基于激光雷達(dá)技術(shù)的京津冀區(qū)域氣溶膠特性分析

溫玉海，倪曉昌，董 昊，程飛帆，張 琦

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

氣溶膠是指懸浮在大氣中的細(xì)小顆粒，是大氣微量元素重要組成成分之一[1]。其產(chǎn)生主要分為自然氣溶膠和人為氣溶膠2種。自然氣溶膠如火山爆發(fā)、沙塵、海鹽等，人為氣溶膠多為煤炭，石油，天然氣等燃料的燃燒[2]。大氣中的氣溶膠顆粒包含真菌、病毒、細(xì)菌、致癌物質(zhì)和多環(huán)芳香烴等多種有害物質(zhì)，它們會(huì)隨著空氣的變化引起疾病的傳播，危害人體健康。另外，氣溶膠會(huì)影響氣候系統(tǒng)輻射平衡：氣溶膠粒子吸收和散射太陽(yáng)輻射以及地球長(zhǎng)波輻射直接對(duì)地-氣輻射收支造成影響；氣溶膠粒子影響云的形成，進(jìn)而通過(guò)云的變化間接對(duì)氣候產(chǎn)生影響[3-4]。

大氣系統(tǒng)中的氣溶膠作用是復(fù)雜的，目前還沒(méi)有被完全認(rèn)知，雖然人們對(duì)大氣氣溶膠微物理、光學(xué)以及化學(xué)特性等方面的認(rèn)知有了很大提高，但對(duì)其在大范圍區(qū)域以及垂直分布等方面的觀測(cè)手段仍處于相對(duì)不足的水平[5]。氣溶膠的探測(cè)方式主要有地基激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)等方法。地基和機(jī)載雖然探測(cè)精度高，但不能進(jìn)行大范圍的探測(cè)，且在垂直分布上有很大限制，而星載激光雷達(dá)很好地彌補(bǔ)了這一缺陷，可提供長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的抗干擾、高空間、高時(shí)間分辨率的氣溶膠后向散射系數(shù)和消光系數(shù)等氣溶膠參數(shù)。2006年4月28日，美國(guó)航天局發(fā)射的CALIPSO衛(wèi)星升空，作為A-Train系列衛(wèi)星的一員CALIPSO攜帶的云-氣溶膠正交偏振激光雷達(dá)（CALIOP）可以精確、快速地獲取地面和大氣三維信息[6-7]，可實(shí)時(shí)地對(duì)全球范圍內(nèi)的氣溶膠進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，為探測(cè)和反演大氣氣溶膠的垂直分布等特性提供了有效的數(shù)據(jù)。

1 CALIPSO數(shù)據(jù)處理

CALIOP是CALIPSO衛(wèi)星搭載的3個(gè)有效載荷數(shù)之一，是一臺(tái)偏振雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)，其激光器具有發(fā)射532 nm和1 064 nm 2種波長(zhǎng)脈沖的功能，可獲得532 nm通道總回波信號(hào)和垂直分量回波信號(hào)[8]。因此，可進(jìn)行正交偏振檢測(cè)，從而分辨云的水相和冰相，2個(gè)波段信號(hào)之間的后向散射比可用來(lái)辨別氣溶膠的尺寸。首批衛(wèi)星試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，其觀測(cè)能力優(yōu)異，具備識(shí)別沙塵、氣溶膠、卷云以及煙塵的能力，為全球大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了豐富的氣溶膠和云信息，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9]。其中主要數(shù)據(jù)包括Level 0、Level 1、Level 2、Level 3 和 Level 4 五個(gè)級(jí)別[10]。Level 1包括Level 1A和Level 1B，是指經(jīng)過(guò)時(shí)間關(guān)聯(lián)、地理校正、硬件因素校正并添加從屬信息的重組數(shù)據(jù)。Level 2是與Level 1數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的地球物理變量以及使用多種儀器處理Level 1數(shù)據(jù)后所得到的反演變量，主要包括水平分辨率為333 m、1 km、5 km的云信息和5 km的氣溶膠廓線信息。本文使用5 km分辨率的氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，能夠從中提取532 nm和1 064 nm的總衰減后向散射系數(shù)、532 nm的消光系數(shù)及消光不確定性參數(shù)、532 nm的垂直衰減后向散射系數(shù)，通過(guò)CAD Score、AVD、extinction QC 3個(gè)基本刷選參數(shù)和消光不確定參數(shù)對(duì)所選數(shù)據(jù)進(jìn)行刷選，最終得到可靠度較高的數(shù)據(jù)。然后利用消光系數(shù)、體積退偏比和色比3個(gè)參數(shù)的垂直分布分析氣溶膠特性。

根據(jù)CALIPSO激光雷達(dá)后向散射系數(shù)定義，用公式表示為：

式中：Pm（z）為氣溶膠的后向散射系數(shù)；Pp（z）為大氣分子的后向散射系數(shù)；T2（z）為大氣的透射率。

總衰減后向散射系數(shù)以及垂直衰減后向散射系數(shù)可表示為：

體積退偏比δν（z）反映了被測(cè)顆粒物的規(guī)則程度，粒子的形狀越接近球形其體積退偏比越小。體積退偏比值越小表示被測(cè)顆粒物形狀越規(guī)則，一般認(rèn)為水、云及形狀規(guī)則的氣溶膠的體積退偏比非常小，一般接近0；δν（z）為532 nm垂直后向散射系數(shù)與平行后向散射系數(shù)之比，可由式（3）和（4）得到：

色比χ（z）則反映被測(cè)顆粒粒徑的大小，被測(cè)顆粒色比值越大表明粒子越大。色比χ（z）為1 064 nm與532 nm的后向散射系數(shù)之比，由式（2）可得：

2 不同類型天氣的垂直分布

本文選取數(shù)據(jù)的地理范圍位于京津冀部分地區(qū)（經(jīng)度范圍：39°N～41°N，緯度范圍：116°E～118°E），針對(duì)京津冀地區(qū)發(fā)生的1次有外部污染源的霾天天氣，1次強(qiáng)霾污染天氣和1次晴朗天氣進(jìn)行研究分析；采用的數(shù)據(jù)為2016年11月29日霾天數(shù)據(jù)、2015年12月23日霾天數(shù)據(jù)、2015年12月30日晴朗數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均來(lái)自NASA網(wǎng)站CALIPSO數(shù)據(jù)中心。

2.1 有外部污染源的霾天大氣垂直分布特征

本文選取2016年11月29日數(shù)據(jù)（經(jīng)度范圍：39°N～41°N，緯度范圍：116.7°E～117.3°E）。衛(wèi)星掃過(guò)的區(qū)域是一條直線，每條直線上面有許多探測(cè)點(diǎn)，將每個(gè)點(diǎn)的探測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為該區(qū)域的探測(cè)數(shù)據(jù)，用得到的平均數(shù)據(jù)表征該天的天氣狀況，即平均消光系數(shù)廓線、平均體積退偏比廓線、平均色比廓線和不同高度有效樣本廓線。不同高度的有效樣本數(shù)量、廓線數(shù)量的不同是因數(shù)據(jù)中部分參數(shù)的不確定，有的被CALIPSO定義為非氣溶膠，有的是確信度不高的數(shù)據(jù)，而樣本數(shù)量是通過(guò)刷選后得到的確定性較高的大氣氣溶膠數(shù)據(jù)，因此在不同高度上有效數(shù)量不一樣，數(shù)量越高表示有效數(shù)據(jù)越多。2016年11月29日所測(cè)得數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 2016年11月29日樣本數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)消光系數(shù)、體積退偏比和色比均通過(guò)CAD Score、AVD、extinction QC 3個(gè)基本刷選參數(shù)和消光不確定參數(shù)對(duì)所選數(shù)據(jù)進(jìn)行刷選得到可靠度較高的數(shù)據(jù)，然后求平均值得到平均消光系數(shù)廓線、平均體積退偏比廓線、平均色比廓線。從圖1（a）可以看到，消光系數(shù)有2個(gè)峰值，分別在0.8 km和2.3 km處，在1 km消光系數(shù)最大值高達(dá)1.6 km-1，在1 km以下消光系數(shù)平均達(dá)到1.0 km-1，說(shuō)明能見(jiàn)度很低；在1.2 km以上消光系數(shù)驟降到最低0.1 km-1，且均小于0.2 km-1，在2.3 km處又出現(xiàn)高峰，其污染源為由外地飄來(lái)的污染物。隨著高度的增加消光系數(shù)迅速減小。圖1（b）貼近地表體積退偏比偏大是由于地表被風(fēng)吹起的沙塵等不規(guī)則顆粒，1 km左右體積退偏比較小，均小于0.2，主要由于比較規(guī)則的粒子，2 km是分界點(diǎn)，2 km以上體積退偏比明顯增大，其數(shù)值在0.4左右。在CAIPSO算法的場(chǎng)景分類中，定義了退偏比的范圍，體積退偏比在0.07～0.2之間為污染型氣溶膠，由于沙塵多為不規(guī)則形狀，所以大于0.2時(shí)一般定義為沙漠型沙塵氣溶膠。從圖1（c）可以看到，貼近地表色比值非常大，是由于地表被吹起的較大顆粒引起，與其退偏比較大吻合，隨著高度上升逐漸減小，1.5 km以上色比值均在0.5以上，說(shuō)明污染物顆粒較大。

綜合圖1分析可知，本次強(qiáng)霾的污染源有2部分：本地污染物排放和由外部飄過(guò)來(lái)的高度較高的污染物。在1.2 km以下主要有尺寸較小的細(xì)顆粒引起的污染區(qū)，它是導(dǎo)致能見(jiàn)度低的主要原因；1.2 km以上外部污染源引起的污染相比低空顆粒物尺寸較大，不規(guī)則程度較高，其主要是隨風(fēng)傳入進(jìn)來(lái)的一些夾雜沙塵的污染物。

2.2 霾天大氣垂直分布特征

本文選取2015年12月23日（經(jīng)度范圍：39°N～41°N，緯度范圍：118.7°E～118.2°E）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2015年12月23日所測(cè)得數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 2015年12月23日數(shù)據(jù)

從圖2（a）平均消光系數(shù)廓線看出，近地面的消光系數(shù)較大，最大值達(dá)到2.6 km-1，表明污染物濃度高是造成當(dāng)天天氣能見(jiàn)度低的主要原因。消光系數(shù)隨著高度增加迅速減小，在1.8 km處消失，在高層沒(méi)有出現(xiàn)氣溶膠，說(shuō)明此次霧霾污染源沒(méi)有外部傳輸。圖2（b）中平均體積退偏比很小，在0.1左右，僅在邊界層處有較大值，但也僅為0.3，說(shuō)明此次霾天氣溶膠主要是球形度比較規(guī)則的顆粒物，沒(méi)有沙塵氣溶膠。圖2（c）中平均色比分布也比較均勻且數(shù)值在0.5左右。霧霾期間溫度較低，風(fēng)速較小，最大不超過(guò)3 m/s，不利于污染物的擴(kuò)散，是污染物堆積的主要原因之一。

2.3 晴朗天氣大氣垂直分布特征

2015年 12月 30日（經(jīng)度范圍：39°N～41°N，緯度范圍：117.2°E～116.55°E） 是晴朗天氣，天氣狀況良好，該日所測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3（a）可看到，晴天的氣溶膠層非常低，僅為1.2 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于霾天的5.8 km。消光系數(shù)值最大值0.2 km-1僅在低空300 m以下，其他均小于0.12 km-1并隨著高度上升迅速減小，在1.2 km處減小到0。圖3（b）顯示，在0～1.2 km高度其體積退偏比集中在0.1～0.3之間。圖3（c）顯示，平均色比較大，大部分集中在0.5～1之間，說(shuō)明該日的氣溶膠類型為少量的沙塵氣溶膠，顆粒較大。

3 垂直分布對(duì)比分析

圖3 2015年12月30日數(shù)據(jù)

從圖1、圖2和圖3各個(gè)廓線的垂直分布可以看出，霾天和晴朗天氣有著很大的區(qū)別。從平均消光廓線可以看出霾天消光系數(shù)大，約是晴朗天氣的6～10倍，霾天的平均消光系數(shù)最大值為1.6 km-1，而晴天僅為0.22 km-1。霾天能見(jiàn)度低，氣溶膠層分布較高，在6 km處仍存在少量氣溶膠，而晴朗天氣氣溶膠層分布很低僅在1.2 km，這也是造成能見(jiàn)度低的原因之一。對(duì)比2次霧霾天氣圖1（a）和圖2（a）平均消光系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有外部氣溶膠源輸送時(shí)，氣溶膠會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。對(duì)比圖 1（b）、圖 2（b）及圖 3（b）的平均體積退偏比，霾天體積退偏比整體上比晴天大，特別是含有沙塵的霧霾天氣，平均體積退偏比明顯變大。不同天氣的平均色比分布相差較大，這主要是由污染物的粒子不規(guī)則程度決定的。含有沙塵時(shí)，平均色比值明顯增大，且分布不均勻，近地面高度較大，如圖1（c）。而主要由煙煤型污染物產(chǎn)生的霾天，其平均色比值較小，且分布均勻。本次選取的晴朗天氣由于是霧霾消散的后一天，空氣中會(huì)殘留少量氣溶膠顆粒物，使得平均體積退偏比和平均色比值較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選取京津冀部分區(qū)域3種不同類型的天氣，利用CALIPSO衛(wèi)星二級(jí)數(shù)據(jù)，提取有效參數(shù)，通過(guò)對(duì)消光系數(shù)、體積退偏比和平均色比3個(gè)參數(shù)垂直分布的分析，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H天氣狀況相對(duì)比，分析不同天氣狀況下3個(gè)參數(shù)的差別原因，得出如下結(jié)論：①霾天氣消光系數(shù)大，能見(jiàn)度低，若有外來(lái)污染源的傳輸，在高空也有大量氣溶膠的分布；②晴天消光系數(shù)很小且分布比霾天低，僅為1.2 km，且消光系數(shù)值也遠(yuǎn)低于霾天時(shí)的消光系數(shù)；③霾天污染物顆粒的球形不規(guī)則程度和顆粒尺寸分布與引起霾天的污染物有關(guān)，當(dāng)有不同類型氣溶膠混合時(shí)退偏比值變大，而且色比值較大且分布不均勻。本研究表明，CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)能很好地反應(yīng)氣溶膠在大氣的垂直分布特性，為研究氣溶膠類型分辨、規(guī)則程度和尺寸提供了可靠數(shù)據(jù)。