遙感技術(shù)在霧霾天氣中的應(yīng)用

王克兢，邢延峰，孫越天

（黑龍江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，哈爾濱 150056）

遙感技術(shù)在霧霾天氣中的應(yīng)用

王克兢，邢延峰，孫越天

（黑龍江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，哈爾濱 150056）

隨著城市化進(jìn)程的加快，霧霾天氣逐漸增多，人們對(duì)霧霾的治理與監(jiān)測(cè)越來(lái)越關(guān)注。常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段只能監(jiān)測(cè)近地面的霧霾，激光雷達(dá)應(yīng)用可以從高空到近地更加立體的監(jiān)測(cè)，為未來(lái)預(yù)警預(yù)報(bào)、提前知悉相關(guān)沉降信息及擴(kuò)散走勢(shì)提供數(shù)據(jù)支持。

霧霾；激光雷達(dá)；應(yīng)用

近年來(lái)，城市空氣污染的治理力度有所加大，但是灰霾等天氣卻頻繁出現(xiàn)。由于大氣氣溶膠濃度變化直接影響到生存環(huán)境和人們的健康，特別是PM2.5已引起了人們的廣泛關(guān)注。霧霾的主要污染物為道路揚(yáng)塵、汽車尾氣、建筑施工、工業(yè)排放等一次粒子及硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、黑碳、有機(jī)碳?xì)浠衔锏葰饬＾D(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的超細(xì)粒子，對(duì)人體健康產(chǎn)生極大的損害，并且影響區(qū)域氣候及交通［1］。常規(guī)的顆粒物探測(cè)儀器只能探測(cè)近地面的顆粒物濃度變化，且局地性較強(qiáng)，較難獲取顆粒物的時(shí)空分布規(guī)律，激光雷達(dá)的出現(xiàn)使得大氣顆粒物的時(shí)空探測(cè)成為現(xiàn)實(shí)［2］。

1 工作原理

該系統(tǒng)是將激光脈沖發(fā)射到大氣中，大氣中的氣溶膠顆粒或大氣構(gòu)成分子對(duì)光束發(fā)生后向散射，利用望遠(yuǎn)鏡接收該散射光，通過(guò)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出距離，并依據(jù)接收光的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出大氣氣溶膠的密度譜及其空間分布［3］。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 當(dāng)時(shí)的實(shí)際后向軌跡示意圖

可以明顯看出有從西北面吹來(lái)的冷空氣流，從2 000m高空緩慢的下降到近地面。

如果高空有污染團(tuán)或較重顆粒物團(tuán)時(shí)，在下降氣流的作用下，高空污染物易被帶到近地面，造成城市近地面顆粒物的濃度上升。通過(guò)趨勢(shì)變化了解到起初高空顆粒物濃度較高，隨著整理下沉氣流影響，有聚集近地面的趨勢(shì)，且隨時(shí)間增加，顆粒物會(huì)產(chǎn)生兩種變化趨勢(shì)，一種為隨擴(kuò)散氣流向高空，到夜里會(huì)沉降近地面。另一種為直接沉降近地，形成顆粒物積累趨勢(shì)。

圖1 實(shí)際后向軌跡示意圖Fig1.Schematic diagram of practical backward trajectory

2.2 城市上空氣溶膠時(shí)空演變

當(dāng)一個(gè)激光脈沖發(fā)射到大氣中時(shí)，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子散射和消光，不同高度（距離）的后向散射回波信號(hào)的大小與此高度（距離）的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，其后向散射回?fù)苄盘?hào)由激光雷達(dá)探測(cè)，通過(guò)求解米散射激光雷達(dá)方程就可以反演相對(duì)應(yīng)高度（距離）的大氣氣溶膠粒子和云粒子。

數(shù)據(jù)分析：通過(guò)對(duì)比雙通道變化，可以看出水平分量和垂直分量?jī)赏ǖ离S時(shí)間變化的時(shí)空演變圖。通過(guò)上圖可以判斷城市上空大氣污染物變化趨勢(shì)。如圖1，AB兩通道，如圖標(biāo)示在2 000m左右有氣溶膠團(tuán)從高空出現(xiàn)且有明顯沉降聚集趨勢(shì)，至25日完全沉降到近地表，24日中午和25日下午分別有兩次較重的近氣溶膠堆積現(xiàn)象出現(xiàn)。通過(guò)后向軌跡可以看出，25號(hào)主要是沉降后本地氣流吹起的揚(yáng)塵，這一過(guò)程的發(fā)生勢(shì)必會(huì)造成近地表污染物濃度上升。

圖2 不同高度水汽和顆粒物濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Changing trend of moisture and particulate matter concentration in different height with time

2.3 城市PM10濃度變化

圖3 不同高度PM10濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Changing trend of PM10 concentration in different height with time

數(shù)據(jù)分析：如圖3為不同高度PM10隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖，我們發(fā)現(xiàn)近地表PM10濃度隨時(shí)間變化先較大隨后擴(kuò)散減小，短暫小幅度升高到后期濃度較高的變化趨勢(shì)（圖3中顏色的深淺代表濃度的高低）。圖4為雷達(dá)數(shù)據(jù)導(dǎo)出后形成PM10隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖，如圖4可以更直觀地反映PM10濃度的變化，針對(duì)PM10夜間升高的問(wèn)題，通過(guò)顆粒物通道可以發(fā)現(xiàn)有顆粒物沉降。

圖4 PM10隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.4 Changing trend of PM10 with time

3 結(jié)論

通過(guò)風(fēng)向軌跡圖，結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)中顆粒物通道、沙塵粒子消光系數(shù)、PM10等數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向軌跡體現(xiàn)的下降氣流與與雷達(dá)監(jiān)測(cè)的沉降在高度上完全吻合，23日早上出現(xiàn)較強(qiáng)的高空下降氣流，隨時(shí)間變化一段時(shí)間，25日完全沉降。在該氣流的作用下，會(huì)攜帶大量的高空污染物進(jìn)入近地表，這一過(guò)程中顆粒物發(fā)生進(jìn)一步的沉降，會(huì)造成城市污染。通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)中粉塵消光可以看出這一沉降過(guò)程，該沉降過(guò)程會(huì)造成城市較重的污染，隨后通過(guò)雷達(dá)PM10數(shù)據(jù)和趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)，顆粒物沉降和PM10濃度上升較吻合，因此此次城市污染加重是由高空區(qū)域污染物遷徙沉降造成。

通過(guò)結(jié)合當(dāng)時(shí)的天氣和其他參數(shù)，污染源分布及污染物走勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)此次污染天氣走勢(shì)變化詳細(xì)分析，從高空到近地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析，利用激光雷達(dá)探測(cè)對(duì)霧霾過(guò)程的時(shí)空分布特征進(jìn)行精確分析，可以在典型天氣案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)下，對(duì)未來(lái)預(yù)警預(yù)報(bào)、提前知悉相關(guān)沉降信息及擴(kuò)散走勢(shì)實(shí)施并形成預(yù)案方案提供有力的幫助。

［1］ 張偉.淺談灰霾自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，（05）：15-17.

［2］ 陸曉波.許建華.一次典型灰霾天氣過(guò)程及成因分析［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2009，1（1）：10-13.

［3］ 吳永華，胡歡陵，周軍，等.L625激光雷達(dá)探測(cè)平流層氣溶膠［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（8）：1012-1015.

Application of remote sensing technology in fog and haze

WANG Ke-jing，XING Yan-feng，SUN Yue-tian
（Heilongjiang Environmental Monitoring Center Station，Harbin 150056，China）

With the acceleration of urbanization，the city's fog and haze has increased，and people have increasingly concerned on the governance and monitoring of haze.Conventional monitoring methods can only monitor near-surface haze，the application oflaser radar can make more three-dimensional monitoringfromthe upper tothe ground，and provide data tofuture forecast，relevant settlement information and diffusion trend.

Fogand haze；Laser radar；Application

X87

A

1674-8646（2016）16-0030-02

2016-07-05