激光雷達在重污染天氣應對中的應用

陳 磊

（河北省環境應急與重污染天氣預警中心 河北 石家莊 050030）

2013年以來，中國遭遇了有史以來最嚴重的霧霾天氣，尤其是京津冀地區。隨著治理力度的不斷加大，空氣質量取得了明顯的改善。2016年，河北省平均達標天數為207 d，占全年總天數的56.6%，較2015年(190 d，52.1%)增加了17 d，較2013年(129 d，35.9%)增加了78 d。2016年，全省平均重污染天數為33 d，占全年總天數的9.0%，較2015年(36 d，9.9%)減少了3 d，較2013年(81 d，22.53%)減少了48 d。

空氣質量狀況受兩方面的影響，一是污染物的排放，二是氣象條件的影響，特別是大氣邊界層的影響成為重要因素。根據環保部對重污染天氣應對的指示，為加強京津冀區域重污染天氣應對科技支撐能力建設，快速開展重污染天氣污染成因分析和應急措施效果評估，將京津冀及周邊典型省份氣溶膠激光雷達進行聯網，分析區域內污染成因，為大氣重污染天氣應對提供決策支撐和數據支持，對京津冀地區空氣質量治理和改善提供科學依據。

1 激光雷達原理

激光雷達(LIDAR，Light Detection And Ranging)是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。光波與大氣的相互作用，會產生包含氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等有關信息的輻射信號，利用相應的反演方法就可以從中得到關于氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等大氣成分的信息。因此，激光雷達技術基礎是光輻射與大氣成分之間相互作用所產生的各種物理過程。

當一個激光脈沖發射到大氣中時，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)的后向散射光的大小與此高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關，其后向散射光由激光雷達探測，通過求解米散射激光雷達方程就可以反演相對應高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數。當發射激光脈沖是線偏振光時，球形粒子的后向散射光會保持發射激光脈沖的偏振特性，但是非球形粒子(如沙塵粒子和卷云中冰晶)的后向散射光會發生退偏，利用激光雷達同時探測后向散射光中的平行分量和垂直分量回波信號，就可以得出大氣氣溶膠粒子和云的退偏振比垂直廓線，退偏振比數值的大小反映了大氣氣溶膠粒子和云粒子的非球形特征。

2 京津冀雷達網分布

京津冀雷達網主要為氣溶膠可視性雷達，采用垂直監測的方式，監測點位主要分布在北京、天津、石家莊、保定、衡水、邢臺、張家口、廊坊、滄州、邯鄲、唐山11個城市。

圖1 京津冀雷達分布圖

3 應用實例分析

2016年12月1日0：00～2016年12月2日0：00京津冀地區經歷了一次重污染過程，通過雷達監測數據對此次重污染過程進行分析。

3.1 大氣邊界層高度對比。大氣邊界層高度與城市PM2.5均值對比如圖2所示。

圖2 各城市污染邊界層高度對比

3.1.1 張家口、北京大氣邊界層高度均值在1 200 m以上，城市污染擴散能力好，PM2.5濃度較低。

3.1.2 廊坊市大氣邊界層高度較低，但是城市PM2.5濃度也相對較低。

3.1.3 保定、邯鄲大氣邊界層高度相近，但是城市PM2.5濃度差異性較大。

3.1.4 石家莊相比保定、邢臺邊界層高度較高，但其城市PM2.5日均濃度值較高。

3.2 氣溶膠光學厚度對比。各城市氣溶膠光學厚度對比如圖3所示。

圖3 氣溶膠光學厚度對比

3.2.1 張家口、北京氣溶膠光學厚度數值較小，城市污染積累量低，城市大氣邊界層較高，城市整體PM2.5濃度較低。廊坊市城市污染積累量也較低，雖然廊坊市大氣邊界層較低，污染積累量相對較低，城市擴散條件相對較差，但城市污染濃度較低。

3.2.2 保定、邯鄲大氣邊界層高度相近，但是城市PM2.5濃度差異性較大。石家莊、鄭州城市PM2.5濃度日均值一致，但是城市大氣邊界層相差較大。這兩組異常變化主要是由于城市基礎污染積累量決定。

3.2.3 石家莊相比保定、邢臺邊界層高度較高，但其城市PM2.5日均濃度值較高，同時石家莊城市污染積累量較小，城市污染的垂直擴散能力中石家莊較強，因此是由于城市污染的水平擴散條件不利導致出現該反常變化。

3.3 雷達監測氣溶膠演變趨勢。城市氣溶膠時空演變如圖4。

圖4 城市氣溶膠時空演變圖

3.3.1 大氣邊界層。北京、保定、石家莊城市污染的垂直擴散能力較好，鄭州、邢臺城市處于靜穩天氣，垂直擴散能力較差。

3.3.2 氣溶膠濃度變化。邢臺市12月1日早5：00左右城市氣溶膠濃度開始上升，隨后石家莊市、保定市城市氣溶膠濃度開始上升，并保持在一個較高的濃度上(早9：00左右)，北京市、鄭州市在下午16：00左右開始出現較為明顯的氣溶膠濃度上升的變化。推測存在區域與區域間的污染物輸送，污染物主要由邢臺、石家莊等地向北輸送，導致北京在12月1日夜間出現較為明顯的污染加重出現。

3.3.3 城市擴散條件。邢臺、鄭州城市大氣邊界層較為穩定，污染的垂直擴散能力較差，其余各城市大氣邊界層不穩定，垂直擴散能力相對較好。

4 小結

4.1 利用雷達實時生成水平、3D掃描圖像，實現對大氣氣溶膠的在線監測與追蹤，跨區域連續觀測氣溶膠時空變化，并能直觀的捕獲污染源位置，為及時啟動重污染天氣預警提供了數據支持。

4.2 利用雷達對近地面大氣氣溶膠污染擴散狀況的連續實時快速在線監測及追蹤，對城市大氣污染進行全過程監測，對突發環境事故進行快速應急監測。

4.3 通過雷達數據可對重污染天氣進行過程分析和重污染天氣應急預案的后評估。

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