基于激光雷達分析一次重霾過程混合層高度

周燕秋，倪長健，劉培川，張 研

1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225 2.高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225 3.四川省環境監測總站，四川 成都 610041

基于激光雷達分析一次重霾過程混合層高度

周燕秋1,2，倪長健1,2，劉培川3，張 研1

1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225 2.高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225 3.四川省環境監測總站，四川 成都 610041

為深化對冬季重霾天氣大氣混合層高度的認識，利用Mie散射激光雷達觀測了成都市2014年1月23日至2月4日一次典型重霾天氣過程。基于Mie散射激光雷達探測獲取的后向散射系數，使用SBH99算法計算了該過程的混合層高度，并系統分析其演變特征及其與氣象因子的關系，研究結果表明:將激光雷達探測的混合層高度與探空曲線表征出的混合層高度進行對比分析，結果顯示兩者具有較好的一致性，相關系數為0.893 4；此次重霾過程中，混合層高度平均值較低，約378 m；霾天氣發生后，混合層高度顯著下降，并且混合層高度的最大值與最小值之間差距縮小，日變化波動不明顯；混合層高度的發展與空氣溫度的變化趨勢呈正相關關系，與相對濕度呈負相關關系。

Mie散射激光雷達；重霾過程；混合層高度；SBH99算法

在污染氣象學中，混合層高度用于表征污染物在垂直方向上被湍流稀釋擴散的范圍, 即低層空氣熱力對流與動力湍流所能達到的高度[1]。作為決定空氣污染狀況的重要參數，混合層高度的系統研究在空氣質量預報、環境監測和環境規劃等方面具有重要的應用價值[2-3]。目前確定混合層高度的方法有很多，如國標法、羅氏法以及干絕熱法等，進一步分析表明，上述方法均存在計算精度難以評估以及缺乏物理過程描述等不足[4-8]。激光雷達作為一種新型的大氣遙感設備，具有較高的時空分辨率，能夠實現對大氣邊界層結構的實時監測[9-10]。針對激光雷達反演混合層高度的算法而言，國外在20世紀70年代開展了這方面的研究工作，ENDLICH等[11]將后向散射系數垂直變化率最大的位置所對應的高度定為混合層高度，BOERS等[12]認為激光雷達的后向散射信號發生最大衰減的地方即為邊界層的高度，MOK等[13]則根據氣溶膠后向散射系數的垂直變化對混合層和卷夾層的高度進行了進一步的識別。STEYN等[14]將實際測量的大氣氣溶膠后向散射系數垂直分布擬合成理想的后向散射系數廓線，據此提出了SBH99算法，該方法增強了基于激光雷達混合層高度反演算法的實用性和客觀性。張金業[15]將其應用于武漢邊界層結構的分析，進一步驗證了SBH99算法的可行性。

成都市作為西南地區經濟發展中心，隨著城市化進程的加快，以灰霾為代表的空氣污染問題日益嚴重[16-17]。本文以成都冬季一次典型重霾過程為研究時段，在對Mie散射激光雷達反演混合層高度的適用性進行驗證的基礎上，進一步將SBH99算法用于分析該時段混合層高度的變化特征。所得成果在加深對重霾發生機理理解的同時，也可應用于成都大氣環境容量計算、污染潛勢預報等研究，進而為大氣環境監測、大氣污染防治和大氣環境規劃等環境管理工作提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 觀測儀器及數據

本文采用的雷達數據由四川省環境監測總站提供。監測點設置于西南交通大學九里堤校區，受工業排放污染源的影響很小；儀器安裝在西南交通大學土木館樓頂，此處距地35 m，視野開闊，不受四周建筑物阻擋。

觀測儀器為北京產EV-lidar激光雷達(偏振Mie散射微脈沖激光雷達)。由激光雷達的探測數據可獲得大氣邊界層的結構和時空演變特征、大氣氣溶膠消光系數垂直廓線和時間演變特征等信息。儀器組件包括半導體激光泵浦的Nd:YAG脈沖激光器、發射和接收光學系統、高靈敏度光電探測器(CPM)、高速多道計數器和計算機、控制和數據處理軟件等。該激光雷達系統可以全天自動地進行數據采集，于2013年6月正式投入觀測，每3 min提供一次數據，主要觀測范圍可達30 km，探測盲區為60 m，測距分辨率為15 m，其主要相關系統參數見表1。

用于對比的探空數據來源于成都市溫江氣象站，該數據為一天2次(探測時間分別為北京時間07:00、19:00)的探空觀測資料，其垂直空間上的分辨率為5 m，主要包含氣溫、氣壓、濕度和露點溫度等氣象要素。探空站位于郊區，而激光雷達探測點位于城區，兩地相距大約20 km，下墊面有所不同，因此兩地的混合層高度可能存在一定的差距，但考慮到對比分析時所采用的數據均選自早晚時刻，這樣的時間里混合層高度比較低，且受下墊面熱力作用的影響不大，同時兩地都受同一天氣系統影響，所以在一定的誤差范圍內2種結果具有一定的可比性。

表1 主要技術參數

1.2 反演方法

大氣邊界層中富含氣溶膠粒子，據此可將氣溶膠作為追蹤劑以實現Mie散射激光雷達對大氣邊界層特征參數的反演。氣溶膠濃度在混合層中垂直分布趨于均勻，在混合層以上部分則會迅速減小，因此氣溶膠后向散射系數將會在混合層頂發生一個由強到弱的突變過程[18]。故可以利用這一特征確定混合層的高度，算法的流程[14]：

1)采用SBH99擬合方法將探測所得的氣溶膠后向散射系數隨高度變化曲線擬合成理想的后向散射系數曲線B(z)。擬合方法中假定Bm為大氣混合層內后向散射系數的平均值，Bn為混合層以上區域大氣后向散射系數的平均值，擬合的理想后向散射系數B(z)可由誤差函數erf(a)表示為

(1)

(2)

式中Z為所研究大氣層高度，Zm為混合層高度，s是一個與卷夾層厚度有關的參數。

2)利用最小二乘法(rmsd)對實際探測得到的后向散射系數值和擬合的理想后向散射系數的差值求最小均方根值，以獲得大氣混合層高度Zm和參數s的值。

3)最后根據擬合的后向散射系數B(z)的垂直分布曲線來獲得混合層高度和卷夾層厚度。

2 結果與討論

2.1 Mie散射激光雷達反演混合層高度的適用性驗證

在混合層中，由于湍流運動的擴散和稀釋作用，氣層內空氣混合充分，各種物理量包括動量、熱量、水汽和其他物質在垂直方向上趨于常值。逆溫層是穩定性層結，能像蓋子一樣阻礙污染物向上輸送，將其束縛在混合層內，因而逆溫層底對應的高度即為大氣混合層高度[19]。在此，將激光雷達實測數據反演結果與同一時間探空氣球所測位溫隨高度變化的數據進行對比，以驗證激光雷達所測結果的有效性。以2014年1月31日07：00探空資料的大氣溫度廓線為例，如圖1(a)所示，從地面到240 m高度，大氣溫度隨高度的增加略微減小，位溫隨高度的增加則呈現緩慢增加，表明這一氣層的穩定度是趨于中性的。240～275 m的這一氣層內大氣溫度隨高度的增加出現了明顯的增長，同時位溫的增長率也明顯增大。據此可以判定該氣層由逆溫控制，大氣處于穩定狀態，逆溫層底高約為240 m。圖1(b)為同一時間激光雷達測量的氣溶膠后向散射系數的垂直廓線，從中可以清晰地看出，185～280 m這一氣層中，氣溶膠后向散射系數發生了突變，其值發生急劇減小，240 m處約為后向散射系數垂直變化率最大的位置，由此可以確定混合層高度也在240 m左右。

圖1 成都市2014年1月31日07：00溫度廓線及位溫廓線與后向散射系數曲線

從圖1可以看出，2014年1月31日07：00溫度廓線、位溫廓線表征的混合層高度與后向散射系數反演的混合層高度基本保持一致。通過對其他時段類似對比分析，進一步驗證了上述結論。圖2為2014年1月運用探空數據中的位溫得到的混合層高度與激光雷達反演得到的混合層高度兩者之間的線性關系圖，相關系數r為0.893 4，由此可見，通過2種數據得到的混合層高度具有較好的一致性，因此可以推斷出Mie散射激光雷達在反演邊界層參數中的可行性。

2.2 重霾過程背景情況

2014年春節前后，即1月23日至2月4日四川盆地出現了一次持續時間長達13 d的區域性污染天氣過程，影響范圍極廣，涉及16個地級城市，其中以成都市的污染程度最為嚴重。

圖2 觀測期激光雷達與探空氣球得到的混合層高度的相關性

根據四川省環境監測總站的觀測資料，在此期間，成都地區嚴重污染天氣出現了6 d、重度污染6 d、中度污染1 d，其中1月27—31日連續5 d為嚴重污染。1月23日AQI便已達到較高水平，當天為嚴重污染。此后幾天，由于多云陰天天氣，近地面有較強的逆溫層存在，層結穩定且風速較小，大氣擴散條件差，致使污染物不斷累積，污染程度加重，到1月27日，AQI已達到363。1月31日(初一)受除夕夜煙花爆竹集中燃放的影響，顆粒物進一步累積，加重了污染程度，當天AQI高達470。2月1—4日，污染物累積效應減弱，污染程度緩慢減輕，相應地AQI也逐漸減小，直至2月5日冷空氣到來，污染過程徹底結束，AQI下降至105。成都市1月23日至2月4日AQI逐日變化趨勢如圖3所示。

圖3 成都市1月23日至2月4日AQI逐日變化趨勢

2.3 重霾過程混合層高度分析

以1月23日至2月4日為研究時段，利用SBH99算法計算該時段逐時的混合層高度，通過計算得出，整個過程中混合層高度平均值很低，約378 m，其變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，混合層高度在夜間最低，其值通常在300 m上下波動，午后15：00、16：00達到最大值。此外，1月27日之前，混合層高度較高，日變化明顯；在1月27日到2月1日期間，混合層高度相比于前幾日發生了明顯降低，并且混合層高度的最大值、最小值之間差距縮小，日變化特征不明顯，對應于這段時間空氣質量指數(AQI)升高、空氣質量狀況嚴重。2月1日之后，混合層高度有所增加且日變化趨勢明顯，對應于污染程度減緩。由此可見，霾天氣發生時混合層高度顯著下降，重霾污染期間混合層高度較低，大氣擴散條件很差，十分不利于污染物在垂直方向上的運動。本計算值低于王治華等[20]在成都類似的研究結果，這也進一步反映了此次重霾過程氣象條件的特殊性。

圖4 成都市1月23日至2月4日混合層高度的演變

為進一步描述該污染過程中混合層高度的日變化特征，以2014年1月30日為典型日進行研究，圖5則為該日后向散射系數24 h時空變化圖，黑色圓點表示混合層高度。由圖5可見，00:00—07:00混合層高度比較低，平均約277 m，湍流活動很弱，層結穩定，氣溶膠主要集中在地表；07:00之后，由于太陽輻射增強，地面逐漸升溫，下墊面與大氣之間的相互作用得到加強，大氣層結由夜間的穩定狀態向不穩定狀態過渡，混合層高度抬升，污染物在垂直方向上擴散；中午前后，太陽輻射最強，對流最旺盛，對應14:00混合層高度達到最大值530 m，夜間集中在地面的氣溶膠被稀釋擴散，因此圖5顯示此時段后向散射系數小；隨著太陽輻射的減弱，大氣層界向穩定狀態過渡，混合層高度也在此階段逐漸降低，到夜間18:00大氣處于穩定狀態，混合層高度穩定在260 m左右，氣溶膠又聚集在近地面。但從圖5可以看出，1月30日混合層高度的變化波動不明顯，即混合層高度的最大值與最小值之間相差不大，此種情況在整個重霾過程中都有體現。

圖5 成都市2014年1月30日后向散射系數24 h時空變化圖

圖6進一步給出了利用SBH99算法得到的成都市2014年1月30日07:00、08:00、09:00、10:00混合層高度的反演結果。綜合圖5和圖6分析可以看出，此次重霾過程中，混合層高度很低，且日變化較小。在此氣象條件下，晚上產生的污染物在白天不能得到很好的稀釋，而白天產生的污染物在夜間有可能會得到進一步積累，造成更加嚴重的污染。

圖6 SBH99算法得到的成都市2014年1月30日混合層高度

2.4 混合層高度與氣象因子對比分析

混合層高度的發展不僅與太陽輻射強度有關，同時也受空氣濕度、空氣溫度、風速等氣象因子及人類活動的共同影響。在此，以重霾過程中污染較為嚴重的1月30日、31日以及隨后污染程度減弱的2月1日、2日、3日為例，列舉出空氣溫度、相對濕度與混合層高度的日變化情況，以便于更加詳細地分析氣象要素與混合層之間的關系，具體見圖7、圖8。由于空氣溫度是太陽輻射強度的直接體現，它隨著太陽輻射的增強而升高，促使混合層高度得以發展，反之，則會對混合層的發展起抑制作用。

從圖7可以看出，混合層高度與空氣溫度有很好的相關性，在日變化分析中，空氣溫度的最大值、最小值分別出現在午后和夜間，對應于混合層高度的最大值、最小值也出現在相應時段；在過程分析中，在1月30日、31日期間污染嚴重，空氣溫度值比較低，平均約10.0 ℃，對應于混合層較高，2月1—3日，空氣溫度逐漸升高，平均約12.9 ℃，對應于混合層高度也出現了增高的趨勢。由此可見，混合層高度與空氣溫度存在著較好的正相關關系。

從圖8可以看出，混合層高度與相對濕度呈現出很明顯的反向變化趨勢。相對濕度本身與空氣溫度存在負相關關系，當空氣溫度升高時，地面水汽的蒸發作用增強，相對濕度降低，而在濕度較高的環境下，會伴隨較低的地面溫度，同時由于水汽的高比熱會吸收更多的熱量，降低了本身熱量就很小的地面對空氣的加熱效率，從而致使混合層高度無法得到抬升。

圖7 空氣溫度與混合層高度的日變化

圖8 相對濕度與混合層高度的日變化

3 結論

在對Mie散射激光雷達反演混合層高度適用性驗證的基礎上，基于SBH99算法對成都一次重霾過程中混合層高度的演變特征進行了詳細分析，進一步揭示了混合層與氣象因子的關系，這將有利于深化對重霾發生機理的認識，并可為大氣環境規劃和應急管理提供理論支撐。

1)經過對比分析表明，由后向散射系數反演的混合層高度與溫度曲線表征的混合層高度之間存在較好的一致性，因此將Mie散射激光雷達用于反演大氣邊界層結構參數具有可行的。

2)霾天氣發生后，混合層高度顯著下降，并且混合層高度的最大值與最小值之間差距縮小，日變化波動不明顯；此次重霾過程中，混合層高度平均值較低，約378 m。在此氣象條件下，晚上產生的污染物在白天不能得到很好的稀釋，而白天產生的污染物在夜間有可能會得到進一步積累，造成更加嚴重的污染。

3)混合層高度的發展與空氣溫度的變化趨勢存在較好的正相關關系，與相對濕度的變化趨勢存在明顯的反向關系。

[1] STULL R B. 邊界層氣象學導論[M].北京:氣象出版社,1991.

[2] 馬金,鄭向東. 混合層厚度的經驗計算及與探空觀測對比分析[J].應用氣象學報,2011,22(5):567-576.

[3] 程水源,席德立,張寶寧,等. 大氣混合層高度的確定與計算方法研究[J].中國環境科學,1997,17(6):512-516.

[4] 國家技術監督局,國家環境保護局. 制定地方大氣污染物排放標準的技術方法：GB/T 13201—1991[M].北京：中國標準出版社,1992.

[5] 程水源,張寶寧,白天雄,等.北京地區大氣混合層高度的研究及氣象特征[J].環境科學叢刊,1992,13(4):47-48.

[6] HOLZWORTH G C. Estimates of mean maximum mixing depths in the contiguous United States[J]. Monthly Weather Review, 1964, 92(5): 235.

[7] HOLZWORTH G C. Mixing depths, wind speeds and air pollution potential for selected locations in the United States[J]. Journal of Applied Meteorology, 1967, 6(6): 1 039-1 044.

[8] 程水源,席德立. 關于確定大氣混合層高度的幾種方法[J].環境科學進展,1997,5(4):63-67.

[9] 毛敏娟,蔣維楣,吳曉慶,等. 氣象激光雷達的城市邊界層探測[J].環境科學學報,2006,10(10):1 723-1 728.

[10] 伍德俠,宮正宇,潘本鋒,等. 顆粒物激光雷達在大氣復合污染立體監測中的應用[J].中國環境監測, 2015,31(5):156-162.

[11] ENDLICH R M, LUDWIG F L, UTHE E E. An automatic method for determining the mixing depth from lidar observations[J]. Atmospheric Environment (1967), 1979, 13(7): 1 051-1 056.

[12] BOERS R, ELORANTA E W. Lidar measurements of the atmospheric entrainment zone and the potential temperature jump across the top of the mixed layer[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1986, 34(4): 357-375.

[13] MOK T M, RUDOWICZ C Z. A lidar study of the atmospheric entrainment zone and mixed layer over Hong Kong[J]. Atmospheric Research, 2004, 69(3): 147-163.

[14] STEYN D G, BALDI M, Hoff R M. The detection of mixed layer depth and entrainment zone thickness from lidar backscatter profiles[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1999, 16(7):953-959.

[15] 張金業. 武漢上空對流層大氣氣溶膠Raman/Mie激光雷達探測研究[D].武漢：武漢大學,2010.

[16] 黃巍,龍恩深. 成都PM2.5與氣象條件的關系及城市空間形態的影響[J].中國環境監測, 2014,30(4):93-99.

[17] 白愛娟,鐘文婷,華蘭,等. 成都市大氣能見度變化特征及影響因子研究[J].中國環境監測,2014,30(2):21-25.

[18] 袁松,辛雨,周軍. 合肥市郊低層大氣的激光雷達探測研究[J].大氣科學,2005,29(3):387-395.

[19] 堵暉. 逆溫層狀態下的大氣擴散模式[J].中國環境監測,1992,8(2):28-29.

[20] 王治華,王宏波,何捷,等. Mie散射激光雷達研究成都地區大氣邊界層結構[J].激光雜志,2008,29(2):36-38

Analysis of Mixed Layer Height by Lidar Detection over a Heavy Haze Episode

ZHOU Yanqiu1,2, NI Changjian1,2, LIU Peichuan3, ZHANG Yan1

1.School of Atmosphere Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China 2.The Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China 3.Sichuan Province Environmental Monitoring Station, Chengdu 610041, China

In order to deepen the understanding of the mixed layer height in winter, a heavy haze episode from January 23 to February 4, 2014 in Chengdu was observed by Mie scattering lidar. Based on the backscatter coefficient observed from Mie scattering lidar, the mixed layer height was calculated by SBH99 algorithm, and then analysis its evolution characteristics and its relationship with meteorological factors. The main conclusions are summarized as following: According to a comparative analysis of mixed layer height indicated by lidar and stratification curve, results showed a better consistency, whose correlation coefficient R was 0.893 4. The average height of mixed layer was low during this heavy haze episode, which was about 378 m; after the occurrence of haze, the mixed layer height significantly decreased with little change in diurnal variation, and the gap between maximum and minimum of mixed layer was reduced. The development of the mixed layer height had a positive correlation with the change of air temperature, and a negative correlation with relative humidity.

Mie scattering lidar; heavy haze episode; the mixed layer height; SBH99 algorithm

2015-10-21;

2015-12-29

四川省環境保護重大科技資助專項(2013HBZX01)；四川省教育廳重點項目(15ZA0179)

周燕秋(1991-)，女，重慶人，在讀碩士研究生。

X823

A

1002-6002(2016)04- 0022- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.04