基于地面微脉冲激光雷达的气溶胶浓度及高度分析

杨浩 袁学竹 焦永杰 陈红 张晓慧 孙克静

摘 要：根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过分析激光回波，可以进行大气环境中气溶胶的监测。雷达垂直监测可以分析城市污染成因，结合气象条件可以对城市未来几天的空气情况作出预测，针对污染变化作出预警。水平扫描对监测区域污染分布有重要作用，通过雷达水平监测数据，分析测试点周边污染物聚集程度，主要污染点源等。利用微脉冲激光雷达对北方某城市对流层气溶胶的光学特性进行了测量和分析，结果发现监测区域有污染跨境传输，并且主要以大颗粒形式，依靠自身重力和下沉气流下降;本地正北偏东方向、正南方向以及正西方向有几处明显的区域污染，产生的为细颗粒物，综合产生的粗细颗粒物造成近地面严重污染。

关键词：地面微脉冲;激光雷达;气溶胶;浓度;高度

激光雷达是大范围快速监测大气环境气溶胶分布的新一代的高技术手段，它根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过定量分析激光回波，可以对大气环境气溶胶进行探测。雷达系统对小尺度的大气气溶胶粒子尤为敏感，这是因为小尺度粒子对可见光波段有很强的散射特征（1）。对于长时间连续的雷达探测，尤其对于气候方面的观测需要较长时间的连续测量，传统雷达持续时间短、高能量发射光危害人眼等特点已经无法满足需求。激光具有单色性好、相干性强、方向性高以及高亮度、大功率等特点（2）。激光的高方向性、高亮度和高脉冲重复率，使激光雷达可以对几公里以至几十公里大范围大气环境进行实时快速监测;由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时空演变特征、大气气溶胶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及PM10浓度等信息，还可监测工业烟尘的排放等城市上空环境污染物的扩散规律等。

微脉冲激光雷达探测系统从研究到应用在国际上仅有十年的历史，EV-Lidar-CAM激光雷达主要由以下结构组成：半导体激光泵浦的Nd：YAG脉冲激光器;发射和接收光学系统;高灵敏度光电探测器（CPM）;3D全天候扫描装置;高速多道计数器和计算机;控制和数据处理软件等组成;该雷达安装方式可以分为固定式和移动式两种。

一、北方某城市实测数据详解

1.垂直数据观测

垂直扫描主要是通过观察高空的污染分布，分析高空的污染跨境传输，比如沙尘、雾霾等，从而可以分析污染成因。

图2.1为后向轨迹图，选择起始高度为1500米，图的上方为整体的一个风向，下方为高空气流的走势。

距离平方信号是通过激光雷达所接收到的不同偏振方向回波信号乘上距离平方得到。原始信号乘上距离平方，主要是弥补由于球面波随距离的2次方衰减使得雷达信号随着距离的增加光子数会减少。图2.2为A通道距离平方信号，A通道代表接收水平偏振原始回波信号（球形粒子），球形粒子回波信号，可以理解为水汽，气体类气溶胶信号;图2.3为B通道距离平方信号，B通道代表接收退偏振原始回波信号（非球形粒子），非球形粒子信号，可以理解为颗粒物，扬尘沙尘等小颗粒物信号。从图2.2和图2.3可看出，高空9公里处有外来的污染物，随着时间推移逐渐在沉降，说明来自跨境传输的污染物既有球形粒子又有

非球形粒子，于14日凌晨3：30到达地面造成监测区域近地面的污染。

图2.4为消光系数图，消光系数代表大气对光的衰减系数，表示每千米或每米对光的吸收，或是单位距离内气溶胶颗粒对原始光学信号的衰减，其大小与空气中气溶胶的浓度成正比，廓线代表距离平方信号与距离的关系。图2.5为退偏比图，退偏比是根据散射电磁辐射的退偏振信息，来探测和区分球形粒子与非球形粒子存在的比重程度，也可理解为粗粒子与细粒子的比值。从图中的消光系数可看出高空有外来的污染物，随着时间的推移在逐渐沉降，同时近地面也有少量污染物产生，可看到污染物于14日凌晨3：30到达近地面，与近地面本身产生的少量污染物混合起来造成近地面污染。高空沉降从两方面解释，一是由于跨境输送过来的比较大的颗粒物由于自身重力的原因在逐渐沉降;二是高空有大范围下降的气流，而从后向轨迹图也证实了这点。从图2.4可看出，14日沉降下来的污染物由于下降气流的原因，短时间内扩散不出去，故造成近地面污染，这与近地面空气子站发布的AQI基本吻合。而从图2.5可看出整体的退偏都比较偏大，而在高空的退偏比接近0.2左右，说明跨境传输的主要为比较大的颗粒物;而本地产生的为细颗粒物，随着下沉气流，综合产生的粗细颗粒物造成近地面严重污染。从雷达的消光系数以及退偏比的数值分析，消光在1.5左右，退偏比小于0.1，基本确定为霾。

图2.6为污染边界层高度图，污染边界层可理解为人为活动能到达的最大的一个空间高度值，是对激光雷达距离修正信号的廓线求导得出的，导数最小对应的高度即为污染边界层高度;该高度上的大气气溶胶粒子的浓度变化最大。一般情况下可认为：在晚间没有外界环境干扰情况下（比如降雨、沙尘暴等），人为活动逐渐减少、温度开始回落，边界层高度较低;在白天温度回升、人为活动增强、汽车尾气浓度增大，地面浮沉开始上升，地表气溶胶会有一个上升的趋势，边界层高度白天一般比晚间大;城市污染边界层PBL可以从侧面反映城市污染状况，假定城市污染物总量固定，污染边界层高，则单位体积污染物浓度会稍低，当污染边界层较低时单位体积污染物浓度会急剧上升。上图可看到随着下降气流，污染物边界层整体也在逐渐下降。可看到14日整体的边界层都比较低，单位体积污染物浓度比较高，高空污染物逐渐沉降，主要集中在大约300米左右一个区域高度。

2.水平扫描数据观测

水平扫描主要是将激光雷达固定一个位置，通过对水平方位进行扫描，来观测监测区域范围内的污染源分布。

图2.7～2.13为现场实测水平数据效果图。消光系数的大小与空气中气溶胶的浓度成正比;PM10为雷达反演出的PM10数据。由于东边以及东南方向基本都被高建筑遮挡，我们选择水平角-20到320度的扫描区间。图中颜色的不同代表污染的轻重。选取五公里数据，尽管白天有太阳光的影响，但可以发现在正北偏东方向、正南方向以及正西方向有几处明显的区域污染。正北偏东方向：从上述图中可看出距离雷达点位将近3公里左右，可看到污染物随着风向由西北向著东南扩散。通过雷达不间断扫描发现污染出现频率较高，可能是固定污染源。正南方向：从图中可以看出俩公里左右出现颜色比较深区域，可看到在向雷达测试点位以及西边扩散。正西方位：从图中看出雷达西面出现污染物不规律现象，可能是近地面人为活动、车辆等临时污染源排放导致。

图2.14为14日下午调整水平测试所测数据，由于当天受跨境传输影响，沉降到近地面，造成近地面污染严重，可以看出数据越靠近雷达方位颜色比较深。在600米左右PM10高达300多，也说明了污染比较严重。

二、结语

1.雷达垂直监测可以分析城市污染成因，结合气象条件可以对城市未来几天的空气情况作出预测，针对污染变化作出预警。

2.雷达水平扫描对监测区域污染分布有重要作用，通过雷达水平监测数据，分析测试点周边污染物聚集程度，主要污染点源等。

3.通过对北方某城市进行观测，垂直扫描时，发现监测区域有污染跨境传输，并且主要以大颗粒形式，依靠自身重力和下沉气流下降;本地产生的为细颗粒物，综合产生的粗细颗粒物造成近地面严重污染。水平扫描时，发现在正北偏东方向、正南方向以及正西方向有几处明显的区域污染。

参考文献：

[1]刘芮伶.重庆市城区大气气溶胶光学厚度的在线测量及特征研究[J].环境科学学报.2014（04）.

[2]齐冰.杭州市大气气溶胶光学厚度研究[J].中国环境科学.2014（03）.