京津冀地区一次污染过程的星载-地基激光雷达联合观测分析

马 娜，杨思鹏,2，王 界,4,5，万佳宁，孟晓艳

1.无锡中科光电技术有限公司，江苏 无锡 214135 2.南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044 3.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 4.中国科学院安徽光学精密机械研究所，中科院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031 5.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026

秋冬季京津冀区域的灰霾频发现象受到极大的关注，对于这种大范围且过程复杂的污染现象，常规的观测手段很难对其进行准确分析。激光雷达是一种非常有效的大气环境监测方法，它凭借较高的时空分辨率和灵敏度，被广泛应用于气溶胶观测，并作为地面常规观测的重要补充[1-2]。颗粒物激光雷达能反演得到气溶胶的消光系数廓线[3-4]，从而获取大气气溶胶的空间分布信息[5]，在气溶胶的发生与发展研究中发挥了极大的作用。随着激光雷达技术的不断发展，已经实现了大气温湿度廓线、风廓线、气溶胶粒子谱[6]以及各种污染气体[7]的高精度和高分辨率反演。然而对于影响范围较大的灰霾过程，单台激光雷达则不足以对污染过程整个区域的污染物时空分布以及变化特征进行准确分析，需利用多台激光雷达进行组网观测来研究大尺度的气溶胶分布及传输过程。

2018年3月9—15日，京津冀区域[8-9]发生了一次重污染过程，此次污染过程持续时间长达7 d，影响范围广，影响城市超过50个。笔者利用中国环境监测总站激光雷达组网的地基激光雷达观测数据，结合CALIPSO卫星上搭载的正交极化云-气溶胶激光雷达的观测结果，对此次污染过程进行了地天联合观测分析，并结合区域站的风廓线激光雷达和微波辐射计的观测结果以及 KMA近地面天气图等气象场数据，综合分析了此次污染过程的成因及区域污染输送的特点，并对污染过程中污染团的时空分布特点进行了讨论。

1 观测方法与数据来源

1.1 地基遥感数据

针对此次污染过程，使用颗粒物激光雷达、风廓线激光雷达与微波辐射计等地基遥感设备对大气进行观测，以得到污染过程中大气的消光系数、风廓线与温湿度廓线数据对污染过程进行综合分析。此次污染过程伴有西南向的区域传输过程，故在京津冀的西南传输通道上设置地基监测站点，分别在北京、保定与衡水设立监测站点对这一污染过程进行观测，其中北京站点使用激光雷达进行监测，保定和衡水站点使用激光雷达、风廓线雷达以及微波辐射计监测。

1.1.1 颗粒物激光雷达

颗粒物激光雷达使用中科光电的AGHJ-I-LIDAR型激光雷达,雷达结构如图1所示，激光雷达主要性能参数见表1。

图1 激光雷达结构Fig.1 Structure of lidar system

表1 颗粒物激光雷达系统主要参数Table 1 Key specifications of particulate lidar system

雷达使用Nd:YAG激光器发射频率为20Hz的532nm(激光能量为25mJ)与355nm(激光能量为30mJ)激光脉冲，脉冲持续时间为6～9ns。激光通过发射单元的扩束器扩束后，经过2个反射镜使光束与望远镜的中心轴线同轴，垂直向上进入大气。在大气传输过程中，激光光束会与大气分子和气溶胶粒子发生相互作用(散射作用和吸收作用)，其中一部分返回地面的后向散射回波信号由卡塞格林望远镜接收，经过会聚透镜过滤后进入信号采集通道，通过各自的干涉滤光片进行分离，然后用光电倍增管(PMT)进行检测。3个通道的光子信号经过光电转换系统后得到电信号，最终由数据采集系统存储在主控计算机中。

1.1.2 风廓线激光雷达

风廓线激光雷达采用青岛华航的WindPrint S4000 型雷达，采用3D扫描的方法来反演得到大气的风场廓线数据[10]。激光雷达系统使用单脉冲光纤激光器，发射中心波长为1 550 nm的激光脉冲到大气中，利用大气中气溶胶的激光后向散射信号和激光发射系统的本振光作外差检测，获得2束光的外差信号，进而得到大气运动引起的多普勒频移，测量径向风速，采用微型光束扫描系统得到不同方位角上的径向风速，最终反演得到风速风向廓线。风廓线激光雷达主要性能参数如表2所示。

表2 风廓线激光雷达系统主要参数Table 2 Key specifications of windprint lidar system

1.1.3 微波辐射计

微波辐射计为中国电子科技集团公司第二十二研究所的QFW6000型微波辐射计，由大气辐射测量单元、GPS信号双频接收单元、环境要素测量单元、伺服转台单元、中央信号处理单元、电源单元和显控终端组成。微波辐射计利用大气的选择吸收性和透过性来被动接受大气发射的微波信息，从而探测大气的温湿度廓线[11]，是一种被动遥感探测方式。大气中V波段(60GHz附近)的辐射主要来自氧气，而氧气发射的辐射强度与温度和氧气密度成正比；K波段(22GHz附近)的辐射主要来自水汽，其辐射强度与温度和水汽密度成正比，微波辐射计通过接受2个波段的辐射信息，反演得到大气的温湿度廓线，微波辐射计的主要性能参数如表3所示。风廓线激光雷达结合微波辐射计可以精确地描述气象场分布情况，用以对污染团的形成、输送及生消过程进行综合分析。

表3 微波辐射计系统主要参数Table 3 Key specifications of microwave radiometer system

1.2 星载数据

研究使用了CALIPSO卫星[12]的产品数据。CALIPSO是 “A-Train”卫星编队的一员，主要任务是提供全球云和气溶胶观测数据，用于研究云和气溶胶在调节地球气候中的作用以及两者的相互作用。其搭载的主要探测设备CALIOP是一台偏振双波长激光雷达，系统中的激光器可输出波长为532、1 064 nm的脉冲，一共有3个回波通道(532 nm 2个偏振方向和1 064 nm)，由于高空大气较为纯净，激光衰减程度低，故CALIOP可在垂直方向上探测出比地基激光雷达距离更长的高空数据。地基激光雷达结合CALIOP的观测结果能够更加准确地反映污染团的空间分布。

2 结果分析

2.1 污染过程概述

此次污染过程中京津冀区域部分城市PM2.5质量浓度变化如图2所示。

图2 京津冀区域部分城市PM2.5质量浓度Fig.2 The concentration of PM2.5in some cities in Beijing-Tianjin-Hebei region

由图2可见，各城市PM2.5质量浓度变化趋势相近，3月9—10日PM2.5质量浓度持续升高，其中邯郸与邢台PM2.5质量浓度最高时超过200 μg/m3。10日夜间，各城市PM2.5质量浓度开始下降，除邯郸与邢台外均降至50 μg/m3以下，11日12:00后PM2.5质量浓度再次攀升，至14日除沧州外其余城市PM2.5质量浓度均达到300 μg/m3以上，邯郸PM2.5质量浓度于14日12：00超过400 μg/m3。邯郸、衡水与邢台于13日12：00—14日12：00的PM2.5质量浓度呈明显的U型变化特征，且12：00颗粒物浓度较高，凌晨颗粒物浓度较低，不符合局地污染物累积变化的规律，应是区域污染物输送伴随着风向改变造成的，13日下午风向改变导致空气短时清洁，14日凌晨过后风向再次改变并带来污染物的输入，导致颗粒物浓度再次升高。15日起各城市PM2.5质量浓度开始降低，至15日12：00所有城市的PM2.5质量浓度均降至50 μg/m3以下。

9日京津冀区域位于弱高压后部，不利于污染物扩散，京津冀各城市污染物开始累积，11日受东南部的高压影响，北京、天津与河北中部城市近地面为东北风，污染物浓度短时下降。15日冷高压南下至京津冀区域，受冷高压影响京津冀区域污染由北至南开始消散。整个污染过程主要分为2个阶段，3月9日00：00—11日00：00为污染阶段，11日00：00—16日00：00为污染区域传输与消散阶段，现对该次过程2个阶段的大气遥感数据进行详细分析。

2.2 污染过程分析

2.2.1 局地污染累积

图3为各城市的颗粒物激光雷达监测结果。由图3可见，各城市于9日上午开始有污染物传输，与近地面污染物混合后局地污染物开始累积。北京于9日中午开始受到传输污染物的影响，随后局地污染物不断累积，近地面消光系数增大。保定从9日上午开始近地面消光系数较高，局地污染物不断累积。9日15：00北京和保定近地面消光系数均达到较大值。衡水于9日下午开始受到传输污染物的影响，与近地面污染物混合后局地污染物开始累积，消光系数于10日中午达到较大值，污染程度较北京与保定轻。10日各城市边界层都压低至500 m以下，保定的边界层甚至压低至探测点位水平面以下，环境容量减小，京津冀区域污染较重。

图3 3月9—10日各城市激光雷达消光系数探测结果Fig.3 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 9-10

2.2.2 区域污染传输与污染消散

图4为各城市激光雷达观测结果。由图4可见，11日北京空中1 km处一直存在着污染物传输带，存在区域污染传输过程，污染物由太行山脉传输到京津冀区域北部时受近地面偏东风影响被抬升至空中。

图4 3月11—15日各城市激光雷达消光系数探测结果Fig.4 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 11-15

图5给出了CALIPSO卫星11日02：00的监测结果。CALIPSO卫星的观测路线正好通过京津冀区域，所观测的消光系数剖面可以代表京津冀区域的气溶胶空间分布；图5(c)的垂直特征图表明京津冀探测到的高消光区域为气溶胶而不是云，京津冀对应区域的消光后向散射系数结果显示在CALIPSO的观测路径上，京津冀区域的污染团呈现出明显的南北高低分布特征，污染团南部仍旧贴近于近地面，而北部污染团被抬升至空中，污染物从南至北由地面向空中传输，北部近地面消光系数低，与地基激光雷达的观测结果相符。

12日传输污染物降落至近地面，导致北京近地面污染物浓度迅速升高，且在区域污染输送的作用下污染物不断累积。而衡水则在较强的系统性东南风影响下，污染物浓度降低，消光系数明显减小。

图6给出了北京11日08：00与12日08：00的后向轨迹图，可见北京11日空中1 km的传输污染带由西南方向输入，12日近地面的污染物也来自于西南方向的污染物传输，与卫星和地基激光雷达观测结果一致。

13—15日衡水的消光系数较低，但保定和北京等北部城市近地面消光系数仍然较大。15日随着冷空气的南下，各城市污染物开始消散，至15日夜间各城市空气质量转良，污染过程结束。

2.3 气象条件分析

利用保定与衡水的风廓线激光雷达与微波辐射计的观测数据，对污染过程与污染消散过程的气象场进行分析。图7和图8是9日00：00—16日00：00的风廓线激光雷达观测结果。

在9日00：00—15日00：00的污染过程中，保定1 km以下风速较弱，污染物不易扩散。衡水污染过程中气象场主要有3个阶段，9日00：00—10日00：00，1 km以下主要以西南风为主，太行山脉沿线城市累积的污染物沿着风向扩散至东北方向；10日开始近地面风向转为东南风，污染物被抬升至空中，近地面污染物浓度降低，污染程度减轻；12日衡水近地面风向再次转为西南风，污染团快速沿着太行山由南向北传输。 15日00：00—16日00：00受强冷高压影响，保定风场转为北风，衡水风场转为较强东风，大气扩散条件较好，污染团消散。11—12日的风廓线观测结果与图7的后向轨迹结果较为一致，后向轨迹图是基于大尺度气象场的模式计算结果，分辨率较低，而风廓线激光雷达能进行高分辨率的风廓线反演，能够对传输过程进行精细的分析研究，正好弥补了后向轨迹分析分辨率不足的缺点。

图5 CALIPSO卫星11日02：00观测结果Fig.5 Observation of CALIPSO at 02:00 March 11

图6 北京500、1 000、1 200 m高度48 h后向轨迹图Fig.6 The 48 hours backward trajectory at 500 m, 800 m and 1 000 m of Beijing

图7 3月9日00：00—12日12：00风场图Fig.7 Wind field from 00：00 March 9 to 12:00 March 12

图8 3月12日12：00—16日00：00风场图Fig.8 Wind field from 12:00 March 12 to 00:00 March 16

图9和图10为9日00：00—16日00：00衡水与保定微波辐射计的温度场与湿度场观测结果。

可以发现各城市的温湿度都有明显的昼夜变化，在9日00：00—15日00：00的污染过程中保定空中1 km处一直有逆温层存在，且各城市的近地面湿度较高，均为80%左右，逆温静稳且高湿的气象条件非常利于污染物的累积，15日00：00之后保定持续了6 d的逆温层消失，大气扩散条件转好，同时，15、16日之后各城市近地面相对湿度也低于污染期间。

结合各观测数据结果可以发现，京津冀区域性的复合灰霾污染发生在偏南气流下，南方暖湿气流的输入配合稳定的大气层结，导致京津冀各区域在污染前期局地污染物不断累积。中期各地污染物浓度累积至一定程度时在气流影响下辐合并不断由南至北输送，形成一个覆盖范围极大的污染气团，这一过程中受气流变化的影响污染气团会来回移动甚至上下抬升，导致部分城市污染物浓度突然降低或者迅速升高，形成U形曲线，但是污染气团内污染物浓度整体是在持续升高的，污染气团持续时间长且覆盖范围大。当北方冷空气南下时，冷空气驱散污染气团并打破稳定的大气层结，污染过程结束。因此京津冀区域性灰霾发生时需控制区域内的污染排放，限制污染气团的持续增长，在冷空气到来之前控制住污染物浓度。

图9 3月9日00：00—16日00：00温度场Fig.9 Temperature field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

图10 3月9日00：00—16日00：00湿度场Fig.10 Humidity field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

3 结论

2018年3月9—15日京津冀区域的污染过程是一次影响范围大、污染物浓度变化快、污染物空间变化复杂且伴有区域污染物传输的污染过程，针对该次过程使用地天联合观测进行分析。颗粒物激光雷达观测结果表明污染过程前期主要为局地污染累积；后期受区域系统性偏南风影响，观测到明显的污染物区域传输过程，污染物在太行山和燕山山前积聚，形成污染辐合带，在偏南风影响下污染物由南至北输送，北京受太行山沿线城市污染输送影响较大。风廓线激光雷达观测结果表明此次污染过程近地面主要为偏南风且风力较弱，有助于污染物累积与传输，后期受冷空气影响区域转为较强东北风，大气扩散条件转好导致污染消散。微波辐射计观测到保定在污染过程中出现持续6 d的逆温层，在污染过程中近地面相对湿度较高，区域大部分地区持续静稳，有助于污染物积累形成污染团，冷空气到来后逆温层被打破，污染开始消散。

分析过程中使用了地基遥感数据(如颗粒物激光雷达、风激光雷达和微波辐射计)，并联合星载数据，对污染过程的各个阶段、污染团的空间分布与变化特征做出准确分析，并进一步剖析了大气污染的成因，对污染传输过程进行了更加精细立体的分析，可见地天联合观测对污染物的累积与输送研究有重要意义，能对京津冀及周边地区的大气污染联防联控提供有效支持。

但是在分析过程中发现，由于所选点位在空间上有一定距离，空间分辨率不足，污染团在空间上的连续变化分析还有所欠缺。在下一步工作中，计划结合车载走航观测的数据，使各通道上离散的观测结果连续化，并结合更多组网站点的数据，更精细地捕捉污染过程各个阶段的特征，同时结合空气质量同化模式的结果进行污染过程前、中、后期的评价，为京津冀及周边地区的大气污染监测与联防联控提供更有利的技术支持。