激光雷達組網在沈陽地區大氣污染監測中的應用研究

王佳音,侯 樂,王 男,孫學斌,李 娜,王 闖,高木木,杜毅明

(遼寧省沈陽生態環境監測中心，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

大氣污染對人類健康、生態環境、氣候變化等均有重要影響[1，2]；社會各界也越來越關注大氣污染治理、監測和空氣質量評價問題[3，4]。目前，隨著監測技術和手段的不斷進步與發展，地基遙感中的激光雷達以其高度連續性和高時空分辨率的特點已成為研究大氣邊界層氣溶膠光學特性最常用的手段之一[5，6]。將激光雷達監測與近地面環境空氣污染物常規監測相結合，對于進一步了解分析污染物濃度時空分布特征、分析大氣污染成因、研判污染來源起到重要的技術支撐作用[7]。

目前，我國已從多個方面開展激光雷達對大氣污染相關的研究工作[8～10]。激光雷達在獲取氣溶膠垂直方向的光學特性及混合層高度特征等方面具有優勢[11，12]。研究發現，內陸地區大氣邊界層高度的發展主要受感熱通量、粗糙度和風速影響，呈現明顯的日變化和季節變化特征，一般表現為春夏高、秋冬低[13]，沿海地區大氣邊界層高度季節特征與內陸相反[14]。李霞[15]對北京地區的研究結果認為，夏季較高的PBL及維持時間均大于冬季，同時云層對PBL存在顯著影響。王佳音等[6]認為，在冬季重度及以上污染天中，氣溶膠光學厚度(AOD)大于1.5對于顆粒物重污染過程具有重要指示意義。同時，激光雷達對于不同類型污染天氣預報預警及分析均具有重要作用[16～18]。李菲等[19]對廣州一次典型灰霾過程進行了分析,指出大氣邊界層高度較低及偏東和偏南氣流帶來的高濕度環境是廣州出現嚴重灰霾天氣重要原因。楊麗麗[16]對于沙塵過程的分析結果顯示，沙源地附近沙塵垂直發展高度為2～3 km，向下游傳輸過程中沙塵不斷向上發展，部分地區達到3～4 km，但沙塵濃度明顯減小。李嫣婷[20]研究了深圳市生態區與城區的臭氧(O3)分布，認為城區高空的O3區域傳輸作用更加顯著。近年來，利用激光雷達監測網開展大氣污染物時空變化特征的研究已逐漸開展[21，22]，但相對較少。

基于現有的研究多集中在單站點激光雷達對于氣溶膠光學特性及污染過程分析等方面，本研究采用沈陽市激光雷達監測網反演數據，探究沈陽市垂直方向擴散條件變化特征，并從多站點雷達組網監測角度對典型氣溶膠演變特征及污染過程進行分析研究，以期為沈陽地區大氣污染研究提供技術支撐，為大氣環境治理提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況

沈陽市位于中國東北地區的南部，遼寧省的中部，地勢東高西低，以平原為主。沈陽市氣候屬北溫帶受季風影響的半濕潤大陸性氣候，因受季風影響，全年四季分明，溫差較大。本研究使用的激光雷達站點包括位于城市西南部的黃臘坨點位、城市南部的李相點位、城市東北部的輝山大街點位，以及市區內部的超級站、陵東街點位共5個激光雷達站點，形成雷達組網。

2.2 數據來源

本研究使用的激光雷達為EV-LIDAR型微脈沖激光雷達，監測數據采用雷達反演的2019年數據。該激光雷達由激光器、光學部分和主機組成。激光雷達工作波長532 nm，單脈沖輸出能量為10J，脈沖重復頻率2500 Hz，空間分辨率為15 m。激光雷達數據進行反演之前對背景噪音等進行校正。激光雷達數據分析作圖采用EV LIDAR Data Analyse Software。本研究所用污染物監測數據為遼寧省沈陽生態環境監測中心提供，包括沈陽市黃臘坨、李相、輝山大街、超級站、陵東街5個環境空氣自動監測點位顆粒物濃度數據。

3 結果與討論

3.1 垂直擴散特征分析

PBL作為反映垂直方向擴散條件的重要指標，一般情況下PBL高度越低，越不利于近地層空氣垂直混合，大氣污染物擴散也就越差。圖1為沈陽市2019年各月雷達監測數據反演的PBL變化趨勢。從各點位平均情況來看，4月份PBL相對最高，對應的垂直方向擴散條件相對較好；12月份相對最低，對應的擴散條件相對較差；7月份PBL也較低，考慮主要是受到頻繁降水過程影響，導致PBL較低。從各點位具體PBL看，超級站點位在一年的大多數月份中PBL均較高；輝山大街點位在大多數月份中均低于PBL均值。

圖1 沈陽市2019年1～12月各雷達點位PBL變化情況

為進一步探究中度及以上污染天各雷達點位垂直擴散情況，由圖2可知，中度及以上污染天主要分布在1～4月份及10月份、12月份。其中，1～4月份及10月份，各雷達點位PBL主要集中在400～800 m范圍波動，12月份中度及以上污染天垂直擴散條件相對較差，對應的PBL僅在200～400 m范圍內波動。從各點位具體PBL分布情況看，整體相差不大，僅4月各點位PBL差距較大，一般來講，4月中度及以上污染天主要以沙塵污染過程為主，而沙塵污染過程主要是由于風速較大，吹起本地揚塵或受到上游污染城市的傳輸影響，一般情況下垂直方向擴散條件尚可，因此部分時段PBL并不是很低。

圖2 沈陽市2019年中度及以上污染天各雷達點位PBL變化情況

3.2 典型細顆粒物污染特征

3.2.1 本地積累型

1月11～14日，沈陽市共出現2 d重度污染、2 d中度污染；空氣質量指數(AQI)分別為198、262、234、186，首要污染物為PM2.5，15日空氣質量轉為良。本次污染主要以不利氣象條件下污染物在本地持續累積為主，同時也受到周邊區域污染影響。

圖3為雷達組網監測結果，可以看出11日白天，沈陽市PBL出現明顯下降趨勢，垂直方向擴散條件轉差，5個雷達點位PBL在600～800 m范圍內波動，本地出現污染物累積趨勢。12日凌晨，高空2000 m處出現污染物氣溶膠團，并有沉降至近地面的趨勢，此后各雷達點位PBL持續較低，受到本地累積和高空污染物沉降的共同影響。13日PBL再次降低，污染物累積嚴重。14日隨PBL抬升，累積在地面的污染物向高空擴散。

圖3 1月11～14日激光雷達組網PBL、消光系數及退偏比監測結果

本次重污染過程，各點位激光雷達PBL持續較低，且后期在PBL原本已經較低的情況下，出現再次下降的趨勢，導致垂直方向擴散條件極差，且遲遲未出現抬升趨勢。加之期間短時段內受到高空污染沉降影響，導致污染過程持續。

3.2.2 區域傳輸型

2月27日至3月5日，共出現重度污染4 d、中度污染2 d、輕度污染1 d；AQI分別為227、149、165、196、247、249、246，首要污染物為PM2.5，6日空氣質量轉為良。2月下旬以來，在工業企業春節后逐漸復工、大范圍秸稈焚燒疊加的情況下，京津冀及周邊地區持續長時間重污染天氣過程。在西南風持續影響下，污染區域逐漸北移。27日以來，MODIS衛星遙感火點圖監測到黑龍江、吉林、遼中南、河北北部存在大量秸稈焚燒火點。

圖4為各點位的雷達監測圖，27日中午開始，沈陽市各點位PBL出現明顯下降趨勢，從1200 m降至600 m左右，垂直方向擴散條件轉差。28日中午時段，高空2000 m處出現大量污染物氣溶膠團沉降至近地面，與本地污染物疊加。直至3月2日下午，高空再次出現污染沉降，各雷達監測點位PBL未出現明顯抬升，污染物持續累積。

圖4 2月27日至3月5日激光雷達組網PBL及消光系數監測結果

本次重污染過程，各點位激光雷達PBL整體表現出較明顯的日變化特征，表明邊界層擴散條件尚可，但由于高空污染沉降及傳輸等原因，沈陽市污染過程持續。

3.3 沙塵污染過程

4月4日下午至5日早晨，我市及周邊地區持續出現嚴重沙塵污染天氣，此次沙塵污染主要是在大風條件下本地揚沙和周邊區域沙塵傳輸共同影響所致。4月4日，沈陽市空氣質量嚴重污染，AQI 377，首要污染物為可吸入顆粒物(PM10)。4日下午起，沈陽市地面由低壓前強梯度逐漸向低壓后移動，風向由西南風轉為西北風，轉風過程中風速下降較快；轉為西北風后，風速再次上升并維持在4.5 m/s左右，沈陽市沙塵污染有所緩解，但可吸入顆粒物濃度下降速度較慢。沈陽市周邊鐵嶺、鞍山、遼陽、撫順可吸入顆粒物濃度變化與沈陽市相似，均呈緩慢下降趨勢。具體風力風速見圖5。

圖5 4月4～5日地面風力風速變化

從圖6的雷達監測結果可以看出，4日上午，高空出現大量沙塵污染物氣溶膠團，并沉降至本地，與低空及近地面污染物疊加。4日下午，各監測點位PBL由西南部點位率先抬升，隨后是城市中心點位。5日早隨PBL升高，風速減小，污染物逐漸消散。本次重污染過程，各點位激光雷達PBL整體表現出較明顯的日變化特征，且PBL較高，最高可達1500 m，表明邊界層擴散條件尚可，但同樣由于趨于污染傳輸及沉降等原因，污染過程持續。

圖6 4月4～5日激光雷達組網PBL、消光系數及退偏比監測結果

4 結論

(1)12月份垂直方向擴散條件相對最差，4月份相對較好，7月份受頻繁降水影響，邊界層高度(PBL)較低；從空間分布看，超級站點位在一年的大多數月份垂直擴散相對較好。

(2)在中度及以上污染天，雷達組網中各點位垂直方向擴散條件整體相差不大，PBL主要集中在400～800 m，12月份出現的中度及以上污染天PBL相對最低，僅200～400 m左右；4月份出現的中度及以上污染天由于受沙塵過程影響，各點位PBL差距較大。

(3)通過雷達組網對典型顆粒物污染過程的分析發現，以本地積累為主的污染中，擴散條件對污染物的清除及累積起到較為重要的影響；以區域傳輸為主的污染中，即使垂直方向擴散條件較好，但受上風向污染傳輸或高空沉降的影響，空氣質量仍未出現明顯好轉。