基于多种气象设备的灰霾联合探测研究

高爱臻，夏静雯，项馨仪

（1.宁波市气象网络与装备保障中心，浙江宁波 315012；2.宁波市鄞州区气象局，浙江宁波 315194；3.宁波市安全技术中心，浙江宁波 315012）

0 引言

近几年来，宁波市一直注重空气质量提升，所以宁波地区空气质量一直处于良好的状态，空气中一些污染物如PM2.5、PM10、SO2等也是出现下降的趋势，灰霾日比例减少，酸雨率持续下降，但是PM2.5 和NO2的浓度仍然高出国家二级标准，部分区域秋冬季空气污染依然严峻，尤其是冬季，灰霾发生比较频繁。各污染物浓度的变化呈现出明显的区域性和季节性差异，灰霾天气主要出现在秋冬季节，并且现象严重。在统计过程中将能见度低于10 km、相对湿度低于90%，并且时间持续0.5 h 的过程记为一个灰霾过程，统计结果如图1 所示。

图1 2015—2019 年每年灰霾天数

从2015—2019 年的整体趋势可以看出，2017 年灰霾天数最少，只有61 d，2015 年最多，超过200 d，灰霾基本每个月都会出现，但是季节性还是比较明显，夏季雨水较多、湿度较大，形成灰霾的条件会相对较弱，而春、秋、冬3 个季节空气会相对比较干燥，雨水会少一些，一些大颗粒杂质更容易漂浮在空气中形成灰霾。其实总体趋势都是空气质量向着逐年变好的方向发展。但是环境问题还是不容忽视的大问题，所以，宁波市气象局就应对雾霾天气状况进行了实时监测、信息共享、联合发布等一系列应对措施。除此之外，气象部门也加强与环保部门的合作，并且做到气象与环保之间数据的合作共享，共同搭建宁波市大气污染监测网络；宁波市气象局规划部署大气成分监测网络，在各县（市、区）建成大气成分监测网点，共享环保部门对PM2.5 等相关大气污染物污染物的监测数据；不断加强对区域自动站的升级改造，增加能见度站点的建设，增加区域自动站气象要素数据种类，通过能见度和地面气象要素来综合检测城市污染物分布状态；构建颗粒物激光雷达观测网，在宁波市奉化、镇海分别建设一台颗粒物激光雷达，并共享环保局一台，搭建颗粒物监测网；并且将相关监测信息和会商结果通过多种方式如报纸、微博、电视、LED 大屏、微信、网站等方式及时传递给大众；另外，各个部门之间定期开展大气污染检测与预报方面相关的技术研究，并且优化设备检测布局，进一步提高大气污染物监测的预报和服务水平。

1 部门共享监测信息

1.1 监测站点共建共享

宁波市气象部门为了更好地完成大气成分监测，积极规划布局，自2012 年起分别在鄞州、北仑等地安装了大气成分监测设备，主要监测颗粒物如PM10、PM2.5 和PM1 等的分布和变化情况。后续2013—2014 年期间，宁波市气象部门分别在镇海、象山、宁海等3 地分别安装1 套大气成分观测站，而后在奉化、余姚、慈溪、三隐潭、石浦再新增5 套大气成分监测站，部门内监测站点将达到10 个，基本上实现每个县（市、区）一个站点。为应对日益严重的灰霾天气，环保部门与气象部门共同合作，于2013年签订了两个部门的合作协议，实现了与环保部门17 套监测站点监测数据的实时共享的新局面。表1 为两个部门共享的监测站点分布情况。

表1 宁波大气成分监测站点布局分布表

1.2 大气成分监测数据共享显示

各个县（市、区）的气象部门在本地通过监测设备得到大气成分的实时数据，通过光纤每小时以报文的方式上传到市气象局，经过相关程序分解、处理后录入本地数据库，同时上传上级气象部门；环保部门的监测资料经过协商后，通过WEB SEVICE 的方式共享给气象部门，共享后的资料存在本地数据库。Web Service 是以SOAP 作为基本通信协议，避免了复杂的协议转换，Web Service 可以访问的权限范围比较广，只有能够支持HTTP和XML 技术的设备可以访问，Web Service 在调用的时候也比较广泛，支持的平台和开发语言比较多。Web Service 的共享方式有自己独有的特点，主要包括3 个方面：①行业间的数据源之间的传输不用经过专门的通信线，此时内网的数据库就起不到任何作用；②可以使用外网传输的方式进行连接，数据库或资源就不用直接进行访问；③会定时生成相关的数据访问表。

气象部门与环保部门共享的大气成分监测数据，存放于数据库中，间隔是1 h，其监测结果显示在网页上，供双方有关业务人员参考。文中提供了近12 h 的数据观测资料结果，显示页面如图2 所示。图2 中给出了“宁波市环境监测中心”单站的最近12 h的监测数据，网页显示中还包括曲线、柱状图以及表格等多种样式来表示PM10、PM2.5 和AQI 的数据浓度，显示比较直观。

图2 宁波监测站点共享数据

在监测资料共享网页中不仅可以看到如图2 所示的气溶胶颗粒物浓度分布，还可以显示其他污染性气体的数据浓度，如O3、CO、NO2和SO2的浓度数值及分布情况等，可以直接在底图上叠加显示。在共享资料产品中，后续将会继续增加相关的各类污染物浓度分布情况图，图3 是不同地区各个站点的污染物质量浓度分布情况，通过网页不仅可以看到实时气溶胶浓度和反应气体浓度数据，也可以查询历史数据。

图3 污染物PM2.5 质量浓度分布

1.3 自动站站升级改造

特殊天气发生时，能见度数据会有较大影响，为了更好地监测灾害性天气，宁波市气象局自2014 年建设能见度站点，到目前为止共建成88 套，具体分布情况如图4、表2 所示。另外，宁波市气象局在国家基准站都设有能见度站点，并且含有气象六要素，“十三五”项目中更是对区域站有计划的升级改造，目前为止已有30 套区域站完成了升级改造，增加了相对湿度、能见度等气象要素，这两者对于监测灾害性天气具有非常关键的作用。这也说明宁波市气象局对于灾害性天气的重视程度不断增加。

表2 宁波能见度站点布局分布表

图4 宁波能见度分布情况

1.4 颗粒物激光雷达数据共享

2015 年以来，宁波市气象局分别在奉化和镇海布置2台颗粒物激光雷达，并共享环保部门市区一台颗粒物激光雷达数据。大气颗粒物监测激光雷达是由无锡中科光电公司研制的，大气颗粒物激光雷达是基于Mie 散射原理，颗粒物激光雷达的基本结构如图5 所示，表3 给出了设备的基本参数，双波长颗粒物激光雷达可以发射出波长为532 nm 和355 nm 的激光，然后经过扩束镜扩束后进入天空中，光束在大气中发生散射产生后向散射信号，后向散射信号通过望远镜汇聚到光电探测器，通过光子计数和A/D 转换的技术，将光信号转换为电信号，然后利用相关公式进一步被计算机处理，得到气溶胶粒子的消光系数和退偏振比系数。宁波市气象部门于2015 年上半年开始购入颗粒物激光雷达，并且正式投入观测，颗粒物激光雷达时间分辨率为5 min，空间分辨率为7.5 m，提供24 h 实时的信号采集和数据显示。

表3 颗粒物激光雷达技术参数

图5 颗粒物激光雷达结构原理

现有3 台颗粒物激光雷达数据与已有的大气成分观测设备、气象自动站设备共同监测环境污染情况。3 台设备数据入市局数据库，经过处理后网页显示，如图6 所示，通过激光雷达组网信息显示系统可以实时监测到灰霾发生—消散的整个过程，并且能够通过消光系数、退偏振比等数据分析灰霾发生过程中气溶胶粒子的光学特性。

图6 颗粒物激光雷达组网显示

2 多种设备联合观测灰霾

2.1 地面气象数据判定灰霾

灰霾主要对人体健康、农业生产、交通运输、经济发展等都会造成危害。灰霾发生时相对湿度会低于90%，能见度降到10 km 以下，所以，结合地面气象要素中的能见度和相对湿度数据，可以对灰霾进行初步判定，而结合气象要素数据中的雨量和风速值，可以对灰霾发生时的天气情况进行分析，这也是最初对灰霾的判定方法。

2016 年1 月9 日，在宁波市范围出现了一次发生时间持续比较久的灰霾过程，选取奉化（58565）、镇海（58561）两个国家自动站的地面气象数据对此次灰霾过程进行分析。从图7、图8 可以看出两站点的能见度、湿度、风速变化整体趋势基本一致，从能见度和相对湿度图可以看出1 月19 日0:00—12:30 期间，能见度低于10 km，最低达到3 km，相对湿度维持在30%～70%之间，12:35—18:00 期间，能见度先升高后降低，超过10 km，灰霾情况有一定的缓解，但18:10 以后能见度持续降低，奉化站点相对湿度数据低于70%，灰霾持续，镇海站点相对湿度数据出现持续上升的情况，21:40以后灰霾逐渐演变成雾。右边风速和雨量图可以看出，整个风速数据与能见度数据变化趋势基本一致，风速值较小时，颗粒物堆积无法扩散，能见度降低，灰霾程度加重，风速值增大时，颗粒物容易被吹散，能见度升高，灰霾程度减轻。

图7 58565 奉化站点地面气象要素

图8 58561 镇海站点地面气象要素

利用地面气象要素来分析灰霾，可以了解灰霾发生过程中的整个宏观天气状况，进而分析灰霾产生过程中前后、整个进程中的天气因素的影响，也可以获知灰霾发生、消散过程中能见度、湿度、风速的整个变化趋势、情况，通过气象要素风的变化趋势也可以看出，在无风或微风的情况下更容易产生雾霾，主要原因是地面细颗粒物的积聚对于雾霾的形成创造出有利的条件，但是对于具体的污染物分布情况、浓度大小及其他特性都无法了解到。

2.2 空气污染物监测设备分析灰霾成分

图9 是对58565 和58561 两个站点的空气污染物浓度数据进行分析，在整个灰霾的发生过程中大颗粒物占据较大比重，整个颗粒物浓度变化趋势与图8 中能见度趋势相反，与相对湿度变化趋势相似。从颗粒物浓度分布图可以看到PM10 和PM2.5含量明显大于PM1.0，PM2.5 浓度最大值超过130 μg/m3，0:00—15:00 期间颗粒物浓度呈下降趋势，说明此时间段灰霾呈减缓的趋势。15:00 以后颗粒物浓度整体呈现上升趋势，灰霾开始加重。

图9 站点空气污染物浓度

利用空气污染物监测设备分析灰霾，可以看到固定点整个灰霾发生过程中颗粒物的浓度和比重，在灰霾发生时，PM2.5 浓度较大，所占比重较高。但是对于周边的天气状况无法获取，不能从宏观天气环境来分析灰霾过程的整个演变过程。

2.3 颗粒物激光雷达分析灰霾光学特性

图10 是奉化站点的颗粒物激光雷达探测到的气溶胶消光系数图，颗粒物激光雷达有532 nm 和355 nm 两个波长，对于大小颗粒物的探测敏感程度不同，但是整体变化趋势一致。通过颗粒物激光雷达探测得到的消光系数图，可以看到整个气溶胶层在高度和时间上的变化，在垂直方向上可以看出，整个气溶胶层主要分布在近地面50～500 m，消光系数数值浓度在整个时间轴上呈现逐渐减小的趋势，上午浓度较大，后续逐渐变小。

图10 58565 站点消光系数

图11 是选取单一站点奉化（58565）站点的颗粒物激光雷达退偏振比的数据图，通过图中的信息就可以进一步分析得到灰霾退偏振比在时间和高度上的空间变化情况，在50～500 m 高度范围内，退偏振比范围主要为0.1～0.2，说明在此次灰霾过程中主要以非球形大颗粒物为主。通过对颗粒物激光雷达监测到的消光系数和退偏振比图进一步分析，就可以比较明显的看出颗粒物浓度随着时间和空间的变化趋势，进而比较清楚的分析出灰霾的整个演变过程。

图11 58565 站点退偏振比

颗粒物激光雷达的引用对于探测灰霾光学特性具有较好的帮助，颗粒物激光雷达数据产品丰富，能够从双波长消光系数、退偏振比等多个指标来分析宁波地区的灰霾光学特性，也可以给出云底高度数据，对于观测不同高度气溶胶分布及云层分布都带来较大便利。但是，颗粒物激光雷达只能观测到单点不同高度不同时间的气溶胶层分布，对于多个点的探测来说还是具有一定的局限性。

3 结语

宁波市气象局重视清新空气建设，近几年来更是引进多种观测设备，并且通过部门间的监测设施布局共同规划、资源共享，实现大气监测资源的有效配置和合理利用，每种设备在灰霾监测中都存在优势和弊端：地面气象设备可以观测到灰霾发生过程中宏观天气的变化情况，但是对于污染物具体分布情况、浓度大小的观测具有局限性；空气污染物监测设备可以观测到污染物浓度的变化，但是无法监测到宏观天气变化；颗粒物激光雷达可以观测到单点不同高度不同时间的气溶胶层分布，对于多个点的探测来说还是具有一定的局限性，所以在灰霾监测过程中，需要多种设备相互配合，共同打造大气监测网。结合多媒体、广渠道的大气污染监测信息发布方式，及时、适时开展联合会商，启动大气重大污染预警，及早向相关部门给出预警和防范措施；同时联合对公众发布相关信息及防御建议等内容，对于政府部门进一步治理空气污染，引导人们安全生产生活有着重要的意义。