激光雷达在重污染天气应对中的应用

陈 磊

（河北省环境应急与重污染天气预警中心 河北 石家庄 050030）

2013年以来，中国遭遇了有史以来最严重的雾霾天气，尤其是京津冀地区。随着治理力度的不断加大，空气质量取得了明显的改善。2016年，河北省平均达标天数为207 d，占全年总天数的56.6%，较2015年(190 d，52.1%)增加了17 d，较2013年(129 d，35.9%)增加了78 d。2016年，全省平均重污染天数为33 d，占全年总天数的9.0%，较2015年(36 d，9.9%)减少了3 d，较2013年(81 d，22.53%)减少了48 d。

空气质量状况受两方面的影响，一是污染物的排放，二是气象条件的影响，特别是大气边界层的影响成为重要因素。根据环保部对重污染天气应对的指示，为加强京津冀区域重污染天气应对科技支撑能力建设，快速开展重污染天气污染成因分析和应急措施效果评估，将京津冀及周边典型省份气溶胶激光雷达进行联网，分析区域内污染成因，为大气重污染天气应对提供决策支撑和数据支持，对京津冀地区空气质量治理和改善提供科学依据。

1 激光雷达原理

激光雷达(LIDAR，Light Detection And Ranging)是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。光波与大气的相互作用，会产生包含气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等有关信息的辐射信号，利用相应的反演方法就可以从中得到关于气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等大气成分的信息。因此，激光雷达技术基础是光辐射与大气成分之间相互作用所产生的各种物理过程。

当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的大小与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射光由激光雷达探测，通过求解米散射激光雷达方程就可以反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。当发射激光脉冲是线偏振光时，球形粒子的后向散射光会保持发射激光脉冲的偏振特性，但是非球形粒子(如沙尘粒子和卷云中冰晶)的后向散射光会发生退偏，利用激光雷达同时探测后向散射光中的平行分量和垂直分量回波信号，就可以得出大气气溶胶粒子和云的退偏振比垂直廓线，退偏振比数值的大小反映了大气气溶胶粒子和云粒子的非球形特征。

2 京津冀雷达网分布

京津冀雷达网主要为气溶胶可视性雷达，采用垂直监测的方式，监测点位主要分布在北京、天津、石家庄、保定、衡水、邢台、张家口、廊坊、沧州、邯郸、唐山11个城市。

图1 京津冀雷达分布图

3 应用实例分析

2016年12月1日0：00～2016年12月2日0：00京津冀地区经历了一次重污染过程，通过雷达监测数据对此次重污染过程进行分析。

3.1 大气边界层高度对比。大气边界层高度与城市PM2.5均值对比如图2所示。

图2 各城市污染边界层高度对比

3.1.1 张家口、北京大气边界层高度均值在1 200 m以上，城市污染扩散能力好，PM2.5浓度较低。

3.1.2 廊坊市大气边界层高度较低，但是城市PM2.5浓度也相对较低。

3.1.3 保定、邯郸大气边界层高度相近，但是城市PM2.5浓度差异性较大。

3.1.4 石家庄相比保定、邢台边界层高度较高，但其城市PM2.5日均浓度值较高。

3.2 气溶胶光学厚度对比。各城市气溶胶光学厚度对比如图3所示。

图3 气溶胶光学厚度对比

3.2.1 张家口、北京气溶胶光学厚度数值较小，城市污染积累量低，城市大气边界层较高，城市整体PM2.5浓度较低。廊坊市城市污染积累量也较低，虽然廊坊市大气边界层较低，污染积累量相对较低，城市扩散条件相对较差，但城市污染浓度较低。

3.2.2 保定、邯郸大气边界层高度相近，但是城市PM2.5浓度差异性较大。石家庄、郑州城市PM2.5浓度日均值一致，但是城市大气边界层相差较大。这两组异常变化主要是由于城市基础污染积累量决定。

3.2.3 石家庄相比保定、邢台边界层高度较高，但其城市PM2.5日均浓度值较高，同时石家庄城市污染积累量较小，城市污染的垂直扩散能力中石家庄较强，因此是由于城市污染的水平扩散条件不利导致出现该反常变化。

3.3 雷达监测气溶胶演变趋势。城市气溶胶时空演变如图4。

图4 城市气溶胶时空演变图

3.3.1 大气边界层。北京、保定、石家庄城市污染的垂直扩散能力较好，郑州、邢台城市处于静稳天气，垂直扩散能力较差。

3.3.2 气溶胶浓度变化。邢台市12月1日早5：00左右城市气溶胶浓度开始上升，随后石家庄市、保定市城市气溶胶浓度开始上升，并保持在一个较高的浓度上(早9：00左右)，北京市、郑州市在下午16：00左右开始出现较为明显的气溶胶浓度上升的变化。推测存在区域与区域间的污染物输送，污染物主要由邢台、石家庄等地向北输送，导致北京在12月1日夜间出现较为明显的污染加重出现。

3.3.3 城市扩散条件。邢台、郑州城市大气边界层较为稳定，污染的垂直扩散能力较差，其余各城市大气边界层不稳定，垂直扩散能力相对较好。

4 小结

4.1 利用雷达实时生成水平、3D扫描图像，实现对大气气溶胶的在线监测与追踪，跨区域连续观测气溶胶时空变化，并能直观的捕获污染源位置，为及时启动重污染天气预警提供了数据支持。

4.2 利用雷达对近地面大气气溶胶污染扩散状况的连续实时快速在线监测及追踪，对城市大气污染进行全过程监测，对突发环境事故进行快速应急监测。

4.3 通过雷达数据可对重污染天气进行过程分析和重污染天气应急预案的后评估。

[1]张培昌，戴铁丕，杜秉玉.雷达气象学 [M].北京：气象出版社，2001.

[2]张培昌，王振会.大气微波遥感基础 [M].北京：气象出版社，1995.

[3]刘东.偏振-米激光雷达的研制和大气边界层的激光雷达探测 [D].合肥：中国科学院安徽光学精密机械研究所，2005.

[4]张婉春，张莹，吕阳.利用激光雷达探测灰霾天气大气边界层高度 [J].遥感学报，2013(4)：981～992.