北京春季一次重度雾霾过程激光雷达分析

苗传海，康博识，郑石，邢婉茹，陈思蒙

摘要：2018年3月21日～26日，北京及周边地区出现一次比较罕见的持续性重度雾霾天气，能见度降到50m左右。本文利用EV-Lidar型激光雷达观测数据，对本次雾霾的生成、发展和消散过程及污染气团来源进行分析。

关键词：北京；重度雾霾；激光雷达

中图分类号： X513；X87 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.18.075

1 研究背景

雾霾是在一定区域内影响能见度的灾害性天气现象，对交通、人体健康等方面都有一定的影响[1]。随着雾霾出现的频率不断提高，雾霾天气的生消发展和污染物成分逐渐受到人们的关注。雾霾的形成主要受两方面的影响，一是污染物的排放[2]，研究表明，大量工业燃烧以及季节性农业秸秆焚烧产生的黑碳、硫酸盐等不同化学成分气溶胶颗粒都排放到大气中，大量汽车尾气的排放对城市居民的生活也带来很大危害[3]。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。激光雷达以高度连续性和高时空分辨率的特点，成为估算边界层高度，探究边界层特征的有效手段之一[4]。基于激光雷达获取边界层高度有多种方法。早期学者采用梯度法计算边界层高度，此方法简单但稳定和连续性略差[5]；后来曲线拟合方法用于获取边界层高度信息，但是对于特殊的边界层结构容易出现误判[6]；国内外学者广泛使用利用小波协方差方法识别边界层高度，此方法需要事先给定算法参数[7-8]。

在微观研究方面，近年来激光雷达发展成为研究卷云和沙尘气溶胶等大气非球形粒子形态的有效工具[9-10]，它通过探测非球形粒子后向散射光的退偏振比来研究目标物粒子形态[11]。

在北京，共计有10余台激光雷达系统开展了协同观测，从宏观和微观两个角度实时监测北京地区霾层厚度变化，获取了丰富的大气垂直高度及气溶胶颗粒等信息[12]。

2 仪器简介

EV-Lidar型激光雷达（见图1）由北京怡孚和融科技有限公司研制生产，可用于连续监测大气气溶胶的分布，分析气溶胶粒子时空演变和组成结构。激光雷達的探测数据可反映出大气边界层（PBL）的结构和时空演变特征，进而获得雾霾体系特征，还能得到大气气溶胶（飘尘、雾霾粒子）消光系数垂直廓线和时间演变特征、云层高度及多层云结构、大气能见度和PM2.5、PM10浓度等信息。同时激光雷达可对城市上空工业排放废气物进行监测，分析环境污染物的扩散规律，对大气环境监测和大气科学研究都有重要的意义。其原理是通过发射激光束到大气中，与大气中的分子、颗粒物（云、烟尘、海盐等）和水汽等形成散射，后向散射信号被激光雷达光学系统接收，将光信号转换为电信号，系统计算光在空气中传播的时间，得到不同距离（高度）上的回波信号从而得到沿光束发射方向的气溶胶粒子分布情况。

3 污染过程分析

根据图2雷达产品图，21日凌晨至24日夜间，PBL层整体呈下降趋势，风级保持在1级左右，近似为静稳天气环境，城市扩散能力逐渐减弱。消光图显示21日凌晨高空3000m左右有气溶胶团下沉，在地面集聚，同时近地面污染开始积累。22日凌晨，污染监测值出现一次短暂的下降，此时相对湿度达到60%，空气中的污染物成为凝结核吸湿增长，形成雾滴[13]，雾滴形成之后，小滴继续碰并成长为中滴和大滴，中滴和大滴继续捕获小滴，捕获效率逐渐增大[14]，雾霾浓度增大，PBL层下降至400m左右，扩散条件较差，污染扩散量减小，污染开始迅速上升。至23日凌晨，污染最重，有短时间的重度污染过程。24日凌晨，湿度增大到80%左右，为污染物的积累提供了较好的水汽环境，污染吸湿积累量增大，空气质量再次转为重度污染。随后受PBL层抬升影响，污染物扩散，污染开始减轻。

退偏比显示近地面粗粒子含量较高，粗粒子受风力影响，多次发生扩散，对污染贡献较小，影响污染升高的主要因子仍为细颗粒物。

4 后向轨迹分析

从后向轨迹图（图3）中可见，污染气团于内蒙古北部产生，途径呼和浩特、石家庄等地南下，聚集北京一带。3月21日城市上空为强下降气流，与此时高空污染下沉时间较为符合，携带污染气溶胶下沉。

5 结论

2018年3月21日～24日，北京地区有一次持续时间较长的重度雾霾天气，结合激光雷达的监测数据资料，研究了本次雾霾过程的生成和发展。

本次污染主要为近地面污染积累与高空气溶胶团下沉和相对湿度升高引起的污染物积累，污染后期受PBL层和湿度影响，污染出现短时间的重度污染过程。近地面存在粗粒子，受风力影响，粗粒子对空气质量影响不大，影响污染升高的主要因子仍为细颗粒物。来自内蒙古北部的污染气团，南下至北京地区下沉到低空，积聚污染物导致雾霾的发生。

参考文献

[1]李肖霞，张娜，涂满红.激光雷达监测雾霾技术研究[C]. 中国环境科学学会学术年会，2015.

[2]陈磊.激光雷达在重污染天气应对中的应用[J].现代农村科技，2018（02）：95-96.

[3]曹念文，杨丰恺，施建中，等.南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量[J].应用光学，2012，33（05）：979-984.

[4]刘东，戚福弟，金传佳，等.合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测[J].大气科学，2003，27（06）：1093-1100.

[5] Hayden K L， Jw H R S， Bottenheim J W， et al. THE VERTICAL CHEMICAL AND METEOROLOGICAL STRUCTURE OF THE BOUNDARY LAYER IN THE LOWER FRASER VALLEY DURING PACIFIC 93[J]. Atmospheric Environment， 1997， 31（14）：2089-2105.

[6]Steyn D G， Baldi M， Hoff R M. The Detection of Mixed Layer Depth and Entrainment Zone Thickness from Lidar Backscatter Profiles[J]. 1999， 16（16）：953-959.

[7]Cohn S A， Angevine W M. Boundary Layer Height and Entrainment Zone Thickness Measured by Lidars and Wind-Profiling Radars.[J]. Journal of Applied Meteorology， 1999， 39（8）：1233-1247.

[8]Davis K J， Gamage N， Hagelberg C R， et al. An Objective Method for Deriving Atmospheric Structure from Airborne Lidar Observations[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology， 2000， 17（2000）：1455-1468.

[9]李霞，權建农，王飞，等.激光雷达反演边界层高度方法评估及其在北京的应用[J].大气科学，2018，42（02）：435-446.

[10]刘琦，褚金奎，王兢，等.水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析[J].光学学报，2014，34（03）：19-23.

[11]祝存兄，曹念文，杨丰恺，等.南京地区微脉冲激光雷达气溶胶观测[J].激光与光电子学进展，2015，52（05）：16-22.

[12]光电.激光雷达助气象探测中心实时监控北京雾霾厚度[J].军民两用技术与产品，2017（01）：38.

[13]康博识，樊曙先，张悦，等.南京冬季持续性强浓雾天气中三级分档雾水的理化特性分析[J].气象学报，2017，75（02）：

356-370.

[14]濮梅娟，严文莲，商兆堂，等.南京冬季雾爆发性增强的物理特征研究[J].高原气象，2008，27（05）：1111-1118.

作者简介：苗传海，高级工程师，研究方向：大气探测。

通讯作者：康博识，助理工程师，研究方向：激光雷达及雾霾分析。