溶胶层较厚，微焦的探测脉冲无法有效穿透，探测的有效距离不超过1公里，无法完全捕获边界层内的结构特征。最新发展的激光雷达技术改善了探测脉冲能量，并应用偏振技术，不仅保证了在重污染天气过程中10公里以内的气溶胶信息探测，同时对空间分布的颗粒物形态特征进行判识，为进一步解析颗粒物的来源提供数据支持[15-16]。近年来，中国科学院提出的将颗粒物激光雷达与风廓线仪相结合可以监测颗粒物区域输送通量的技术[17]。通过在城郊之间放置激光雷达和风廓线雷达，可以监测输入和输出的不同高度的气溶胶颗粒物通量。激光雷达和风廓线雷达同步实时工作，激光雷达测量的气溶胶颗粒物后向散射系数，根据激光雷达方程反演出颗粒物的垂直分布。风廓线雷达获取距地面不同高度风场数据，将风场矢量数据与输送通道方向矢量进行矢量相乘，则获取风向在输送通道上的投影值，即颗粒物在输送路径上的输送速度，然后乘以颗粒物浓度，定量得到不同高度的输送通量。对不同高度的输送通量求和，从而获得输送总量。

1.2.2 气态污染物的探测

气态污染物区域排放通量的测量是利用太阳散射光作为光源的差分光学吸收光谱技术（differentia1 optical absorption spectroscopy，DOAS），测量天顶紫外/可见吸收光谱，通过有关的反演算法可以获得痕量污染气体的垂直柱密度和空间分布。将多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）装置在车载移动平台上，沿路径对烟羽剖面进行扫描测量，或者沿城市环路测量。通过DOAS算法获得每个采样点的垂直柱密度（VCD），利用风廓线仪获得风向和垂直于运动方向的风速（V风，┴），以及车速（V车）和单次采样扫描烟羽的时间（Δt），那么，单位时间内污染物的排放通量F可由下式表示：

（1）

为了获取区域内污染物的输送净通量，通常采用围绕源一周连续进行测量的方法，根据风向、风速，通过进、出通量的差获得净通量。MAX-DOAS能够实现对区域内的SO2，NO2等痕量气体实现测量。对大气臭氧（O3）的高分辨率探测需要依赖大气臭氧探测激光雷达技术。

大气臭氧探测激光雷达也是一种激光雷达技术，采用了差分吸收光谱反演算法，通过测量多个波长处臭氧的吸收，定量反演大气中不同高度处的臭氧分子数。由于臭氧探测激光雷达结合了激光雷达和DOAS技术，使得臭氧浓度的反演精度低至几个ppb量级。臭氧在紫外区存在强烈的吸收，探测对流层臭氧时，波长一般选在小于300nm的紫外区，同时还要考虑到激光器的性能价格等因素。Nd：YAG激光技术是一种比较成熟的技术，结合D2，H2和CH4气体的受激Raman散射技术，可以获得探测臭氧需要的激光波长，例如289nm，316nm等。目前我国仅有中科院安徽光学精密机械研究所等单位能够处主研发大气臭氧探测激光雷达[18]。

大气臭氧探测激光雷达也包括发射系统、接收系统和信号解析系统三部分。发射系统中包括激光器和扩束器，激光器出射266nm频率的激光，经过充有D2的拉曼管，产生拉曼频移，获得289nm和316nm的激光探测光束，激光光束经扩束后射入大气，产生含有266nm，289nm和316nm波长信息的后向散射信号经望远镜等接受系统后并由光谱仪作光谱解析，三个独立的光电探测器分别对266nm，289nm和316nm三个通道的光学信号进行探测，最后由计算机解析。

大气臭氧探测激光雷达结构原理 （LIDAR-G-2000）

1.2.3 空间气象要素探测

大气低层风场、温湿度场能够影响气溶胶颗粒物和污染气体的输送和扩散过程。风速越大越有利于空气中污染物的稀释扩散，显然，也会导致污染物的长距离输送。微风或静风则会抑制污染物的扩散，使近地面污染物聚集和增加。逆温逆湿层的存在，也会使污染物的垂直扩散条件受阻，加重近地面的污染程度。因此，开展大气风场、温湿度场的探测，积累空间气象数据，能够帮助监测人员说清楚环境污染发生过程中的大气稳定程度，为空气污染预警提供数据支撑[19]。

微波辐射计的工作原理是被动遥感探测技术，可以连续获取大气温度、相对湿度、水汽以及液态水含量，这些数据广泛应用于天气预报、监测飞机结冰、决定飞行轨迹和声传播的密度廓线、卫星定位和GPS测量等[20]。根据大气微波吸收光谱，水吸收线在22GHz附近，并且幅值随着高度增加而降低，利用这个频率范围获取水汽廓线。在60GHz附近， 氧气吸收相对比较强。通过使用在氧气吸收带附近的多个通道，可以获得温度廓线。低分辨率的液态水廓线是由在22～59 GHz范围来得到， 同时还需要云底高度的测量。云底高度是通过云底温度的红外天顶观测以及反演得到的温度廓线来得到的。

风廓线雷达，也称为风廓线仪，是一种新型的测风雷达，它以晴空大气湍流对入射电磁波的散射回波为探测基础，采用多普勒雷达收发技术体制，通过依次测量1个天顶垂直波束指向和东、南、西、北4个倾斜波束指向上各个距离库的多普勒速度，在大气水平均匀的条件下，用同一高度上的5个波束指向的多普勒速度测量值联合求解出大气3维风场。我国风廓线雷达技术的发展历程可以参考文献[21]。

1.3 天基遥感监测

天基遙感监测包括机载航测，球载深空探测和卫星遥感监测。近些年，无人机被应用于环境监测，但是其受航空管制以及载荷有限等因素，目前仅有几个监测单位或企业提供无人机服务。城市气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth ，AOD）反映了城市大气的污浊程度，高分辨率的卫星遥感提供了监测城市大气污染的可能性。卫星遥感弥补了一般地面观测难以反映污染物空间具体分布和变化趋向的不足，但对于光学厚度反演过程中源于地表反照率和气溶胶模型带来的误差难以估计，需要同时有地面的观测进行比对[22]。现在应用较为广泛的开源数据是美国地球观测系统计划中TERRA和AQUA卫星搭载的中分辨率成像光谱仪（MODIS），能够提供最小250米空间分辨率的遥感影像和每日太阳光学厚度数据。我国的风云系列卫星（FY-1）已搭载可见光和红外窗口，能够很好地识别城市区域气溶胶和沙尘分布。

2 系统集成应用

系统的集成应用通过数据中心平台实现，中心平台结构如图所示。该平臺建立在气象数据库和大气污染数据库的基础上，通过分析各污染物的时空变化特征（内因）和气象场条件，满足细粒子污染评价、光化学烟雾判识、污染物跨界输送和源解析的应用。

区域污染立体监测体系数据中心平台

3 结论展望

大气颗粒物监测激光雷达、大气臭氧探测激光雷达、风廓线雷达、微波辐射计等地基遥感监测仪器对大气颗粒物、臭氧浓度、风场和温湿度场等参数开展垂直廓线测量，是对近地面观测内容的有力补充，也弥补机载、星载数据在时间、空间的不足。通过整合近地面监测、地基遥感监测、天基和星基监测，基本构建“地空天一体化”的区域污染立体监测体系，采用“地空天一体化”的数据综合分析方法，能够描述区域大气污染过程，区域大气污染特征和区域污染的输送来源，定量衡量污染物输送通量，进一步提升区域大气污染预警预报水平。

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