樊文智,秦 凱,韓 旭,鄒家恒,李一蜚

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基于移動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)的徐州市區(qū)氣溶膠分布特征

樊文智,秦 凱*,韓 旭,鄒家恒,李一蜚

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

將微脈沖激光雷達(dá)與GPS等儀器集成在車輛上組成移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),以徐州市為研究區(qū)域,開展大氣環(huán)境立體走航式觀測(cè)獲取了2015年1月11日(重度污染)、12日(空氣質(zhì)量良好)、17日(輕度污染)3d的市區(qū)不同路線的1.5km以下的氣溶膠消光廓線信號(hào).結(jié)果表明,空氣質(zhì)量良好和輕度污染情況時(shí),徐州市近地面氣溶膠消光系數(shù)相對(duì)高值點(diǎn)主要位于商業(yè)區(qū)域和工業(yè)區(qū)域.商業(yè)區(qū)域的污染物主要來自車輛尾氣的排放,車流量的大小決定了消光系數(shù)值的高低;工業(yè)區(qū)域的污染物主要來自火電廠的排放,占比達(dá)到70%以上.重度污染天氣情況下,近地面氣溶膠消光系數(shù)主要受污染過程的時(shí)間演變控制.氣溶膠的垂直分布與邊界層的演變密切相關(guān),下午的邊界層高度比上午普遍要高,晴朗且空氣質(zhì)量良好的情況下,邊界層最高,達(dá)到1km以上.氣溶膠消光系數(shù)高值基本出現(xiàn)在250m以下的近地面.工業(yè)區(qū)域火電廠排放的煙塵主要出現(xiàn)在1km左右.使用不同的儀器測(cè)量得到的氣溶膠光學(xué)厚度趨勢(shì)大致相同,激光雷達(dá)反演的氣溶膠光學(xué)厚度波動(dòng)最大.微脈沖激光雷達(dá)與GPS等儀器組成的移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)能夠有效地探測(cè)城市小范圍的氣溶膠時(shí)空分布,而且便捷有效,具有靈活機(jī)動(dòng)性和推廣應(yīng)用價(jià)值.

微脈沖激光雷達(dá)(MPL)；主動(dòng)遙感；氣溶膠；時(shí)空分布；徐州

現(xiàn)有的大氣氣溶膠觀測(cè)主要依靠有限的固定地面站點(diǎn)和衛(wèi)星遙感圖像,缺乏對(duì)氣溶膠分布的移動(dòng)立體觀測(cè),對(duì)于城市近地面小范圍污染的形成、來源等研究分析,無法提供強(qiáng)有效的觀測(cè)數(shù)據(jù).激光雷達(dá)作為主動(dòng)遙感探測(cè)氣溶膠垂直分布和時(shí)空演變特征的重要手段,已經(jīng)被廣泛使用.早在1976年,我國(guó)研究人員就開始利用激光雷達(dá)來探測(cè)大氣環(huán)境[1].隨著技術(shù)的成熟,越來越多的研究相繼展開[2-3],并和衛(wèi)星數(shù)據(jù)相結(jié)合[4].激光雷達(dá)是根據(jù)大氣對(duì)激光的散射、吸收等物理原理,通過分析激光束在大氣傳輸過程中與大氣相互作用的回波信號(hào),獲得大氣環(huán)境的信息.由于激光具有單色性、方向性強(qiáng)、亮度高、脈寬窄等特點(diǎn),使得激光雷達(dá)可以對(duì)幾公里以至幾十公里大范圍大氣環(huán)境進(jìn)行高時(shí)空分辨能力的實(shí)時(shí)觀測(cè),成為研究大氣邊界層[7-8]、氣溶膠[9-14](飄塵)、云結(jié)構(gòu)[15]、大氣成分[16-17]、風(fēng)場(chǎng)[18]、溫度廓線[19]等大氣特性的新一代高技術(shù)手段.在大氣觀測(cè)領(lǐng)域,一般需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè),這與傳統(tǒng)的雷達(dá)應(yīng)用有很大的區(qū)別,1992年NASA的Goddard空間飛行中心(GSFC)研制開發(fā)了微脈沖激光雷達(dá)(Micro Pulse Lidar, MPL),克服了傳統(tǒng)雷達(dá)使用持續(xù)時(shí)間較短的缺點(diǎn)[20].

將傳感器搭載在移動(dòng)平臺(tái)上,可用于探測(cè)復(fù)雜城市環(huán)境下的小范圍氣溶膠時(shí)空分布特征. Westerdahl等[21]利用多種大氣觀測(cè)儀器組成移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái),探究了美國(guó)洛杉磯高速公路、主干道、住宅街道污染物濃度,發(fā)現(xiàn)超細(xì)顆粒物(UFP)和NO、黑炭(BC)之間有很好的相關(guān)性,高速公路的UFP、NO、BC和CO濃度高于住宅街道.Hu等[22]利用移動(dòng)平臺(tái)觀測(cè)了洛杉磯住宅區(qū)域的UFP、NO、BC濃度,發(fā)現(xiàn)污染物主要來自于周邊高速公路的車流. Elen等[23]用自行車作為載體,用黑碳儀、UFP、GPS等組成的移動(dòng)平臺(tái)繪制了比利時(shí)安特衛(wèi)普不同街道空氣質(zhì)量地圖,證明移動(dòng)平臺(tái)是繪制空氣質(zhì)量地圖的有效工具.白楊等[24]、胡明玉等[25]使用便攜式黑炭?jī)x和GPS接收機(jī)同時(shí)搭載到汽車平臺(tái)上組成移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),分別測(cè)量了徐州、石家莊市區(qū)主干道路的黑炭濃度,結(jié)果表明黑炭濃度與交通密度和街道特點(diǎn)直接相關(guān).

目前國(guó)內(nèi)還鮮有用激光雷達(dá)組成移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)開展大氣氣溶膠三維時(shí)空分布的精細(xì)遙感制圖分析.本實(shí)驗(yàn)利用激光雷達(dá)分析揭示徐州市不同空氣質(zhì)量條件下的氣溶膠分布特征,為國(guó)內(nèi)其他城市氣溶膠研究及大氣污染控制提供參考.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與觀測(cè)方案

徐州市位于江蘇省北部(116°22′E~118°40′E、33°43′N~34°58′N),是淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市,年產(chǎn)原煤1885.17萬t,發(fā)電量達(dá)497.22億kW·h[26].徐州屬溫帶季風(fēng)氣候,周邊有兗州、棗莊、大屯、皖北、淮北等大型煤炭或煤電基地,以及大量橡膠輪胎、機(jī)械制造、紡織化工等企業(yè),燃煤煙氣與燃油廢氣排放量大,空氣污染成分復(fù)雜,常年能見度低[27],冬季灰霾時(shí)段大氣中細(xì)顆粒物為主控粒子[28].

本文利用微脈沖激光雷達(dá)和GPS接收機(jī)組成移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),于2015年1月11日(重度污染),1月12日(空氣質(zhì)量良好),1月17日(輕度污染)3種不同空氣質(zhì)量天氣,沿徐州市區(qū)主干道路進(jìn)行了氣溶膠垂直廓線移動(dòng)觀測(cè).微脈沖激光雷達(dá)型號(hào)為SigmaSpace公司生產(chǎn)的miniMPL型,觀測(cè)波段為532nm,時(shí)間分辨率設(shè)置為30s;GPS接收機(jī)型號(hào)為中海達(dá)Hi-Q7型,單點(diǎn)定位精度為m;車輛以50km/h左右的時(shí)速近似勻速行駛.同時(shí),在徐州市云龍湖南邊的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院樓頂(34.217°N,117.142°E)的大氣觀測(cè)站,安裝有CE-318全自動(dòng)太陽光度計(jì)等大氣觀測(cè)儀器開展固定觀測(cè).為了對(duì)比,使用MICROTOPS Ⅱ手持式太陽光度計(jì),在華美電廠附近開展人工測(cè)量.

圖1 觀測(cè)區(qū)域

表1 觀測(cè)時(shí)間、天氣情況及路線

本次觀測(cè)時(shí)間約為上午9:30~11:30,下午15:00~ 17:30(表1).觀測(cè)區(qū)域如圖1所示,主要分為3個(gè)典型區(qū)域:云龍湖及其附近區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)區(qū)域,云龍湖是國(guó)家5A級(jí)生態(tài)景區(qū),車流稀少、樹木眾多;云龍湖以北至北二環(huán)路為商業(yè)區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)高樓大廈林立,分布著眾多商場(chǎng),車流量大,交通時(shí)常出現(xiàn)擁堵;北二環(huán)路以北為工業(yè)區(qū)域,此區(qū)域工廠眾多,尤其是火電廠,有華美電廠、華潤(rùn)電廠、茅村電廠3個(gè)較大的火電廠,車流量大,且以運(yùn)煤的大型貨車居多.對(duì)應(yīng)的天氣情況如表1所示.

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了得到氣溶膠的消光系數(shù),需要求解雷達(dá)方程.相應(yīng)的雷達(dá)參數(shù)需要在處理前進(jìn)行修正[29].修正后的雷達(dá)方程如下:

式中:()為激光雷達(dá)在高度處返回的回波信號(hào),為激光雷達(dá)輸出的信號(hào)強(qiáng)度,為雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),和分別為總的大氣散射系數(shù)和消光系數(shù).因?yàn)樯⑸湎禂?shù)和消光系數(shù)都為未知數(shù),所以需要采用一定的反演方法.本文使用Fernald[30]方法.Fernald方法考慮了氣溶膠和空氣分子:

式中:a是氣溶膠消光后向散射比,也就是激光雷達(dá)比,一般為20~70,根據(jù)本文研究區(qū)域和時(shí)間,選擇60[31];m是空氣分子消光后向散射比,為8p/3.

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)值越大,表明大氣污染越嚴(yán)重.計(jì)算公式如下:

PM2.5數(shù)據(jù)來自江蘇省城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)(http://218.94.78.75:20001/sjzx/airquality. html),取徐州市鼓樓區(qū)政府站點(diǎn),此站點(diǎn)鄰近中山路.

2 結(jié)果與討論

2.1 近地面氣溶膠消光系數(shù)時(shí)空分布特征

由于激光雷達(dá)存在探測(cè)盲區(qū),本實(shí)驗(yàn)采用的miniMPL盲區(qū)約為150m,所以取近地面150m處的消光系數(shù)值,將其與同時(shí)刻的GPS坐標(biāo)對(duì)應(yīng),得到徐州市主干道近地面消光系數(shù)時(shí)空分布(圖2).

由圖2可知,大多數(shù)消光系數(shù)相對(duì)高值點(diǎn)分布在商業(yè)區(qū)域和工業(yè)區(qū)域,生態(tài)區(qū)域是大多數(shù)消光系數(shù)相對(duì)低值點(diǎn)的所在地.11日為重度污染,PM2.5高達(dá)200μg/m3以上(圖3),消光系數(shù)值范圍為1~3.5km-1;12日空氣質(zhì)量良好,消光系數(shù)值范圍為0.33~0.9km-1;17日輕度污染,消光系數(shù)值范圍為0.35~1.2km-1.

工業(yè)區(qū)域的高值點(diǎn)最多,這和工業(yè)區(qū)域工廠眾多,污染物排放量大有關(guān).以12日和17日為例,空氣質(zhì)量分別為良好和輕度污染.統(tǒng)計(jì)三大火電廠3km范圍[33]內(nèi)的高值點(diǎn)個(gè)數(shù)占工業(yè)區(qū)域高值點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例.12日上午,工業(yè)區(qū)域的高值點(diǎn)有4個(gè),全部集中在華美電廠附近(圖2c),占比達(dá)到100%;12日下午由于火電廠煙囪排放不明顯,所以不予考慮;17日上午和下午的占比分別達(dá)到73.4%和76.5%.由此可知,火電廠的排放是工業(yè)區(qū)域主要的污染來源,排放與否是影響消光系數(shù)值的關(guān)鍵因素,高值點(diǎn)聚集在三大火電廠周圍:華美電廠(圖2a、圖2b、圖2c)、華潤(rùn)電廠(圖2a、圖2e、圖2f)、茅村電廠(圖2e、圖2f).

除了火電廠的排放,工業(yè)區(qū)域的另一個(gè)污染源是運(yùn)煤車輛本身的尾氣排放和行駛在路上的揚(yáng)塵以及車輛運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的煤灰,由圖2a、圖2d、圖2e、圖2f可知,在工業(yè)區(qū)域的道路上分布著零星的高值點(diǎn),此時(shí)觀測(cè)車輛附近有大量的運(yùn)煤車輛.

商業(yè)區(qū)域的高值點(diǎn)較多,主要由汽車尾氣的排放造成.在奔騰大道與中山路的交匯點(diǎn)附近,出現(xiàn)了高值點(diǎn)的聚集情況(圖2a、圖2b、圖2c、圖2d),此處為交通要道,車流量大,容易出現(xiàn)擁堵狀況.17日在商業(yè)區(qū)域沒有明顯的高值點(diǎn)(圖2e、圖2f),一是因?yàn)檫@一天氣象條件較好,車流尾氣很快消散;二是因?yàn)橄挛缟虡I(yè)區(qū)域的路線選擇了中山路右邊的道路,車輛較少.

值得注意的是,12日下午(圖2d),在奔騰大道與中山路的交匯點(diǎn)上方右側(cè)出現(xiàn)了較多的高值點(diǎn),此處是徐州市的北二環(huán)路,觀測(cè)期間,車流量非常大,且出現(xiàn)了一定程度的擁堵,所以造成了這種現(xiàn)象.

生態(tài)區(qū)域的消光系數(shù)值最小,這是因?yàn)樯鷳B(tài)區(qū)域沒有明顯的排放源,且樹木眾多,大多數(shù)時(shí)間車輛稀少.如圖2a、圖2c、圖2e、圖2f所示,對(duì)比相對(duì)應(yīng)的工業(yè)區(qū)域和商業(yè)區(qū)域,生態(tài)區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)高值點(diǎn).

11日下午(圖2b)生態(tài)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的消光系數(shù)高值,這主要與當(dāng)天的重度污染過程有關(guān).由圖3可知,13:00點(diǎn)以后PM2.5濃度持續(xù)升高,達(dá)250μg/m3以上.當(dāng)天是星期日,云龍湖附近游客眾多,車流量大,這可能是次要原因;12日下午(圖2d)生態(tài)區(qū)域的消光系數(shù)值較高,這應(yīng)該與觀測(cè)時(shí)段車流量大,交通擁堵,車輛排放尾氣有關(guān).

圖3 觀測(cè)時(shí)段的PM2.5質(zhì)量濃度變化

綜上所述,在空氣質(zhì)量良好和輕度污染情況下,徐州市近地面氣溶膠消光高值點(diǎn)主要位于商業(yè)區(qū)域和工業(yè)區(qū)域,商業(yè)區(qū)域的污染物主要來自車輛尾氣的排放,車流量的大小決定了消光系數(shù)值的大小,總體值小于工業(yè)區(qū)域;工業(yè)區(qū)域70%以上的高值點(diǎn)位于火電廠附近.此外,運(yùn)煤車輛在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的煤灰和道路揚(yáng)塵也是重要的污染源;重度污染天氣情況下,近地面氣溶膠消光系數(shù)主要受污染過程的時(shí)間演變控制.

2.2 氣溶膠消光系數(shù)垂直分布特征

氣溶膠的垂直分布特征是研究其輻射強(qiáng)迫和氣候環(huán)境影響的關(guān)鍵不確定因素[34-37].本文利用反演得到的氣溶膠消光系數(shù),繪制0.15~1.5km的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布 (圖4).

圖4 11日上午(a)、下午(b),12日上午(c)、下午(d),17日上午(e)、下午(f)的激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)垂直分布

分析圖4可知:11日氣溶膠消光系數(shù)值最大,在1.5km-1以上;17日較小,在0.5~1.5km-1之間;12日最小,在1km-1以下,這是因?yàn)橄鄬?duì)應(yīng)的日期的空氣質(zhì)量為重度污染、輕度污染和良好.消光系數(shù)相對(duì)高值主要分布在250m以下,這說明徐州市主干道的污染物主要集中在近地面.一般情況下,大氣邊界層反映在雷達(dá)信號(hào)上,就是回波信號(hào)的快速衰減[38].因此,圖4中的綠色(氣溶膠)和藍(lán)色背景的交界處就是大氣邊界層,根據(jù)目視解譯,對(duì)比上午、下午可知[39-41],上午邊界層較低,污染物更容易聚集,下午由于氣溫升高,邊界層抬升,污染物擴(kuò)散.

分析圖4a和圖4b可知,11日:10:43以前,氣溶膠集中在250m以下,在10:43分出現(xiàn)明顯的高值點(diǎn),此時(shí)觀測(cè)車輛行駛在奔騰大道與中山路的交匯點(diǎn)附近,車流的匯聚導(dǎo)致了消光系數(shù)值增大;10:43以后,觀測(cè)車輛進(jìn)入工業(yè)區(qū)域,氣溶膠在500m以下都有分布,一方面與邊界層的抬升有關(guān),另外也與工業(yè)區(qū)域污染物排放量大有關(guān);下午,隨著邊界層的抬升氣溶膠的垂直分布范圍繼續(xù)擴(kuò)大至800m.250m以下的近地面氣溶膠消光系數(shù)達(dá)2~3.5km-1,這與11日下午重度污染過程中地面PM2.5濃度持續(xù)升高有關(guān).

分析圖4c和圖4d可知,12日:上午氣溶膠集中在250m以下,消光系數(shù)值在1km-1以下,在10:09附近出現(xiàn)消光系數(shù)高值點(diǎn)聚集,此時(shí)觀測(cè)車輛行駛在奔騰大道與中山路的交匯點(diǎn)附近,是由于車輛排放的尾氣造成.另一個(gè)高值聚集點(diǎn)在10:39附近,此時(shí)觀測(cè)車輛行駛在華美電廠附近;下午,氣溶膠開始擴(kuò)散,生態(tài)區(qū)域和商業(yè)區(qū)域250~700m的高空出現(xiàn)了消光系數(shù)值為0.5km-1左右的氣溶膠,可能是這兩個(gè)區(qū)域的車流量大,排放尾氣擴(kuò)散到高空; 16:50~17:36期間,從圖4d可以看到,在550~700m高度有一層氣溶膠.此時(shí)觀測(cè)車輛正從北二環(huán)路駛向在華美電廠,北二環(huán)路出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象,行駛路段運(yùn)煤車輛較多,不時(shí)激起路面揚(yáng)塵,同時(shí)運(yùn)煤車輛在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生煤灰,這些污染物經(jīng)過擴(kuò)散到達(dá)高空,造成了高空氣溶膠層;下午近地面有兩個(gè)高值聚集點(diǎn):16:21和16:50左右,此時(shí)車輛分別行駛在奔騰大道與中山路交匯點(diǎn)和北二環(huán)路,具體原因不再贅述.

分析圖4e和圖4f可知,17日:上午邊界層維持在600m左右,生態(tài)區(qū)域和商業(yè)區(qū)域的氣溶膠在400m以下分布,無明顯高值.工業(yè)區(qū)域由于火電廠的排放,污染物更多,氣溶膠在700m以下都有分布,消光系數(shù)值在0.5km-1以上.高值依然在250m以下,10:35附近有高值點(diǎn)聚集,此時(shí)車輛行駛在華潤(rùn)電廠附近;下午由于太陽輻射加強(qiáng),氣溶膠進(jìn)一步擴(kuò)散,在1.15km以下均有分布,相比上午,近地面氣溶膠濃度減小,消光系數(shù)值在0.5km-1以下;16:06以后,觀測(cè)車輛進(jìn)入工業(yè)區(qū)域,高空中出現(xiàn)了分散的氣溶膠.16:26左右,400m~1000m的高空觀測(cè)到氣溶膠,此時(shí)觀測(cè)車輛行駛在茅村電廠附近,推測(cè)這些氣溶膠為電廠排放的煙塵.在16:46~16:56期間,1km的高空出現(xiàn)了一層羽狀的氣溶膠,此時(shí)觀測(cè)車輛經(jīng)過一家較小的火電廠附近——垞城電廠,推測(cè)此羽狀氣溶膠是火電廠煙囪排出的煙塵擴(kuò)散至高空.

綜上所述,氣溶膠的垂直分布與邊界層的演變密切相關(guān),下午的邊界層高度比上午普遍要高.氣溶膠高值基本出現(xiàn)在250m以下的近地面,12日下午,在商業(yè)區(qū)域和工業(yè)區(qū)域500~700m高空出現(xiàn)的氣溶膠層可能是來自地面揚(yáng)塵和車輛排放尾氣的垂直擴(kuò)散.工業(yè)區(qū)域火電廠排放的煙塵主要出現(xiàn)在1km左右.

2.3 氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)比

利用MPL反演的AOD是由0.15~1.5km垂直方向上的大氣消光系數(shù)積分得到,CE-318全自動(dòng)太陽光度計(jì)和MICROTOPS Ⅱ手持式太陽光度計(jì)測(cè)量范圍為地面到大氣層頂.

MICROTOPS Ⅱ手持式太陽光度計(jì)的有效觀測(cè)時(shí)段為11日上午和17日全天.CE-318全自動(dòng)太陽光度計(jì)的有效觀測(cè)時(shí)段為11日、17日全天.

分析圖5可知,使用不同的儀器測(cè)量得到的AOD趨勢(shì)大致相同,MPL反演的AOD和CE-318測(cè)量的AOD直接相關(guān)性系數(shù)2達(dá)到0.860(圖6),說明MPL反演的AOD的數(shù)據(jù)的有效性.三者之間數(shù)值差距較大,MICROTOP Ⅱ手持太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD最大,這是因?yàn)闇y(cè)量位置處于華美電廠附近,附近污染物濃度較高;CE-318由于天氣的原因,在多云和陰天情況下,太陽輻射量較小,數(shù)據(jù)量稀少,只做參考之用;MPL反演得到的AOD最小,這和計(jì)算的垂直范圍較小(0.15~1.5km)有關(guān).

11日為重度污染,AOD較大.上午AOD呈上升趨勢(shì),MPL反演和手持太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD數(shù)值范圍分別為0.15~0.75、0.9~1.5;下午AOD也呈上升趨勢(shì),MPL反演的AOD數(shù)值范圍為0.6~1.05.全天AOD呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且變化較大,這和PM2.5濃度持續(xù)升高有關(guān).雖然MPL反演的AOD整體比CE-318的小,但是變化趨勢(shì)基本一致.

圖6 MPL和CE-318得到的AOD數(shù)據(jù)相關(guān)性

17日為輕度污染,AOD比11日小.上午,MPL反演和手持太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD數(shù)值范圍分別為0.1~0.4、0.4~0.55,MPL反演的AOD呈上升趨勢(shì),這和觀測(cè)路線有關(guān);下午,MPL反演和手持太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD數(shù)值范圍分別為0.2~0.35、0.45~0.55,17點(diǎn)以前,MPL反演的AOD呈上升趨勢(shì),17點(diǎn)以后,略有下降,這是因?yàn)榇藭r(shí)觀測(cè)車輛開始遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)域.

MPL反演的AOD較其它2種波動(dòng)最大,因?yàn)橛^測(cè)車輛時(shí)刻在移動(dòng),周圍的環(huán)境不斷發(fā)生變化.如圖5b所示,從10:25開始,MPL反演的AOD急劇上升,此時(shí)觀測(cè)車輛經(jīng)過華潤(rùn)電廠附近,污染物不但有火電廠排放的煙塵,而且有許多運(yùn)煤車輛排放的尾氣,所以AOD大幅升高,10:40駛離這片區(qū)域以后,AOD又大幅下降,說明MPL可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地觀測(cè)到污染物濃度的變化;16:00左右,MPL反演和手持太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD都突然上升,結(jié)合圖4f分析,原因?yàn)榇藚^(qū)域上空存在煙塵.

2.4 討論

本文研究表明微脈沖激光雷達(dá)和GPS接收機(jī)組成的移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)能夠有效地探測(cè)城市小范圍的氣溶膠時(shí)空分布,具有推廣價(jià)值;不足之處在于觀測(cè)次數(shù)、觀測(cè)線路有限,無法得到徐州市完整的氣溶膠時(shí)空分布特征.

3 結(jié)論

3.1 空氣質(zhì)量良好和輕度污染情況時(shí),徐州市近地面氣溶膠消光高值點(diǎn)主要位于商業(yè)區(qū)域和工業(yè)區(qū)域,商業(yè)區(qū)域的污染物主要來自車輛尾氣的排放,車流量的大小決定了消光系數(shù)值的大小,總體值小于工業(yè)區(qū)域;工業(yè)區(qū)域的污染物主要來自工業(yè)排放,火電廠的排放是最主要的來源,占比達(dá)到70%以上,其次,運(yùn)煤車輛在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的煤灰和道路揚(yáng)塵也是重要的污染源;重度污染天氣情況下,近地面氣溶膠消光系數(shù)主要受污染過程的時(shí)間演變控制.

3.2 氣溶膠的垂直分布與邊界層的演變密切相關(guān),下午的邊界層高度比上午普遍要高,晴朗且空氣質(zhì)量良好的情況下,邊界層最高,達(dá)到1km以上.氣溶膠消光系數(shù)高值基本出現(xiàn)在250m以下的近地面,工業(yè)區(qū)域火電廠排放的煙塵主要出現(xiàn)在1km左右.

3.3 MPL反演的AOD和CE-318全自動(dòng)太陽光度計(jì)以及MICROTOPS Ⅱ手持式太陽光度計(jì)測(cè)得的AOD三者之間變化趨勢(shì)大致相同,絕對(duì)值不同.MPL反演的AOD較其它兩種波動(dòng)最大,時(shí)間分辨率最高,可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地觀測(cè)到污染物濃度的變化.

[1] 呂達(dá)仁,魏 重,林 海,等.低層大氣消光系數(shù)分布的激光探測(cè) [J]. 大氣科學(xué), 1977,1(3):199-205.

[2] 邱金桓,趙燕曾,汪宏七.激光探測(cè)沙暴過程中的氣溶膠消光系數(shù)分布 [J]. 大氣科學(xué), 1984,8(2):205-210.

[3] 周 碧,張 鐳,曹賢潔,等.利用激光雷達(dá)資料分析蘭州遠(yuǎn)郊?xì)馊苣z光學(xué)特性 [J]. 高原氣象, 2011,30(4):1011-1017.

[4] Qin K, Wu L, Man S W, et al. Trans-boundary aerosol transport during a winter haze episode in China revealed by ground-based Lidar and CALIPSO satellite [J]. Atmospheric Environment, 2016,141:20-29.

[5] 王占永,蔡 銘,彭仲仁,等.基于移動(dòng)觀測(cè)的路邊PM2.5和CO濃度的時(shí)空分布 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(12):4428-4434.

[6] 安俊嶺,向偉玲,韓志偉,等.突發(fā)性大氣污染監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)集成移動(dòng)平臺(tái) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(8):1241-1247.

[7] 張婉春,張 瑩,呂 陽,等.利用激光雷達(dá)探測(cè)灰霾天氣大氣邊界層高度 [J]. 遙感學(xué)報(bào), 2013,17(4):981-992.

[8] 滕繼峣,秦 凱,汪云甲,等.基于激光雷達(dá)觀測(cè)的大氣邊界層自動(dòng)識(shí)別局部最優(yōu)點(diǎn)算法 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2017,37(2):361-367.

[9] 王 苑,耿福海,陳勇航,等.基于微脈沖激光雷達(dá)的上海浦東地區(qū)不同強(qiáng)度霾研究[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(1):21-29.

[10] 李 俊,龔 威,毛飛躍,等.探測(cè)武漢上空大氣氣溶膠的雙視場(chǎng)激光雷達(dá) [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2013,33(12):1-7.

[11] 馬盈盈,龔 威,朱忠敏.中國(guó)東南部地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性激光雷達(dá)探測(cè) [J]. 遙感學(xué)報(bào), 2009,13(4):707-722.

[12] 呂 陽,李正強(qiáng),謝劍鋒,等.基于激光雷達(dá)掃描觀測(cè)的散布點(diǎn)污染源監(jiān)測(cè) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(11):4078-4084.

[13] 王耀庭,苗世光,張小玲.基于激光雷達(dá)的北京市氣溶膠光學(xué)參數(shù)季節(jié)特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(4):970-978.

[14] 嚴(yán)國(guó)梁,韓永翔,張祥志,等.南京地區(qū)一次灰霾天氣的微脈沖激光雷達(dá)觀測(cè)分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(7):1667-1672.

[15] 劉瑞金,張 鐳,王宏斌,等.半干旱地區(qū)卷云特征的激光雷達(dá)探測(cè) [J]. 大氣科學(xué), 2011,35(5):863-870.

[16] 曹念文,顏 鵬.基于激光雷達(dá)探測(cè)的氣溶膠分類方法研究 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2014,(11):20-26.

[17] 劉文彬,劉 濤,黃祖照,等.利用偏振-米散射激光雷達(dá)研究廣州一次浮塵天氣過程 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(10):1751-1757.

[18] 王國(guó)成,孫東松,段連飛,等.多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)影響因素分析 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015,35(9):10-16.

[19] 王玉峰,高 飛,朱承炫,等.對(duì)流層高度大氣溫度、濕度和氣溶膠的拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng) [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015,35(3):370-379.

[20] Spinhirne J D. Micro pulse lidar [J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 1993,31(1):48-55.

[21] Westerdahl D, Fruin S, Sax T, et al. Mobile platform measurements of ultrafine particles and associated pollutant concentrations on freeways and residential streets in Los Angeles [J]. Atmospheric Environment, 2005,39(20):3597-3610.

[22] Hu S, Paulson S E, Fruin S, et al. Observation of Elevated Air Pollutant Concentrations in a Residential Neighborhood of Los Angeles California Using a Mobile Platform [J]. Atmospheric Environment, 2012,51(5):311.

[23] Elen B, Peters J, Poppel M V, et al. The Aeroflex: A Bicycle for Mobile Air Quality Measurements [J]. Sensors, 2012,13(1):221.

[24] 白 楊,秦 凱,吳立新,等.徐州市區(qū)主干道路黑炭氣溶膠濃度移動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn) [J]. 地理與地理信息科學(xué), 2014,30(1):45-49.

[25] 胡明玉,秦 凱,白 楊,等.2013年12月石家莊一次霾天氣過程中的黑炭濃度特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(9):2585-2593.

[26] 徐州市統(tǒng)計(jì)局.2015年徐州市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào) [R]. 2016.

[27] 吳立新,呂 鑫,秦 凱,等.基于太陽光度計(jì)地基觀測(cè)的徐州氣溶膠光學(xué)特性變化分析 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2016,61(20):2287-2298.

[28] 郎紅梅,秦 凱,袁麗梅,等.徐州冬季霧-霾天顆粒物粒徑及氣溶膠光學(xué)特性變化特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(8):2260-2269.

[29] Liu Q, He Q, Fang S, et al. Vertical distribution of ambient aerosol extinctive properties during haze and haze-free periods based on the Micro-Pulse Lidar observation in Shanghai [J]. Science of the Total Environment, 2016,574:1502.

[30] Fernald F G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments [J]. Applied Optics, 1984,23(5):652.

[31] 張朝陽,蘇 林,陳良富.中國(guó)典型地區(qū)氣溶膠激光雷達(dá)比反演與分析 [J]. 中國(guó)激光, 2013,(5):222-227.

[32] 陳 晨,左天逸,陳世勛.基于高斯煙羽模型對(duì)工業(yè)氣體污染物擴(kuò)散的研究 [J]. 決策與信息旬刊, 2015,(8):271-272.

[33] 劉 瓊,耿福海,陳勇航,等.上海不同強(qiáng)度干霾期間氣溶膠垂直分布特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(2):207-213.

[34] 賀千山,毛節(jié)泰.北京城市大氣混合層與氣溶膠垂直分布觀測(cè)研究 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 2005,63(3):374-384.

[35] 馬驍駿,秦 艷,陳勇航,等.上海地區(qū)霾時(shí)氣溶膠類型垂直分布的季節(jié)變化 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(4):961-969.

[36] 高星星,陳 艷,張 武.2006~2015年中國(guó)華北地區(qū)氣溶膠的垂直分布特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(8):2241-2250.

[37] 滕繼峣,秦 凱,汪云甲,等.基于激光雷達(dá)觀測(cè)的大氣邊界層自動(dòng)識(shí)別局部最優(yōu)點(diǎn)算法 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2017,37(2):361-367.

[38] 王英儉.激光雷達(dá)大氣參數(shù)測(cè)量 [M]. 北京:科學(xué)出版社, 2014.

[39] Guo J, Miao Y, Zhang Y, et al. The climatology of planetary boundary layer height in China derived from radiosonde and reanalysis data [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2016,16(20):13309-13319.

[40] Zang Z, Wang W, Cheng X, et al. Effects of Boundary Layer Height on the Model of Ground-Level PM2.5Concentrations from AOD: Comparison of Stable and Convective Boundary Layer Heights from Different Methods [J]. Atmosphere, 2017,8(6):104.

致謝：感謝德國(guó)宇航中心遙感技術(shù)研究所的許健博士對(duì)文章的建議和修改,感謝北京世紀(jì)淺海海洋氣象儀器有限公司提供激光雷達(dá)設(shè)備.

Aerosol distribution characteristics in Xuzhou based on mobile lidar observation.

FAN Wen-zhi, QIN Kai*, HAN Xu, ZOU Jia-heng, LI Yi-fei

(School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)., 2018,38(8)：2857~2864

A mobile multi-sensor observing system consisting of a ground-based Micro Pulse Lidar and a GPS was introduced in this paper, which was used to analyze aerosol extinction coefficient profiles measurements that lower than 1.5km, over Xuzhou observed on 11January (heavy pollution), 12January (low pollution), 17January (moderate) in 2015. The results showed that during low and moderate pollution days, high values of the near-surface aerosol extinction coefficient were observed in the commercial and industrial areas, resulting from vehicle exhaust and thermal power plant emissions, respectively. During high pollution days, the near-surface aerosol extinction coefficient was mainly governed by the evolution of the pollution. The vertical distribution of aerosols was associated with the changing planetary boundary layer. The altitude of the planetary boundary layer in the afternoon was generally higher than the one in the morning, and reached the highest level (~1km) when the weather was fine and the air quality was fair. High values of the aerosol extinction coefficient were mostly found below 250m. Fly ash emissions by coal-fired thermal power plants over industrial areas were detected around 1km. The aerosol optical depth trends measured by different instruments were roughly the same, and the fluctuation of aerosol optical depth of Lidar was the most. The mobile multi-sensor observing system was proven to reliably observe the spatio-temporal distribution of aerosols over a city in a small regional scale, which had high flexibility and can be widely applied.

Micro Pulse Lidar (MPL)；active remote sensing；aerosols；spatial and temporal distribution；Xuzhou

X513

A

1000-6923(2018)08-2857-08

樊文智(1995-),男,甘肅臨洮人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境遙感研究.

2018-01-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015XKMS049)

* 責(zé)任作者, 副教授, qinkai@cumt.edu.cn