北京春季一次重度霧霾過程激光雷達分析

苗傳海，康博識，鄭石，邢婉茹，陳思蒙

摘要：2018年3月21日～26日，北京及周邊地區出現一次比較罕見的持續性重度霧霾天氣，能見度降到50m左右。本文利用EV-Lidar型激光雷達觀測數據，對本次霧霾的生成、發展和消散過程及污染氣團來源進行分析。

關鍵詞：北京；重度霧霾；激光雷達

中圖分類號： X513；X87 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.18.075

1 研究背景

霧霾是在一定區域內影響能見度的災害性天氣現象，對交通、人體健康等方面都有一定的影響[1]。隨著霧霾出現的頻率不斷提高，霧霾天氣的生消發展和污染物成分逐漸受到人們的關注。霧霾的形成主要受兩方面的影響，一是污染物的排放[2]，研究表明，大量工業燃燒以及季節性農業秸稈焚燒產生的黑碳、硫酸鹽等不同化學成分氣溶膠顆粒都排放到大氣中，大量汽車尾氣的排放對城市居民的生活也帶來很大危害[3]。二是氣象條件的影響，特別是大氣邊界層的影響成為重要因素。激光雷達以高度連續性和高時空分辨率的特點，成為估算邊界層高度，探究邊界層特征的有效手段之一[4]。基于激光雷達獲取邊界層高度有多種方法。早期學者采用梯度法計算邊界層高度，此方法簡單但穩定和連續性略差[5]；后來曲線擬合方法用于獲取邊界層高度信息，但是對于特殊的邊界層結構容易出現誤判[6]；國內外學者廣泛使用利用小波協方差方法識別邊界層高度，此方法需要事先給定算法參數[7-8]。

在微觀研究方面，近年來激光雷達發展成為研究卷云和沙塵氣溶膠等大氣非球形粒子形態的有效工具[9-10]，它通過探測非球形粒子后向散射光的退偏振比來研究目標物粒子形態[11]。

在北京，共計有10余臺激光雷達系統開展了協同觀測，從宏觀和微觀兩個角度實時監測北京地區霾層厚度變化，獲取了豐富的大氣垂直高度及氣溶膠顆粒等信息[12]。

2 儀器簡介

EV-Lidar型激光雷達（見圖1）由北京怡孚和融科技有限公司研制生產，可用于連續監測大氣氣溶膠的分布，分析氣溶膠粒子時空演變和組成結構。激光雷達的探測數據可反映出大氣邊界層（PBL）的結構和時空演變特征，進而獲得霧霾體系特征，還能得到大氣氣溶膠（飄塵、霧霾粒子）消光系數垂直廓線和時間演變特征、云層高度及多層云結構、大氣能見度和PM2.5、PM10濃度等信息。同時激光雷達可對城市上空工業排放廢氣物進行監測，分析環境污染物的擴散規律，對大氣環境監測和大氣科學研究都有重要的意義。其原理是通過發射激光束到大氣中，與大氣中的分子、顆粒物（云、煙塵、海鹽等）和水汽等形成散射，后向散射信號被激光雷達光學系統接收，將光信號轉換為電信號，系統計算光在空氣中傳播的時間，得到不同距離（高度）上的回波信號從而得到沿光束發射方向的氣溶膠粒子分布情況。

3 污染過程分析

根據圖2雷達產品圖，21日凌晨至24日夜間，PBL層整體呈下降趨勢，風級保持在1級左右，近似為靜穩天氣環境，城市擴散能力逐漸減弱。消光圖顯示21日凌晨高空3000m左右有氣溶膠團下沉，在地面集聚，同時近地面污染開始積累。22日凌晨，污染監測值出現一次短暫的下降，此時相對濕度達到60%，空氣中的污染物成為凝結核吸濕增長，形成霧滴[13]，霧滴形成之后，小滴繼續碰并成長為中滴和大滴，中滴和大滴繼續捕獲小滴，捕獲效率逐漸增大[14]，霧霾濃度增大，PBL層下降至400m左右，擴散條件較差，污染擴散量減小，污染開始迅速上升。至23日凌晨，污染最重，有短時間的重度污染過程。24日凌晨，濕度增大到80%左右，為污染物的積累提供了較好的水汽環境，污染吸濕積累量增大，空氣質量再次轉為重度污染。隨后受PBL層抬升影響，污染物擴散，污染開始減輕。

退偏比顯示近地面粗粒子含量較高，粗粒子受風力影響，多次發生擴散，對污染貢獻較小，影響污染升高的主要因子仍為細顆粒物。

4 后向軌跡分析

從后向軌跡圖（圖3）中可見，污染氣團于內蒙古北部產生，途徑呼和浩特、石家莊等地南下，聚集北京一帶。3月21日城市上空為強下降氣流，與此時高空污染下沉時間較為符合，攜帶污染氣溶膠下沉。

5 結論

2018年3月21日～24日，北京地區有一次持續時間較長的重度霧霾天氣，結合激光雷達的監測數據資料，研究了本次霧霾過程的生成和發展。

本次污染主要為近地面污染積累與高空氣溶膠團下沉和相對濕度升高引起的污染物積累，污染后期受PBL層和濕度影響，污染出現短時間的重度污染過程。近地面存在粗粒子，受風力影響，粗粒子對空氣質量影響不大，影響污染升高的主要因子仍為細顆粒物。來自內蒙古北部的污染氣團，南下至北京地區下沉到低空，積聚污染物導致霧霾的發生。

參考文獻

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作者簡介：苗傳海，高級工程師，研究方向：大氣探測。

通訊作者：康博識，助理工程師，研究方向：激光雷達及霧霾分析。