基于激光雷達的顆粒物“地空一體化”監測

摘? 要：激光雷達是一種光學頻段的主動式大氣遙感探測工具，文章采用車載大氣顆粒物激光雷達，結合固定垂直探測、移動走航監測和平面掃描三種探測方式，對保定市高新區顆粒物濃度進行了連續觀測。固定監測結果顯示，通過激光雷達獲得的氣溶膠消光系數變化趨勢與空氣質量指數走勢相符，符合環保部的數據指標。平面掃描監測進一步證明了污染高值是由本地污染和外來污染共同導致的。可以通過平面掃描確定污染大致區域，再通過移動走航監測快速、準確地定位污染源的位置。

關鍵詞：大氣顆粒物激光雷達；固定垂直探測；移動走航監測；平面掃描

中圖分類號：TP39；X831；X87 文獻標識碼：A 文章編號：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

大氣污染現已成為一個全球性問題，日益嚴重的大氣氣溶膠污染是當前大氣研究的熱點[1]。大氣氣溶膠又稱為氣膠或者煙霧質，其定義為：由空氣動力學直徑在0.001～10 μm范圍內的固體或液體顆粒物懸浮、分散在氣體介質中形成的穩定分散體系[2，3]。氣溶膠的形狀和種類多種多樣，可以是球形，也可以是片狀或其他的不規則形狀，例如云、霧、塵埃、煙、粉塵等都是氣溶膠的具體實例。

盡管氣溶膠在大氣中的含量較少，而且從大尺度跨越的時間來看，氣溶膠粒子的產生和消失處于一種動態平衡，且自然源占據主導因素。對全球氣溶膠的自然源和人為源排放量的估算表明，人為源的排放量占比很小，僅占總排放量的10%～20%。但近年來，隨著各種工業產業的發展和城市化進程的加快，在人口密集的城市區域人為源排放量的占比逐漸上升，甚至很可能超過自然源并占據主導因素，這逐漸引起了各界的廣泛關注。大氣氣溶膠具有分布不均勻、變化尺度小等特點，分布在大氣邊界層內的大氣氣溶膠與人類活動關系密切，對人類健康、氣候變化以及大氣能見度等方面均具有重要影響[4，5]。

氣溶膠探測技術的基本原理是，通過測量入射輻射與氣溶膠粒子發生散射和吸收作用后的輻射強度和性質的變化，來反演氣溶膠粒子的消光特性和空間分布。在大氣氣溶膠的研究中，氣溶膠的觀測手段主要包括直接探測和遙感探測兩種方式。直接探測是利用原位測量儀并借助地面基站、探空氣球、飛機掛載等方法進行探測。實驗探測大氣氣溶膠的常用儀器有：太陽或星光輻射計、激光雷達以及衛星遙感。

車載大氣顆粒物激光雷達可以實現對排放源的快速移動監測，并實時監測影響大氣條件的主要排放源，為污染源分析和相關決策提供了有效的數據支持[6]。常用的監測方法包括平面掃描、移動走航和固定垂直監測[7]。固定垂直監測可以分析空間污染物傳輸情況，結合風向參數可以計算污染物傳送比，分析污染物本地/外來的比例。通過垂直連續長周期測量可以獲取垂直的顆粒物時空演變數據，了解本地大氣邊界層分布變化情況，是本地的污染物模式和預警預報的重要模式數據。移動走航監測能夠快速獲得監測區域內大氣顆粒物垂直剖面，結合氣象、地形等宏觀環境條件，可以實現顆粒物污染的產生、消散及跨界輸送等過程的有效分析，在區域顆粒物污染探測方面有重要的應用價值。通過走航測量結合環境條件分析城市污染成因，可以直觀地反映城市各個區域的污染情況。移動走航檢測提高了基于固定檢測的可操作性，有助于為污染源分析和相關決策提供有效的數據支持。平面掃描監測能夠探測和記錄所在位置平均有效監控半徑為4 km范圍內的污染源（本地源以及外來源）的變化過程，尋找水平顆粒物排放源。在固定、走航和平掃結合的監測模式下，可以獲取“點面域、地空天”的一體化數據。

1? 激光雷達原理及反演方法

激光雷達具有極高的角分辨率、時空分辨率，探測范圍廣，對大氣擾動小，可長期連續監測并實時獲取數據等優點，在大氣物理參數、環境探測等方面獲得了廣泛應用。通過探測分析其發射的窄脈沖激光與傳輸路徑上的氣溶膠發生相互作用后的回波信號，從而獲得被測區域的大氣溫濕度、消光系數等參數。米散射激光雷達是最早用于大氣要素測量的激光雷達，由激光發射系統、接收光學系統和數據處理系統三部分組成。米散射激光雷達系統結構示意圖如圖1所示。該激光器采用工作波長為532 nm的泵態激光器，單脈沖輸出能量為≥1 MJ，脈沖頻率為2 kHz。望遠鏡的直徑為180 mm。粒子監測儀的測量范圍為0～100 mg/m3，精度低于±10%。風速和方向儀具有0～70 m/s和0～360度兩種測量范圍模式，精度為±3°。米散射激光雷達常用于探測30 km以下低空的氣溶膠。對比其他散射方式，米散射的散射截面更大，回波信號更強，因此米散射激光雷達常作為氣溶膠特性探測的一種有效儀器。

2? 消光系數反演方法

在利用激光雷達進行大氣探測的過程中，從系統接收的大氣散射回波信號中反演氣溶膠消光系數的方法有：斜率法、Klett法和Fernald法等[8-10]。本節主要介紹常用的Klett算法和Fernald算法的具體算法。

2.1? Klett方法

該方法是Klett于1981年提出的，適用于在非均勻大氣中獲取后向散射系數。在氣溶膠濃度較大的情況下，空氣分子的后向散射和氣溶膠的后向散射不在同一數量級。Klett假設大氣消光系數和后向散射系數之間滿足指數關系，并求解得到大氣消光系數如式（1）所示：

式中，S（z） = ln （P（z） z2），zc為邊界值，α （zc）為消光系數邊界值。Klett方法適用于大氣氣溶膠濃度較高的區域，如大氣邊界層、云層或者光學厚度較大的氣溶膠層。Klett法可以在非均勻大氣中計算出具有距離分辨率的消光系數，且采用由遠及近的積分形式時，反演誤差逐漸收斂，缺點是沒有區別分子瑞利散射和氣溶膠米散射效應，只能給出總消光系數。Klett法的穩定性分析結果表明大氣光學厚度與消光系數的相對誤差成反比，反演結果的主要誤差來自假設或估計的邊界值zc。

2.2? Fernald方法

在自由對流層等大氣氣溶膠含量較少的區域內，即空氣分子的后向散射和大氣氣溶膠的后向散射相比不能被忽略時，需要將大氣氣溶膠和空氣分子的后向散射系數、消光系數分開處理。Fernald假設后向散射系數和消光系數之間是線性關系。通過Fernald法得到氣溶膠后向散射系數：

式中，S1為激光雷達比，S2為空氣分子的消光后向散射比，X（z） = ln （P（z） z2）。要從回波信號P（z）中獲得氣溶膠消光系數αa（z），需要確定以下參數：zc、S1、S2、αm（z），αa（zc）。對于532 nm波長，S1 = 50 sr，S2 = 8π / 3 sr。校準高度zc是通過選擇幾乎沒有大氣氣溶膠的清潔大氣的高度來確定的。在這個高度，X（z） / βm（z）的值最小，通常接近對流層的頂部。空氣分子的密度是通過使用溫壓濕氣象探測數據或標準大氣模型獲得，然后通過分子瑞利散射理論計算得到βm（z）。因為S2 = αm（z） / βm（z） = 8π / 3 sr，得到αm（z）。大氣氣溶膠散射比：R = 1 + βa（zc） / βm（zc） = 1.01，得到βa（zc）。S1 = αa（zc） / βa（zc），最終確定αa（zc）的值。

3? 固定垂直監測環境數據分析

圖2為2018年3月28日9：00～21：00激光雷達固定探測的氣溶膠消光系數反演圖和空氣質量指數（AQI）曲線的對比。圖3為大氣邊界層高度時間圖。從圖中可以看出，保定市受沙塵天氣影響，9～14時的顆粒物濃度大，形成重度污染天氣。從14時開始沙塵擴散，對保定市區污染影響開始減輕，隨著沙塵的消散，大氣邊界層逐步升高，監測到顆粒物濃度降低，環境指數轉好，污染等級改善。

4? 水平掃面探測環境數據分析

圖4為2018年3月27日12：00到2018年3月38日20：00的AQI隨時間的變化趨勢。從圖中可以看出凌晨3點處AQI逐漸上升，在上午9點達到峰值，并在下午2點后逐漸下降，說明在這段時間內經歷了一次顆粒物污染。在圖2中也有體現，但固定垂直監測只是單點監測，并不能有效跟蹤污染物的擴散趨勢。因此我們結合平面掃描監測，來看隨著時間變化跟蹤污染物的區域擴散，并結合氣象因素預測污染擴散方向，從而有針對性地對污染源進行減排，對周圍地區進行污染預報。激光雷達的掃描半徑為5 km，掃描方位角為0°～360°，角分辨率為2°，每個角度的掃描時間為10 s，因此，一個周期的平均掃描時間為38 min。通過更改激光雷達的頻率和角度分辨率來改變掃描時長。我們分別在第一日的22點以及第二日的5點、8點和11點進行了一個周期的平面掃描，觀測點在圖中用黑色點標注，對應的平面掃描反演圖如圖4中迷你圖所示。觀察迷你圖，可以發現在激光雷達圖北部存在一條細微的邊界線，是因為在0°～359°之間有一個掃描周期時間差，因此邊界線兩邊的差異越大對應于天氣變化越快。通過平面掃描可以發現初始為監測點附近顆粒物濃度較大，主要考慮監測點附近的工業區和和熱電廠為污染來源。綜合風速風向分析，監測點附近的污染區域擴散，污染范圍擴大。之后，在8點和11點的監測發現監測中心附近污染與周邊污染逐漸復合，顆粒物污染逐漸加重，空氣質量指數等級惡化。

5? 車載走航探測環境數據分析

走航路線：北三環與朝陽北大街交口—朝陽北大街—北二環—陽光北大街—復興中路—翠園街。走航期間風速風向為東北風2級；2018年3月31日10：16～10：48走航監測平面反演結果圖和走航GPS定位圖如圖5所示，圖6為走航監測立體反演結果圖。從圖中可以看出在走航時段內主要發現四處顆粒物濃度高值區域，分別為朝陽北大街與恒源路交口（左一實圈線）、魯崗路與朝陽北大街交口（左二虛圈線）、北二環與陽光北大街交口（左三虛圈線）和陽光北大街與復興中路交口（左四實圈線）。結合實際情況，朝陽北大街與恒源路交口處為拆遷工地路段，魯崗路與朝陽北大街交口處為建筑工地路段，主要原因為施工導致的地面揚塵使得附近顆粒物濃度升高，這種情況可以通過噴灑除塵劑來降低。在北二環與陽光北大街交口以及陽光北大街與復興中路交口顆粒物濃度較高主要是因為車流擁擠、尾氣排放集中，導致顆粒物濃度升高。

6? 結? 論

本文以車載大氣顆粒物激光雷達移動監測系統為基礎，采用固定、走航和平掃三種不同的檢測方式，對保定市高新區顆粒濃度進行了連續觀測，并與環保部發布數據進行了比較，驗證了系統的準確性和實用性。車載激光雷達系統避免了地基激光雷達系統的局限性。固定的監測結果表明，沙塵天氣導致的外部污染的輸入是空氣質量指數較高的主要因素。結合平面掃描，進一步明確顆粒物濃度升高是本地污染擴散和外來污染復合綜合導致的結果。最后，通過走航監測結合車載GPS，準確定位路徑上的污染源點。

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作者簡介：高靜（1996—），女，漢族，山東濰坊人，助教，碩士，研究方向：激光雷達大氣環境監測。