激光雷达在湖北大气环境监测中的应用

介绍了激光雷达通过垂直扫描、水平扫描和车载走航等方法在湖北大气环境监测中的应用实例。利用地基激光雷达并结合星载激光雷达监测一次沙尘传输过程，沙尘传输高度为500~4 000 m之间，且出现3次尘降，地面PM₁₀出现3次峰值。利用激光雷达探测大气边界层高度，颗粒物浓度受边界层高度影响，当边界层高度降到500 m以下时，PM_2.5浓度达到120 μg/m³，边界层高度上升到1 500 m以上时，PM_2.5浓度降到30 μg/m³以下。利用激光雷达水平扫描技术，对襄阳市高新区污染物的影响进行溯源，监测得出颗粒物浓度上升的主要原因为地面扬尘。利用激光雷达车载走航监测技术，监测黄冈市颗粒物空间分布特征，在不同区域监测到2处污染扩散带，分别位于工业区与生活区。     

京津冀地区一次污染过程的星载地基激光雷达联合观测分析

针对2018年3月9—15日京津冀地区的一次空气重污染过程,进行了基于地基颗粒物激光雷达组网的星载-地基联合观测分析。颗粒物激光雷达观测到污染前期为局地污染累积过程,中期有明显的污染物区域传输过程,北京受太行山沿线城市污染输送影响较大。风廓线激光雷达观测结果表明:此次污染过程近地面主要为偏南风且风力较弱,冷空气到来时风向转为较强东北风,导致污染消散。微波辐射计观测到保定在污染过程中出现持续6 d的逆温层,同时在污染过程中近地面相对湿度较高,逆温层被打破后污染开始消散。在污染过程的各个阶段中,污染团的空间分布与变化特征均被很好地反映出来,可见地天联合观测对污染物的累积与输送研究有较大的意义,能对京津冀及周边地区的大气污染联防联控提供有力支持。     

颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用

针对由于局地污染、沙尘输入、外源性输入与局地污染物相互叠加所导致的3种灰霾污染发生过程,分别选取3个典型案例,采用颗粒物激光雷达对污染物的时空分布特征进行解析。研究发现,在局地污染发生时,污染物从地面开始垂直向上扩散,扩散高度约1 km。重度污染过程中,气溶胶的日均垂直消光系数随高度的变化背离指数衰减特征,800 m高度处出现消光系数的极大值层,极大值超过2.5 km-1,800 m以下消光系数近乎常数,约为0.3 km-1。这说明,重污染过程中,有一层较厚重的颗粒物分布,使近地面污染物在垂直方向的扩散能力减弱,形成积累效应,造成大面积空气混浊。当有外源性沙尘输入时,激光雷达能够清晰地监测到污染团输入的全过程。沙团突然出现在高空2~3 km。污染团退偏振度较大,超过0.3。随着沙尘粒子的重力沉降,沙团的轮廓在垂直方向上不断地增大。沙团的输入,导致近地面粗颗粒质量浓度的增加幅度明显大于细颗粒。在第3个案例中,激光雷达清晰地监测到高空1.8~3 km突然出现含有大量球形细颗粒的污染团,同时还发现此污染团与近地面的污染物有不同的演化特征。近地面污染物随时间垂直向上扩散,12:00左右扩散高度超过1.8 km。而高空的污染团逐渐沉降进入边界层内,与近地面扩散的污染物相互混合,共同导致本地的灰霾天气。综上所述,激光雷达可以清晰地捕获污染物的垂直结构特征,对不同的致霾过程进行立体解析,实现对大气复合污染的监测和机理研判。     

广州市春季一次沙尘天气过程综合观测

2017年4月21—23日广州市经历了一次远距离传输的沙尘天气过程,为了解沙尘过程对广州市空气质量的影响,基于广州市大气超级站,利用单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)、气溶胶激光雷达观测数据并结合HYSPLIT后向轨迹模型分析了沙尘过程细颗粒物组分及污染来源贡献变化和沙尘气溶胶的来源及路径。结果表明:受沙尘过境影响,PM_(10)浓度大幅升高,PM_(2.5)/PM_(10)最小值仅为12.1%;沙尘过境期间影响近地面颗粒物的沙尘高度主要分布在1 km以下区域,近地面颗粒物消光系数均值为100.11 Mm~(-1),探测到最大退偏振比为0.28。SPAMS研究发现沙尘过境期间含硅酸盐颗粒物(SI)的细颗粒物数浓度比例达25.9%,是沙尘过境前的1.4倍;PM_(2.5)中扬尘贡献率明显增大,达到了17.3%,是沙尘过境前的1.9倍。后向轨迹模型HYSPLIT显示此次沙尘为典型的北方沙尘传输,沙尘源自中国西北地区,传输方向为自西北输送至华东地区后,转为东南方向影响广州市。     

基于激光雷达走航车的大气污染物探测技术及其应用

大气气溶胶对人体健康环境和全球气候都有一定的影响,是大气污染的主要来源。为了提升空气质量,大气污染防治刻不容缓。把气溶胶探测激光雷达和测风激光雷达集成在车辆上,进行走航和扫描探测可获得立体的大气气溶胶时空变化状态图。以合肥和芜湖等地大气气溶胶探测为例,基于激光雷达走航车的探测数据,获得大气气溶胶消光系数时空分布图,搜寻污染物排放源和估算颗粒物的PM_2.5输送通量。由此可知,激光雷达走航式探测技术是获得大气污染立体图像便捷的、有效的方法,可为大气污染防治提供精准的科学依据,具有重要的应用价值。     

宜宾地区气溶胶垂直结构地基空基联合监测分析

利用Cloud-Aerosol LIDAR with Orthogonal Polarization （CALIOP）正交极化云-气溶胶星载激光雷达Level1B资料和LGJ-01型号气溶胶地基激光雷达资料对宜宾地区2016年12月—2017年2月无污染时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期气溶胶的衰减后向散射系数和退偏振比光学参数的垂直分布进行对比分析研究。结果表明：少云轻度污染时期，CALIOP数据监测到海拔高度为0.2~1.0 km范围内气溶胶颗粒集中分布，LGJ-01数据监测到厚度约为0.2 km的近地面气溶胶层，2个激光雷达监测结果基本一致；重度污染时期，LGJ-01地基激光雷达能够较好地探测近地面气溶胶层，CALIOP星载激光雷达能够较好地探测到高空云层，若将两者结合，则能实现不同天气状况下的综合探测，以期较全面客观地为研究气溶胶垂直结构提供观测及科研数据。     

济南地区一次沙尘过程的激光雷达观测分析

利用微脉冲激光雷达探测技术,结合常规污染物监测以及PM_(2.5)化学组分监测数据,对2017年5月影响济南地区的一次沙尘天气过程进行分析。结果表明:5月4日12:00沙尘天气开始影响济南市,PM_(10)小时浓度大幅升高,至5月5日13:00,PM_(10)小时浓度达到峰值(质量浓度953μg/m~3)。沙尘过境期间近地面1 500 m以下形成消光系数和退偏比极大区,其中5月5日11:00—13:00,300 m处退偏比平均高达0. 19,非球形特性显著。沙尘天气过程中Mg~(2+)组分、Ca~(2+)组分增幅最为明显。后向轨迹模型HYSPLIT显示,此次沙尘起源于内蒙古中西部地区,沿高空西北方向传输至济南地区。     

京津冀一次空气重污染过程激光雷达走航观测分析

针对2016年国庆期间一次污染消散过程,开展了激光雷达定点与走航观测,并综合运用中国环境监测总站国家预报平台数值模型预报结果和国控站点PM_(2.5)监测数据,对污染团的移动和分布进行了分析。结果表明,雷达定点观测的消光系数突变,主要由北京西部累积污染团在夜间弱西北气流作用下的回流所引起。受此西北气流影响移出北京的污染气团在天津至沧州一带滞留。北京至保定沿线颗粒物污染消散现象,被雷达走航观测所捕捉。     

基于激光雷达和超级站监测的一次沙尘过程分析

利用南京市气溶胶激光雷达网和草场门超级站监测数据,对2022年3月2—3日南京地区一次沙尘污染过程的垂直特征和地面PM_2.5组分变化进行了分析。结果表明,草场门、八卦洲和土桥3处点位的气溶胶激光雷达均观测到消光系数和退偏振比在凌晨至清晨时段有垂直分层现象,说明高空输入的沙尘气团位于城市污染气团上空,而此时地面PM_2.5组分以二次无机盐(硝酸盐、硫酸盐和铵盐)为主。中午前后,各高度的退偏振比及消光系数发生突变,主要是由高空输入沙尘和城市污染气团的垂直混合引起的。随着日间大气垂直交换的加大,PM_2.5中地壳物质的浓度均值和占比显著上升,其中浓度从3 μg/m³升高至5 μg/m³,占比从3%上升至10%。     

基于激光雷达分析2020年冬季镇江地区一次大气污染过程

利用气溶胶激光雷达观测结果,结合环境监测站污染物浓度数据、气象观测资料及HYSPLIT后向轨迹模式结果,综合分析2020年1月17—22日镇江市一次大气污染过程。结果显示,此次污染过程前期天气形势稳定,不利于污染物的清除及扩散,后期受偏北风影响,北方污染物向镇江输送,使得本地污染物持续累积,污染不断加重。特征雷达图分析表明此次污染为以PM2.5为主的二次污染。激光雷达显示污染日消光系数为0.0~0.9 km-1,消光系数垂直廓线日变化特征明显,气溶胶粒子主要堆积在0.6 km高度以下,并且很好地揭示了污染气团从高空逐渐下沉最终与本地污染叠加的过程,与HYSPLIT模式解析的污染气团来源结果基本一致。     

基于颗粒物光量子雷达的颗粒物排放实时溯源及应用

在大气污染治理中,传统探测方式在局地大气颗粒物排放源的精准定位和实时溯源方面还有所不足。自主研发的1 550 nm波长颗粒物光量子雷达,具备探测效率高、人眼安全等特点,360°水平扫描一周仅需8.5 min。基于该雷达水平扫描监测,结合迭代拼接法和新发展的颗粒物示踪系数及污染源定位方法,可准确识别并定位出当地的污染排放源位置。对于部分污染排放定位溯源案例,结合多图展现并分析了颗粒物排放、扩散、传输、消散过程中的烟羽变化,并结合卫星图像确认了相应工业生产和建筑扬尘等典型颗粒物排放源。地面监测数据分析了部分污染源对监测站点颗粒物浓度的影响。该雷达通过低仰角、可重复性的快速扫描,结合符合颗粒物扩散规律的分析过程,在颗粒物污染实时溯源定位方面展现了极高的准确性。     

江淮地区秋季一次典型污染过程分析

结合2018年10月15—20日国控站点监测数据、气象资料及激光雷达走航观测结果,对江淮地区一次重度污染过程进行了分析。利用拉格朗日粒子扩散模型和拉格朗日混合单粒子轨迹模型定性分析了区域污染来源,分别基于激光雷达和空气站实测数据提出了外来源占比的估算方法,结合嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)的源解析结果,对比分析了外来源占比。以淮北市为例,结合NAQPMS和单颗粒气溶胶质谱的PM2.5在线源解析结果,对比分析此次污染过程的行业来源。结果表明,本地污染累积时段,主要以燃煤和机动车尾气混合源为主(占比>70%);受北方污染输送时段,机动尾气占比显著升高,从19.4%(16日00:00)升至66.7%(17日11:00),淮北市、蚌埠市、合肥市3个城市污染物外来输送占比分别为52.2%~70.6%、48.8%~58.8%、41.5%~59.0%。     

利用激光雷达太阳光度计等多种遥感手段立体监测一次沙尘事件夏俊荣

利用位于北京以及河北香河的两台地基Mie散射激光雷达、星载激光雷达、太阳光度计以及颗粒物监测仪等一系列仪器对发生在2008年5月底的一次沙尘事件进行立体监测并分析.结果表明,这起较严重的沙尘是由蒙古国输送而来,影响范围很广,持续时间较长,有三次明显的峰值,对应三次沙尘的来袭;沙尘的每次来袭都对应有先升温后降温的现象,并伴随有相对湿度的急剧下降;沙尘入侵前北京香河两地以细粒子为主,入侵后代之以粗粒子为主.     

2021年青岛市一次PM_(2.5)和沙尘混合空气污染过程分析

以2021年3月青岛市空气自动站监测数据为依据,借助环境气象激光雷达、气溶胶激光雷达、在线离子色谱仪等技术手段,并利用后向轨迹模式(HYSPLIT)对青岛市一次PM_(2.5)和沙尘混合空气污染过程、气象条件、颗粒物组成以及传输路径等进行了综合分析。结果表明:静小风、湿度大、垂直方向逆温以及高空多次向近地面的污染物输送是第1阶段PM_(2.5)污染的主要原因,NO^(-)_(3)、SO^(2-)_(4)、NH^(+)_(4)浓度分别占水溶性离子浓度总和的51.7%,24.8%,22.4%,三者之和占ρ(PM_(2.5))的52.3%,机动车源、工业源和燃烧源贡献较大,其中尤以机动车源影响最显著;第2阶段各子站颗粒物浓度变化呈现明显的传输特征,PM_(2.5)中Ca^(2+)浓度升至第1阶段的6倍,沙尘源影响显著,污染气团主要来自蒙古国和我国内蒙古,前期由西北地区直接到达青岛,后期是经渤海湾、烟台到达青岛东南海域,最后回流至青岛;冷高压强度较弱导致近地面水平扩散条件不利,ρ(PM_(10))长时间维持在较高水平。     

京津冀区域臭氧污染趋势及时空分布特征

为研究京津冀区域的臭氧(O_3)污染情况及其时空分布特征,对2013—2015年京津冀区域13个城市80个国家环境空气监测点位的监测数据进行了统计分析。结果表明:2013—2015年,京津冀区域O_3污染状况整体呈加重趋势,其中2014年污染状况最为严重。13个城市中O_3污染最严重的城市为北京和衡水,连续3年均超标,且处于上升态势中。区域内不同城市O_3污染趋势并不相同。京津冀区域O_3浓度变化呈明显的季节变化特征,春末和夏季的O_3污染最严重。O_3-8 h(臭氧日最大8 h均值)年均值的高值区主要分布在北京中北部、承德和衡水等,2013—2015年第90百分位O_3-8 h的高值区均集中分布在北京。O_3的浓度峰值时间要晚于NOx2~5 h。O_3在春、夏季呈单峰分布,白天15:00左右出现最大值,在秋、冬季浓度较低,全天波动不大。