基于激光云高儀的霧霾光學特性研究

喬曉燕，張子曰，李 林，范雪波，于麗萍

（1.北京市氣象探測中心，北京100176；2.北京市朝陽區氣象局，北京100016）

由于經濟的飛速增長和城市化進程的加快，在城市群區域的大氣污染日益嚴重，污染造成的能見度惡化事件越來越多[1-3]。自20 世紀80 年代以來，中國大部分地區霾日數呈增加趨勢，霧日數呈減少趨勢[4-5]。霾天氣頻繁發生，已經對交通安全、人類健康帶來很大的危害。霾中的氣溶膠粒子尤其是細粒子，是大氣環境中的主要污染物，容易引發呼吸道系統疾病，大大提高肺癌發病率，也對人體心血管系統產生極大危害[6-7]。因此霾現象已經引起公眾和科學研究的高度關注[8]。

霧和霾均為視程障礙類天氣現象。霧是大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的。而霾是大量極細微的干塵粒等均勻的浮游在空中，使水平能見度＜10.0 km 的空氣普遍渾濁現象，不僅影響交通安全，對人類健康也有極大危害[9-11]。近年來霧霾差異和霧霾垂直結構研究已成為大氣科學領域新的研究內容。李楊等利用無人直升機搭載的氣溶膠采樣裝置和激光粒子計數器探測數據，分析了北京順義及房山地區重霧霾天氣近地面大氣顆粒物數濃度廓線[10]。于麗娟等利用濟南逐日地面氣象觀測資料分析霧和霾發生的季節差異和天氣形勢差異[11]。吳兌等詳細論述了霧和霾的區別，給出了霾與霧區分的概念模型，霾與霧觀測的標準[12]。霧和霾的成份、粒子尺度、厚度、垂直分布等方面存在明顯差異，目前使用現有地面觀測資料沒法描述這些特征，而激光云高儀發射的激光光束與霧滴、霾粒子相互作用，會表現出不同的光學特性。卜令兵等利用激光云高儀數據計算了消光系數、能見度，結合地面觀測數據，分析了一次霧霾相互轉化的天氣過程中，霧和霾垂直光學特性的差異，得到激光云高儀可用于霧和霾的差異研究[13]。

利用 2016 年10 月—2017 年 2 月的激光云高儀后向散射資料、地面觀測天氣現象、能見度、濕度等要素，分析霧、霾、輕霧、輕霾和晴空等天氣的垂直光學特性，統計各種天氣各高度層后向散射強度分布范圍，給出不同天氣各自具有的垂直光學特性，為霧和霾差異的研究提供數據參考。

1 儀器介紹

Vaisala CL51 云高儀是一種米散射激光雷達，目前在氣象探測中主要用于云高、云層、積分云量的測量，其后向散射信號可以反映大氣垂直結構。其運用脈沖二極管激光探測和測距技術，短脈沖沿垂直方向發出，在激光脈沖穿過天空時測量光的散射，發射出的激光與大氣中的大氣分子、氣溶膠、水汽等相互作用，后向散射信號被雷達接收系統接收，得到不同高度后向散射回波強度。CL5l 激光云高儀激光波長與霾粒子的直徑相當，因此產生的散射為米散射，其信號強度的激光雷達方程如下：

其中，pr（z）是接收到的瞬時功率，E0是有效脈沖能量，c 是光速，A 是接收機孔徑，Z 是距離，β（z）是容積后向散射系數是大氣透過率。CL51 激光云高儀光波長910 nm，脈沖頻率為10 kHz，峰值功率為27 W，測量高度從地面開始最高達15 km，高度分辨率為10 m，時間分辨率為16 s。CL51 激光云高儀與其他的激光雷達相比，云高儀發射的激光功率非常低，后向散射信號容易受到環境噪音的影響。為了提高信噪比CL51激光云高儀采用幾束激光脈沖返回信號疊加的總和，高頻率的激光脈沖基本消除了偽噪聲和高斯白噪聲[14-15]。

2 資料選取

本文所使用的激光云高儀后向散射資料為北京市大興區氣象局CL51 激光云高儀Level2 數據，該資料最高高度為4500 m，每16 s 一組廓線數據。地面觀測數據均為北京市南郊觀象臺業務觀測數據，能見度和濕度數據為分鐘數據。為了確保數據的可靠性，每16 min 廓線數據進行平均獲得一組廓線數據，濕度和能見度選擇相應時刻的分鐘數據。

在目前地面觀測中，使用的是綜合判別法區分霧和霾，采用的濕度閾值為90%。一直以來區分霧和霾的濕度閾值都存在爭議，中華人民共和國氣象行業標準《霾的觀測和預報等級》指出：在能見度＜10.0 km 時，相對濕度＜80%時，判識為霾；相對濕度＞95%時，判識為霧；相對濕度介于80%～95%時，需要根據顆粒物濃度數據進一步判識。為了使研究樣本可信，排除降水天氣，依照表1 中規則選取各種天氣現象樣本。由于霧、輕霧多發生在傍晚和凌晨時段，09：00—18：00 時段很少有霧和輕霧發生。所以各種天氣現象樣本均選擇00：00—09：00和 18：00—23：59 時段的數據。利用 2016 年 10月—2017 年2 月的數據獲得晴空、霧、霾、輕霾、輕霧樣本天數分別為：38、15、13、60、8 d。

表1 樣本天氣選取規則

3 多種天氣光學特性分析

3.1 多種天氣后向散射廓線典型個例分析

霧和霾由于成份、垂直分布、厚度等存在差異，激光云高儀探測兩種天氣現象得到的后向散射垂直廓線也應表現出不同的特征。霧是由水滴和冰晶組成，霧層中粒子分布不均勻，霧區與晴空區邊界清晰，霧的厚度一般在幾十到幾百米；霾是由干塵粒組成，霾層中粒子分布均勻，霾區與晴空區邊界不清晰，霾的厚度一般為數百米到幾千米。2016 年10 月 8 日 07：44、2016 年 11 月 3 日 08：00、2016年 10 月 14 日 07：44、2016 年 10 月 02 日 07：44 和2016 年 10 月 13 日 07：00 分別為晴空、霾、霧、輕霾和輕霧等天氣的典型個例，利用這些個例研究各種天氣后向散射廓線差異。圖1 所示為晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度廓線圖。由圖1 霧的后向散射廓線可見，0~200 m 高度后向散射強度較大，200 m 以上后向散射強度接近晴空，可以判定霧的高度為200 m，霧區與晴空區后向散射強度差別較大，與霧區和晴空區界限較明顯相吻合。霧層中后向散射強度垂直變化率大于霾層，在霧層的底部后向散射強度隨高度先較明顯增加而后減小，與霧層中粒子分布不均勻相對應。與霧相比，霾層的高度較高，700 m 以上后向散射強度較接近晴空天氣，霾的高度可判定在600~700 m，由于霾層中粒子分布較均勻，霾層中后向散射強度隨高度變化較霧層中緩慢。由輕霧垂直廓線可見，300 m 以下后向散射強度較大，300 m 以上后向散射強度接近晴空，霧層高度為300 m 左右，霧層高度較低，垂直變化率較輕霾大。由輕霾垂直廓線可見，霾層后向散射強度隨高度變化緩慢，霾層和晴空區界限不是很明顯。

圖1 各種天氣激光云高儀后向散射強度廓線

3.2 多種天氣后向散射強度連續變化典型個例分析

2016 年 11 月 22 日、2016 年 11 月 4—5 日、2016 年 11 月 26 日、2017 年 1 月 28 日、2016 年 10月7 日為晴空、霧、霾、輕霾和輕霧等天氣的典型個例，其中2016 年11 月22 日全天為晴空，2016 年11 月 26 日全天為霾，2017 年 1 月 28 日全天為輕霾。由于霧和輕霧多發生在夜間、上午和傍晚，霧和輕霧不可能全天都存在，2016 年 10 月 07 日 00：00—14：00 為輕霧，2016 年 11 月 4 日 2：00—8：00 與 11月 4 日 18：00—11 月 5 日 08：00 為霧。利用這些典型個例分析后向散射強度的連續變化情況。

由圖2 可知，晴空天氣后向散射強度全天都很小，沒有明顯的日變化。霾污染天氣，霾層厚度在500 m 左右，霾層與晴空區的邊界不清晰，霾層內后向散射系數垂直變化緩慢，且沒有明顯的日變化。輕霾天氣，后向散射強度介于晴空和霾污染天氣，霾層厚度存在明顯日變化。00—06 時，霾層厚度＞500 m，近地面后向散射強度較大，06 時霾層厚度開始逐漸增加，正午前后霾層達到最大高度，18 時霾層厚度開始逐漸減小。霧天氣，霧層厚度較小，且與晴空區邊界清晰，霧層內后向散射強度較大，一般霧發生在夜間、早晨和傍晚。輕霧天氣，霧層內后向散射強度隨高度變化不均勻，后向散射強度隨時間變化不連續，起伏明顯。

3.3 多種天氣后向散射強度分布概率差異

圖2 晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣后向散射強度日變化

為了進一步研究霧和霾光學特性的差異，利用資料選取章節中獲得的樣本計算了0～50 m、50～150 m、150～300 m、300～500 m、500～1000 m 五個高度層后向散射強度的概率分布。圖3 是晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度散點圖，結合圖4 晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣各高度層后向散射強度概率分布可見，晴空天氣0～1 km 高度在無云情況下，后向散射強度不超過0.01 km-1·sr-1，且各個高度后向散射強度差別不大。霧天氣后向散射強度較大值主要集中在低于300 m 的高度，由圖4可知，0~50 m 高度區間，后向散射強度＞0.1 km-1·sr-1的概率為 71.57%，＞0.3 km-1·sr-1的概率為 40.24%，后向散射強度在 300～500 m、500～1000 m 兩高度區間后向散射強度＜0.01 km-1·sr-1的概率分別為90.63%、99.46%，高度高于300 m 時后向散射強度概率分布接近晴空，可見一般情況下霧區底層后向散射強度較大，霧厚度一般不超過300 m。霾天氣后向散射強度較大值也在底層，且后向散射強度數值也比霧小，由圖4 可知，0～50 m 高度區間，后向散射強度＞0.1 km-1·sr-1的概率為 34.04%，＞0.3 km-1·sr-1的概率為0.19%，隨著高度的增加，后向散射強度減小緩慢，低于500 m 的高度后向散射強度都集中在＞0.01 km-1·sr-1的區間。霾的厚度一般＞500 m，與霧相比，霾區底層后向散射強度要小于霧區底層。輕霾和輕霧天氣0～50 m 高度區間的后向散射強度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是隨著高度的增加輕霧天氣后向散射強度減小較快。

3.4 多種天氣后向散射垂直變化率統計分析

霧層和霾層在垂直分布上存在差別，霧層中粒子分布不均勻、霾層中粒子分布均勻，這種差異會體現在后向散射強度垂直變化率上，為了研究霧和霾后向散射垂直變化率的統計差異，利用資料選取章節中獲得的樣本計算了各個高度層垂直梯度。圖5是晴空、霾、霧、輕霾、輕霧等天氣激光云高儀后向散射強度垂直梯度散點圖，可見霾和輕霾天氣后向散射強度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。霧和輕霧天氣高于400 m 的高度后向散射強度垂直梯度值較小，低于400 m 的高度數值較大。晴空天氣垂直梯度值均較小，介于-0.2～0.2 km-2·sr-1。由于后向散射強度是隨著高度逐漸減小的，所以各種天氣垂直梯度取負值的概率較大。圖6 是晴空、霾、霧、輕霾和輕霧等天氣各高度層后向散射強度垂直梯度概率分布，各個高度層晴空天氣后向散射強度垂直梯度在-0.1～0 km-2·sr-1分布概率均＞85%，晴空天氣后向散射強度隨高度緩慢減小。霧天氣0～50 m 高度區間的垂直梯度分布在＞2 km-2·sr-1和＜-2 km-2·sr-1的概率為55.03%，高于150 m 的高度垂直梯度分布在-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率均＞85%。

圖 3 晴空（a）、霾（b）、霧（c）、輕霾（d）和輕霧（e）等天氣激光云高儀后向散射強度散點

圖4 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下各高度層后向散射強度概率分布

圖5 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下激光云高儀后向散射強度垂直梯度

圖6 霾、霧、輕霾、輕霧和晴空等天氣條件下各高度層后向散射強度垂直梯度概率分布

霾天氣0～50 m 高度區間的垂直梯度分布在-2～2 km-2·sr-1的概率為 88.59%，高度 150 m 以上垂直梯度在-0.5～0.1 km-2·sr-1的分布概率均＞90%。0～50 m 高度區間的垂直梯度取較大值的概率霧大于霾，由于霧層厚度較小，霾層厚度較大，高于150 m 的高度霧天氣垂直梯度值較小，取值概率分布比霾天氣更接近晴空天氣。0～50 m 高度區間，輕霾天氣垂直梯度介于-0.1～0.1 km-2·sr-1的概率為62.72%，而輕霧天氣垂直梯度分布概率僅為31.18%。由于霾區內粒子分布較均勻，霧區分布不均勻，霧天氣垂直梯度出現大值的概率較霾天氣高。

4 結論

基于2016 年10 月—2017 年2 月激光云高儀后向散射數據，分別利用典型個例和多樣本統計分析了霧、霾、輕霧和輕霾等天氣不同的光學特征，得到以下結論：

（1）通過對晴空、霧、霾、輕霧和輕霾等多種天氣個例的后向散射廓線分析，發現霧層與晴空區后向散射強度差別較大，霧層中后向散射強度垂直變化率大于霾層，在霧層的底部后向散射強度隨高度先有較明顯增加而后減小。霾層的厚度較大，霾后向散射強度隨高度的變化較霧緩慢。全天為霾的天氣后向散射強度沒有明顯日變化，輕霾天氣霾層厚度正午前后最大，凌晨和夜間霾層厚度較小。霧由于日照作用失去水分會恢復霾，所以霧和輕霧多發生在夜間、清晨和傍晚。

（2）霧天氣后向散射強度較大值主要集中在低于300 m 的高度，高于300 m 的高度后向散射強度概率分布接近晴空，一般情況下霧區底層后向散射強度較大，霧厚度一般不超過300 m。霾天氣后向散射強度較大值也在底部，且后向散射強度數值也比霧小，隨著高度的增加，后向散射強度減小緩慢，霾的厚度一般＞500 m，與霧相比，霾區底部后向散射強度要小于霧區底部。輕霾和輕霧天氣0～50 m高度區間的后向散射強度都主要分布在0～0.2 km-1·sr-1，但是隨著高度的增加輕霧天氣后向散射強度減小較快。

（3）由于后向散射強度是隨著高度逐漸減小的，所以各種天氣垂直梯度取負值的概率較大。晴空天氣垂直梯度的絕對值均較小。霾和輕霾天氣后向散射強度垂直梯度分布在-4～4 km-2·sr-1。霧和輕霧天氣，高于400 m 的高度后向散射強度垂直梯度值較小，低于400 m 的高度數值較大。0～50 m 高度霧的垂直梯度取較大值的概率大于霾，高于150 m 的高度霧天氣垂直梯度值較小，取值概率分布比霾天氣更接近晴空天氣。由于霾區內粒子分布較均勻，霧區分布不均勻，所以霧天氣垂直梯度出現大值的概率較霾天氣高。