京津冀地區一次污染過程的星載-地基激光雷達聯合觀測分析

馬 娜，楊思鵬,2，王 界,4,5，萬佳寧，孟曉艷

1.無錫中科光電技術有限公司，江蘇 無錫 214135 2.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044 3.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 4.中國科學院安徽光學精密機械研究所，中科院環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031 5.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026

秋冬季京津冀區域的灰霾頻發現象受到極大的關注，對于這種大范圍且過程復雜的污染現象，常規的觀測手段很難對其進行準確分析。激光雷達是一種非常有效的大氣環境監測方法，它憑借較高的時空分辨率和靈敏度，被廣泛應用于氣溶膠觀測，并作為地面常規觀測的重要補充[1-2]。顆粒物激光雷達能反演得到氣溶膠的消光系數廓線[3-4]，從而獲取大氣氣溶膠的空間分布信息[5]，在氣溶膠的發生與發展研究中發揮了極大的作用。隨著激光雷達技術的不斷發展，已經實現了大氣溫濕度廓線、風廓線、氣溶膠粒子譜[6]以及各種污染氣體[7]的高精度和高分辨率反演。然而對于影響范圍較大的灰霾過程，單臺激光雷達則不足以對污染過程整個區域的污染物時空分布以及變化特征進行準確分析，需利用多臺激光雷達進行組網觀測來研究大尺度的氣溶膠分布及傳輸過程。

2018年3月9—15日，京津冀區域[8-9]發生了一次重污染過程，此次污染過程持續時間長達7 d，影響范圍廣，影響城市超過50個。筆者利用中國環境監測總站激光雷達組網的地基激光雷達觀測數據，結合CALIPSO衛星上搭載的正交極化云-氣溶膠激光雷達的觀測結果，對此次污染過程進行了地天聯合觀測分析，并結合區域站的風廓線激光雷達和微波輻射計的觀測結果以及 KMA近地面天氣圖等氣象場數據，綜合分析了此次污染過程的成因及區域污染輸送的特點，并對污染過程中污染團的時空分布特點進行了討論。

1 觀測方法與數據來源

1.1 地基遙感數據

針對此次污染過程，使用顆粒物激光雷達、風廓線激光雷達與微波輻射計等地基遙感設備對大氣進行觀測，以得到污染過程中大氣的消光系數、風廓線與溫濕度廓線數據對污染過程進行綜合分析。此次污染過程伴有西南向的區域傳輸過程，故在京津冀的西南傳輸通道上設置地基監測站點，分別在北京、保定與衡水設立監測站點對這一污染過程進行觀測，其中北京站點使用激光雷達進行監測，保定和衡水站點使用激光雷達、風廓線雷達以及微波輻射計監測。

1.1.1 顆粒物激光雷達

顆粒物激光雷達使用中科光電的AGHJ-I-LIDAR型激光雷達,雷達結構如圖1所示，激光雷達主要性能參數見表1。

圖1 激光雷達結構Fig.1 Structure of lidar system

表1 顆粒物激光雷達系統主要參數Table 1 Key specifications of particulate lidar system

雷達使用Nd:YAG激光器發射頻率為20Hz的532nm(激光能量為25mJ)與355nm(激光能量為30mJ)激光脈沖，脈沖持續時間為6～9ns。激光通過發射單元的擴束器擴束后，經過2個反射鏡使光束與望遠鏡的中心軸線同軸，垂直向上進入大氣。在大氣傳輸過程中，激光光束會與大氣分子和氣溶膠粒子發生相互作用(散射作用和吸收作用)，其中一部分返回地面的后向散射回波信號由卡塞格林望遠鏡接收，經過會聚透鏡過濾后進入信號采集通道，通過各自的干涉濾光片進行分離，然后用光電倍增管(PMT)進行檢測。3個通道的光子信號經過光電轉換系統后得到電信號，最終由數據采集系統存儲在主控計算機中。

1.1.2 風廓線激光雷達

風廓線激光雷達采用青島華航的WindPrint S4000 型雷達，采用3D掃描的方法來反演得到大氣的風場廓線數據[10]。激光雷達系統使用單脈沖光纖激光器，發射中心波長為1 550 nm的激光脈沖到大氣中，利用大氣中氣溶膠的激光后向散射信號和激光發射系統的本振光作外差檢測，獲得2束光的外差信號，進而得到大氣運動引起的多普勒頻移，測量徑向風速，采用微型光束掃描系統得到不同方位角上的徑向風速，最終反演得到風速風向廓線。風廓線激光雷達主要性能參數如表2所示。

表2 風廓線激光雷達系統主要參數Table 2 Key specifications of windprint lidar system

1.1.3 微波輻射計

微波輻射計為中國電子科技集團公司第二十二研究所的QFW6000型微波輻射計，由大氣輻射測量單元、GPS信號雙頻接收單元、環境要素測量單元、伺服轉臺單元、中央信號處理單元、電源單元和顯控終端組成。微波輻射計利用大氣的選擇吸收性和透過性來被動接受大氣發射的微波信息，從而探測大氣的溫濕度廓線[11]，是一種被動遙感探測方式。大氣中V波段(60GHz附近)的輻射主要來自氧氣，而氧氣發射的輻射強度與溫度和氧氣密度成正比；K波段(22GHz附近)的輻射主要來自水汽，其輻射強度與溫度和水汽密度成正比，微波輻射計通過接受2個波段的輻射信息，反演得到大氣的溫濕度廓線，微波輻射計的主要性能參數如表3所示。風廓線激光雷達結合微波輻射計可以精確地描述氣象場分布情況，用以對污染團的形成、輸送及生消過程進行綜合分析。

表3 微波輻射計系統主要參數Table 3 Key specifications of microwave radiometer system

1.2 星載數據

研究使用了CALIPSO衛星[12]的產品數據。CALIPSO是 “A-Train”衛星編隊的一員，主要任務是提供全球云和氣溶膠觀測數據，用于研究云和氣溶膠在調節地球氣候中的作用以及兩者的相互作用。其搭載的主要探測設備CALIOP是一臺偏振雙波長激光雷達，系統中的激光器可輸出波長為532、1 064 nm的脈沖，一共有3個回波通道(532 nm 2個偏振方向和1 064 nm)，由于高空大氣較為純凈，激光衰減程度低，故CALIOP可在垂直方向上探測出比地基激光雷達距離更長的高空數據。地基激光雷達結合CALIOP的觀測結果能夠更加準確地反映污染團的空間分布。

2 結果分析

2.1 污染過程概述

此次污染過程中京津冀區域部分城市PM2.5質量濃度變化如圖2所示。

圖2 京津冀區域部分城市PM2.5質量濃度Fig.2 The concentration of PM2.5in some cities in Beijing-Tianjin-Hebei region

由圖2可見，各城市PM2.5質量濃度變化趨勢相近，3月9—10日PM2.5質量濃度持續升高，其中邯鄲與邢臺PM2.5質量濃度最高時超過200 μg/m3。10日夜間，各城市PM2.5質量濃度開始下降，除邯鄲與邢臺外均降至50 μg/m3以下，11日12:00后PM2.5質量濃度再次攀升，至14日除滄州外其余城市PM2.5質量濃度均達到300 μg/m3以上，邯鄲PM2.5質量濃度于14日12：00超過400 μg/m3。邯鄲、衡水與邢臺于13日12：00—14日12：00的PM2.5質量濃度呈明顯的U型變化特征，且12：00顆粒物濃度較高，凌晨顆粒物濃度較低，不符合局地污染物累積變化的規律，應是區域污染物輸送伴隨著風向改變造成的，13日下午風向改變導致空氣短時清潔，14日凌晨過后風向再次改變并帶來污染物的輸入，導致顆粒物濃度再次升高。15日起各城市PM2.5質量濃度開始降低，至15日12：00所有城市的PM2.5質量濃度均降至50 μg/m3以下。

9日京津冀區域位于弱高壓后部，不利于污染物擴散，京津冀各城市污染物開始累積，11日受東南部的高壓影響，北京、天津與河北中部城市近地面為東北風，污染物濃度短時下降。15日冷高壓南下至京津冀區域，受冷高壓影響京津冀區域污染由北至南開始消散。整個污染過程主要分為2個階段，3月9日00：00—11日00：00為污染階段，11日00：00—16日00：00為污染區域傳輸與消散階段，現對該次過程2個階段的大氣遙感數據進行詳細分析。

2.2 污染過程分析

2.2.1 局地污染累積

圖3為各城市的顆粒物激光雷達監測結果。由圖3可見，各城市于9日上午開始有污染物傳輸，與近地面污染物混合后局地污染物開始累積。北京于9日中午開始受到傳輸污染物的影響，隨后局地污染物不斷累積，近地面消光系數增大。保定從9日上午開始近地面消光系數較高，局地污染物不斷累積。9日15：00北京和保定近地面消光系數均達到較大值。衡水于9日下午開始受到傳輸污染物的影響，與近地面污染物混合后局地污染物開始累積，消光系數于10日中午達到較大值，污染程度較北京與保定輕。10日各城市邊界層都壓低至500 m以下，保定的邊界層甚至壓低至探測點位水平面以下，環境容量減小，京津冀區域污染較重。

圖3 3月9—10日各城市激光雷達消光系數探測結果Fig.3 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 9-10

2.2.2 區域污染傳輸與污染消散

圖4為各城市激光雷達觀測結果。由圖4可見，11日北京空中1 km處一直存在著污染物傳輸帶，存在區域污染傳輸過程，污染物由太行山脈傳輸到京津冀區域北部時受近地面偏東風影響被抬升至空中。

圖4 3月11—15日各城市激光雷達消光系數探測結果Fig.4 Extinction coefficient detect from lidar in cities on March 11-15

圖5給出了CALIPSO衛星11日02：00的監測結果。CALIPSO衛星的觀測路線正好通過京津冀區域，所觀測的消光系數剖面可以代表京津冀區域的氣溶膠空間分布；圖5(c)的垂直特征圖表明京津冀探測到的高消光區域為氣溶膠而不是云，京津冀對應區域的消光后向散射系數結果顯示在CALIPSO的觀測路徑上，京津冀區域的污染團呈現出明顯的南北高低分布特征，污染團南部仍舊貼近于近地面，而北部污染團被抬升至空中，污染物從南至北由地面向空中傳輸，北部近地面消光系數低，與地基激光雷達的觀測結果相符。

12日傳輸污染物降落至近地面，導致北京近地面污染物濃度迅速升高，且在區域污染輸送的作用下污染物不斷累積。而衡水則在較強的系統性東南風影響下，污染物濃度降低，消光系數明顯減小。

圖6給出了北京11日08：00與12日08：00的后向軌跡圖，可見北京11日空中1 km的傳輸污染帶由西南方向輸入，12日近地面的污染物也來自于西南方向的污染物傳輸，與衛星和地基激光雷達觀測結果一致。

13—15日衡水的消光系數較低，但保定和北京等北部城市近地面消光系數仍然較大。15日隨著冷空氣的南下，各城市污染物開始消散，至15日夜間各城市空氣質量轉良，污染過程結束。

2.3 氣象條件分析

利用保定與衡水的風廓線激光雷達與微波輻射計的觀測數據，對污染過程與污染消散過程的氣象場進行分析。圖7和圖8是9日00：00—16日00：00的風廓線激光雷達觀測結果。

在9日00：00—15日00：00的污染過程中，保定1 km以下風速較弱，污染物不易擴散。衡水污染過程中氣象場主要有3個階段，9日00：00—10日00：00，1 km以下主要以西南風為主，太行山脈沿線城市累積的污染物沿著風向擴散至東北方向；10日開始近地面風向轉為東南風，污染物被抬升至空中，近地面污染物濃度降低，污染程度減輕；12日衡水近地面風向再次轉為西南風，污染團快速沿著太行山由南向北傳輸。 15日00：00—16日00：00受強冷高壓影響，保定風場轉為北風，衡水風場轉為較強東風，大氣擴散條件較好，污染團消散。11—12日的風廓線觀測結果與圖7的后向軌跡結果較為一致，后向軌跡圖是基于大尺度氣象場的模式計算結果，分辨率較低，而風廓線激光雷達能進行高分辨率的風廓線反演，能夠對傳輸過程進行精細的分析研究，正好彌補了后向軌跡分析分辨率不足的缺點。

圖5 CALIPSO衛星11日02：00觀測結果Fig.5 Observation of CALIPSO at 02:00 March 11

圖6 北京500、1 000、1 200 m高度48 h后向軌跡圖Fig.6 The 48 hours backward trajectory at 500 m, 800 m and 1 000 m of Beijing

圖7 3月9日00：00—12日12：00風場圖Fig.7 Wind field from 00：00 March 9 to 12:00 March 12

圖8 3月12日12：00—16日00：00風場圖Fig.8 Wind field from 12:00 March 12 to 00:00 March 16

圖9和圖10為9日00：00—16日00：00衡水與保定微波輻射計的溫度場與濕度場觀測結果。

可以發現各城市的溫濕度都有明顯的晝夜變化，在9日00：00—15日00：00的污染過程中保定空中1 km處一直有逆溫層存在，且各城市的近地面濕度較高，均為80%左右，逆溫靜穩且高濕的氣象條件非常利于污染物的累積，15日00：00之后保定持續了6 d的逆溫層消失，大氣擴散條件轉好，同時，15、16日之后各城市近地面相對濕度也低于污染期間。

結合各觀測數據結果可以發現，京津冀區域性的復合灰霾污染發生在偏南氣流下，南方暖濕氣流的輸入配合穩定的大氣層結，導致京津冀各區域在污染前期局地污染物不斷累積。中期各地污染物濃度累積至一定程度時在氣流影響下輻合并不斷由南至北輸送，形成一個覆蓋范圍極大的污染氣團，這一過程中受氣流變化的影響污染氣團會來回移動甚至上下抬升，導致部分城市污染物濃度突然降低或者迅速升高，形成U形曲線，但是污染氣團內污染物濃度整體是在持續升高的，污染氣團持續時間長且覆蓋范圍大。當北方冷空氣南下時，冷空氣驅散污染氣團并打破穩定的大氣層結，污染過程結束。因此京津冀區域性灰霾發生時需控制區域內的污染排放，限制污染氣團的持續增長，在冷空氣到來之前控制住污染物濃度。

圖9 3月9日00：00—16日00：00溫度場Fig.9 Temperature field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

圖10 3月9日00：00—16日00：00濕度場Fig.10 Humidity field from 00：00 March 9 to 00：00 March 16

3 結論

2018年3月9—15日京津冀區域的污染過程是一次影響范圍大、污染物濃度變化快、污染物空間變化復雜且伴有區域污染物傳輸的污染過程，針對該次過程使用地天聯合觀測進行分析。顆粒物激光雷達觀測結果表明污染過程前期主要為局地污染累積；后期受區域系統性偏南風影響，觀測到明顯的污染物區域傳輸過程，污染物在太行山和燕山山前積聚，形成污染輻合帶，在偏南風影響下污染物由南至北輸送，北京受太行山沿線城市污染輸送影響較大。風廓線激光雷達觀測結果表明此次污染過程近地面主要為偏南風且風力較弱，有助于污染物累積與傳輸，后期受冷空氣影響區域轉為較強東北風，大氣擴散條件轉好導致污染消散。微波輻射計觀測到保定在污染過程中出現持續6 d的逆溫層，在污染過程中近地面相對濕度較高，區域大部分地區持續靜穩，有助于污染物積累形成污染團，冷空氣到來后逆溫層被打破，污染開始消散。

分析過程中使用了地基遙感數據(如顆粒物激光雷達、風激光雷達和微波輻射計)，并聯合星載數據，對污染過程的各個階段、污染團的空間分布與變化特征做出準確分析，并進一步剖析了大氣污染的成因，對污染傳輸過程進行了更加精細立體的分析，可見地天聯合觀測對污染物的累積與輸送研究有重要意義，能對京津冀及周邊地區的大氣污染聯防聯控提供有效支持。

但是在分析過程中發現，由于所選點位在空間上有一定距離，空間分辨率不足，污染團在空間上的連續變化分析還有所欠缺。在下一步工作中，計劃結合車載走航觀測的數據，使各通道上離散的觀測結果連續化，并結合更多組網站點的數據，更精細地捕捉污染過程各個階段的特征，同時結合空氣質量同化模式的結果進行污染過程前、中、后期的評價，為京津冀及周邊地區的大氣污染監測與聯防聯控提供更有利的技術支持。