泰州地區(qū)激光雷達(dá)大氣氣溶膠觀(guān)測(cè)

鄧孟珂，田鵬飛，蔡娜佳，楊夢(mèng)兮，李 由

(泰州市氣象局，江蘇 泰州，225300)

0 引言

雖然激光雷達(dá)的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，使用也很廣泛，但是針對(duì)不同區(qū)域，仍然需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作，以證明其在粒子光學(xué)特性探測(cè)方面的可靠性。利用環(huán)境監(jiān)測(cè)的PM10、PM2.5等數(shù)據(jù)，可以對(duì)激光雷達(dá)返回的各項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，包括消光系數(shù)、退偏振比、氣溶膠光學(xué)厚度和邊界層高度。

本文反演氣溶膠垂直消光系數(shù)使用Fernald后向積分法。在對(duì)流層和平流層內(nèi)，大氣氣溶膠粒子的組成和尺度譜分布比較穩(wěn)定，不隨高度變化，氣溶膠粒子的光學(xué)特性?xún)H來(lái)源于其疏密度隨高度發(fā)生的改變。對(duì)532nm波長(zhǎng)的激光進(jìn)行反演時(shí)，氣溶膠的消光后向散射比Sa設(shè)定為50，而532nm波長(zhǎng)的氣溶膠消光邊界值σa(re)由氣溶膠散射比為1.01來(lái)確定[1]。

1 大氣消光系數(shù)

1.1 消光系數(shù)垂直廓線(xiàn)

以激光雷達(dá)在2018年的532nm波段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Fernald后向積分法來(lái)反演氣溶膠垂直消光系數(shù)。將反演所得消光系數(shù)按月做平均處理，得到每個(gè)月的消光系數(shù)高度廓線(xiàn)圖。由于1月和2月部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，激光雷達(dá)的完整觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)從3月開(kāi)始，畫(huà)出了2018年3—12月的10張消光系數(shù)廓線(xiàn)圖。消光系數(shù)廓線(xiàn)圖的橫坐標(biāo)軸表示消光系數(shù)強(qiáng)度，縱坐標(biāo)軸表示高度，從精度上考慮，將垂直高度定為5km以下。

以3月觀(guān)測(cè)結(jié)果為例，2018年3月的近地面消光系數(shù)平均值為0.166km-1，消光系數(shù)從近地面開(kāi)始迅速升高，在320m左右達(dá)到最大值，峰值0.79km-1，然后瞬時(shí)減小，1km以上的高度層消光系數(shù)變得很小，且變化較為平緩。1～2km的高度層上有兩個(gè)小的凸起。

總的來(lái)說(shuō)，大氣消光系數(shù)垂直廓線(xiàn)的變化趨勢(shì)是接近的，從近地面開(kāi)始增大，在1km左右高度達(dá)到峰值，這就是邊界層的所在。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，4月、11月和12月大氣消光系數(shù)較高，8月、9月和10月較低。

1.2 反演結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證反演的消光系數(shù)的可靠性，需要用環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。已經(jīng)有研究顯示，實(shí)測(cè)的PM2.5、PM10與消光系數(shù)存在相關(guān)性；而現(xiàn)在臺(tái)站所用的前向散射能見(jiàn)度儀的原理是通過(guò)測(cè)量大氣透明度，即消光系數(shù)，來(lái)計(jì)算大氣能見(jiàn)度；因此，本文選用實(shí)測(cè)的PM2.5、PM10和能見(jiàn)度數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證反演的消光系數(shù)。

將2018年泰州國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站的實(shí)測(cè)能見(jiàn)度的月平均值和反演的近地面處消光系數(shù)的月均值做相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。近地面處，能見(jiàn)度和消光系數(shù)具有較好的指數(shù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R為-0.71, 兩者顯著負(fù)相關(guān)，能見(jiàn)度越高，消光系數(shù)越低。

將2018年P(guān)M2.5、PM10的月平均值分別和地面處消光系數(shù)的月均值做相關(guān)分析，結(jié)果如圖3所示。近地面處PM2.5、PM10的濃度和消光系數(shù)均具有較好的冪相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R分別為0.796、0.823。在一定程度上驗(yàn)證了激光雷達(dá)在氣溶膠消光特性探測(cè)中的有效性。

2 消光系數(shù)和退偏振比的時(shí)空分布

消光系數(shù)的垂直廓線(xiàn)反映的是大氣的瞬時(shí)變化。通過(guò)連續(xù)觀(guān)測(cè)，激光雷達(dá)每6min采集一次數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)6min就可以生成一張垂直廓線(xiàn)圖。使用Matlab軟件的繪圖功能，可以將這些廓線(xiàn)按時(shí)間順序排列起來(lái)，通過(guò)色塊表示消光系數(shù)的大小，就可以得到大氣消光系數(shù)的時(shí)空分布。圖4為2018年全年消光系數(shù)的時(shí)空分布，橫軸表示時(shí)間，縱軸高度設(shè)定為8km。色標(biāo)由藍(lán)色向紅色變化，反映了大氣消光系數(shù)的強(qiáng)弱。顏色越紅，表示消光系數(shù)越高。配合分析退偏振比的分布，能夠更為準(zhǔn)確地分析氣溶膠、云和沙塵的分布及演化。

綜合分析，大氣消光系數(shù)時(shí)空分布可以直觀(guān)地反應(yīng)大氣中氣溶膠的分布狀況。從定性角度分析，4月、9月和10月近地面的氣溶膠分布較少，11月和12月的分布較多，這與消光系數(shù)的廓線(xiàn)分布狀況是吻合的。

3 邊界層

3.1 邊界層高度識(shí)別

地面是產(chǎn)生氣溶膠的主要源地，邊界層緊臨地面，氣溶膠(如塵埃、煙、霧等)在該層濃度高，消光系數(shù)也最高。從消光系數(shù)垂直變化可以看出，消光系數(shù)在1km高度附近會(huì)發(fā)生突變，速率發(fā)生急劇變化，這個(gè)高度可以定為大氣氣溶膠混合層高度，即邊界層高度。跟自由大氣相比，邊界層大氣內(nèi)氣溶膠濃度較高且氣溶膠分布受下墊面和天氣變化影響明顯，通過(guò)計(jì)算反演的消光系數(shù)的垂直遞減率，將垂直遞減率在1km左右急劇變化的高度定為混合層高度，即邊界層高度[2]。

此前的研究中，邊界層高度確定主要是斜率法，本文所用的是圖像識(shí)別法[3-4]。圖像識(shí)別是對(duì)物體和背景間灰度之間某種不連續(xù)或突變性的一種識(shí)別方法。傳統(tǒng)的斜率法對(duì)噪聲都較為敏感，近年來(lái)，不斷改進(jìn)的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論使其在檢測(cè)圖像邊緣的連續(xù)性及方向性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，既能有效地消除噪聲，又可以保留圖像中的原有細(xì)節(jié)信息。基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像識(shí)別法檢測(cè)大氣邊界層高度的主要步驟如圖5所示。

圖6為4種不同天氣下，消光系數(shù)垂直分布，黑線(xiàn)位置為識(shí)別的邊界層高度。圖6.a和6.b分別為晴天和霧(霾)天氣的邊界層反演結(jié)果。可以看出，晴天的邊界層高度明顯高于霧(霾)天氣。圖6.c和6.d分別為系統(tǒng)性降水和陣性降水天氣時(shí)邊界層反演結(jié)果。

3.2 邊界層計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

提取反演的邊界層高度數(shù)值，將邊界層高度按月求平均，圖7表示2018年邊界層高度的月平均變化。通過(guò)計(jì)算，2018年邊界層平均高度930m。3月份的邊界層平均高度最低，為696.4m；10月份的邊界層平均高度最高，達(dá)到1277m。跟據(jù)計(jì)算的邊界層變化可以簡(jiǎn)單判斷大氣氣溶膠的分布高度，一般而言，氣溶膠在邊界層高度以下含量較高，分布不均勻，對(duì)天氣狀況和大氣湍流的變化敏感，按分類(lèi)主要是霧、霾、沙塵及粉塵等。邊界層高度以上氣溶膠含量大幅減小，因此一般情況下在消光系數(shù)垂直廓線(xiàn)中，邊界層高度以上消光系數(shù)峰值區(qū)可判斷為云層[5]。

如圖8所示，將2018年邊界層高度的均值，和同期空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：邊界層高度與PM10和PM2.5存在負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)分別為-0.55和-0.48，分別通過(guò)了α=0.05和α=0.1的顯著性檢驗(yàn)。

4 氣溶膠光學(xué)厚度

4.1 氣溶膠光學(xué)厚度的計(jì)算

氣溶膠光學(xué)厚度，英文縮寫(xiě)為AOD(Aerosol Optical Depth)或AOT(Aerosol Optical Thickness)，定義為消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對(duì)光的削減作用的物理量[7]。作為氣溶膠最重要的參數(shù)之一，表征著大氣渾濁程度，也是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的重要因素。氣溶膠光學(xué)厚度能夠很好地反映氣溶膠的垂直變化，通過(guò)調(diào)整垂直方向高度，還可以解析不同高度層的貢獻(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)不同高度層之間污染物水平的高低。

通常光學(xué)厚度值越高表示氣溶膠縱向積累增長(zhǎng)越明顯，大氣能見(jiàn)度也將越低。氣溶膠光學(xué)厚度公式：

式中：αα(z,λ)表示氣溶膠在高度Z上面的消光系數(shù)，根據(jù)反演的氣溶膠消光系數(shù)的結(jié)果，將消光系數(shù)在垂直方向上積分，再將積分結(jié)果按月求平均，得到3—12月的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)。

4.2 氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)圖9所示，2018年6月、8月和12月的光學(xué)厚度值較高，3月、9月和10月較低。12月光學(xué)厚度較高可能是因?yàn)?018年秋冬空氣層結(jié)較為穩(wěn)定，冷空氣一直未南下，導(dǎo)致泰州地區(qū)在11—12月出現(xiàn)了連續(xù)的霧(霾)天氣。而夏季的光學(xué)厚度較高可能是因?yàn)橄募居秒娏康脑黾樱瑢?dǎo)致火電廠(chǎng)發(fā)電量增加，加上農(nóng)民燃燒秸稈導(dǎo)致。

如圖10將2018年的氣溶膠光學(xué)厚度和PM10、PM2.5做相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光學(xué)厚度與兩者的濃度均存在良好的線(xiàn)性相關(guān)。相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.69，通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

如圖11將2018年的氣溶膠光學(xué)厚度和能見(jiàn)度均值等做相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光學(xué)厚度和能見(jiàn)度存在負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)為-0.476，通過(guò)了α=0.1的顯著性檢驗(yàn)。

5 小結(jié)

(1)由DPWL激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)垂直廓線(xiàn)和時(shí)空分布分析可見(jiàn)，大氣消光系數(shù)垂直變化趨勢(shì)是接近的，從近地面開(kāi)始增大，在1km左右高度達(dá)到峰值，這就是邊界層的所在。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，4月、11月和12月大氣消光系數(shù)較高，8月、9月和10月較低，與地面環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大氣污染物變化基本一致。

(2)DPWL激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)和能見(jiàn)度在近地面處具有較好的相關(guān)指數(shù)，相關(guān)系數(shù)R為-0.71；近地面處PM2.5、PM10的濃度和消光系數(shù)均具有較好的冪相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R分別為0.796、0.823，驗(yàn)證了探測(cè)數(shù)據(jù)在觀(guān)測(cè)消光粒子性質(zhì)方面的有效性。

(3)DPWL激光雷達(dá)探測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5、PM10濃度有線(xiàn)性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.72；氣溶膠光學(xué)厚度與能見(jiàn)度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.476。邊界層高度與PM2.5、PM10存在顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R分別為-0.55和-0.48。驗(yàn)證了探測(cè)數(shù)據(jù)在辨別大氣消光層和不同高度大氣消光系數(shù)的可靠性。