利用顆粒物激光雷達水平掃描污染源分布-實例分析

摘 要：利用激光雷達對麗江市區(qū)出現(xiàn)的一次顆粒物輕度污染過程進行觀測，反演數(shù)據(jù)得到顆粒物消光系數(shù)和退偏比，對顆粒物在水平方向上的分布特征進行分析，確定污染源相關(guān)信息。結(jié)果表明，監(jiān)測點東面1 km附近農(nóng)田秸稈燃燒和東南面1.7 km處云南XX物流園顆粒物排放兩個污染源對本次污染貢獻較大。通過激光雷達水平掃描溯源定位污染源，能及時為環(huán)境管理部門精準治理提供技術(shù)支撐，從而實現(xiàn)源頭管理。

關(guān)鍵詞：激光雷達；消光系數(shù)；退偏比；顆粒物；污染過程

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-03

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，大多數(shù)城市地區(qū)空氣污染問題日益突出，顆粒物則是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物，研究地面懸浮顆粒物，尤其是PM2.5對環(huán)境和健康的影響具有重大意義。激光雷達作為一種主動遙感探測技術(shù)和工具已有近50年的歷史，它是以激光為光源的主動式現(xiàn)代光學遙感設(shè)備。激光雷達可以對大氣消光系數(shù)、顆粒物時間及空間的分布等屬性進行遙感探測，具有高靈敏度、高分辨率、大范圍立體監(jiān)測以及實時在線等許多優(yōu)點，是氣溶膠立體監(jiān)測的主要工具之一[1]。

目前，已有許多學者將顆粒物激光雷達應(yīng)用于污染天氣觀測，胡歡陵等[2]利用激光雷達觀測北京地區(qū)夏冬季顆粒物污染邊界層，分析邊界層結(jié)構(gòu)、推測污染邊界層容量、評估局地PM10輸送交換。黃祖照等[3]利用激光雷達對珠三角地區(qū)一次灰霾天氣過程進行觀測與分析，研究了灰霆天氣過程中顆粒物的光學性質(zhì)和微物理性質(zhì)變化過程。伍德俠等[4]利用激光雷達觀測無錫春節(jié)一次沙塵的輸送，分析沙塵輸送的通道和影響。馬井會等[5]結(jié)合激光雷達分析上海地區(qū)一次連續(xù)浮塵天氣過程，研究了沙塵在上海地區(qū)的傳輸特性，并且結(jié)合背景氣象場，分析了沙塵傳輸過程中受到動力場和溫度場的影響，并對沙塵傳輸過程中，混合型沙塵氣溶膠的光學性質(zhì)、物理性質(zhì)等進了分析。2022年12月14日麗江市區(qū)出現(xiàn)了一次顆粒物短時輕度污染天氣，利用激光雷達水平掃描污染源分布特征，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，為該地區(qū)的大氣環(huán)境防治提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 監(jiān)測地點和時間

監(jiān)測點位（26°52’21″N，100°17’27″E）設(shè)置在麗江市區(qū)東面的德麗首座小區(qū)樓頂，該點位位于33層住宅樓頂樓平臺，位置相對較高，視野開闊且周圍無建筑物遮擋，便于激光雷達水平掃描。本次實驗時間為2022年12月13日—15日。

1.2 實驗儀器

實驗使用觀測儀器為AVORSPMTracer微脈沖偏振激光雷達，激光雷達系統(tǒng)由發(fā)射光學單元、接收光學單元以及探測控制單元組成，激光器是激光雷達的核心部件。激光雷達遙感大氣是基于激光輻射與大氣分子和氣溶膠之間的相互作用產(chǎn)生的各種物理過程而進行，其原理是激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的激光遇到大氣中氣溶膠并發(fā)生相互作用，探測系統(tǒng)接收到后向散射回波信號后，根據(jù)大氣對激光的散射、吸收等物理效應(yīng)，通過定量分析激光大氣回波，利用合理的反演方法（目前普遍采用“Fernald”方法）從后向散射回波信號中提取出氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)、退偏比等信號，從而進行大氣顆粒物探測并了解顆粒物光學特性[6]。

消光系數(shù)是電磁波輻射在大氣中傳播單位距離時的相對衰減率，退偏比是區(qū)分球形顆粒物和非球形顆粒物的重要參數(shù)，為無量綱。通常，大氣中球形顆粒物越多，產(chǎn)生的消光系數(shù)越大；非球形的顆粒物越多，產(chǎn)生的退偏比越大。球形顆粒物較多來源于復雜的大氣物理化學過程，例如局地二次污染產(chǎn)生的細顆粒等；非球形的顆粒物一般來源于一次排放的揚塵或外源性的沙塵海鹽粒子輸入等[7]。

本次實驗激光雷達主要設(shè)置的儀器參數(shù)如表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

實驗使用與PMTracer微脈沖偏振激光雷達配套的PMTracer TemporalAnalyst激光雷達數(shù)據(jù)時空演變分析軟件進行數(shù)據(jù)反演分析，軟件能反演氣溶膠消光系數(shù)、退偏比、光學厚度、邊界層高度、水平能見度等，反演算法主要依據(jù)的激光雷達方程如下：

式中：P（z）—激光雷達接受到的回波信號功率；P0—發(fā)射激光束的功率；C—激光雷達的系統(tǒng)常數(shù)；z—探測距離；O（z）—系統(tǒng)幾何重疊因子；β（z）= βm（z）+ βa（z），為大氣中某種被探測組分的總后向散射系數(shù)；a（z）=am（z）+aa（z）為氣溶膠和大氣總的后向散射系數(shù)。

本次實驗使用了麗江市古城區(qū)空氣自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析。

2 結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測期間空氣質(zhì)量狀況

圖1為本次監(jiān)測期間麗江市古城區(qū)空氣自動站PM10和PM2.5監(jiān)測結(jié)果?？梢钥闯?，監(jiān)測期間從12月14日7：00開始，PM10和PM2.5濃度均呈明顯上升趨勢，PM2.5濃度10：00達到峰值，PM10濃度11：00達到峰值，隨后二者濃度均呈明顯下降趨勢，14：00后PM10和PM2.5濃度變化趨于平穩(wěn)，整個顆粒物輕度污染過程持續(xù)時間大致為7：00—14：00。

2.2 污染過程水平掃描結(jié)果分析

圖2為12月14日9：46—12：24激光雷達退偏比反演結(jié)果。退偏比結(jié)果表明，14日9：46—12：24距離監(jiān)測點東南面1.7 km左右，云南XX物流園附近退偏比反演結(jié)果較高，判斷為粗顆粒排放，且呈片狀分布。反演圖右側(cè)深色部分為山體或障礙物遮擋所致，不作為掃描結(jié)果。

圖3為12月14日9：46—12：24激光雷達消光系數(shù)反演結(jié)果。消光系數(shù)結(jié)果表明，14日9：46—12：24距離監(jiān)測點東面1 km、東南面1.7 km左右消光系數(shù)反演結(jié)果較高，判斷為細顆粒排放，且呈片狀分布。具體位置為東面恩烈村附近、東南面云南XX物流園附近。

2.3 現(xiàn)場排查結(jié)果

根據(jù)激光雷達水平掃描結(jié)果顯示，本次污染貢獻較高的污染源主要集中在監(jiān)測點東側(cè)區(qū)域方圓2 km附近，結(jié)合掃描結(jié)果篩選出污染源的位置信息，派出人員分別到東面恩烈村和東南面云南XX物流園附近進行實地排查。

圖4為現(xiàn)場實地排查情況。通過對監(jiān)測點東面1 km恩烈村附近排查，發(fā)現(xiàn)恩烈村附近農(nóng)田有大量燃燒玉米秸稈現(xiàn)象。對監(jiān)測點東南面1.7 km云南XX物流園進行排查后，發(fā)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)部道路均未硬化，積塵嚴重，原料運輸車車廂未做防塵處理，車輛駛過后帶起大量積塵。同時，物流園內(nèi)的建材加工廠生產(chǎn)時未開啟噴淋降塵設(shè)施（如霧炮機、廠房口噴淋系統(tǒng)等），生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量顆粒物排放。

3 結(jié)論

（1）2022年12月14日7：00—14：00麗江市區(qū)出現(xiàn)短時顆粒物輕度污染天氣，利用顆粒物激光雷達水平掃描，精準鎖定了監(jiān)測點東面1 km附近農(nóng)田秸稈燃燒和監(jiān)測點東南面1.7 km云南XX物流園顆粒物排放兩個貢獻較高的污染源信息。

（2）在污染天氣下，通過激光雷達水平掃描溯源定位污染源，能及時為環(huán)境管理部門精準治理提供技術(shù)支撐，從而實現(xiàn)源頭管理。

參考文獻：

[1] 董云升，劉文清，陸亦懷，等.2008年北京奧運期間大氣顆粒物激光雷達觀測研究[J].大氣與環(huán)境光學學報，2009，4（5）：368-375.

[2] 胡歡陵，吳永華，謝晨波，等.北京地區(qū)冬夏季顆粒物邊界層的激光雷達觀測[J].環(huán)境科學研究，2004，17（1）：59-73

[3] 黃祖照，董云升，劉建國，等.珠三角地區(qū)一次灰霾天氣過程激光雷達觀測與分析[J].大氣與環(huán)境光學學報，2013，8（2）：114-123.

[4] 伍德俠，張?zhí)焓?，萬學平，等.無錫春節(jié)一次沙塵輸送的激光雷達觀測與分析[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2015，38（S1）：303-306.

[5] 馬井會，顧松強，陳敏，等.結(jié)合激光雷達分析上海地區(qū)一次連續(xù)浮塵天氣過程[J].生態(tài)學報，2012，32（4）：1085-1096.

[6] 張春光，張玉均，韓道文，等.機動車顆粒物的激光雷達監(jiān)測[J].激光技術(shù)，2009，33（2）：130-133.

[7] 伍德俠，宮正宇，潘本峰，等.顆粒物激光雷達在大氣復合污染立體監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31（5）：156-162.