構建以激光雷達為核心的區域污染立體監測體系

王界 萬學平 胡婷婷 張天舒 董云升

摘要：提出建立以大氣顆粒物監測激光雷達、大氣臭氧探測激光雷達等地基遙感監測儀器設備為核心的區域污染立體監測體系，重點介紹了顆粒態污染物、氣態污染物和氣象場垂直探測的方法和原理。基于該監測體系，能夠準確解析從近地面至高空顆粒態污染物（尤其是細粒子）和大氣氧化劑的時空分布規律，結合近地面數據、衛星探測結果，建立剖析污染物的垂直分布特征的方法，準確判識污染團的外來輸送過程和局地形成過程，為進一步采取防控、預警措施提供有力的數據支撐。

關鍵詞：地基遙感監測；顆粒物監測激光雷達；臭氧激光雷達；區域污染；外來輸送

中圖分類號 ： X831；X51 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（A）-0000-00

現在我國大氣污染已從煤煙型進入復合型污染時期。大氣復合污染主要表現為大氣氧化性增強、細顆粒物濃度升高、大氣能見度顯著下降、環境惡化趨勢向區域蔓延[1-3]。自2012年來，我國中東部，尤其在“京津冀”、“長三角”、“珠三角”城市群爆發的灰霾污染，就是典型的大氣復合污染[4]。大氣復合污染已嚴重制約我國社會經濟的可持續發展，威脅人民群眾的身體健康[5-7]。

由于大氣污染物排放高度集中、城市間大氣污染物的相互影響，區域污染特征呈現高度的趨同性和一致性，大氣污染防治工作還將面臨前所未有的壓力。我國城市空氣污染狀況主要由近地面空氣質量監測網提供。目前的空氣質量評價指標僅包括SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10在內最基本的污染表征數據[8]。空氣質量的監測方法除常規點式空氣質量監測技術外，衛星雷達遙感離地面5km內誤差較大，探空氣球及機載監測因航空管制等原因受時間、空間限制，因此，現有的表征手段及評價指標不能提供足夠的信息來確定污染物的動態時空演化過程和變化趨勢，因而難以揭示污染的形成、來源、輸送影響等根本問題，缺乏對污染濃度水平的必要了解和預見能力，不能夠為環境污染源解析及預警預報提供有效數據支撐，亦不能為政府決策者制定污染控制策略提供必要的依據[9-11]。

環境保護部指出，將“區域污染聯防聯控戰略”作為推進我國大氣污染防治工作的重要手段和主攻方向，把深化區域污染聯防機制作為改善環境空氣質量的有效途徑，切實提升人民群眾的生活環境質量[12]。本文提出嘗試構建區域污染立體監測體系，有效實現區域大氣污染聯防聯控。區域污染立體監測體系是整合現有的監測手段，將地基遙感監測技術與常規近地面監測技術、星載機載監測技術有效結合，形成立體的數據平臺，在時間與空間緯度上綜合分析本區域污染形成過程、污染表現特征、污染輸送來源，同時利用環境要素與氣象要素探空數據同化污染預報模式系統，提升預報預測準確度，對污染防控措施的執行效果以及改善環境的進展進行評價。

1 技術路線

區域污染立體監測體系的技術路線，包含三個層次的監測模塊：近地面監測（地面常規監測、氣象監測、大氣氣溶膠物理特性監測、氣溶膠化學成分監測、臭氧前驅體監測），地基遙感監測（氣溶膠監測、大氣成分監測、空間氣象要素監測），天基遙感監測（衛星數據反演、機載數據以及飛艇數據等）。除觀測設備外，質量保障體系提供各設備的校準校標，信息共享與發布平臺保障多部門的聯動協商、應急決策。

1.1 近地面監測

近地面監測內容涉及基本的空氣質量評價，即按照空氣質量標準（GB 3095-2012）的建設要求，完成空氣質量指數的評價。但是空氣質量評價6要素僅能夠反映與人類活動最為密切的貼地層（20米）以內的污染信息。如果在此基礎上，補充氣溶膠物理特性的監測，例如PM1，氣溶膠的尺度譜信息，氣溶膠光散射系數、光吸收系數、消光系數，可以實現對污染過程中氣溶膠的生成演化機理以及霧霾判識進行準確的界定，幫助監測人員有效地解析目前灰霾污染強度。對顆粒物中含有的化學組份的詳細解析能夠幫助監測人員進行污染來源判識。氣溶膠化學組分監測內容包括元素碳/有機碳、重金屬元素、水溶性離子、無機鹽、有機物等。針對我國大氣復合污染現狀，在開展灰霾細粒子污染特征監測的同時，也需要對污染發生過程中伴隨的光化學煙霧水平進行衡量。我國城市地區較高的臭氧濃度水平可能來源于不同的敏感前驅體，通過實時監測近地面的臭氧濃度水平、氮氧化物（NOx）的濃度水平、揮發性有機物（VOCs）以及光化學煙霧的生成物水平（PANs），對光化學煙霧的污染過程進行把握。另外，氣象參數的實時記錄，也是分析污染形成過程的重要外因。

1.2 地基遙感監測

近地面的監測反映的是限于距地面20～30米內的污染信息，對污染過程中，尤其重污染中是否存在高空的污染物（顆粒態、氣態）輸送和地面污染物的耦合，近地面的監測結果尚顯不足。近年來不斷發展激光雷達等地基遙感大氣探測技術，能夠捕獲邊界層內、甚至對流層內的污染信息。應用于大氣環境探測的地基遙感監測儀器包含三類。（1）顆粒態污染物的探測，例如大氣顆粒物監測激光雷達；（2）氣態污染物的探測，例如多軸差分吸收光譜儀，大氣臭氧探測激光雷達等；（3）空間氣象要素的探測，例如微波輻射計，風廓線儀等。

1.2.1 顆粒態污染物的探測

以激光為光源的大氣顆粒物監測激光雷達在對流層氣溶膠顆粒物的探測高度、垂直跨度、空間分辨率、時間上的連續監測和測量精度等方面具有獨特的優勢。文獻[13-14]中對近年來顆粒物監測激光雷達的種類和結構進行了系統的總結。一般地，大氣顆粒物監測激光雷達系統包括激光發射系統、光學接收系統和信號檢測系統三個子部分組成。激光器出射1064nm/532nm/355nm多種頻段的激光，經光束準直、擴束后射入大氣。激光脈沖與氣溶膠或大氣分子相互作用，產生后向散射信號被接收系統獲取。接收系統由望遠鏡和光電探測器組成，其中望遠鏡用于接收大氣后向散射信號，探測器分別對各通道進入的光學信號進行探測，使用光闌濾除背景光。信號經模/數轉換、放大后被計算機分析處理。

我國早期采用的激光雷達演用了美國微脈沖激光雷達網（MPL）技術，探測脈沖能量在微焦量級，通過1000～2000個脈沖信號的累積來達到探測的信噪比要求，但由于近十年來我國中東部（如“十二五”規劃的重點區域）灰霾污染呈現出區域性和重污染頻發的特征，污染過程中高空氣溶膠層較厚，微焦的探測脈沖無法有效穿透，探測的有效距離不超過1公里，無法完全捕獲邊界層內的結構特征。最新發展的激光雷達技術改善了探測脈沖能量，并應用偏振技術，不僅保證了在重污染天氣過程中10公里以內的氣溶膠信息探測，同時對空間分布的顆粒物形態特征進行判識，為進一步解析顆粒物的來源提供數據支持[15-16]。近年來，中國科學院提出的將顆粒物激光雷達與風廓線儀相結合可以監測顆粒物區域輸送通量的技術[17]。通過在城郊之間放置激光雷達和風廓線雷達，可以監測輸入和輸出的不同高度的氣溶膠顆粒物通量。激光雷達和風廓線雷達同步實時工作，激光雷達測量的氣溶膠顆粒物后向散射系數，根據激光雷達方程反演出顆粒物的垂直分布。風廓線雷達獲取距地面不同高度風場數據，將風場矢量數據與輸送通道方向矢量進行矢量相乘，則獲取風向在輸送通道上的投影值，即顆粒物在輸送路徑上的輸送速度，然后乘以顆粒物濃度，定量得到不同高度的輸送通量。對不同高度的輸送通量求和，從而獲得輸送總量。

1.2.2 氣態污染物的探測

氣態污染物區域排放通量的測量是利用太陽散射光作為光源的差分光學吸收光譜技術（differentia1 optical absorption spectroscopy，DOAS），測量天頂紫外/可見吸收光譜，通過有關的反演算法可以獲得痕量污染氣體的垂直柱密度和空間分布。將多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS）裝置在車載移動平臺上，沿路徑對煙羽剖面進行掃描測量，或者沿城市環路測量。通過DOAS算法獲得每個采樣點的垂直柱密度（VCD），利用風廓線儀獲得風向和垂直于運動方向的風速（V風，┴），以及車速（V車）和單次采樣掃描煙羽的時間（Δt），那么，單位時間內污染物的排放通量F可由下式表示：

（1）

為了獲取區域內污染物的輸送凈通量，通常采用圍繞源一周連續進行測量的方法，根據風向、風速，通過進、出通量的差獲得凈通量。MAX-DOAS能夠實現對區域內的SO2，NO2等痕量氣體實現測量。對大氣臭氧（O3）的高分辨率探測需要依賴大氣臭氧探測激光雷達技術。

大氣臭氧探測激光雷達也是一種激光雷達技術，采用了差分吸收光譜反演算法，通過測量多個波長處臭氧的吸收，定量反演大氣中不同高度處的臭氧分子數。由于臭氧探測激光雷達結合了激光雷達和DOAS技術，使得臭氧濃度的反演精度低至幾個ppb量級。臭氧在紫外區存在強烈的吸收，探測對流層臭氧時，波長一般選在小于300nm的紫外區，同時還要考慮到激光器的性能價格等因素。Nd：YAG激光技術是一種比較成熟的技術，結合D2，H2和CH4氣體的受激Raman散射技術，可以獲得探測臭氧需要的激光波長，例如289nm，316nm等。目前我國僅有中科院安徽光學精密機械研究所等單位能夠處主研發大氣臭氧探測激光雷達[18]。

大氣臭氧探測激光雷達也包括發射系統、接收系統和信號解析系統三部分。發射系統中包括激光器和擴束器，激光器出射266nm頻率的激光，經過充有D2的拉曼管，產生拉曼頻移，獲得289nm和316nm的激光探測光束，激光光束經擴束后射入大氣，產生含有266nm，289nm和316nm波長信息的后向散射信號經望遠鏡等接受系統后并由光譜儀作光譜解析，三個獨立的光電探測器分別對266nm，289nm和316nm三個通道的光學信號進行探測，最后由計算機解析。

大氣臭氧探測激光雷達結構原理 （LIDAR-G-2000）

1.2.3 空間氣象要素探測

大氣低層風場、溫濕度場能夠影響氣溶膠顆粒物和污染氣體的輸送和擴散過程。風速越大越有利于空氣中污染物的稀釋擴散，顯然，也會導致污染物的長距離輸送。微風或靜風則會抑制污染物的擴散，使近地面污染物聚集和增加。逆溫逆濕層的存在，也會使污染物的垂直擴散條件受阻，加重近地面的污染程度。因此，開展大氣風場、溫濕度場的探測，積累空間氣象數據，能夠幫助監測人員說清楚環境污染發生過程中的大氣穩定程度，為空氣污染預警提供數據支撐[19]。

微波輻射計的工作原理是被動遙感探測技術，可以連續獲取大氣溫度、相對濕度、水汽以及液態水含量，這些數據廣泛應用于天氣預報、監測飛機結冰、決定飛行軌跡和聲傳播的密度廓線、衛星定位和GPS測量等[20]。根據大氣微波吸收光譜，水吸收線在22GHz附近，并且幅值隨著高度增加而降低，利用這個頻率范圍獲取水汽廓線。在60GHz附近， 氧氣吸收相對比較強。通過使用在氧氣吸收帶附近的多個通道，可以獲得溫度廓線。低分辨率的液態水廓線是由在22～59 GHz范圍來得到， 同時還需要云底高度的測量。云底高度是通過云底溫度的紅外天頂觀測以及反演得到的溫度廓線來得到的。

風廓線雷達，也稱為風廓線儀，是一種新型的測風雷達，它以晴空大氣湍流對入射電磁波的散射回波為探測基礎，采用多普勒雷達收發技術體制，通過依次測量1個天頂垂直波束指向和東、南、西、北4個傾斜波束指向上各個距離庫的多普勒速度，在大氣水平均勻的條件下，用同一高度上的5個波束指向的多普勒速度測量值聯合求解出大氣3維風場。我國風廓線雷達技術的發展歷程可以參考文獻[21]。

1.3 天基遙感監測

天基遙感監測包括機載航測，球載深空探測和衛星遙感監測。近些年，無人機被應用于環境監測，但是其受航空管制以及載荷有限等因素，目前僅有幾個監測單位或企業提供無人機服務。城市氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth ，AOD）反映了城市大氣的污濁程度，高分辨率的衛星遙感提供了監測城市大氣污染的可能性。衛星遙感彌補了一般地面觀測難以反映污染物空間具體分布和變化趨向的不足，但對于光學厚度反演過程中源于地表反照率和氣溶膠模型帶來的誤差難以估計，需要同時有地面的觀測進行比對[22]。現在應用較為廣泛的開源數據是美國地球觀測系統計劃中TERRA和AQUA衛星搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS），能夠提供最小250米空間分辨率的遙感影像和每日太陽光學厚度數據。我國的風云系列衛星（FY-1）已搭載可見光和紅外窗口，能夠很好地識別城市區域氣溶膠和沙塵分布。

2 系統集成應用

系統的集成應用通過數據中心平臺實現，中心平臺結構如圖所示。該平臺建立在氣象數據庫和大氣污染數據庫的基礎上，通過分析各污染物的時空變化特征（內因）和氣象場條件，滿足細粒子污染評價、光化學煙霧判識、污染物跨界輸送和源解析的應用。

區域污染立體監測體系數據中心平臺

3 結論展望

大氣顆粒物監測激光雷達、大氣臭氧探測激光雷達、風廓線雷達、微波輻射計等地基遙感監測儀器對大氣顆粒物、臭氧濃度、風場和溫濕度場等參數開展垂直廓線測量，是對近地面觀測內容的有力補充，也彌補機載、星載數據在時間、空間的不足。通過整合近地面監測、地基遙感監測、天基和星基監測，基本構建“地空天一體化”的區域污染立體監測體系，采用“地空天一體化”的數據綜合分析方法，能夠描述區域大氣污染過程，區域大氣污染特征和區域污染的輸送來源，定量衡量污染物輸送通量，進一步提升區域大氣污染預警預報水平。

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