遙感技術在霧霾天氣中的應用

王克兢，邢延峰，孫越天

（黑龍江省環境監測中心站，哈爾濱 150056）

遙感技術在霧霾天氣中的應用

王克兢，邢延峰，孫越天

（黑龍江省環境監測中心站，哈爾濱 150056）

隨著城市化進程的加快，霧霾天氣逐漸增多，人們對霧霾的治理與監測越來越關注。常規的監測手段只能監測近地面的霧霾，激光雷達應用可以從高空到近地更加立體的監測，為未來預警預報、提前知悉相關沉降信息及擴散走勢提供數據支持。

霧霾；激光雷達；應用

近年來，城市空氣污染的治理力度有所加大，但是灰霾等天氣卻頻繁出現。由于大氣氣溶膠濃度變化直接影響到生存環境和人們的健康，特別是PM2.5已引起了人們的廣泛關注。霧霾的主要污染物為道路揚塵、汽車尾氣、建筑施工、工業排放等一次粒子及硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、黑碳、有機碳氫化合物等氣粒轉化過程中產生的超細粒子，對人體健康產生極大的損害，并且影響區域氣候及交通［1］。常規的顆粒物探測儀器只能探測近地面的顆粒物濃度變化，且局地性較強，較難獲取顆粒物的時空分布規律，激光雷達的出現使得大氣顆粒物的時空探測成為現實［2］。

1 工作原理

該系統是將激光脈沖發射到大氣中，大氣中的氣溶膠顆粒或大氣構成分子對光束發生后向散射，利用望遠鏡接收該散射光，通過發射和接收的時間差計算出距離，并依據接收光的信號強度計算出大氣氣溶膠的密度譜及其空間分布［3］。

2 數據分析

2.1 當時的實際后向軌跡示意圖

可以明顯看出有從西北面吹來的冷空氣流，從2 000m高空緩慢的下降到近地面。

如果高空有污染團或較重顆粒物團時，在下降氣流的作用下，高空污染物易被帶到近地面，造成城市近地面顆粒物的濃度上升。通過趨勢變化了解到起初高空顆粒物濃度較高，隨著整理下沉氣流影響，有聚集近地面的趨勢，且隨時間增加，顆粒物會產生兩種變化趨勢，一種為隨擴散氣流向高空，到夜里會沉降近地面。另一種為直接沉降近地，形成顆粒物積累趨勢。

圖1 實際后向軌跡示意圖Fig1.Schematic diagram of practical backward trajectory

2.2 城市上空氣溶膠時空演變

當一個激光脈沖發射到大氣中時，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子散射和消光，不同高度（距離）的后向散射回波信號的大小與此高度（距離）的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關，其后向散射回撥信號由激光雷達探測，通過求解米散射激光雷達方程就可以反演相對應高度（距離）的大氣氣溶膠粒子和云粒子。

數據分析：通過對比雙通道變化，可以看出水平分量和垂直分量兩通道隨時間變化的時空演變圖。通過上圖可以判斷城市上空大氣污染物變化趨勢。如圖1，AB兩通道，如圖標示在2 000m左右有氣溶膠團從高空出現且有明顯沉降聚集趨勢，至25日完全沉降到近地表，24日中午和25日下午分別有兩次較重的近氣溶膠堆積現象出現。通過后向軌跡可以看出，25號主要是沉降后本地氣流吹起的揚塵，這一過程的發生勢必會造成近地表污染物濃度上升。

圖2 不同高度水汽和顆粒物濃度隨時間變化趨勢Fig.2 Changing trend of moisture and particulate matter concentration in different height with time

2.3 城市PM10濃度變化

圖3 不同高度PM10濃度隨時間變化趨勢Fig.3 Changing trend of PM10 concentration in different height with time

數據分析：如圖3為不同高度PM10隨時間變化趨勢圖，我們發現近地表PM10濃度隨時間變化先較大隨后擴散減小，短暫小幅度升高到后期濃度較高的變化趨勢（圖3中顏色的深淺代表濃度的高低）。圖4為雷達數據導出后形成PM10隨時間變化趨勢圖，如圖4可以更直觀地反映PM10濃度的變化，針對PM10夜間升高的問題，通過顆粒物通道可以發現有顆粒物沉降。

圖4 PM10隨時間變化趨勢圖Fig.4 Changing trend of PM10 with time

3 結論

通過風向軌跡圖，結合雷達數據中顆粒物通道、沙塵粒子消光系數、PM10等數據我們發現，風向軌跡體現的下降氣流與與雷達監測的沉降在高度上完全吻合，23日早上出現較強的高空下降氣流，隨時間變化一段時間，25日完全沉降。在該氣流的作用下，會攜帶大量的高空污染物進入近地表，這一過程中顆粒物發生進一步的沉降，會造成城市污染。通過雷達數據中粉塵消光可以看出這一沉降過程，該沉降過程會造成城市較重的污染，隨后通過雷達PM10數據和趨勢圖發現，顆粒物沉降和PM10濃度上升較吻合，因此此次城市污染加重是由高空區域污染物遷徙沉降造成。

通過結合當時的天氣和其他參數，污染源分布及污染物走勢進行分析，對此次污染天氣走勢變化詳細分析，從高空到近地數據進行協同分析，利用激光雷達探測對霧霾過程的時空分布特征進行精確分析，可以在典型天氣案例經驗總結下，對未來預警預報、提前知悉相關沉降信息及擴散走勢實施并形成預案方案提供有力的幫助。

［1］ 張偉.淺談灰霾自動監測系統的建設［J］.環境監控與預警，2010，（05）：15-17.

［2］ 陸曉波.許建華.一次典型灰霾天氣過程及成因分析［J］.環境監控與預警，2009，1（1）：10-13.

［3］ 吳永華，胡歡陵，周軍，等.L625激光雷達探測平流層氣溶膠［J］.光學學報，2001，21（8）：1012-1015.

Application of remote sensing technology in fog and haze

WANG Ke-jing，XING Yan-feng，SUN Yue-tian
（Heilongjiang Environmental Monitoring Center Station，Harbin 150056，China）

With the acceleration of urbanization，the city's fog and haze has increased，and people have increasingly concerned on the governance and monitoring of haze.Conventional monitoring methods can only monitor near-surface haze，the application oflaser radar can make more three-dimensional monitoringfromthe upper tothe ground，and provide data tofuture forecast，relevant settlement information and diffusion trend.

Fogand haze；Laser radar；Application

X87

A

1674-8646（2016）16-0030-02

2016-07-05