基于激光雷達的北京市氣溶膠光學參數季節特征

王耀庭,苗世光,張小玲 (中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089)

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基于激光雷達的北京市氣溶膠光學參數季節特征

王耀庭,苗世光*,張小玲 (中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089)

摘要：利用米散射激光雷達ALS300系統在北京城區開展了為期近1年的觀測,觀測時間為2009年6月～2010年5月份.先將觀測數據劃分為春(3～5月份)、夏(6～8月份)、秋(9～11月份)、冬(12～2月份)四個季節,再對數據進行質量控制.研究了氣溶膠后向散射系數、消光系數以及氣溶膠光學厚度AOT和大氣邊界層的日均值變化特征,以及這些要素的季節和全年特征統計值.結果表明,氣溶膠消光系數和后向散射系數的日平均變化形態趨于相同,數量上消光系數是后向散射系數的約10倍.它們的季節平均值廓線形態結構也并沒有呈現出明顯的季節性結構特征差異,2個系數最大遞減均發生在1km高度范圍內.在0.15～3.0km高度范圍做垂直平均,夏季的后向散射系數和消光系數有最大平均值(分別為31.2Mm?1?sr?1和517.0Mm?1),說明夏季有較強對流.冬季后向散射系數和消光系數最低.對于冬、春2個季節,700m高度是2個量大小分化的高度.700m高度以上,春季的后向散射系數和消光系數均大于冬季.AOT和大氣邊界層高度的日均值波動特性明顯,日均值最大振幅出現在春季.月平均來說,在春季,氣溶膠層高度和邊界層高度最高(分別為3450m和970m),冬季最低(分別為2970m和712m).春、夏季節AOT波動變化大,而在秋季和冬季變化比較平緩.春夏秋冬4個季節的平均氣溶膠光學厚度分別是0.689、0.699、0.571和0.647.

關鍵詞：激光雷達；氣溶膠；消光；散射；季節性

氣溶膠不但在地氣系統的能量收支平衡和氣候系統中扮演著十分重要的角色,且是描述大氣邊界層垂直結構和時空變化的完美天然載體.其對氣候系統的影響主要體現在氣溶膠-云之間的間接輻射強迫和對長、短波輻射的吸收及散射形成的直接效應,雖然這種效應具有很大的不確定性[1-2].氣溶膠粒子對氣候效應的影響因素取決于氣溶膠粒子的化學屬性、物理屬性和光學屬性,以及它們在垂直方向上的分布形態和結構特征.氣溶膠對全球環境的影響也日趨嚴重,如氣相物質經過光化學反應后急劇向固態微粒轉化產生光化學煙霧,并進而生成二次氣溶膠,產生大氣污染.作為中國的首都和世界大都市,目前北京也面臨著越來越嚴重的大氣污染和環境退化問題[3].大氣污染對城市居民身體健康的影響也日益收到關注[4-6].

城市次生細顆粒氣溶膠經過種光化學過程大大加劇了大氣污染的程度,會直接損害人們的身體健康,影響正常的生產和工作秩序,會破壞大自然的固有生態平衡[7].尤其是大氣邊界層內,一方面是包含了大氣中大部分的氣溶膠和水汽,另一方面是人的主要活動空間區域,因此,它的影響更是占據主導地位[8].大氣邊界層內的氣溶膠對地面氣候、大氣溫度和氣壓場、風場和垂直運動場等都有明顯的影響[9].雖然對特定季節或者是在特別污染天氣背景下對氣溶膠光學屬性進行觀測、研究分析的工作開展了很多[10-12],但是對長時間范圍內氣溶膠的光學屬性、垂直形態特征以及大氣邊界層的研究顯得更為迫切.

目前,有幾種主要觀測手段能實現在垂直方向上對氣溶膠進行不同時間長度的觀測:鐵塔[13]、高層建筑、系留飛艇、激光雷達(lidar).前兩者受到高度的限制,不能探測到邊界層高層(1km以上)污染情況,系留飛艇難以做到實時快捷的監測[14].lidar系統觀測高度能夠到達對流層頂,且以定量的方式測量氣溶膠的光學屬性,而且能評估氣溶膠粒子的主要微物理屬性.因此lidar的觀測結果不但能提供氣溶膠地面觀測基礎信息,還能為航空航天的高空氣溶膠觀測及反演設備提供地面真實信息作為參考標準.

目前能獲得的大部分激光雷達數據大都是為了特定的目的而開展的短期觀測實驗;實驗開展并不具有普遍性,而是具有很明確的項目執行任務;不容易捕獲到北京地區典型污染天氣狀況下的氣溶膠的光學特性.本研究是以北京城區為研究區域,評估氣溶膠光學屬性在垂直方向上呈現出的季節性特點,皆在為揭示一定時期內氣溶膠的光學屬性、垂直形態特征以及大氣邊界層變化特點提供參考.

1　研究方法與數據

1.1 觀測點

在北京城區利用ALS300 lidar系統對氣溶膠垂直結構開展了近1年期(2009年6月～2010 年5月)的長時間觀測.觀測點位于北京海淀區西三環外的北京城市氣象研究所樓頂(116.173°E, 39.564°N),海拔約為50m,可以代表城市地區.觀測期間,在觀測點周圍無工業生產,無工地建設,只有丁字路上有車流經過,除此之外,觀測點周圍沒有特別額外的主要污染源,如煙囪之類.

1.2 lidar設備

圖1　ALS300激光雷達系統體系結構示意Fig.1　architecture diagram forALS300 lidar system

開展觀測實驗所用的是波長為355nm的單波段米散射激光雷達.此雷達可以實現準無人值守,根據參數設置,觀測自動進行,數據可以自動存儲.為了保證雷達的安全和有效連續觀測,儀器工作環境需要配備空調系統和UPS (Uninterruptible Power Supply)系統,值班人員定期對供電系統、儀器運行狀態進行查看,定期對lidar信號接受發射窗進行擦拭.該雷達觀測系統見圖1,具體技術參數如表1.

表1　ALS300 lidar系統技術參數Table 1　ALS300 lidar system specifications

1.3 數據評估

在一般情況下,觀測實驗是連續不間斷開展的,儀器工作時候,激光雷達每30min采集1次數據,能夠很好的削弱大氣細微擾動變化所產生的影響.本研究分析的物理量主要有粒子后向散射系數BS、粒子消光系數Ext,數據空間垂直分辨率為15m.消光系數和后向散射系數的反演方法采用了當前比較通用的Fernald方法,詳細計算過程見文獻[15-18].同時還分析了基于這些物理量得到的次生產品氣溶膠光學厚度(AOT或AOD)和大氣邊界層高度.從激光雷達觀測數據中,還可以獲得殘余層高度.

將觀測數據劃分為4個季節,春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)以及冬季(12～2月份).在計算之前,先對數據做了一定的質量控制,剔除了存在異常的數據廓線,比如空缺數據、負值以及明顯受到云影響的數據等.圖2中給出的是秋季經過距離校正后的lidar觀測信號,對流層內大氣有復雜的多層氣溶膠存在,大部分情況下,高濃度氣溶膠集中在0.5km左右的高度的范圍內,有時候氣溶膠層高度也可以達到1.5km,偶爾也有氣溶膠團存在于4km高度處.特別值得注意的是,在7km以上也有強烈的lidar信號,說明高層的云也能被該lidar系統探測到,研究分析氣溶膠光學參數的季節性特征及規律時不考慮這種特殊情況下的數據.但是作為季節特性研究分析的基礎,以及為了能更全面且最大限度的體現觀測數據的細節信息,采用了0.1～ 9.0km高度范圍內的數據,特別開展了這些光學參數的日均值變化特征的研究分析.

圖2　秋季(9～11月份)lidar觀測信號時空分布Fig.2　Time series of lidar signal in Beijing in autumn (September-November)

2　結果與討論

2.1 北京市粒子屬性季節特征

先對在北京市區基于lidar觀測的氣溶膠光學屬性的季節特征做個概括,見表2.表2中給出了150～3000m高度范圍內,粒子后向散射系數(BS)、消光系數(Ext)兩個物理參數4個季節外加年度最大值、最小值和平均值.同時還給出了氣溶膠光學厚度(AOD)、殘余層高度(LT)和大氣邊界層厚度(PBL)的統計值.

表2　北京地區粒子屬性季節特征總結Table 2　Summary of the seasonal particle properties in Beijing

2.2 日均值變化特征

從圖3可以看出,日均值變化可以揭示消光系數和后向散射系數的細節特征.二者的日均值變化形態有很好的一致性.春季、秋季和冬季日平均氣溶膠消光系數主要集中在250Mm-1范圍內,對應的后向散射系數在25Mm-1?sr-1范圍內,夏季的日平均總體上要大于另外3個季節,其消光系數在250～600Mm-1之間,后向散射系數在25～60Mm-1?sr-1之間.這或許與夏季相對濕度較高有關.每個季節內都有不同的程度的高值存在,2個物理量在各個季節的日均值出現最高值的大小順序依次為秋季、冬季、春季和夏季.

圖3　氣溶膠消光系數和后向散射系數日均值變化Fig.3　Daily average of aerosol extinction coefficient and back scatter coefficient

圖4中的氣溶膠光學厚度是在355nm波長上對消光系數在高度上進行積分得到.從圖4中可以看出氣溶膠光學厚度和大氣邊界層日均值具有明顯的波動.在每1個季節,氣溶膠光學厚度的日均值主體范圍在0.2～0.6之間,秋季和冬季部分日均值位于0.6～0.8之間.AOT大于0.6的天數最多出現在春季,值得留意的是大于1.0的天數最多也出現在春季,這或許與春季特有的天氣現象,如多沙塵天氣有關系.而在秋季和冬季AOT日均值大于1.0的出現天數很少.

圖4　大氣邊界層高度和AOT日均值變化Fig.4　Daily average of planetary boundary layer and AOT

本文利用lidar經過距離校正后的觀測信號以及氣溶膠消光系數,主要采用拐點法確定大氣邊界層高度,根據幾個典型時刻的大氣消光系數垂直廓線分布(如果有有效觀測數據),取消光系數開始出現明顯突變的點為大氣邊界層高度[19].大氣邊界層的日平均變化情形也一樣具有明顯的波動.總體而言,各個季節的日平均大氣邊界層高度主要在800m高度范圍內,單日邊界層最高的情形出現在春季,其次是夏季.邊界層日均值大于800m的天數春季多于冬季.夏季和秋季基本相當.

特別需要注意的一點,此結果是基于本次觀測實驗數據量得到的,作為一種統計結論,樣本量會影響到統計結果,比如本研究中夏季觀測由于諸如天氣等各種原因,實際參與運算的數據量就偏少,約40d.

2.3 氣溶膠后向散射系數季節特征

將有效后向散射系數廓線在時間和空間上進行平均,然后再作平滑處理,獲得四個季節和全年的后向散射平均廓線,見圖5.從圖5中可以看出,年平均和4個季節平均的后向散射系數廓線分布具有相似的多層層結結構特征,且季節變化特征明顯.

從空間形態上看,后向散射系數的高值區主要集中在1000m高度的范圍內.在近地層200m附近,有第1個峰值點,在近500m高度處有第2峰值點.從地面開始,隨著高度的增加,散射系數值減小,到3km高度左右基本達到背景值,此研究結果與文獻[20]中給出的結果一致.各個季節的氣溶膠后向散射系數廓線還存在著第3個峰值點,高度在1000～1500m間不等,比如夏季第3峰值區位于1200m左右,而且該季節廓線呈現出的鋸齒結構要比其余3個季節明顯,這或許與夏季天氣形勢有關系,比如有多對流和/或強對流天氣存在.冬季和秋季的第3峰值位于1500m左右的高度.春季在2000m左右的高度還有另外的峰值存在.散射系數最大遞減發生在1km高度范圍內.此研究結果與文獻[21]的結論一致.

圖5　氣溶膠季節平均后向散射系數廓線Fig.5　Seasonal averaged backscatter profiles圖例中的數字表示參加計算的廓線條數

從季節平均的后向散射系數量值上看,在0.15～3km高度的范圍內,夏季有最大的平均后向散射系數,最大值可達102.0Mm-1?sr-1,夏季的后向散射系數季節平均值為31.2Mm-1?sr-1,說明夏季有最強的對流,夏季的相對濕度較大,粒子吸濕性會變強,粒子尺寸比其余季節要大一些.秋季次之,冬季平均散射系數最小,冬季對流最弱.冬、春2個季節相比,在約700m以下,這2個季節的平均后向散射系數差別甚微,而在700m以上,春季的后向散射系數要大于冬季.冬季和春季比起夏季和秋季有相對低的后向散射系數表明這2個季節大氣相對干燥,大氣近地層存在著有大量的細顆粒粒子.

從殘余層高度也能清晰的看到季節特征(表2).平均來說,最高的殘余層發現在春季,高度為3450m,而最低的殘余層出現在冬季,高度為2970m.這個殘余層的春高冬低的季節特征和文獻[21]的研究一致.

2.4 氣溶膠消光系數季節特征

由圖6可見季節平均的氣溶膠消光系數廓線的季節變化特征與后向散射系數呈現出的結構特征基本相同.同一高度上,夏季比其它季節有更大的消光系數值,0.15～3km高度范圍內平均值為517Mm-1,最大值可以達到1500Mm-1.其次是秋季,平均值為509Mm-1,最大數值在1000Mm-1左右.春、冬兩個季節的消光系數在大約700m高度,大小發生轉換.700m以下,春季消光系數要比冬季的要小,在700m以上,春季消光系數比冬季大.此研究結果與文獻[22]中的研究情況類同,該文獻中的數據采集實驗是來自德國的IAP KUhlungsborn(54°07′N,11°46′E),數據分為冬、夏2個季節來分析.通過分析發現,700m左右的高度剛好是冬季邊界層高度,之后的春季,大氣邊界層開始逐漸抬升(表2和圖7).表明秋季的一部分和冬季的大氣邊界層高度要比春季邊界層厚度低,邊界層里面蘊藏的粒子濃度比春季低,因此就出現了700m以上春季消光系數大于冬季的情形.

圖6　季節平均的氣溶膠消光系數分布Fig.6　Seasonal averaged extinction profiles圖例中的數字表示參加計算的廓線條數

同一高度上,干季(12、1、2月份)消光系數要比濕季(6、7、8月)消光系數小,且濕季出現更明顯的多層結構特征.和后向散射系數廓線分布類似,到3km高度左右達到背景值(表2).

氣溶膠消光和后向散射系數均顯示從近地面至1km高度范圍內存在有濃厚的氣溶膠層.把圖5和圖6結合起來看,在邊界層以下,因為春季粒子后向散射系數比冬季大,說明春季污染相比冬季要重,但是冬季消光系數卻要比春季大一些,根據消光系數構成理論,即消光系數是由散射和吸收構成,大的這一部分明顯來自消光中的吸收部分,這或許說明冬季近地層大氣中的粒子有更多的吸濕性特征,這估計和冬季有降雪以及采暖排放有關[23].

2.5 邊界層高度和氣溶膠光學厚度月變化特征

從圖7可以看出大氣邊界層的年變化特征有2個明顯的特點.大氣邊界層高度在春、夏季節較高,時間出現大約在4、6月份,高度約為1100m,這點和文獻[24]的研究一致.而最小值發生在秋季,時間出現在10月份,高度約為630m.春、夏2個季節,大氣邊界層變化波動強烈,波動范圍在700～1100m之間;而秋冬兩個季節,邊界層波動變化相對平緩,變換范圍在600～800m之間.夏季邊界層高度處于較高的位置,最高的氣溶膠后向散射也發生在夏季,這或許能再次說明夏季有強烈的對流.

圖7　2009年6月～2010年5月間,月平均大氣邊界層厚度和氣溶膠光學厚度變化Fig.7　Monthly mean values of planetary boundary layer height and AOT between 2009-06 and 2010-05

從表2也看出,邊界層高度的年變化范圍在600～1060m之間,最小值出現在冬季,最大值出現在春季.一般來說,最高的殘余層在春季,為3450m,最低的在冬季,為2970m.這些結果與已有研究結果基本一致[24].對于邊界層高度而言,參考國內的一些研究結果,比如文獻[25]得到的邊界層高度是800m左右,張靄琛等[26]觀測得秋季午后邊界層高度平均約1km,冬季午后邊界層高度500～600m,本lidar系統觀測得到的邊界層高度的結果與現有研究成果具有較好的可比性,基本符合邊界層高度的季節變化規律.

將氣溶膠消光系數在垂直方向上進行積分,就可以得到在355nm波長上該lidar觀測到的氣溶膠光學厚度,同時獲取了同時期(2009年6月—2010年5月份)CE318太陽光度計及MODIS的月平均氣溶膠光學厚度產品.采用的CE318的數據來自于AERONET提供的北京站(緯度39.98°N,經度116.38°E,高度92m)的CE318型太陽光度計,考慮到本研究采用的lidar波段在355nm,因此選用了在CE318在440nm波段上的氣溶膠光學厚度月均值產品,見圖中AOT_CE318_440nm.衛星數據來自MODIS的氣溶膠光學厚度月平均產品MOD08_L3在550nm波段上的AOT值,這里選擇550nm是將此作為一個參考標準,見圖中AOD_MOD08.從圖7可以看出,AOT最高值出現在夏季的7月份,lidar觀測為0.85,CE318為0.746,MODIS為0.79,隨后開始降低.lidar觀測到的全年最低點在9月份,為0.40左右,CE318為0.483,而MODIS觀測到的最低點在1月份,數值為0.19,這與文獻[27]得到的結論一致.之后AOT值又開始逐漸升高,從11月份到次年3月份,AOT基本保持穩定,起伏變化不大,維持在一個相對的高值區,約在0.6～0.7間,AOT大小的這種季節波動特征也和文獻[27]的研究結果吻合.這或許與這個時間段為北京地區處于采暖期有很大的關系.到了4月份又陡然升高,達到了全年的次高點,為0.8左右,這可能的原因是觀測當年的春季天氣干燥且多有大風沙塵天氣.4個季節的平均氣溶膠光學厚度分別是0.689、0.699、0.571和0.647.從圖7中可以看到lidar和CE318觀測的AOT月均值在數值上非常接近,在趨勢上非常吻合.這與文獻[28]中得出的基于CE318觀測的北京地區年平均AOT約為0.67 的結論趨于一致.在這同期內(11月份到次年3月份),MODIS觀測的AOT在趨勢形態上雖然與lidar和CE318觀測的AOT基本相同,為凹形形態,但是數值差距較大.這或許是與MODIS的氣溶膠反演算法有關.MODIS的氣溶膠反演算法是“暗像元”法,在冬半年(11月份-次年4月份),受到地表暗目標選擇的限制,反演結果相對夏季有更大的誤差.從另外的夏半年lidar、CE318和MODIS得到的AOT在數值和趨勢的較為一致性也能得到輔證.

2.6 討論

本研究對長時間連續觀測的lidar數據進行統計特征分析,嘗試尋找氣溶膠物理參數是否存在一些季節性的特征和統計規律.雖然獲得了一些初步結論,但是因為各個季節的有效數據量并未相等,比如夏季的數據量就偏少,這在進行統計分析時候,難免也會對最終得到的結果有不同程度的影響.未來還有很多研究工作需要開展,可以進行的研究工作有:進一步分析氣溶膠日變化的差異,不同類型的氣溶膠源,氣溶膠粒子的微物理屬性,諸如粒子表面積、柱含量、有效半徑、折射指數和單次散射反照率等.還有一個方面的研究很值得關注,將lidar得到的大氣物理參數廓線與過境時刻CALIPSO衛星獲得的廓線以及數值模式模擬結果進行比較分析研究.這樣對“地空一體化”的氣溶膠觀測是一種補充和驗證.

3　結論

3.1 ALS300 lidar系統能對北京城區內氣溶膠的光學參數進行有效監測.

3.2 北京市消光系數日均值主要在250Mm-1,后向散射系數的日均值主要在25Mm-1?sr-1.二者日平均變化形態相近,數量上具有大約10倍的關系. 3.3 夏季有最大的后向散射和消光系數值,冬季有最小的后向散射和消光系數值.都具有明顯的多層結構特征.最大遞減發生在1km高度范圍內.大約700m高度以上,春季的后向散射系數和消光系數均大于冬季的.在相同高度上,年均值大于春季和冬季均值而小于夏季和秋季.

3.4 春季邊界層高度日平均出現高值(>1300m),出現天數也大于其余3個季節.而低值發生在秋季的10月份,高度約為630m.春夏2個季節,大氣邊界層波動范圍在700～1100m之間;而秋冬2個季節,邊界層變化波動范圍在600～800m之間.

3.5 氣溶膠光學厚度全年基本維持在0.5以上,春季日平均AOT>1.0的天數比其余3個季節多.最大值在夏季,最小值在秋季.春、夏季節AOT波動變化大,而秋季和冬季變化比較平緩.

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Seasonal characteristics of the aerosol optical parameters based on lidar over the Beijing Area. WANG Yao-ting, MIAO Shi-guang*,

ZHANG Xiao-ling (Institute of Urban Meteorology, China Meterological Administration, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：970～978

Abstract：One year measurements of Mie scatter lidar at Beijing were performed between June 2009 and May 2010. First of all, the data were split into four seasons: Spring (March-May), Summer (June-August), Autumn (September-November), and Winter (December-February). Next, the data were quality controlled. At last, Change of daily mean values of aerosol backscattering coefficient, extinction coefficient, AOT, and atmospheric boundary layer (ABL) were analyzed. At the same time, the vertical profiles of the aerosol backscattering coefficient, extinction coefficient, their variability during each season, the annual average, and the statistics were calculated, the characteristics of the AOT and the planetary boundary layer were also presented. The analyses revealed that, the average daily characteristics of the aerosol extinction coefficient and backscattering coefficient were the same, and the extinction coefficient was about 10 times of the backscattering coefficient. The seasonal mean aerosol backscatter and the extinction profiles did not exhibit significant seasonal differences in structural characteristics. The maximum decrement of the backscatter coefficients and extinction coefficient occurs within 1km above ground. The vertically averaged (between 0.15～3.0km) backscatter and extinction coefficients had the highest averages value (31.2Mm?1?sr?1and 517.0Mm?1, respectively) in summer, which reflects the stronger convection during summer. The winter had the lowest aerosol backscatter and extinction coefficients. For winter and spring seasons, 700m was the height where these two quantities showed different trend. Above 700m, the backscattering coefficient and extinction coefficient in spring were higher than those in winter. The fluctuations of daily average AOT and ABL height were significant, and the maximum amplitudes appeared in spring. On average, the residual layer and PBL were the highest in spring (3450 m and 970 m respectively), and the lowest in winter (2970 m and 604 m respectively). In spring and summer, the fluctuation of AOT varied greatly, but the fluctuation in autumn and winter was relatively mild. The average AOT in spring, summer, autumn, and winter is 0.689, 0.699, 0.571, and 0.647 respectively.

Key words：lidar；aerosol；extinction；backscatter；seasonal

作者簡介：王耀庭(1976-),男,云南大理人,副研究員,博士,主要從事大氣環境遙感和城市氣象方面的研究.發表論文10余篇.

基金項目：國家自然科學基金項目(41575010,41375114);北京市科技計劃課題(Z151100002115045) * 責任作者, 研究員, sgmiao@ium.cn

收稿日期：2015-09-12

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-0970-09