大气气溶胶多层结构的激光雷达探测

目的探测大气气溶胶的垂直分布,表征气溶胶的垂直结构和各层气溶胶的性质。方法使用金华站点激光雷达观测数据进行个例分析,用梯度法对边界层进行反演,利用退偏振比、颜色比和光学厚度对大气中不同高度的气溶胶层进行分析。结果大气垂直结构会出现多层不同性质的气溶胶层,激光雷达可以准确地探测气溶胶随时间变化的垂直结构特征。选取0点至8点进行分析表明,在1.5km高度上下出现两层气溶胶层,上下两层气溶胶层呈现出不同的性质,且其性质会随时间变化而改变。结论大气边界层以外气溶胶分布较为复杂,利用激光雷达探测的气溶胶消光系数、退偏振比、颜色比和光学厚度等参数能够较好地表征气溶胶的垂直结构和各层气溶胶的性质。     

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12～2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37. 481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.     

南京上空气溶胶光学特性的激光雷达观测

文章利用偏振微脉冲激光雷达对南京上空大气散射特性进行了为期一年的连续观测,同时结合MODIS卫星数据对空气中气溶胶光学特性的日季变化进行了分析研究,利用HYSPLIT模式分析了其变化的原因。研究结果表明,在春、秋、冬季,气溶胶消光后向散射比分别为48 sr,45 sr和40 sr,退偏振比分别为0.18,0.19和0.2,且气团主要来源为我国西北及北方地区;夏季,气溶胶消光后向散射比为63 sr,退偏振比为0.11,气团主要来自东南部工业污染城市以及南京周边地区;气溶胶的垂直分布有明显的季节变化趋势,低层(1 km)气溶胶光学厚度从大到小为:冬季-夏季-秋季-春季,高层(1 km)为:夏季-春季-秋季-冬季;气溶胶光学厚度有明显的日变化特征,在夏冬两季表现为早晚高,中午低;在春秋两季则为早晚低,中午高。文章对南京上空大气气溶胶的光学特性进行了详细系统的研究,对于该地区大气环境以及气候效应的研究具有重要的学术价值。     

PML系统性能测定及卷云偏振探测结果分析

偏振-米散射激光雷达(PML)是532 nm单波长激光雷达,可对气溶胶的消光特性及偏振特性进行定量探测.对PML探测性能从三方面进行验证:①对PML主要性能参数的测试结果表明,该系统性能可靠;②对比PML和拉曼-米散射激光雷达(RML)对气溶胶的测试结果发现,二者基本一致;③用激光雷达和太阳辐射计对同一大气光学厚度对比探测可知,二者探测值基本一致.用PML对2005年2─5月合肥地区卷云退偏振比的观测结果表明:合肥地区位于7～12 km高度区域的卷云退偏振比为0.25～0.50,其平均值为0.35±0.07.      

水面溢油污染的多角度多波段偏振特性研究

水面溢油在反射光波的过程中,将表现出与自身性质密切相关的特征偏振。因此,对水面溢油的多角度多波段偏振探测成为水体污染遥感监测的一种新手段。本文以汽油、柴油、摩托车机油和大豆油作为水面油污实验样品,应用多角度光谱偏振测量仪实测了不同溢油污染水体的多角度多波段偏振特性数据,探讨了不同溢油污染水体的偏振特性与观测方位角、光源入射角、观测天顶角以及探测波段等影响因素的变化规律,以便为水面溢油污染偏振遥感的研究提供科学依据。     

MODIS卫星遥感AOD反演近地面“湿”消光系数新模型的构建及应用

针对气溶胶含量随高度呈负指数递减这一假设存在的问题,通过对Mie散射激光雷达探测资料的系统分析和总结,论证了Logistic曲线能更好地表征大气消光系数在边界层内的垂直演变特征.在对MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度(AOD)系统偏差进行校正的基础上,将大气消光系数的模拟值与实测值之间离差平方和最小作为目标函数,利用小波协方差法计算混合层高度,以订正后的AOD和混合层高度作为约束条件,再用免疫进化算法优化目标函数中的参数,据此提出了MODIS卫星遥感AOD反演近地面"湿"消光系数的新模型.基于成都市2013年6月—2014年5月的MODIS卫星遥感AOD资料及同时次的Mie散射激光雷达探测数据和地面细颗粒物浓度资料的实例分析表明,新模型反演得到的近地面大气"湿"消光系数与近地面细颗粒物质量浓度之间的相关系数在四季均能稳定在0.6以上.     

结合激光雷达分析2014年春季南京地区一次大气污染过程

利用环境监测数据、气象数据以及数值模拟结果,结合激光雷达数据反演的气溶胶消光系数,分析了2014年5月26日至6月1日南京地区一次典型的大气污染过程.本次污染过程受到外源性沙尘和烟尘输入以及本地污染排放叠加影响.气象因素对污染物的生消起到了重要作用,低压、逆温等因素阻碍污染物扩散,最终强降雨的出现使本次污染过程终结.整个污染过程中大气边界层高度偏低且变化不大,大气形势稳定,污染物扩散困难.激光雷达可以有效探测气溶胶的垂直分层结构,能直观准确地反映出污染物的分布聚集情况以及时空变化,对大气污染监测具有重要意义.     

广州城区冬季大气边界层气溶胶激光雷达探测

激光雷达是大气边界层气溶胶和云的一个高效探测工具。2010年12月利用Mie散射激光雷达对广州城区冬季大气边界层进行系统观测,分析讨论了测站地域上空大气气溶胶的消光系数垂直分布和时间变化的主要特征。结果表明:冬季广州大气边界层气溶胶主要分布在1100m以下区域,气溶胶分布具有多层结构;大气边界层高度稳定分布在500~620m左右,边界层高度日变化不明显;冬季广州气溶胶源较为稳定并且变化慢;广州城区气溶胶浓度白天比晚上大,峰值出现11颐00~14颐00左右,谷值出现在20颐00左右。     

秋季秸秆焚烧对京津冀地区霾污染过程的影响分析

以2016年10月份京津冀地区一次持续5d(10月12~16日)的严重污染过程为例,综合卫星数据、污染物地面监测站点数据、气溶胶地基观测数据以及气象数据,分析山东、河南、山西等周边地区的秸秆焚烧对京津冀霾天气的影响.研究表明,京津冀地区污染时期的CALIPSO(Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,云-气溶胶激光雷达和红外探测卫星)气溶胶组分含有大量煤烟型气溶胶,AERONET(AEROsol robotic NETwork)Beijing站观测数据显示13日气溶胶体积数浓度谱呈现双峰分布,细粒子峰值半径为0.33μm,峰值体积浓度为0.145μm~3/μm~2.14日气溶胶谱基本呈现单峰分布,细粒子占主导地位,体积浓度达到0.34μm~3/μm2.污染物地面监测站点数据显示PM2.5、CO和SO_2浓度均显著增加,峰值浓度分别为339μg/m~3、2mg/m~3、20μg/m~3;CO、PM_(10)、PM_(2.5)与秸秆焚烧火点数量之间的相关系数分别为0.65、0.79和0.68,说明本次污染与周边地区的秸秆焚烧的污染物传输有关.HYPLIST(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,拉格朗日混合单粒子轨道模型)后向轨迹分析表明,14日到达京津冀地区的气团均经过秸秆焚烧地区,气团中会携带大量秸秆焚烧产生的污染气体和颗粒物,加重京津冀地区地区霾污染过程.此外,污染过程中地面风场较弱,以静小风为主,平均风速1m/s,不利于污染物扩散和稀释;底层大气湿度较大,平均相对湿度77.8%,高湿的大气环境促进了气溶胶吸湿增长和污染物聚集,导致污染加剧;大气稳定度高,对流运动较弱,稳定的大气条件不利于污染物扩散,使得污染过程延长.因此,本次重污染天气归因于自然和人为因素共同作用的结果,即人为秸秆焚烧导致的本地污染源排放和传输、机动车尾气等本地污染物、京津冀地区的静稳大气和近地面丰富的大气水汽共同作用的结果.     

利用偏振-米散射激光雷达研究广州一次浮尘天气过程

利用偏振-米散射激光雷达、颗粒物监测仪数据,结合风廓线等气象资料分析讨论了2012年3月25日广州浮尘天气气溶胶污染事件,通过气团后向轨迹分析了沙尘气溶胶的来源及路径.结果表明本次污染过程与我国西北地区大部沙尘暴产生的浮尘远距离输送有关;浮尘期间相对湿度迅速下降,测点PM10中PM2.5所占的比例在28%~31%之间,与广州地区以细粒子污染为特征不同,本次气溶胶污染事件主要是由粗粒子引起;影响近地面的沙尘层主要分布高度在1000~2000m区域;沙尘过境期间探测到气溶胶最大退偏比为0.34.     

基于AOD数据反演地面PM_(2.5)浓度研究进展

随着中国城市发展,城镇化进程的不断推进,能源消耗持续增加,空气中的污染物含量越来越高,空气污染事件频发,城市空气质量研究成为一个热点议题。PM_(2.5)作为表征空气质量的重要指标之一,越来越受到人们的关注,目前获取PM_(2.5)数据主要有地面监测和卫星遥感监测2种方式。传统的地面监测手段可以得到高精度的局部PM_(2.5)污染数据,但是由于其覆盖范围的局限性,并没有办法反映出整个区域的PM_(2.5)污染情况。遥感卫星监测恰到好处地弥补了这一缺陷,其中应用最为广泛的是使用卫星遥感数据产品大气气溶胶光学厚度AOD来反演地面的PM_(2.5)浓度。文章从AOD数据的多样性及其应用、反演地面PM_(2.5)浓度模型的选择以及反演模型的优化这3个方面对目前国内外利用遥感卫星AOD数据反演地面PM_(2.5)浓度的研究进行了归纳梳理。其中AOD数据分辨率的不同产生了不同精度的反演结果;而线性回归模型和非线性回归模型的反演精度也存在较为明显的差异;通过在模型中加入气象参数、气溶胶垂直分布特性以及地表信息等因素会显著地改善反演结果。上述研究为流行病学中PM_(2.5)人口暴露研究及健康影响提供方法论基础。     

北京大气PM2.5遥感监测业务化方法探讨

为探索卫星遥感监测大气ρ(PM_2.5)业务化方法,以北京为例,利用2013年MODIS卫星资料和北京35个地面自动监测站(下称自动站)的实时观测数据,以目前国内外应用最广泛的3种卫星反演大气气溶胶的方法——AOD(气溶胶光学厚度)、K_drya,0(气溶胶干消光系数)和R_a(气溶胶表观反照率)反演地面ρ(PM_2.5)的方法(分别称为AOD法、K_drya,0法和R_a法)为基础,结合地面ρ(PM_2.5)实测数据,建立了气溶胶反演参数与ρ(PM_2.5)统计关系,进一步测算了全市区域ρ(PM_2.5)的分布情况.结果表明:3种方法都具有较高的反演精度,其获取的全年ρ(PM_2.5)与地面实测数据的相关系数分别达到0.80、0.81和0.85,其中R_a法结果精度最高.从季节来看,R_a法在除夏季外的其他季节与地面监测数据相关系数都在0.70以上,优于其他2种方法.建议在春、秋、冬三季以R_a法,夏季以AOD法或K_drya,0法为基础进行北京PM_2.5业务化遥感监测.基于R_a法探讨了在2013年11月20—23日区域性大气重污染过程中北京PM_2.5区域分布特征和变化过程,卫星反演结果相对误差低于20%,直观地反映了区域大气颗粒物污染的时空分布规律.研究显示,三者都可以用来反演北京地区ρ(PM_2.5),其中R_a法最简便易行,尤其适用于业务化遥感监测.      

近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术研究进展

近海海洋大气边界层是陆海气相互作用的特殊区域,发展近海海洋边界层大气污染立体探测技术、获取海洋大气边界层内主要污染成分及关键气象参数的高精度垂直探测信息,对于提高陆地、海洋和大气中的污染来源、化学机制和传输过程认识、提高沿海地区大气环境与气象预报的准确性具有重要意义。针对近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术,总结了近年来在国家重点研发计划支持下我国在近海海洋大气探测设备研发、关键技术发展和近海大气污染形成机制研究等方面的进展。当前我国已发展了包括海洋大气廓线激光雷达、湍流交换测量、海气通量观测、海洋气溶胶探测设备等一系列近海海洋边界层探测技术,解决了沿海海洋地区恶劣环境条件造成的技术瓶颈,并基于这些探测设备与技术开展了大量近海海洋大气污染研究。技术与设备的发展完善了我国近海海洋地区边界层大气污染立体监测技术体系与能力,对我国东部沿海区域大气污染防治有积极支撑作用。     

北京地区MODIS卫星遥感气溶胶资料的检验与应用

利用NASA发布的MODISlevel2产品 ,结合在北京大学多波段太阳光度计观测的数据 ,分析检验了 2 0 0 1 0 1— 2 0 0 2 11北京地区大气气溶胶光学厚度 (5 5 0nm)的变化情况 ,结果表明 ,MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度具有一定的精度 ,在一定程度上可以反映气溶胶污染物较大范围的空间分布 ,对分析有关气溶胶源和区域性输送等问题提供了一个有效的手段     

2016年冬季北京地区一次重污染天气过程边界层特征

利用中国气象局地面常规观测资料、微脉冲激光雷达（MINI-MPL）、风廓线雷达资料、生态环境部大气成分等资料,对2016年12月16~21日京津冀多地污染过程的生消特征、与气象条件的关系以及边界层的结构特点进行了分析.结果表明：大气处于静稳状态,低层大气盛行偏南气流,大气湿度持续增加,加之北京三面环山不利于污染物扩散的特殊地形是造成北京此次严重空气污染的重要因素.重污染期间,污染物主要聚集在800m高度以下,严重污染时,污染物高度甚至仅有400m左右.风廓线雷达反演风场显示：2次PM_2.5浓度快速上升阶段低层伴随持续偏南风或偏东风.污染过程期间,逆温结构明显,两次污染快速发展阶段恰好出现在两次逆温最强时段.此次污染天气过程,激光雷达退偏振比总体小于0.25,反映污染主要是人类活动产生气溶胶,前期以一次排放颗粒物为主,后期以二次转化颗粒物为主.退偏振比污染过程前期呈明显日变化特征,且白天退偏比比夜间高.     

小资料

水面石油污染的遥感监测 (苏联) 目前,苏联已建立了一系列根据清水和石油污染水在光度、温度及放射性等的不同来监测水面石油污染的方法。这些方法可分为被动的方法和主动的方法。被动的方法是根据石油的热幅射和天然γ射线进行记录。主动的方法是让所研究的水面为一定的光谱组成的光源所照射,对反射回来的幅射或萤光进行记录。下表列举了遥感监测石油污染的各种方法,指出了所用的光谱部分、理想的对比值及基本的使用限制。     

基于车载雷达探测的一次华北冬季重污染天气成因研究

基于车载微脉冲气溶胶激光雷达、多普勒风廓线激光雷达和扭转拉曼廓线激光雷达的中山大学环境气象综合观测车,于2018年12月18日-22日在河北省望都县PM_2.5重污染期间开展定点观测.结合地面PM_2.5浓度和气象要素观测资料,对本次污染过程的成因展开分析.本次重污染过程日均PM_2.5浓度为163.2μg·m^-3,PM_2.5浓度的日变化特征明显,表现为白天PM_2.5浓度降低,傍晚至次日早晨PM_2.5浓度升高.气溶胶激光雷达观测结果发现,污染期间,700 m高度以下存在明显的消光系数高值区;夜间存在明显的消光系数高值区分层现象,气溶胶消光系数高值区出现高度可达1700 m.本次PM_2.5重污染过程受静稳边界层气象条件和高空气溶胶输送、沉降共同影响.在污染时段内,大气边界层低层小风持续,近地面和大气低层逆温和同温层频发,静稳边界层条件不利于PM_2.5的输送和扩散;此外,夜间高空气溶胶伴随强西风带出现...     

京津冀一次污染过程的星地同步动态监测分析

京津冀地区大气污染监管逐渐走向区域联防联控模式,卫星遥感可实现大范围实时动态监测,地基监测能够获取精细的网点信息。结合卫星和地基数据,可对区域污染的生消过程进行三维立体的跟踪。本文通过综合分析卫星遥感数据、地面PM2.5浓度数据、激光雷达垂直污染监测数据以及气象数据,分析了2018年3月8~10日京津冀区域污染的形成过程、传输路径、影响范围以及气象因子变化。结果发现,本次污染覆盖范围面积达20万km2左右,区域内以四级中度污染为主,区域间的污染传输过程非常典型。3月8~9日北京-保定偏南风频率为50%左右,冀南部分地区到达100%,在持续偏南风作用下,北京-保定一带空气质量由一级优迅速升至四级轻度污染,气溶胶光学厚度高值区由京津冀南部的邯郸-邢台西部山前推至北部燕山前。10日区域转以弱偏北风为主,湿度明显升高,京津冀南部形成污染辐合,污染重心南移至邯郸-邢台东部;午后,北京转偏东风,空气质量由东向西递次转好。从激光雷达垂直观测结果看,重污染期间北京地区污染层主要出现在1000m以下。近地面800m以下,1200~1500m多次出现双逆温层,且逆温强度高达4~7℃,非常不利于污染物垂直扩散。由此可见,在区域能源消耗和污染排放量依旧很大的背景下,一旦气象条件转差,很容易形成区域性重污染。     

大气环境热点网格遥感筛选方法研究

为筛选京津冀及周边地区的大气环境热点网格,在卫星遥感反演获取区域灰霾天数、PM_2.5、NO₂和SO₂浓度等大气环境四项遥感监测因子的基础上,首先利用分形求和模型确定了研究区域的四项指标的背景值和标准值,然后根据ORAQI计算方式提出一种大气环境遥感综合污染指数,并提取了大气环境热点网格,最后结合高分辨率卫星数据对热点网格的工业用地情况进行初步探讨分析.结果表明,2016年京津冀及周边地区各项大气污染物的局部分布特征表现出较大差异,不同地区的主要污染物不尽相同并且呈多项污染物复合污染的特征,利用分形统计模型确定灰霾天数、PM_2.5、NO₂和SO₂浓度的背景值分别为10.7d、57.5μg/m³、515.7×10¹³mole/cm²和0.29DU,标准值分别为22.2d、112.2μg/m³、2073.1×10¹³mole/cm²和0.64DU.大气环境遥感综合污染指数表明大气环境综合污染相对最重的地区主要分布在保定中部、石家庄中北部及邢台南部和邯郸北部交界处,该区域共筛选出1782个大气环境热点网格,其中工业用地面积占比较低的网格单元比例相对较大,这表明小型企业生产排放对当地的大气环境质量影响较大.     

中国大气气溶胶研究现状

随着大气环境的恶化,大气污染的研究越来越受到人们的关注。大气气溶胶在全球气候的变化中起着重要的作用,且主导了区域大气灰霾污染的形成,已成为目前大气污染研究的一个焦点。大气气溶胶的研究涉及大气科学的各个领域,具有很强的综合性。当前国内大气气溶胶的气候效应、理化特征及光学属性等研究已越来越成熟,但在系统区域性研究、来源分析等方面还需要更进一步的发展。开发更先进的研究方法和开展系统的研究工作是中国大气气溶胶研究工作的主要发展趋势。