基于激光云高仪的雾霾光学特性研究

乔晓燕，张子曰，李 林，范雪波，于丽萍

（1.北京市气象探测中心，北京100176；2.北京市朝阳区气象局，北京100016）

由于经济的飞速增长和城市化进程的加快，在城市群区域的大气污染日益严重，污染造成的能见度恶化事件越来越多[1-3]。自20 世纪80 年代以来，中国大部分地区霾日数呈增加趋势，雾日数呈减少趋势[4-5]。霾天气频繁发生，已经对交通安全、人类健康带来很大的危害。霾中的气溶胶粒子尤其是细粒子，是大气环境中的主要污染物，容易引发呼吸道系统疾病，大大提高肺癌发病率，也对人体心血管系统产生极大危害[6-7]。因此霾现象已经引起公众和科学研究的高度关注[8]。

雾和霾均为视程障碍类天气现象。雾是大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的。而霾是大量极细微的干尘粒等均匀的浮游在空中，使水平能见度＜10.0 km 的空气普遍浑浊现象，不仅影响交通安全，对人类健康也有极大危害[9-11]。近年来雾霾差异和雾霾垂直结构研究已成为大气科学领域新的研究内容。李杨等利用无人直升机搭载的气溶胶采样装置和激光粒子计数器探测数据，分析了北京顺义及房山地区重雾霾天气近地面大气颗粒物数浓度廓线[10]。于丽娟等利用济南逐日地面气象观测资料分析雾和霾发生的季节差异和天气形势差异[11]。吴兑等详细论述了雾和霾的区别，给出了霾与雾区分的概念模型，霾与雾观测的标准[12]。雾和霾的成份、粒子尺度、厚度、垂直分布等方面存在明显差异，目前使用现有地面观测资料没法描述这些特征，而激光云高仪发射的激光光束与雾滴、霾粒子相互作用，会表现出不同的光学特性。卜令兵等利用激光云高仪数据计算了消光系数、能见度，结合地面观测数据，分析了一次雾霾相互转化的天气过程中，雾和霾垂直光学特性的差异，得到激光云高仪可用于雾和霾的差异研究[13]。

利用 2016 年10 月—2017 年 2 月的激光云高仪后向散射资料、地面观测天气现象、能见度、湿度等要素，分析雾、霾、轻雾、轻霾和晴空等天气的垂直光学特性，统计各种天气各高度层后向散射强度分布范围，给出不同天气各自具有的垂直光学特性，为雾和霾差异的研究提供数据参考。

1 仪器介绍

Vaisala CL51 云高仪是一种米散射激光雷达，目前在气象探测中主要用于云高、云层、积分云量的测量，其后向散射信号可以反映大气垂直结构。其运用脉冲二极管激光探测和测距技术，短脉冲沿垂直方向发出，在激光脉冲穿过天空时测量光的散射，发射出的激光与大气中的大气分子、气溶胶、水汽等相互作用，后向散射信号被雷达接收系统接收，得到不同高度后向散射回波强度。CL5l 激光云高仪激光波长与霾粒子的直径相当，因此产生的散射为米散射，其信号强度的激光雷达方程如下：

其中，pr（z）是接收到的瞬时功率，E0是有效脉冲能量，c 是光速，A 是接收机孔径，Z 是距离，β（z）是容积后向散射系数是大气透过率。CL51 激光云高仪光波长910 nm，脉冲频率为10 kHz，峰值功率为27 W，测量高度从地面开始最高达15 km，高度分辨率为10 m，时间分辨率为16 s。CL51 激光云高仪与其他的激光雷达相比，云高仪发射的激光功率非常低，后向散射信号容易受到环境噪音的影响。为了提高信噪比CL51激光云高仪采用几束激光脉冲返回信号叠加的总和，高频率的激光脉冲基本消除了伪噪声和高斯白噪声[14-15]。

2 资料选取

本文所使用的激光云高仪后向散射资料为北京市大兴区气象局CL51 激光云高仪Level2 数据，该资料最高高度为4500 m，每16 s 一组廓线数据。地面观测数据均为北京市南郊观象台业务观测数据，能见度和湿度数据为分钟数据。为了确保数据的可靠性，每16 min 廓线数据进行平均获得一组廓线数据，湿度和能见度选择相应时刻的分钟数据。

在目前地面观测中，使用的是综合判别法区分雾和霾，采用的湿度阈值为90%。一直以来区分雾和霾的湿度阈值都存在争议，中华人民共和国气象行业标准《霾的观测和预报等级》指出：在能见度＜10.0 km 时，相对湿度＜80%时，判识为霾；相对湿度＞95%时，判识为雾；相对湿度介于80%～95%时，需要根据颗粒物浓度数据进一步判识。为了使研究样本可信，排除降水天气，依照表1 中规则选取各种天气现象样本。由于雾、轻雾多发生在傍晚和凌晨时段，09：00—18：00 时段很少有雾和轻雾发生。所以各种天气现象样本均选择00：00—09：00和 18：00—23：59 时段的数据。利用 2016 年 10月—2017 年2 月的数据获得晴空、雾、霾、轻霾、轻雾样本天数分别为：38、15、13、60、8 d。

表1 样本天气选取规则

3 多种天气光学特性分析

3.1 多种天气后向散射廓线典型个例分析

雾和霾由于成份、垂直分布、厚度等存在差异，激光云高仪探测两种天气现象得到的后向散射垂直廓线也应表现出不同的特征。雾是由水滴和冰晶组成，雾层中粒子分布不均匀，雾区与晴空区边界清晰，雾的厚度一般在几十到几百米；霾是由干尘粒组成，霾层中粒子分布均匀，霾区与晴空区边界不清晰，霾的厚度一般为数百米到几千米。2016 年10 月 8 日 07：44、2016 年 11 月 3 日 08：00、2016年 10 月 14 日 07：44、2016 年 10 月 02 日 07：44 和2016 年 10 月 13 日 07：00 分别为晴空、霾、雾、轻霾和轻雾等天气的典型个例，利用这些个例研究各种天气后向散射廓线差异。图1 所示为晴空、霾、雾、轻霾、轻雾等天气激光云高仪后向散射强度廓线图。由图1 雾的后向散射廓线可见，0~200 m 高度后向散射强度较大，200 m 以上后向散射强度接近晴空，可以判定雾的高度为200 m，雾区与晴空区后向散射强度差别较大，与雾区和晴空区界限较明显相吻合。雾层中后向散射强度垂直变化率大于霾层，在雾层的底部后向散射强度随高度先较明显增加而后减小，与雾层中粒子分布不均匀相对应。与雾相比，霾层的高度较高，700 m 以上后向散射强度较接近晴空天气，霾的高度可判定在600~700 m，由于霾层中粒子分布较均匀，霾层中后向散射强度随高度变化较雾层中缓慢。由轻雾垂直廓线可见，300 m 以下后向散射强度较大，300 m 以上后向散射强度接近晴空，雾层高度为300 m 左右，雾层高度较低，垂直变化率较轻霾大。由轻霾垂直廓线可见，霾层后向散射强度随高度变化缓慢，霾层和晴空区界限不是很明显。

图1 各种天气激光云高仪后向散射强度廓线

3.2 多种天气后向散射强度连续变化典型个例分析

2016 年 11 月 22 日、2016 年 11 月 4—5 日、2016 年 11 月 26 日、2017 年 1 月 28 日、2016 年 10月7 日为晴空、雾、霾、轻霾和轻雾等天气的典型个例，其中2016 年11 月22 日全天为晴空，2016 年11 月 26 日全天为霾，2017 年 1 月 28 日全天为轻霾。由于雾和轻雾多发生在夜间、上午和傍晚，雾和轻雾不可能全天都存在，2016 年 10 月 07 日 00：00—14：00 为轻雾，2016 年 11 月 4 日 2：00—8：00 与 11月 4 日 18：00—11 月 5 日 08：00 为雾。利用这些典型个例分析后向散射强度的连续变化情况。

由图2 可知，晴空天气后向散射强度全天都很小，没有明显的日变化。霾污染天气，霾层厚度在500 m 左右，霾层与晴空区的边界不清晰，霾层内后向散射系数垂直变化缓慢，且没有明显的日变化。轻霾天气，后向散射强度介于晴空和霾污染天气，霾层厚度存在明显日变化。00—06 时，霾层厚度＞500 m，近地面后向散射强度较大，06 时霾层厚度开始逐渐增加，正午前后霾层达到最大高度，18 时霾层厚度开始逐渐减小。雾天气，雾层厚度较小，且与晴空区边界清晰，雾层内后向散射强度较大，一般雾发生在夜间、早晨和傍晚。轻雾天气，雾层内后向散射强度随高度变化不均匀，后向散射强度随时间变化不连续，起伏明显。

3.3 多种天气后向散射强度分布概率差异

图2 晴空、霾、雾、轻霾、轻雾等天气后向散射强度日变化

为了进一步研究雾和霾光学特性的差异，利用资料选取章节中获得的样本计算了0～50 m、50～150 m、150～300 m、300～500 m、500～1000 m 五个高度层后向散射强度的概率分布。图3 是晴空、霾、雾、轻霾、轻雾等天气激光云高仪后向散射强度散点图，结合图4 晴空、霾、雾、轻霾、轻雾等天气各高度层后向散射强度概率分布可见，晴空天气0～1 km 高度在无云情况下，后向散射强度不超过0.01 km-1·sr-1，且各个高度后向散射强度差别不大。雾天气后向散射强度较大值主要集中在低于300 m 的高度，由图4可知，0~50 m 高度区间，后向散射强度＞0.1 km-1·sr-1的概率为 71.57%，＞0.3 km-1·sr-1的概率为 40.24%，后向散射强度在 300～500 m、500～1000 m 两高度区间后向散射强度＜0.01 km-1·sr-1的概率分别为90.63%、99.46%，高度高于300 m 时后向散射强度概率分布接近晴空，可见一般情况下雾区底层后向散射强度较大，雾厚度一般不超过300 m。霾天气后向散射强度较大值也在底层，且后向散射强度数值也比雾小，由图4 可知，0～50 m 高度区间，后向散射强度＞0.1 km-1·sr-1的概率为 34.04%，＞0.3 km-1·sr-1的概率为0.19%，随着高度的增加，后向散射强度减小缓慢，低于500 m 的高度后向散射强度都集中在＞0.01 km-1·sr-1的区间。霾的厚度一般＞500 m，与雾相比，霾区底层后向散射强度要小于雾区底层。轻霾和轻雾天气0～50 m 高度区间的后向散射强度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是随着高度的增加轻雾天气后向散射强度减小较快。

3.4 多种天气后向散射垂直变化率统计分析

雾层和霾层在垂直分布上存在差别，雾层中粒子分布不均匀、霾层中粒子分布均匀，这种差异会体现在后向散射强度垂直变化率上，为了研究雾和霾后向散射垂直变化率的统计差异，利用资料选取章节中获得的样本计算了各个高度层垂直梯度。图5是晴空、霾、雾、轻霾、轻雾等天气激光云高仪后向散射强度垂直梯度散点图，可见霾和轻霾天气后向散射强度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。雾和轻雾天气高于400 m 的高度后向散射强度垂直梯度值较小，低于400 m 的高度数值较大。晴空天气垂直梯度值均较小，介于-0.2～0.2 km-2·sr-1。由于后向散射强度是随着高度逐渐减小的，所以各种天气垂直梯度取负值的概率较大。图6 是晴空、霾、雾、轻霾和轻雾等天气各高度层后向散射强度垂直梯度概率分布，各个高度层晴空天气后向散射强度垂直梯度在-0.1～0 km-2·sr-1分布概率均＞85%，晴空天气后向散射强度随高度缓慢减小。雾天气0～50 m 高度区间的垂直梯度分布在＞2 km-2·sr-1和＜-2 km-2·sr-1的概率为55.03%，高于150 m 的高度垂直梯度分布在-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率均＞85%。

图 3 晴空（a）、霾（b）、雾（c）、轻霾（d）和轻雾（e）等天气激光云高仪后向散射强度散点

图4 霾、雾、轻霾、轻雾和晴空等天气条件下各高度层后向散射强度概率分布

图5 霾、雾、轻霾、轻雾和晴空等天气条件下激光云高仪后向散射强度垂直梯度

图6 霾、雾、轻霾、轻雾和晴空等天气条件下各高度层后向散射强度垂直梯度概率分布

霾天气0～50 m 高度区间的垂直梯度分布在-2～2 km-2·sr-1的概率为 88.59%，高度 150 m 以上垂直梯度在-0.5～0.1 km-2·sr-1的分布概率均＞90%。0～50 m 高度区间的垂直梯度取较大值的概率雾大于霾，由于雾层厚度较小，霾层厚度较大，高于150 m 的高度雾天气垂直梯度值较小，取值概率分布比霾天气更接近晴空天气。0～50 m 高度区间，轻霾天气垂直梯度介于-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率为62.72%，而轻雾天气垂直梯度分布概率仅为31.18%。由于霾区内粒子分布较均匀，雾区分布不均匀，雾天气垂直梯度出现大值的概率较霾天气高。

4 结论

基于2016 年10 月—2017 年2 月激光云高仪后向散射数据，分别利用典型个例和多样本统计分析了雾、霾、轻雾和轻霾等天气不同的光学特征，得到以下结论：

（1）通过对晴空、雾、霾、轻雾和轻霾等多种天气个例的后向散射廓线分析，发现雾层与晴空区后向散射强度差别较大，雾层中后向散射强度垂直变化率大于霾层，在雾层的底部后向散射强度随高度先有较明显增加而后减小。霾层的厚度较大，霾后向散射强度随高度的变化较雾缓慢。全天为霾的天气后向散射强度没有明显日变化，轻霾天气霾层厚度正午前后最大，凌晨和夜间霾层厚度较小。雾由于日照作用失去水分会恢复霾，所以雾和轻雾多发生在夜间、清晨和傍晚。

（2）雾天气后向散射强度较大值主要集中在低于300 m 的高度，高于300 m 的高度后向散射强度概率分布接近晴空，一般情况下雾区底层后向散射强度较大，雾厚度一般不超过300 m。霾天气后向散射强度较大值也在底部，且后向散射强度数值也比雾小，随着高度的增加，后向散射强度减小缓慢，霾的厚度一般＞500 m，与雾相比，霾区底部后向散射强度要小于雾区底部。轻霾和轻雾天气0～50 m高度区间的后向散射强度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是随着高度的增加轻雾天气后向散射强度减小较快。

（3）由于后向散射强度是随着高度逐渐减小的，所以各种天气垂直梯度取负值的概率较大。晴空天气垂直梯度的绝对值均较小。霾和轻霾天气后向散射强度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。雾和轻雾天气，高于400 m 的高度后向散射强度垂直梯度值较小，低于400 m 的高度数值较大。0～50 m 高度雾的垂直梯度取较大值的概率大于霾，高于150 m 的高度雾天气垂直梯度值较小，取值概率分布比霾天气更接近晴空天气。由于霾区内粒子分布较均匀，雾区分布不均匀，所以雾天气垂直梯度出现大值的概率较霾天气高。