基于颗粒物通量激光雷达的一次颗粒物污染过程分析

周书华，吴建军，罗天志，金 宏 ，顾恒湘

(1. 四川省宜宾生态环境监测中心站，四川 宜宾 644000;2. 天津多摩光电科技有限公司，天津 300384)

前 言

颗粒物通量是指单位时间内单位面积通过截面颗粒物的流量，它包含颗粒物浓度和风速风向信息，可以表征颗粒物输送强度[1-2]。颗粒物激光雷达作为一种新型的主动光学遥感探测设备，可以对大气环境中颗粒态污染物进行高时空分辨率、高探测精度的立体监测，从而获得颗粒物的时空间分布信息[3～8]。仅靠颗粒物激光雷达监测只能获得高空的颗粒物信息，由于缺少高空风速风向观测，无法进一步分析颗粒物的传输方向以及强度等信息。颗粒物通量激光雷达集成了颗粒物激光雷达和风廓线雷达，对高空风速风向、颗粒物通量、沙尘输送、区域之间颗粒物传输通量、边界层高度等均能进行监测，可以很好地解决这个问题。目前，使用颗粒物通量激光雷达对颗粒物传输和污染特征的相关研究较少。陈楠[9]等利用颗粒物激光雷达对湖北地区一次沙尘传输过程进行了监测，期间监测到3次降尘，发现边界层高度对颗粒物浓度有一定的影响，水平扫描结果也发现两处污染扩散带。佟彦超等[10]利用激光雷达技术对北京地区的重要工业污染源开展了长期连续监测，获取了颗粒物输送通量等多种参数，同时也验证了该方法的可行性。赵逢波[2]基于大气污染物通量探测的基本原理，利用三维扫描激光雷达和相干多普勒测风激光雷达装置，分别从时间和空间尺度上提出不同模式，在此基础上构建了污染物通量的多数据融合模型，并从时间、空间上分析了污染物水平和垂直输送特征。

宜宾位于四川盆地南缘，2020年2月12日～17日期间宜宾市有一次污染过程，期间受北方强冷空气南下影响，并伴随沙尘远距离输送。本文根据宜宾市颗粒物通量激光雷达的监测结果，结合气象观测资料和地面空气质量监测数据，以期通过对此污染过程进行研究，明晰污染物传输特征、强度以及对颗粒物浓度的影响，从而对该区域的大气污染治理和空气质量预警预报等提供重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 空气质量资料

获取2020年2月12日～2月17日期间宜宾市城市PM2.5和PM10小时平均浓度、空气质量等级、首要污染物。为市委、宜宾四中、市政府、黄金嘴4个国控空气质量自动监测站点(均为趋势点)按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ663-2013)对监测数据有效性进行筛选后计算的平均值以及对应的空气质量等级和首要污染物。

1.1.2 颗粒物通量激光雷达资料

选取2020年2月12日～17日期间颗粒物通量激光雷达监测的颗粒物通量、边界层高度、气溶胶消光、退偏比、风速风向等资料进行分析。

1.1.3 气象观测资料

气象观测数据来自中国气象数据网(https://data.cma.cn/)，包括2020年2月12日～2月17日期间每小时的气温、相对湿度、风速风向等数据。

1.2 实验方法

1.2.1 PM2.5和PM10连续自动监测系统

PM2.5和PM10连续自动监测设备型号为热电5030i，监测方法为β射线吸收法。监测原理：样品空气通过切割器以恒定的流量经过进样管，颗粒物截留在滤膜上，β射线通过滤膜时，能量发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的质量[11]。

1.2.2 颗粒物通量激光雷达

颗粒物颗粒物通量激光雷达具有双镜头系统，由颗粒物测量单元、风廓线测量单元、通量分析软件组成，可同时探测出颗粒物浓度廓线与风速风向廓线，直接输出颗粒物通量结果。主要技术参数见下表。

表 颗粒物通量激光雷达主要技术参数Tab. Main technical parameters of particulate flux lidar

图1 颗粒物通量雷达传输面及国控空气自动监测站点分布的示意图Fig.1 The schematic diagram of the transmission surface of particulate flux radar and the distribution of automatic air monitoring stations controlled by the state

设备安装宜宾市污水处理厂，在我市东北-西南方向的污染物传输通道上，共1台，在一定程度上也可以反应宜宾市颗粒物传输特征。颗粒物通量雷达传输界面的示意图如图1所示，定义传输截面为-20°，蓝色代表输出、橙色代表输入。界面左侧为城区，右侧有工业园。

颗粒物监测单元：激光经过扩束准直后进入大气，接收望远镜与激光发射方向同轴，激光被传输路径上的云或气溶胶所散射，球形粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向，而非球形粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量。来自球形和非球形粒子的后向散射回波信号由接收望远镜接收并通过分光棱镜将两个不同偏振方向的光分开，分辨率传递到两个探测器，信号经过采集、处理后得到大气气溶胶的信息。

风廓线测量单元：主要通过对气溶胶示踪物的运动特征(多普勒频移)测量，来间接获取大气风场分布。利用大气中随风运动得气溶胶粒子对激光得多普勒效应，通过类似于无线电外差接收的原理，发射单色激光(即本振光，频率为ω1)，照射到气溶胶粒子上，对散射后频率发射变化得激光信号(ω1+2πfd)进行收集，并于雷达系统的本振光(ω1)进行相干外差混频，在光电探测器上检测得到气溶胶粒子的多普勒频移信号(频率为fd)，多普勒频移与气溶胶粒子运动速度之间的函数关系如下：

(1)

其中，λ为激光波长，可计算出气溶胶相对于光束方向的运动速度Vr，从而得到气溶胶粒子沿光束光向上的风速分量(即径向风速)[12]。

通量计算公式如下：

Φ=PM×v=μg/m3×m/s=μg/m2·s

(2)

其中，Φ为颗粒物通量，单位为μg/m2·s，PM为颗粒物质量浓度廓线，v为风速。

2 结果分析

2.1 空气质量状况

由图2可知，2月12日00∶00～14日20∶00，PM2.5、PM10浓度整体呈上升趋势，PM2.5和PM10小时平均浓度颗粒物浓度最高值分别达到134μg/m3、142μg/m3，空气质量等级达到中度污染，期间PM2.5与PM10浓度比值较高，介于0.78～0.98之间，首要污染物均为PM2.5。2月14日21∶00～2月15日04∶00，PM2.5、PM10浓度均显著下降，PM2.5与PM10浓度比值也明显降低。随后PM10浓度先上升、后下降，峰值出现在15∶00左右(94μg/m3)，而PM2.5浓度变化较小，2月15～16日PM2.5与PM10浓度平均比值仅0.34，空气质量较好，首要污染物以PM10为主。2月17日PM2.5、PM10浓度开始有所上升，PM2.5与PM10浓度比值逐渐增大，平均值为0.51，首要污染物由PM10逐渐过渡为PM2.5。

图2 2月12日～17日宜宾市颗粒物小时浓度及比值变化曲线图Fig.2 The change curve of hourly concentration and ratio of particulate matter in Yibin from February 12 to 17

2.2 颗粒物通量激光雷达监测结果分析

2.2.1 颗粒物通量分析

2.2.1.1 冷空气入境前

由图3～图5可知，从2月12日09∶00开始，早高峰向大气中排放的污染物，在有云遮挡、风速减小的作用下，不利于污染物扩散，近地面污染物浓度较高，09∶00～12∶00近地面PM2.5小时平均浓度均在90μg/m3以上。12∶00以后由于高空中2km处的云层消散，风速增大、相对湿度减小、边界层高度抬升，污染扩散条件改善，17∶00 近地面PM2.5小时平均浓度降至38μg/m3，期间100m以下和500m以下PM2.5小时水平通量均以输出为主。通过观察不同高度上PM2.5水平传输通量强度曲线，发现期间在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬时通量值最高分别达到25μg/m2·s、255μg/m2·s左右。22∶00开始PM2.5水平传输通量以输入为主，同时受风速减小、相对湿度增大、边界层高度降低等气象因素影响，近地面污染物累积，故夜间PM2.5浓度较高。

图3 2月12日～14日 PM2.5瞬时通量(上)、不同高度PM2.5传输强度曲线(下)Fig.3 PM2.5 instantaneous flux (top) and PM2.5 transmission intensity curves at different heights (bottom) from February 12th to 14th

图4 2月12日～14日100m和500m以下PM2.5小时平均通量输入输出 (橙色代表输入、蓝色代表输出)Fig.4 The input and outpwt hourly average flux of PM2.5 below 100m and 500m From February 12th to 14th (Orange represents input and blue represents output)

图5 2月12日～17日宜宾市风速、气温、相对湿度的变化曲线Fig.5 The change curve of wind speed, air temperature and relative humidity in Yibin from February 12 to 17

2月13日PM2.5水平通量传输特征与前一日基本相似，但传输通量有所增强，在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬时水平通量值最高分别达到24μg/m2·s、490μg/m2·s左右，以输出为主，期间PM2.5出现短时间的输入，在300m高度以下PM2.5水平通量风向玫瑰图(图6)可知，15∶00该区域PM2.5主要由东南方向输入为主，这可能与其东南方向的工业企业有关。

图6 2月13日15∶00 (左)、14日20∶00 (右)宜宾市300m以下PM2.5通量风向玫瑰图Fig.6 The wind direction rose chart of PM2.5 flux below 300m in Yibin city at 15∶00

2月14日00∶00～07∶00期间PM2.5水平传输通量先增加后减少，10∶00以后整体呈上升趋势，20∶00左右达到最大，随后迅速减少。相应地，当日近地面PM2.5浓度整体较高，20∶00地面小时平均浓度达到最高值134μg/m3。通过观察不同高度上PM2.5水平传输通量强度曲线，发现期间在0～100m、300～500m高度，PM2.5瞬时水平通量值最高分别达到44μg/m2·s、503μg/m2·s左右。进一步由宜宾市上空300m以下的PM2.5水平通量风向玫瑰图可知，20∶00该区域PM2.5主要为北西北方向的污染物输入，这可能与上游污染物沿江输送有关。由于13日白天太阳辐射较强，夜间容易出现逆温，14日白天为阴天，云层较厚，傍晚开始出现小雨，但雨量较小，达不到污染物清除的作用，加之冷空气主体入境前由于将污染物向南挤压，相对湿度较高、风速较小、边界层高度较低等不利气象条件，有利于二次转化生成细颗粒物，同时由于城区山脉阻挡作用，污染物容易堆积，故14日颗粒物浓度处于高值状态，整个过程PM2.5与PM10浓度比值均较高[13-14]。

2.2.1.2 冷空气入境后

14日23∶00左右冷空气主体正式入境，气温和相对湿度下降、风速明显增大，低空风向开始改变，由0～4m/s的东风切换为5～14m/s的北风与西北风，颗粒物浓度均迅速下降，空气质量迅速改善。但2月15日12∶00～20∶00，宜宾市上空的北风风速从5～14m/s降至0～4m/s，冷空气带来的沙尘发生沉降。根据退偏比图可知，15日10∶00 粗颗粒在2km高度开始逐渐降至近地面，14∶00在0～100m高度上PM10水平通量瞬时值最高达到30μg/m2·s左右，14∶00～15∶00近地面的PM10小时浓度出现一个明显峰值(94μg/m3)，而期间PM2.5浓度变化幅度较小，说明短时受到沙尘影响PM10出现了一个峰值。2月15日，宜宾市上空云层较低，整体维持在1.6km高度，但由于冷空气入境，空气对流活动增强，污染扩散条件较好，空气质量总体较好。15日夜间～16日凌晨由于边界层高度较白天下降、相对湿度有所增大，颗粒物浓度呈小幅上升趋势，16日04∶00～12∶00由于高空中1.6km处的云层升至3.2km，整体污染扩散条件较好，高空PM10水平输出瞬时强度达到60μg/m2·s，风向为西南方向，此时近地面颗粒物浓度较低(如图7)。

图7 2月15日宜宾市PM10瞬时通量(上)、不同高度上的传输强度曲线(下)Fig.7 PM10 instantaneous flux (top) and PM10 transmission intensity curves at different heights (bottom) on February 15th

图8 2月15日15∶00 (左)、2月16日05∶00(右)300m以下PM10通量玫瑰图Fig.8 The wind direction rose chart of PM10 flua below 300m in Yibin city at 15∶00

由2月15日15∶00在300m高度以下的PM10水平通量风向玫瑰图可知(图8)，由于沙尘沉降，该小时内传输强度的均值达到了24μg/m2·s。其次，北西北方向、北东北方向的PM10输入通量分别为21μg/m2·s、19μg/m2·s。

2月16日05∶00 PM10在300～500m高度范围以输出为主，低空300m以下输出强度相对较弱，由西南风方向输出的水平通量强度均值为13μg/m2·s，其次，南西南方向的PM10水平输出通量为11μg/m2·s，南方的水平输出通量为6μg/m2·s。

2.2.1.3 冷空气结束后

随着冷空气逐渐减弱，16日白天宜宾市受冷空气影响结束，气温升高、相对湿度减小、风速减小，新一轮污染过程污染物开始累积，颗粒物浓度略有上升，PM2.5与PM10浓度比值逐渐增大。

2.2.2 气溶胶特征及边界层高度分析

边界层高度对大气污染物的扩散有重要影响，边界层高度越高、越有利于污染物扩散，反之，越不利于污染物扩散。由图9可知，2月12～14日气溶胶消光明显较强，以细颗粒物污染为主；2月15日～16日18∶00退偏比较强，以粗颗粒物为主，期间有时受降雨影响。宜宾市夜间边界层高度较低，介于400～600m之间，不利于污染物扩散，白天随着太阳辐射增强，边界层高度相对较高。12日16∶00边界层高度最大值达到约1.4km，有利于污染物扩散，颗粒物浓度较低。14日白天以阴天为主，云层较厚，边界层高度仅在400～800m左右，有利于污染物聚积，期间颗粒物浓度较高。15日～17日受冷空气影响，空气对流活动增强，边界层高度有所升高，白天边界层高度在1～1.5km左右，污染物扩散条件较好，颗粒物浓度整体处于低值状态。

上图背景为监测期间的消光系数，下图背景为监测期间的退偏比图9 2月12日～17日宜宾市边界层高度变化情况Fig.9 The Changes of the boundary layer height in Yibin from February 12th to 17th

3 结论与展望

3.1 结论

3.1.1 颗粒物通量雷达监测结果可以很好地解释地面颗粒物浓度变化原因，污染过程中共监测到三次明显的PM2.5输入、一次PM2.5和PM10输出、一次PM10输入，通过分析颗粒物的传输特征和传输强度，可以为大气污染过程成因分析、查找污染源等提供重要参考价值。

3.1.2 边界层高度与大气污染物扩散有一定关系，边界层越高、越有利于污染物扩散，反之，越有利于污染物累积，白天午后边界层高度明显高于夜间。

3.1.3 冷空气南下带来的沙尘由于远距离输送未对颗粒物浓度造成显著影响，冷空气主体入境后颗粒物浓度显著下降。冷空气入境前以细颗粒物污染为主，冷空气入境后空气质量明显改善，沙尘沉降对近地面PM10有一定的影响，但影响较小。

3.1.4 气象因素对颗粒物浓度的影响十分显著。逆温作用、静(小)风、高相对湿度、低边界层高度等气象条件有利于近地面颗粒物聚积；强冷空气、风速大、相对湿度小、边界层高度较高，空气对流活动增强，有利于颗粒物稀释和扩散。

3.2 展望

大气污染是在三维立体空间中，随时间变化而迅速发生的物理化学反应过程。目前我省主要污染因子还是以细颗粒物(PM2.5)为主的颗粒物污染。为说清颗粒物污染的主要污染成因，精准查找重要污染来源，必须对中低空(尤其是一千米以下)的三维立体空间进行快速准确的探测。而现有的监测手段和监测方式，绝大部分都是针对近地面环境空气质量状况进行点状监测，在水平和垂直方向均无法有效覆盖，难以说清大气污染成因，无法精准查找重要污染来源。而通量激光雷达可以部分弥补现有监测手段的不足，在2km以下的立体空间内快速监测颗粒物污染气团的传输情况。

虽然本次污染过程只用了一台通量雷达进行观测，但是在后续研究过程中可增加设备数量，形成组网，同时，进一步应用通量雷达进行走航监测、倾斜扫描、断层扫描等创新方式，并且在重要污染日进行较长时间持续观测，追踪重要污染气团的传输轨迹。可以准确地分析颗粒物传输特征，为精准查找重要污染来源提供重要的参考。