基于激光雷达的颗粒物“地空一体化”监测

摘  要：激光雷达是一种光学频段的主动式大气遥感探测工具，文章采用车载大气颗粒物激光雷达，结合固定垂直探测、移动走航监测和平面扫描三种探测方式，对保定市高新区颗粒物浓度进行了连续观测。固定监测结果显示，通过激光雷达获得的气溶胶消光系数变化趋势与空气质量指数走势相符，符合环保部的数据指标。平面扫描监测进一步证明了污染高值是由本地污染和外来污染共同导致的。可以通过平面扫描确定污染大致区域，再通过移动走航监测快速、准确地定位污染源的位置。

关键词：大气颗粒物激光雷达；固定垂直探测；移动走航监测；平面扫描

中图分类号：TP39；X831；X87 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）18-0167-05

Particulate Matter“Ground Air Integration”Monitoring Based on Lidar

GAO Jing

（School of Physics and Electronic Information， Dezhou University， Dezhou  253023， China）

Abstract： Lidar is an active atmospheric remote sensing detection tool in the optical frequency band. This paper uses a vehicle mounted atmospheric particulate matter lidar， combined with three detection methods： fixed vertical detection， mobile navigation monitoring， and planar scanning， to continuously observe the concentration of particulate matter in the high-tech zone of Baoding City. The fixed monitoring results show that the variation trend of aerosol extinction coefficient obtained through Lidar is consistent with the trend of air quality index， which is in line with the data indicators of the Ministry of Environmental Protection. Planar scanning monitoring further proves that high pollution values are caused by both local and external pollution. The approximate area of pollution can be determined through plane scanning， and then the location of the pollution source can be quickly and accurately located through mobile navigation monitoring.

Keywords： atmospheric particulate matter lidar; fixed vertical detection; mobile navigation monitoring; plane scanning

0  引  言

大氣污染现已成为一个全球性问题，日益严重的大气气溶胶污染是当前大气研究的热点[1]。大气气溶胶又称为气胶或者烟雾质，其定义为：由空气动力学直径在0.001～10 μm范围内的固体或液体颗粒物悬浮、分散在气体介质中形成的稳定分散体系[2，3]。气溶胶的形状和种类多种多样，可以是球形，也可以是片状或其他的不规则形状，例如云、雾、尘埃、烟、粉尘等都是气溶胶的具体实例。

尽管气溶胶在大气中的含量较少，而且从大尺度跨越的时间来看，气溶胶粒子的产生和消失处于一种动态平衡，且自然源占据主导因素。对全球气溶胶的自然源和人为源排放量的估算表明，人为源的排放量占比很小，仅占总排放量的10%～20%。但近年来，随着各种工业产业的发展和城市化进程的加快，在人口密集的城市区域人为源排放量的占比逐渐上升，甚至很可能超过自然源并占据主导因素，这逐渐引起了各界的广泛关注。大气气溶胶具有分布不均匀、变化尺度小等特点，分布在大气边界层内的大气气溶胶与人类活动关系密切，对人类健康、气候变化以及大气能见度等方面均具有重要影响[4，5]。

气溶胶探测技术的基本原理是，通过测量入射辐射与气溶胶粒子发生散射和吸收作用后的辐射强度和性质的变化，来反演气溶胶粒子的消光特性和空间分布。在大气气溶胶的研究中，气溶胶的观测手段主要包括直接探测和遥感探测两种方式。直接探测是利用原位测量仪并借助地面基站、探空气球、飞机挂载等方法进行探测。实验探测大气气溶胶的常用仪器有：太阳或星光辐射计、激光雷达以及卫星遥感。

车载大气颗粒物激光雷达可以实现对排放源的快速移动监测，并实时监测影响大气条件的主要排放源，为污染源分析和相关决策提供了有效的数据支持[6]。常用的监测方法包括平面扫描、移动走航和固定垂直监测[7]。固定垂直监测可以分析空间污染物传输情况，结合风向参数可以计算污染物传送比，分析污染物本地/外来的比例。通过垂直连续长周期测量可以获取垂直的颗粒物时空演变数据，了解本地大气边界层分布变化情况，是本地的污染物模式和预警预报的重要模式数据。移动走航监测能够快速获得监测区域内大气颗粒物垂直剖面，结合气象、地形等宏观环境条件，可以实现颗粒物污染的产生、消散及跨界输送等过程的有效分析，在区域颗粒物污染探测方面有重要的应用价值。通过走航测量结合环境条件分析城市污染成因，可以直观地反映城市各个区域的污染情况。移动走航检测提高了基于固定检测的可操作性，有助于为污染源分析和相关决策提供有效的数据支持。平面扫描监测能够探测和记录所在位置平均有效监控半径为4 km范围内的污染源（本地源以及外来源）的变化过程，寻找水平颗粒物排放源。在固定、走航和平扫结合的监测模式下，可以获取“点面域、地空天”的一体化数据。

1  激光雷达原理及反演方法

激光雷达具有极高的角分辨率、时空分辨率，探测范围广，对大气扰动小，可长期连续监测并实时获取数据等优点，在大气物理参数、环境探测等方面获得了广泛应用。通过探测分析其发射的窄脉冲激光与传输路径上的气溶胶发生相互作用后的回波信号，从而获得被测区域的大气温湿度、消光系数等参数。米散射激光雷达是最早用于大气要素测量的激光雷达，由激光发射系统、接收光学系统和数据处理系统三部分组成。米散射激光雷达系统结构示意图如图1所示。该激光器采用工作波长为532 nm的泵态激光器，单脉冲输出能量为≥1 MJ，脉冲频率为2 kHz。望远镜的直径为180 mm。粒子监测仪的测量范围为0～100 mg/m3，精度低于±10%。风速和方向仪具有0～70 m/s和0～360度两种测量范围模式，精度为±3°。米散射激光雷达常用于探测30 km以下低空的气溶胶。对比其他散射方式，米散射的散射截面更大，回波信号更强，因此米散射激光雷达常作为气溶胶特性探测的一种有效仪器。

2  消光系数反演方法

在利用激光雷达进行大气探测的过程中，从系统接收的大气散射回波信号中反演气溶胶消光系数的方法有：斜率法、Klett法和Fernald法等[8-10]。本节主要介绍常用的Klett算法和Fernald算法的具体算法。

2.1  Klett方法

该方法是Klett于1981年提出的，适用于在非均匀大气中获取后向散射系数。在气溶胶浓度较大的情况下，空气分子的后向散射和气溶胶的后向散射不在同一数量级。Klett假设大气消光系数和后向散射系数之间满足指数关系，并求解得到大气消光系数如式（1）所示：

式中，S（z） = ln （P（z） z2），zc为边界值，α （zc）为消光系数边界值。Klett方法适用于大气气溶胶浓度较高的区域，如大气边界层、云层或者光学厚度较大的气溶胶层。Klett法可以在非均匀大气中计算出具有距离分辨率的消光系数，且采用由远及近的积分形式时，反演误差逐渐收敛，缺点是没有区别分子瑞利散射和气溶胶米散射效应，只能给出总消光系数。Klett法的稳定性分析结果表明大气光学厚度与消光系数的相对误差成反比，反演结果的主要误差来自假设或估计的边界值zc。

2.2  Fernald方法

在自由对流层等大气气溶胶含量较少的区域内，即空气分子的后向散射和大气气溶胶的后向散射相比不能被忽略时，需要将大气气溶胶和空气分子的后向散射系数、消光系数分开处理。Fernald假设后向散射系数和消光系数之间是线性关系。通过Fernald法得到气溶胶后向散射系数：

式中，S1为激光雷达比，S2为空气分子的消光后向散射比，X（z） = ln （P（z） z2）。要从回波信号P（z）中获得气溶胶消光系数αa（z），需要确定以下参数：zc、S1、S2、αm（z），αa（zc）。对于532 nm波长，S1 = 50 sr，S2 = 8π / 3 sr。校准高度zc是通过选择几乎没有大气气溶胶的清洁大气的高度来确定的。在这个高度，X（z） / βm（z）的值最小，通常接近对流层的顶部。空气分子的密度是通过使用温压湿气象探测数据或标准大气模型获得，然后通过分子瑞利散射理论计算得到βm（z）。因为S2 = αm（z） / βm（z） = 8π / 3 sr，得到αm（z）。大气气溶胶散射比：R = 1 + βa（zc） / βm（zc） = 1.01，得到βa（zc）。S1 = αa（zc） / βa（zc），最终确定αa（zc）的值。

3  固定垂直监测环境数据分析

图2为2018年3月28日9：00～21：00激光雷达固定探测的气溶胶消光系数反演图和空气质量指数（AQI）曲线的对比。图3为大气边界层高度时间图。从图中可以看出，保定市受沙尘天气影响，9～14时的颗粒物浓度大，形成重度污染天气。从14时开始沙尘扩散，对保定市区污染影响开始减轻，随着沙尘的消散，大气边界层逐步升高，监测到颗粒物浓度降低，环境指数转好，污染等级改善。

4  水平扫面探测环境数据分析

圖4为2018年3月27日12：00到2018年3月38日20：00的AQI随时间的变化趋势。从图中可以看出凌晨3点处AQI逐渐上升，在上午9点达到峰值，并在下午2点后逐渐下降，说明在这段时间内经历了一次颗粒物污染。在图2中也有体现，但固定垂直监测只是单点监测，并不能有效跟踪污染物的扩散趋势。因此我们结合平面扫描监测，来看随着时间变化跟踪污染物的区域扩散，并结合气象因素预测污染扩散方向，从而有针对性地对污染源进行减排，对周围地区进行污染预报。激光雷达的扫描半径为5 km，扫描方位角为0°～360°，角分辨率为2°，每个角度的扫描时间为10 s，因此，一个周期的平均扫描时间为38 min。通过更改激光雷达的频率和角度分辨率来改变扫描时长。我们分别在第一日的22点以及第二日的5点、8点和11点进行了一个周期的平面扫描，观测点在图中用黑色点标注，对应的平面扫描反演图如图4中迷你图所示。观察迷你图，可以发现在激光雷达图北部存在一条细微的边界线，是因为在0°～359°之间有一个扫描周期时间差，因此边界线两边的差异越大对应于天气变化越快。通过平面扫描可以发现初始为监测点附近颗粒物浓度较大，主要考虑监测点附近的工业区和和热电厂为污染来源。综合风速风向分析，监测点附近的污染区域扩散，污染范围扩大。之后，在8点和11点的监测发现监测中心附近污染与周边污染逐渐复合，颗粒物污染逐渐加重，空气质量指数等级恶化。

5  车载走航探测环境数据分析

走航路线：北三环与朝阳北大街交口—朝阳北大街—北二环—阳光北大街—复兴中路—翠园街。走航期间风速风向为东北风2级；2018年3月31日10：16～10：48走航监测平面反演结果图和走航GPS定位图如图5所示，图6为走航监测立体反演结果图。从图中可以看出在走航时段内主要发现四处颗粒物浓度高值区域，分别为朝阳北大街与恒源路交口（左一实圈线）、鲁岗路与朝阳北大街交口（左二虚圈线）、北二环与阳光北大街交口（左三虚圈线）和阳光北大街与复兴中路交口（左四实圈线）。结合实际情况，朝阳北大街与恒源路交口处为拆迁工地路段，鲁岗路与朝阳北大街交口处为建筑工地路段，主要原因为施工导致的地面扬尘使得附近颗粒物浓度升高，这种情况可以通过喷洒除尘剂来降低。在北二环与阳光北大街交口以及阳光北大街与复兴中路交口颗粒物浓度较高主要是因为车流拥挤、尾气排放集中，导致颗粒物浓度升高。

6  结  论

本文以车载大气颗粒物激光雷达移动监测系统为基础，采用固定、走航和平扫三种不同的检测方式，对保定市高新区颗粒浓度进行了连续观测，并与环保部发布数据进行了比较，验证了系统的准确性和实用性。车载激光雷达系统避免了地基激光雷达系统的局限性。固定的监测结果表明，沙尘天气导致的外部污染的输入是空气质量指数较高的主要因素。结合平面扫描，进一步明确颗粒物浓度升高是本地污染扩散和外来污染复合综合导致的结果。最后，通过走航监测结合车载GPS，准确定位路径上的污染源点。

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作者简介：高静（1996—），女，汉族，山东潍坊人，助教，硕士，研究方向：激光雷达大气环境监測。