一次穩(wěn)定天氣系統(tǒng)下氣溶膠沉降過(guò)程分析

張嘉霖，劉 東

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)系，四川成都 610225；2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密儀器研究所，安徽合肥 230031)

一次穩(wěn)定天氣系統(tǒng)下氣溶膠沉降過(guò)程分析

張嘉霖1，劉 東2

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)系，四川成都 610225；2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密儀器研究所，安徽合肥 230031)

選取天津地區(qū)春末夏初一次空氣污染過(guò)程，利用安徽光機(jī)所研制的Mie散射激光雷達(dá)探測(cè)資料，結(jié)合微波輻射計(jì)、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天津地區(qū)大氣氣溶膠垂直分布情況進(jìn)行了研究，并對(duì)當(dāng)時(shí)的氣象條件及大氣邊界層逆溫特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，大氣氣溶膠的沉降過(guò)程與能見(jiàn)度的變化具有一定的相關(guān)性，在一次連續(xù)的觀測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到大氣氣溶膠隨時(shí)間有一個(gè)明顯的沉降過(guò)程。氣溶膠層層頂下降1 km，當(dāng)日能見(jiàn)度在相同時(shí)段里明顯降低，說(shuō)明氣溶膠的沉降對(duì)能見(jiàn)度產(chǎn)生了一定的影響。由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，逆溫層II異常穩(wěn)定，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)未發(fā)生明顯的變化。天津地區(qū)此次空氣污染過(guò)程中污染物主要為外源性輸送。

激光雷達(dá)；氣溶膠；沉降；能見(jiàn)度；逆溫

近年來(lái)，我國(guó)多次發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的低能見(jiàn)度天氣，嚴(yán)重影響公路、水路和航空運(yùn)輸；低能見(jiàn)度天氣條件下極易形成二次大氣顆粒物污染，嚴(yán)重危害人體健康。大氣氣溶膠是霧霾形成過(guò)程中的凝結(jié)核，其結(jié)構(gòu)的變化對(duì)能見(jiàn)度有較大的影響[1-3]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光探測(cè)在大氣遙感中扮演著越來(lái)越重要的作用。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感設(shè)備，能夠提供大氣氣溶膠高分辨率的時(shí)空分布，已被廣泛應(yīng)用于大氣氣溶膠的研究中[3-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)能見(jiàn)度與氣溶膠質(zhì)量濃度之間的關(guān)系進(jìn)行了許多研究，發(fā)現(xiàn)氣溶膠的散射和吸收對(duì)能見(jiàn)度有一定的影響[7-8]。氣溶膠的散射與粒徑有關(guān)，大顆粒散射引起的大部分散射光線并不會(huì)明顯地改變其原來(lái)的路徑，而那些大小與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相近的顆粒對(duì)路徑的影響較明顯。有研究表明，氣溶膠是能見(jiàn)度衰減的首要貢獻(xiàn)者，氣溶膠的消光系數(shù)占總消光系數(shù)的比例可達(dá)70%～80%[7-9]。

影響天津地區(qū)重污染天氣過(guò)程的因素主要包括秋冬季的靜穩(wěn)天氣形勢(shì)和光化學(xué)污染[7-9]。目前，有關(guān)冬季空氣污染過(guò)程的研究較多[10-13]，而對(duì)春末夏初空氣污染過(guò)程的氣象條件和預(yù)報(bào)的研究很少。另外，大氣氣溶膠在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)多以沉降為主，大氣氣溶膠的沉降是否會(huì)導(dǎo)致能見(jiàn)度出現(xiàn)變化在以往的觀測(cè)中鮮有研究。筆者選取天津地區(qū)春末夏初一次空氣污染過(guò)程，利用安徽光機(jī)所研制的Mie散射激光雷達(dá)探測(cè)資料，結(jié)合微波輻射計(jì)、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天津地區(qū)大氣氣溶膠垂直分布情況進(jìn)行了研究，并對(duì)此次污染過(guò)程的氣溶膠結(jié)構(gòu)演變特征、氣象因子及能見(jiàn)度的變化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為此類(lèi)型污染天氣的形成原因和預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

1.1 激光雷達(dá)及其探測(cè)方法 激光雷達(dá)的主要組成部分包括激光發(fā)射、接收光學(xué)、后繼光學(xué)和信號(hào)探測(cè)4 個(gè)單元。此次試驗(yàn)過(guò)程使用的激光雷達(dá)在工作時(shí)，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給激光器，激光器以10 Hz 的脈沖重復(fù)頻率發(fā)射532 nm的激光，激光穿過(guò)大氣，部分后向散射光反射，通過(guò)接收望遠(yuǎn)鏡收集，并利用會(huì)聚透鏡使之變?yōu)槠叫泄狻Ｆ叫泄馐ㄟ^(guò)532 nm的窄帶濾光片，由532 nm的光子探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)放大器放大后由數(shù)據(jù)采集卡采集大氣的后向散射信號(hào)。

1.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法 反演激光雷達(dá)的大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的方法中，F(xiàn)ernald方法是目前最為成熟穩(wěn)定的反演方法[9，14]。對(duì)于一定波長(zhǎng)的激光回波信號(hào)，如果已知某高度處的該波長(zhǎng)大氣氣溶膠和空氣分子的后向散射系數(shù)，即通常所說(shuō)的標(biāo)定值，以標(biāo)定點(diǎn)為界，該方法可以計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)上方(前向積分)和下方(后向積分)的大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)。由于筆者所研究的大氣氣溶膠主要在邊界層以下，高度較低，不考慮5 km以上高度的大氣氣溶膠影響，主要通過(guò)后向積分進(jìn)行計(jì)算。Fernald方法后向積分計(jì)算以下各高度該波長(zhǎng)的氣溶膠消光系數(shù)公式如下[9，14]：

(1)

式中，X(z)=P(z)z2，P(z)為激光雷達(dá)獲得的高度z處的回波信號(hào)。由(1)式可以看出，若要從激光雷達(dá)測(cè)量的回波信號(hào)P(z)中得到大氣氣溶膠的消光系數(shù)αa(z)，必須事先知道標(biāo)定高度zc、αm(z)、αa(zc)、S1和S25個(gè)參數(shù)。

標(biāo)定高度zc是通過(guò)選取近乎不含氣溶膠的清潔大氣層所在的高度來(lái)確定，這個(gè)高度通常在對(duì)流層頂附近，在這個(gè)高度上X(z)/βm(z)的值最小。

空氣分子在532nm的后向散射系數(shù)βm(z)使用30°N冬/夏季美國(guó)溫壓濕標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，利用分子瑞利散射理論進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)瑞利散射理論，大氣分子的消光散射比S2=αm(z)/βm(z)=8π/3(Sr)，通過(guò)大氣分子的βm(z)可以求得大氣分子的消光系數(shù)αm(z)。

氣溶膠消光系數(shù)的標(biāo)定值αa(zc)由氣溶膠散射比R=1+βa(zc)/βm(zc)來(lái)確定，對(duì)于532nm，R532=1.01。

S1=αa(z)/βa(z)是氣溶膠消光后向散射比，它依賴(lài)于發(fā)射的激光波長(zhǎng)、氣溶膠的尺度譜分布和折射指數(shù)，數(shù)值一般為20～70Sr。在通常計(jì)算中，需要假定對(duì)于同一波長(zhǎng)，各高度處的氣溶膠消光后向散射比是一個(gè)常數(shù)，即氣溶膠在化學(xué)組成上及尺度分布上不隨高度變化，氣溶膠光學(xué)特性的變化依賴(lài)于氣溶膠密度隨高度的改變。對(duì)于532nm，消光散射比通常取為S1=50Sr[14]。

1.3 試驗(yàn)場(chǎng)地及數(shù)據(jù)來(lái)源 2013年4月24日—5月1日，利用安徽光機(jī)所研制的單波長(zhǎng)米散射激光雷達(dá)(MSLidar)在天津市進(jìn)行為期7d的激光雷達(dá)探測(cè)，獲得0.5～10.0km的大氣氣溶膠垂直分布情況。雷達(dá)以532nm激光為光源，可以獲得大氣氣溶膠532nm的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)垂直分布廓線以及光學(xué)厚度等參數(shù)。該雷達(dá)的垂直分辨率為7.5m，幾何因子影響探測(cè)距離為300.0m。通過(guò)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)廓線可以獲取大氣氣溶膠的垂直分布特征。結(jié)合微波輻射計(jì)資料，對(duì)激光雷達(dá)獲取的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)廓線進(jìn)行對(duì)比，獲得大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)與相對(duì)濕度垂直分布廓線的對(duì)比資料。微波輻射計(jì)為一臺(tái)35通道MP-3000A微波輻射計(jì)，可以獲得大氣水汽含量、相對(duì)濕度、溫度等的垂直分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣環(huán)流背景 從圖1可以看出，2013年4月27日氣溶膠沉降過(guò)程發(fā)生時(shí)，大氣環(huán)流在500 hPa為弱高壓脊控制，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的形勢(shì)場(chǎng)，以平穩(wěn)的西北氣流為主，該形勢(shì)場(chǎng)為能見(jiàn)度的降低提供了穩(wěn)定的高空形勢(shì)。地面處于低壓倒槽頂部，風(fēng)力較小，形勢(shì)穩(wěn)定，12 h內(nèi)以偏東風(fēng)為主，有利于大氣氣溶膠的聚集。

注：a1、b1為27日08：00；a2、b3為27日20：00；b2為27日14：00。色標(biāo)為等風(fēng)速線。Note：a1，b1.08：00 on Apr.27；a2，b3.20：00 on Apr.27；b2.14：00 on Apr.27.Colour code indicates isotach.圖1 2013年4月27日500 hPa(a)和地面(b)流場(chǎng)Fig.1 500 hPa(a)and ground(b)flow field on Apr.27，2013

圖2 天津地區(qū)2013年4月27日08：00、14：00、20：00的溫度垂直分布廓線Fig.2 The vertical profiles of temperatures at 08：00，14：00 and 20：00 on Apr.27, 2013 in Tianjin area

2.2 氣溶膠層和逆溫層的層結(jié)特征 從圖2可以看出，4月27日08：00在0.5～1.0 km出現(xiàn)了較強(qiáng)逆溫層，形成一個(gè)深厚的穩(wěn)定層I，由于逆溫的出現(xiàn)使低層湍流交換能力減弱且在中高層抑制了大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，在2.5～2.7 km出現(xiàn)第二

層逆溫II，導(dǎo)致上下溫差進(jìn)一步減小，使空氣層結(jié)極其穩(wěn)定且比I層逆溫更有利于污染物的積累，并阻止了非逆溫層污染物的垂直輸送。逆溫結(jié)構(gòu)向下傳遞，08：00逆溫層為0.5～1.0 km，14：00逆溫層為0.5～0.8 km，20：00逆溫層0.2～1.0 km；而對(duì)于2.5～2.7 km的逆溫層，由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，該逆溫層結(jié)構(gòu)一直穩(wěn)定存在。 從圖3可以看出，0～2 km高度存在很明顯的氣溶膠層，且該層氣溶膠的大氣相對(duì)濕度為40%～60%，相對(duì)濕度較低。在1.0和2.2 km后向散射系數(shù)出現(xiàn)2次明顯的衰減，即2處逆溫的存在，抑制了大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在0～1.0、1.0～2.5 km氣溶膠出現(xiàn)2次分層現(xiàn)象。

2.3 氣溶膠層的沉降 利用線性擬合求氣溶膠后向散射系數(shù)最大衰減高度的方法獲取4月27日各整點(diǎn)時(shí)刻氣溶膠層層頂高度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖4)，在氣溶膠層頂附近氣溶膠后向散射系數(shù)在垂直方向上有一個(gè)很大的衰減。從表1可以看出，大氣氣溶膠層頂高度10 h均勻下沉約1 km。結(jié)合當(dāng)天地面觀測(cè)資料，能見(jiàn)度在08：00、14：00、20：00分別為18、12、10 km，可以推斷該大氣氣溶膠層的沉降對(duì)能見(jiàn)度的降低產(chǎn)生了一定的影響。氣溶膠層頂高度的下降與能見(jiàn)度之間直接的正相關(guān)關(guān)系對(duì)污染物的預(yù)報(bào)具有較好的指示意義。后向散射系數(shù)廓線(圖5)顯示，沉降的氣溶膠層在邊界層至3 km，而天津地區(qū)污染物受逆溫層I的抑制基本不能擴(kuò)散至此高度，證明污染物的外源性輸送是天津地區(qū)此次空氣污染過(guò)程形成的重要原因。

圖3 2013年4月27日15：00(a)和20：00(b)大氣氣溶膠后向散射系數(shù)和相對(duì)濕度垂直分布Fig.3 The varitical distribution of atmospheric aerosols backscattering coefficient and relative humidity at 15：00(a) and 20：00(b) on Apr.27，2013

圖4 線性擬合求斜率獲取的氣溶膠層頂高度Fig.4 The altitude of aerosol layer seeking by linearly fitting the slope

表1 2013年4月27日氣溶膠層頂變化與能見(jiàn)度和逆溫間的關(guān)系

Table 1 The relationship between aerosol roof topography，visibility and temperature inversion on Apr.27，2013 km

3 結(jié)論

(1)大氣氣溶膠的沉降過(guò)程與能見(jiàn)度的變化具有一定的相關(guān)性，在一次連續(xù)的觀測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到大氣氣溶膠隨時(shí)間有一個(gè)明顯的沉降過(guò)程。

圖5 2013年4月27日大氣氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布及氣溶膠層頂高度隨時(shí)間的變化Fig.5 Vertical distribution of atmospheric aerosol backscattering coefficient and variation of aerosol roof height with time on Apr.27，2013

(2)氣溶膠層層頂下降1 km，根據(jù)地面觀測(cè)資料顯示當(dāng)日能見(jiàn)度在相同時(shí)段里出現(xiàn)較明顯的降低，能見(jiàn)度由18 km逐步降至10 km。說(shuō)明氣溶膠的沉降對(duì)能見(jiàn)度產(chǎn)生了一定的影響。

(3)對(duì)于逆溫層II，由于逆溫層I的存在抑制了大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，逆溫層II異常穩(wěn)定，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)未發(fā)生明顯的變化。

(4)沉降的氣溶膠層結(jié)存在于1.5～3.0 km，該高度范圍高于逆溫層I所在的高度，天津地區(qū)污染物受逆溫層I的抑制很難突破至邊界層之上，由此大致可以推斷天津地區(qū)此次空氣污染過(guò)程中污染物主要為外源性輸送。參考文獻(xiàn)

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Analysis of Aerosol Deposition Process under a Stable Weather System

ZHANG Jia-lin1, LIU Dong2

(1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225; 2. Anhui Institute of Optical Precision Instrument, CAS, Hefei, Anhui 230031)

Aiming at the air pollution process at the end of spring and the beginning of summer in Tianjin, the vertical distribution of atmospheric aerosols in Tianjin was studied by using Mie scattering lidar detection data developed by Anhui Institute of Optical Precision Instrument combined with microwave radiometer, ground meteorological observation data, the meteorological conditions and the characteristics of the atmospheric boundary layer inversion were analyzed. The results showed that the deposition process of atmospheric aerosol has a certain correlation with the change of visibility. In the process of a continuous observation, there is an obvious settlement process of atmospheric aerosol over time. The top layer of atmospheric aerosol decreased by 1 km, there is significant reduction of visibility at the same time. Due to the vertical movement of atmosphere was suppressed by inversion layer I and stable of inversion layer II, there was no obvious change in a long time. The main pollutants were exogenous transport in the air pollution process.

Laser radar; Aerosol; Sedimentation; Visibility; Temperature inversion

環(huán)保行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201409001)；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2014BAC23 B01)；天津市重大科技專(zhuān)項(xiàng)(14ZCDGSF00027)。

張嘉霖(1995-)，男，天津人，本科生，專(zhuān)業(yè)：大氣科學(xué)。

2016-11-30

S 16；P 458

A

0517-6611(2016)35-0184-04