谷雨，鄭有飛，高慶先，張艷艷，劉婷，馬占云

1.南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 3.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000 4.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044 5.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011

第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

谷雨1,5，鄭有飛1，高慶先2*，張艷艷3，劉婷4，馬占云2

1.南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 3.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000 4.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044 5.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011

介紹了第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(AML-3)的結(jié)構(gòu)和主要設(shè)備，展示了該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)顆粒物、氣態(tài)污染物方面的優(yōu)勢(shì)，并在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院(40.04°N,116.41°E)開展了大氣環(huán)境和氣象監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明：與常規(guī)地面環(huán)境監(jiān)測(cè)相比，AML-3實(shí)現(xiàn)了對(duì)常規(guī)污染物濃度和顆粒物消光系數(shù)的近地面、垂直與斜程廓線分布以及地面氣象要素(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和大氣壓)的可移動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)；隨高度增加大氣顆粒物后向散射系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在近地面出現(xiàn)極大值區(qū)，同時(shí)，晴天大風(fēng)天氣條件下氣溶膠層高度較晴天低風(fēng)速天氣條件下增加明顯；相對(duì)濕度較大時(shí)，顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，反之呈正相關(guān)。

移動(dòng)式；大氣環(huán)境；激光雷達(dá)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；垂直廓線；消光系數(shù)

隨著城市化的發(fā)展，城市建筑物的高度不斷增加，人們?nèi)粘；顒?dòng)的范圍逐漸向高空發(fā)展，高空大氣污染物的監(jiān)測(cè)成為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一[1]。激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)使用的是工作頻率較高的多光束，更適用于大氣污染物的探測(cè)。激光雷達(dá)進(jìn)行大氣污染物的測(cè)量在國(guó)外已有50多年的歷史，我國(guó)雙差分激光雷達(dá)探測(cè)大氣污染氣體濃度也有20多年的歷史。Schotland[2]在拉曼(Raman)散射激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上用差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)量大氣中水汽含量，并得到了較可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)60年代末—70年代初，Melfi等[3-4]用倍頻Q開關(guān)紅寶石激光器的倍頻光束(波長(zhǎng)為347.2 nm，輸出能量為40 MJ)和牛頓式接收望遠(yuǎn)鏡(直徑為40 cm)觀測(cè)了大氣中水汽和氮?dú)獾睦笙蛏⑸湫盘?hào)，獲得了地面至3 km的水汽混合比垂直廓線。隨后，Cooney[5]使用倍頻Q開關(guān)紅寶石激光器和直徑75 cm的接收望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)了大氣絕對(duì)濕度的垂直分布，得到了大氣相對(duì)濕度垂直廓線。1975年Gibson等[6]首次使用Dye DIAL給出了對(duì)流層臭氧廓線；1977年Megie等[7]同樣利用Dye DIAL測(cè)量出了18～28 km的平流層臭氧廓線。利用差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量臭氧及其他痕量氣體的技術(shù)從此不斷發(fā)展起來。1979年Fredriksson等[8]采用激光對(duì)大氣污染物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。1989年Kolsch等[9]對(duì)大氣痕量氣體進(jìn)行了大量研究，包括水平方向和垂直方向的測(cè)量，研制的車載激光雷達(dá)可監(jiān)測(cè)NO和NO2氣體，但其探測(cè)高度只有幾百m。目前差分激光雷達(dá)(DIAL)可用于監(jiān)測(cè)多種大氣污染物以及痕量氣體，如SO2、NOx、O3以及氣溶膠等，并且其探測(cè)高度可達(dá)到5 km或者更高。2006年4月發(fā)射的CALIPSO衛(wèi)星[10]上搭載了正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)，是世界上首個(gè)應(yīng)用型的星載云-氣溶膠激光雷達(dá)。歐洲空間局(ESA)地球環(huán)境觀測(cè)戰(zhàn)略的Earth Explorer計(jì)劃包括GOCE、SMOS、CryoSat2等科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，還包括激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)衛(wèi)星(ADM-Aeolus)和EarthCARE(計(jì)劃2018年發(fā)射)2顆激光雷達(dá)衛(wèi)星[11-12]。

由于激光雷達(dá)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、精度高、距離長(zhǎng)、實(shí)時(shí)快速、連續(xù)以及時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，其在監(jiān)測(cè)大氣污染的時(shí)空分布以及研究大氣污染擴(kuò)散規(guī)律等方面顯示出很大的優(yōu)勢(shì)[13]。國(guó)內(nèi)在發(fā)展大氣痕量氣體垂直分布直接探測(cè)方面起步較晚，長(zhǎng)期處于空白狀態(tài)。20世紀(jì)80年代末中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研制的電化學(xué)式的IAPI型臭氧探空儀首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)0～30 km大氣O3垂直分布的直接探測(cè)[14]。2001年中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)米散射多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

目前國(guó)際上大多采用差分方法對(duì)大氣污染物進(jìn)行垂直測(cè)量。在紫外光譜范圍內(nèi)，許多微量氣體(如SO2、NO2、NO、O3等)的濃度已被差分技術(shù)成功測(cè)量出來。DIAL適合重復(fù)性測(cè)量大氣痕量氣體，已成為大范圍快速檢測(cè)大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段[8]。DIAL不僅能準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)流層大氣中的SO2、NO2、NO和O3濃度，還能測(cè)量平流層的O3濃度。DIAL是目前進(jìn)行高空大氣污染物測(cè)量最有效、快捷和精確的手段[15]。

筆者詳細(xì)介紹了中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院提出的監(jiān)測(cè)需求特別研制的第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(AML-3)，并給出了具體的應(yīng)用實(shí)例，以期為研究大氣環(huán)境質(zhì)量提供新的途徑。

1 材料與方法

AML-3在第一代和第二代車載式測(cè)污激光雷達(dá)(AML-1和AML-2)的基礎(chǔ)上[16-18]特別研制的，其包括車載測(cè)污激光雷達(dá)和地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1和圖2)。

圖1 第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the 3rd-generation mobile atmospheric environment Lidar monitoring system

圖2 第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)外部?jī)x器實(shí)景Fig.2 Inside and outside photos of the 3rd-generation mobile atmospheric environment Lidar monitoring system

AML-3主要應(yīng)用于對(duì)大氣污染物空間結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。該系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、距離分辨率高、數(shù)據(jù)可靠和靈敏度高等特點(diǎn)，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)典型地區(qū)的快速監(jiān)測(cè)功能，并可通過對(duì)激光掃描頭的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大氣污染物空間三維探測(cè)，水平掃描角度為0°～360°，垂直掃描角為0°～90°，角速度大于5°/s。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的大氣污染物包括大氣氣溶膠、SO2、NO2和O3，并能得到細(xì)顆粒物的粒徑譜分布，同時(shí)還可對(duì)常規(guī)的氣象要素進(jìn)行觀測(cè)。

1.1車載測(cè)污激光雷達(dá)

車載測(cè)污激光雷達(dá)是光學(xué)、精密機(jī)械、弱信號(hào)探測(cè)和獲取、計(jì)算機(jī)等高精技術(shù)的集成，主要由發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)四部分組成。在激光發(fā)射和接收光路上裝有掃描鏡頭，能俯仰和方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三維空間掃描。

1.1.1硬件構(gòu)成

發(fā)射系統(tǒng)是由激光光源、擴(kuò)束鏡和導(dǎo)光鏡組成，采用鐳寶SGR-10四波長(zhǎng)激光器(1064、532、355和266nm)，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)自動(dòng)切換拉曼激光光源，最大重復(fù)頻率為20Hz。激光光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直后，由導(dǎo)光鏡和掃描鏡導(dǎo)向大氣。發(fā)射系統(tǒng)除可用來改善激光的發(fā)散角以外，還用來保證發(fā)射的激光束與接收光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行或同軸。

光學(xué)接收和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括接收望遠(yuǎn)鏡、小孔光闌、光纖、輸出光準(zhǔn)直器、濾光片等光學(xué)部件和光電倍增管(PMT)、前置放大器等電子學(xué)部件。接收單元接收望遠(yuǎn)鏡在其焦平面上，設(shè)置有不同直徑的小孔光闌，起限制視場(chǎng)角的作用。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)等組成。高壓電源將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)數(shù)字(A/D轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行采集。

控制系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)、控制軟件和相應(yīng)的控制電路(調(diào)焦控制器、掃描系統(tǒng)控制器、拉曼管移動(dòng)控制器等相關(guān)部件控制系統(tǒng))組成。控制系統(tǒng)保證了掃描方向、激光發(fā)射、對(duì)光、回波信號(hào)接收、數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲(chǔ)的協(xié)調(diào)一致性。

1.1.2測(cè)污原理

1.1.2.1大氣氣溶膠

大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)主要是基于米散射原理對(duì)大氣顆粒物(后向散射系數(shù))進(jìn)行測(cè)量，采用鐳寶SGR-10四波長(zhǎng)激光器的二倍頻532nm作為探測(cè)波長(zhǎng)，脈沖能量高于80MJ，重復(fù)頻率為20Hz。激光光束經(jīng)12倍擴(kuò)束鏡后，由導(dǎo)光鏡導(dǎo)向大氣。接收望遠(yuǎn)鏡采用直徑為300mm的近牛頓型望遠(yuǎn)鏡，在其焦平面上設(shè)置1個(gè)小孔光闌，起限制光束孔徑和視場(chǎng)角的作用。由接收望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚的光束經(jīng)光纖到凸透鏡，準(zhǔn)直后再經(jīng)高精度窄帶濾光片、衰減片到達(dá)光電倍增管、前置放大器，最后由A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行采樣，累加平均和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣溶膠的監(jiān)測(cè)。

1.1.2.2污染氣體

大氣對(duì)輻射的吸收具有顯著的選擇性，DIAL的基本原理是利用待測(cè)氣體分子的吸收特性測(cè)量該氣體的濃度。車載測(cè)污激光雷達(dá)系統(tǒng)采用DIAL對(duì)大氣中SO2、NO2和O3濃度進(jìn)行測(cè)量，基于大氣中污染氣體的吸收特性，選擇波長(zhǎng)接近的2束脈沖激光，其中一束處于待測(cè)氣體吸收線上，另一束處于待測(cè)氣體吸收線的邊翼上或吸收線外，根據(jù)這2束波回波強(qiáng)度的差可以確定待測(cè)氣體分子的濃度。

SO2有3個(gè)重要吸收帶，第一吸收帶的光譜為0.34～0.40μm，帶中心為0.37μm左右，該吸收帶較弱；第二吸收帶光譜為0.24～0.33μm，帶中心為0.29μm左右，該吸收帶較強(qiáng)；第三吸收帶光譜為0.21～0.24μm，帶中心為0.22μm左右，該吸收帶非常弱。SO2的光氧化主要由第二吸收帶的輻射吸收激發(fā)，第一和第三吸收帶相對(duì)次要。胡順星等[19]根據(jù)SO2的吸收截面特性，選擇波長(zhǎng)288.38和289.04nm分別對(duì)應(yīng)SO2的弱吸收線和強(qiáng)吸收線，鐳寶SGR-10四波長(zhǎng)激光器的基頻波1064nm的光束通過四倍頻產(chǎn)生266nm的光束，分別泵浦甲烷和氘氣，產(chǎn)生拉曼頻移的一級(jí)斯托克斯線288.38和289.04nm，用于探測(cè)SO2的濃度分布。

NO2在0.25～0.70μm波段都有吸收，0.35μm波段以下和0.60μm波段以上的吸收較弱且沒有明顯的峰谷結(jié)構(gòu)，NO2吸收最強(qiáng)的波段約為0.4μm[20]。鐳寶SGR-10四波長(zhǎng)激光器的基頻波1064nm經(jīng)過三倍頻產(chǎn)生355nm的光束，分別泵浦甲烷和氘氣，產(chǎn)生拉曼頻移的一級(jí)斯托克斯線395.60nm(強(qiáng)吸收線)和396.82nm(弱吸收線)，用于探測(cè)NO2的濃度分布。

O3最強(qiáng)的吸收在紫外區(qū)哈特萊(Hartley)帶，波長(zhǎng)為0.22～0.30μm，較弱的吸收位于哈金斯(Huggins)帶，波長(zhǎng)為0.32～0.36μm。鐳寶SGR-10四波長(zhǎng)激光器的基頻波1064μm的光束通過四倍頻產(chǎn)生266nm的光束，分別泵浦氫氣和甲烷，產(chǎn)生拉曼頻移的一級(jí)斯托克斯線299.05nm(弱吸收線)和288.38nm(強(qiáng)吸收線)，用于探測(cè)O3的濃度分布。

圖3歸納了車載測(cè)污激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試不同污染物時(shí)使用的波長(zhǎng)。表1給出了車載測(cè)污激光雷達(dá)的性能及其應(yīng)用。從表1可以看出，車載測(cè)污激光雷達(dá)對(duì)不同污染物的監(jiān)測(cè)性能不同。從最小探測(cè)濃度來看，O3的探測(cè)精度最高，達(dá)6×10-9，而NO2的探測(cè)精度相對(duì)較低，只有25×10-9；從最小探測(cè)濃度的空間分辨率來看，氣溶膠的最高，達(dá)15m，其次是SO2和O3，均為500m，NO2最小，僅有1000m，提高激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)的空間分辨率是目前急需解決的科研問題；從最大探測(cè)距離來看，氣體成分一般為2～4km,氣溶膠為3～5km，但在實(shí)際觀測(cè)中由于有云和顆粒物的影響，特別是在陰天和重污染天氣過程時(shí)，最大可探測(cè)距離往往低于理論值。

圖3 車載測(cè)污激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試原理Fig.3 The principle of pollutants monitoring of the 3rd-generation mobile Lidar system

表1 車載測(cè)污激光雷達(dá)性能及其應(yīng)用

注：氣溶膠為最小探測(cè)高度。

1.2雙角度光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(DA-OPC)

雙角度光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器是測(cè)量大氣氣溶膠譜分布的重要儀器，利用粒子的光散射特性來測(cè)量大氣顆粒物的密度譜和濃度[21-23]。同時(shí)利用折射率對(duì)2個(gè)角度的敏感性差異來反演大氣氣溶膠的折射率。其在氣象、環(huán)境保護(hù)、超凈工業(yè)、大氣光學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。DLJ-292多道光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器是由中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所為AML-3系統(tǒng)特別開發(fā)研制的。

雙角度光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成60°和90°雙散射光路(圖4)，由光電測(cè)量箱和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)2個(gè)部分組成，既可以測(cè)量氣溶膠譜分布，又可以反演氣溶膠折射率。光電測(cè)量箱包括光源、聚光系統(tǒng)、光學(xué)散射腔、光電倍增管等。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，兼做控制和數(shù)據(jù)處理用。工控機(jī)總線槽中配有1塊高性能的16bitPCIA/D轉(zhuǎn)換板，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值量供工控機(jī)處理，流量為300mL/min，最小測(cè)量粒徑為0.2μm，測(cè)量范圍為0.3～12.0μm，并將該范圍的顆粒物分成17通道(表2)，濃度測(cè)量最高可達(dá)1000個(gè)/mL。儀器采用光發(fā)二極管作為光源，光源可使用2萬h以上。雙角度光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器采用智能控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差小于15%。

圖4 雙角度光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)原理Fig.4 Optical principle of double-angle optical particle counter

通道粒徑通道粒徑通道粒徑10.371.2135.020.481.5146.030.592.0158.040.6102.51610.050.8113.01712.061.0124.0

1.3大氣污染物成分分析系統(tǒng)

地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大氣污染物成分分析系統(tǒng)由澳大利亞Ecotech公司研制生產(chǎn)的O3分析儀(ML/EC9810)、SO2分析儀(ML/EC9850)和NOx分析儀(ML/EC9841)組成。

ML/EC9810O3分析儀為一臺(tái)紫外光度計(jì)，其檢測(cè)原理為紫外吸收法，測(cè)量時(shí)使用單個(gè)玻璃測(cè)量池體，并利用比爾-朗伯定律計(jì)算出O3濃度。測(cè)量精度為1.0×10-9。

ML/EC9850SO2分析儀為一臺(tái)紫外熒光光譜儀，可連續(xù)測(cè)定周圍空氣中的低濃度SO2。測(cè)量原理為分子發(fā)射光譜法，單位可以是10-6、10-9、μg/m3或mg/m3。測(cè)量精度為0.4×10-9。

ML/EC9841NOx分析儀采用氣相化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法，可實(shí)現(xiàn)NO、NO2及NOx的連續(xù)分析。測(cè)量精度為0.4×10-9。

3種大氣污染物成分分析儀的主要參數(shù)見表3。從表3可以看出，地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以得到連續(xù)、準(zhǔn)確的主要污染物濃度。

表3 大氣污染物成分分析儀主要參數(shù)

1.4超聲波微型氣象站

EMM-03型環(huán)境監(jiān)測(cè)氣象儀主要監(jiān)測(cè)風(fēng)向(WD)、風(fēng)速(WS)、空氣溫度(T)、相對(duì)濕度(RH)和大氣壓(P)等5個(gè)參數(shù)。測(cè)量原理是通過電容式傳感器元件測(cè)量相對(duì)濕度、溫度、大氣壓，通過超聲波風(fēng)傳感器測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。其特點(diǎn)是精度高，堅(jiān)固耐用，易與控制系統(tǒng)、遙控部件、數(shù)據(jù)記錄儀和顯示器相連接，可用于全天候環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)。氣象儀安裝于車上，通過氣動(dòng)升降使用，數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)中。表4列出了EMM-03型環(huán)境監(jiān)測(cè)氣象儀的主要技術(shù)參數(shù)。

圖5 2011年2月1—3日AML-3系統(tǒng)中地面觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的主要大氣污染物濃度Fig.5 The concentration of major air pollutants measured by ground observation system in AML-3 system in 2011-02-01—2011-02-03

2 AML-3在大氣環(huán)境研究中的應(yīng)用

2010—2011年，在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院(40.04°N，116.41°E)開展了利用AML-3系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)期間涵蓋了陰天低風(fēng)速、晴天大風(fēng)、晴天低風(fēng)速、重污染等幾種天氣過程。

2.1污染物地面監(jiān)測(cè)

圖5給出了2011年2月1—3日利用AML-3中地面觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的主要大氣污染物濃度。

從圖5可以看出，O3和NOx的濃度分布呈負(fù)相關(guān)，該特征反映出二者之間的化學(xué)轉(zhuǎn)化。NOx濃度在午夜時(shí)分出現(xiàn)峰值，但其小時(shí)濃度并沒有出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。O3濃度的高值均出現(xiàn)在午后13:00—15:00。

2.2大氣顆粒物垂直分布

圖6給出了AML-3在不同天氣狀況下對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)的后向散射系數(shù)垂直分布。

圖6 大氣顆粒物后向散射系數(shù)垂直分布Fig.6 Vertical distribution of aerosol backscattering coefficient

從圖6可以看出，在垂直方向上大氣顆粒物后向散射系數(shù)先增大后減小，在1.0～1.5km處出現(xiàn)峰值；在3km處出現(xiàn)較小的峰值。表明在這2個(gè)高度存在相對(duì)較厚的氣溶膠層，這一結(jié)論與陳敏等[24]的試驗(yàn)結(jié)果一致。后向散射系數(shù)的最大峰值出現(xiàn)在2010年12月19日，最小峰值出現(xiàn)在2011年3月7日。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2010年12月19日是輕度污染天氣，在8個(gè)監(jiān)測(cè)樣本中該日的大氣顆粒物后向散射系數(shù)最大，說明其氣溶膠濃度最大，屬于污染相對(duì)嚴(yán)重的一天。2011年3月7日空氣質(zhì)量良好，這可能與2011年3月7日之前北京發(fā)生降水，對(duì)大氣中的顆粒物起到了沖刷雨洗的清潔作用有關(guān)。

2.3大氣顆粒物剖面分布

圖7 晴天低風(fēng)速條件下大氣顆粒物后向散射系數(shù)空間分布Fig.7 Spatial distribution of aerosol backscattering coefficient under clear sky and low wind speeds

對(duì)空間大氣顆粒物分布狀況主要進(jìn)行了剖面測(cè)量，由于周圍建筑物和樹木的遮擋無法進(jìn)行水平0°角的測(cè)量，因此在進(jìn)行剖面測(cè)量時(shí)其角度為10°～90°。試驗(yàn)期間的天氣狀況與天氣污染特征基本一致，大氣顆粒物空間測(cè)量采用的機(jī)制、原理和技術(shù)等都較成熟，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性、穩(wěn)定性也較強(qiáng)。圖7給出了試驗(yàn)期間8個(gè)晴天低風(fēng)速情況下大氣顆粒物后向散射系數(shù)空間分布，其測(cè)量風(fēng)速為1～2m/s。從圖7可以看出，在晴天低風(fēng)速情況下，AML-3所能探測(cè)的垂直距離約為2.2km，大氣顆粒物后向散射系數(shù)在垂直方向上分層明顯，但是分層高度不完全統(tǒng)一，這主要是受大氣穩(wěn)定度以及地表類型的影響較大，如2011年2月15日、3月4日和3月11日的氣溶膠抬升高度較其余幾天要高得多。大氣顆粒物集中分布在近地面，并且后向散射系數(shù)不大于0.01，對(duì)應(yīng)的最小能見度約為8km。2010年12月21日較其他數(shù)據(jù)特殊，最大后向散射系數(shù)大于0.01，主要是受冬季短時(shí)揚(yáng)塵的影響。

2.4不同天氣情況下顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度的關(guān)系

圖8給出了不同天氣情況下大氣顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度的關(guān)系。2012年3月21日相對(duì)濕度較高，當(dāng)天有霧。從圖8(a)可以看出，該日大氣顆粒物數(shù)濃度較高，相對(duì)濕度的日變化呈單峰型，午夜(00:00)—早晨(07:00)相對(duì)濕度較高，并隨時(shí)間逐步增加，在07：00達(dá)到最高值，接近飽和；隨后開始下降，最低值出現(xiàn)在下午(15:00)，相對(duì)濕度為50%左右，之后開始增加。當(dāng)天顆粒物數(shù)濃度較高，并呈持續(xù)增加的趨勢(shì)〔圖8(a)〕。在相對(duì)濕度較高的情況下，大氣顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈明顯的負(fù)相關(guān)〔圖8(b)〕。2012年3月24日天氣晴好，相對(duì)濕度較小，顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度的演變基本一致〔圖8(c)〕，呈正相關(guān)〔圖8(d)〕。

注：圖(b)樣本數(shù)為24，相關(guān)系數(shù)為-0.76；圖(d)樣本數(shù)為18，相關(guān)系數(shù)為0.77。圖8 顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.8 Relationship between particle number concentration and relative humidity

3 結(jié)論

(1)第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開展大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析中可實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物消光系數(shù)垂直與斜程分布的監(jiān)測(cè)，O3、SO2和NO2濃度垂直與斜程分布監(jiān)測(cè)，顆粒物粒徑譜分布(0.3～12.0mm，分為17通道)監(jiān)測(cè)，地面O3、SO2和NO2濃度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，地面溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速及風(fēng)向等要素的監(jiān)測(cè)，完成移動(dòng)便捷的綜合監(jiān)測(cè)。

(2)大氣顆粒物的垂直分布特征為隨高度的增加，其后向散射系數(shù)先增加后減小，在3km左右的高度有小幅增加。在近地面有大氣顆粒物后向散射系數(shù)的極大值區(qū)，說明該區(qū)域存在氣溶膠的堆積。大氣顆粒物空間分布具有很大的不均勻性，呈明顯的下低上高，近地面有明顯的氣溶膠層，并且晴天大風(fēng)天氣條件下氣溶膠層較晴天低風(fēng)速天氣條件下有明顯抬升。

(3)在不同的天氣條件下，相對(duì)濕度和顆粒物數(shù)濃度的相關(guān)關(guān)系不同。在相對(duì)濕度較高的情況下，顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)；在相對(duì)濕度較小的情況下，顆粒物數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。

在實(shí)際觀測(cè)和分析過程中，考慮到儀器設(shè)備的局限以及觀測(cè)時(shí)間和地點(diǎn)的限制，還有許多問題有待在今后的研究中加強(qiáng)，特別是由于缺少相對(duì)應(yīng)的大氣穩(wěn)定度、空氣濕度等因子的觀測(cè)資料，目前只能直觀分析污染物的分布特征，需加強(qiáng)大氣邊界層，如逆溫、風(fēng)廓線、濕度廓線、高空風(fēng)場(chǎng)等的分析，才能發(fā)揮激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，更準(zhǔn)確地揭示高空大氣污染物的空間分布。

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Thethird-generationmovableatmosphericenvironmentLidarmonitoringsystem(AML-3)anditsapplication

GU Yu1,5, ZHENG Youfei1, GAO Qingxian2, ZHANG Yanyan3, LIU Ting4, MA Zhanyun2

1.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Heibei Langfang Meteorological Bureau, Langfang 065000, China 4.College of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China 5.Inner Mongolia Environmental Monitoring Station, Hohhot 010011, China

The key instruments and its equipment of the third generation movable atmospheric environment Lidar monitoring system (AML-3) were introduced, and the advantages of this system in monitoring the particles and gaseous pollutants described. The experiments focusing on the atmospheric environment issues and meteorological elements were carried out in Chinese Research Academy of Environmental Sciences (40.04°N,116.41°E). The results show that compared with the normal monitoring systems, the AML-3 has obvious advantages in integrated and movable observation of near-surface, vertical and slanting route profile distribution of normal pollutants concentrations and particle extinction coefficients, as well as the surface meteorological elements, such as temperature, relevant humidity, wind speed, wind direction and atmospheric pressure. The aerosol backscattering coefficients reach its highest value near the surface and gradually decrease with the altitude increase at the experimental site in Beijing; the aerosol concentration layer during the clear sky with strong winds is obviously higher than that during the clear sky with week winds. At the experimental place, when the relative humidity is low, the number concentration of particles has negative correlation relationship with relative humidity; meanwhile, when the relative humidity is higher, the number concentration of particles in atmosphere has positive correlation relationship with relative humidity.

moveable system; atmospheric environment; Lidar system; monitoring system; vertical profile; extinction coefficients

谷雨，鄭有飛，高慶先,等.第三代移動(dòng)式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(6):651-660.

GU Y, ZHENG Y F, GAO Q X, et al.The third-generation movable atmospheric environment Lidar monitoring system (AML-3) and its application[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):651-660.

2017-03-06

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8161004)；國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(20150904，20150940)；南京信息工程大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(KHK1307)

谷雨(1972—)，女，博士，主要研究方向?yàn)樯硥m暴監(jiān)測(cè)及防治，guyu123456@126.com

*責(zé)任作者：高慶先(1962—)，男，研究員，博士，長(zhǎng)期從事氣候變化和大氣環(huán)境研究，gaoqx@craes.org.cn

X851

1674-991X(2017)06-0651-10

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.90