南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析

利用微脉冲激光雷达(MPL)对2012年10月南京地区的一次灰霾天气进行了不间断观测,结合地面气象要素和PM10、PM2.5质量浓度资料分析了此次污染过程颗粒物质量浓度、气象要素、气溶胶垂直方向光学特性和混合层高度(MLH)日变化趋势以及相关性并与11月11~12日非灰霾天气做了消光系数和MLH的比较.结果表明,本次灰霾天气颗粒物浓度与近地面消光系数日变化较相似,基本上呈现夜间高午后低的趋势;灰霾期间MLH峰值滞后于地面温度峰值2h,MLH与PM2.5呈现负相关关系,两者相关系数为-0.57;霾天MLH远低于非灰霾天;霾期间近地面消光系数大部分时刻大于1.0km-1,远大于非霾日0.1~0.25km-1范围的消光系数.     

东北区域空气质量时空分布特征及重度污染成因分析

东北已成为我国又一个霾污染多发和重发区域.采用2013～2017年东北区域大气污染物地面监测数据、卫星数据和气象数据等信息,探讨了中国东北地区空气质量时空分布特征与重度污染成因.结果表明,"沈阳-长春-哈尔滨"带状城市群是全年污染最严重的区域,空气质量指数(AQI)的空间分布具有明显的季节性,冬季污染最严重,春季吉林省西部周围为椭圆形污染区,夏季和秋季大部分时间空气质量最佳.3个典型的霾污染时期是10月下旬和11月上旬(即秋末和初冬,时期一),12月下旬和1月(即冬季最冷的时候,时期二),及4月到5月中旬(即春季沙尘和农业耕作期).时期一,季节性作物残茬焚烧和冬季采暖用煤燃烧产生的PM_(2.5)强排放是极端霾事件发生的主要原因(AQI 300);时期二,在最严寒月份里,重度霾污染事件(200 AQI 300),主要由燃煤和汽车燃料消耗的PM_(2.5)排放量高,大气边界层较低,以及大气扩散性差等共同引起;时期三,春季PM_(10)浓度较高,主要是由内蒙古中部退化草原的风沙和吉林省西部裸地的区域性扬尘传输造成的.同时,当地农业耕作本身也释放PM_(10),并提升了裸土的人为源矿物尘的排放强度.     

偏振激光雷达在沙尘暴观测中的数据解析

阐述了日本国立环境研究所(NIES)研制的双波长偏振激光雷达的工作原理和主要工作参数,探讨了激光雷达方程在沙尘暴监测中的应用条件,并对激光雷达获取的各种信息进行直观图视化处理.分别用光学强度、后向散射强度、退偏振率、消光系数以及双波长信号比等对沙尘天气的污染特征进行了解析,并对垂直方向沙尘浓度的分布进行了计算.研究表明:退偏振率大于10%时,即可判断为沙尘天气;双波长信号比(P(1 064)/P(532))大于0.4,则表示该期间为沙尘天气;利用消光系数表示气溶胶浓度时,NIES激光雷达观测沙尘气溶胶消光系数超过0.3 km-1(ρ(TSP)约为500　μg/m3),且持续时间超过3　h的沙尘天气现象即可判断为一次沙尘事件.根据激光雷达特有物理量对沙尘气溶胶的不同判定标准,对沙尘事件的强度、持续时间、沙尘云厚度以及沙尘天气的污染特征进行了解析和探讨.      

基于激光雷达的北京市气溶胶光学参数季节特征

利用米散射激光雷达ALS300系统在北京城区开展了为期近1年的观测,观测时间为2009年6月~2010年5月份.先将观测数据划分为春(3~5月份)、夏(6~8月份)、秋(9~11月份)、冬(12~2月份)四个季节,再对数据进行质量控制.研究了气溶胶后向散射系数、消光系数以及气溶胶光学厚度AOT和大气边界层的日均值变化特征,以及这些要素的季节和全年特征统计值.结果表明,气溶胶消光系数和后向散射系数的日平均变化形态趋于相同,数量上消光系数是后向散射系数的约10倍.它们的季节平均值廓线形态结构也并没有呈现出明显的季节性结构特征差异,2个系数最大递减均发生在1km高度范围内.在0.15~3.0km高度范围做垂直平均,夏季的后向散射系数和消光系数有最大平均值(分别为31.2Mm^-1·sr^-1和517.0Mm^-1),说明夏季有较强对流.冬季后向散射系数和消光系数最低.对于冬、春2个季节,700m高度是2个量大小分化的高度.700m高度以上,春季的后向散射系数和消光系数均大于冬季.AOT和大气边界层高度的日均值波动特性明显,日均值最大振幅出现在春季.月平均来说,在春季,气溶胶层高度和边界层高度最高(分别为3450m和970m),冬季最低(分别为2970m和712m).春、夏季节AOT波动变化大,而在秋季和冬季变化比较平缓.春夏秋冬4个季节的平均气溶胶光学厚度分别是0.689、0.699、0.571和0.647.     

北京地区夏冬季颗粒物污染边界层的激光雷达观测

在对激光雷达测量数据处理方法讨论的基础上,根据"北京空气污染物垂直结构测量试验"(BAPIE)冬季和夏季测量的数据,对北京地区气溶胶高度分布及近地面气溶胶污染边界层指标、气溶胶污染边界层统计特征、气溶胶输送南北通量高度分布、API-Ⅰ级优质大气和Ⅴ级重度污染个例等,进行了讨论。      

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%。     

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。     

车载激光雷达对北京地区边界层污染监测研究

介绍了自行研制的车载差分激光雷达AML-2探测原理及技术参数,于2006-08、2006-09在不同天气因素条件下对北京西南郊榆垡地区大气边界层污染物O3、NO2、SO2进行了实时监测,对比分析了3种污染物浓度垂直分布及日变化特征.结果表明,无外来污染输送时,3种污染物在阴雨天气总体浓度较小,O3和NO2浓度随高度升高而减小,SO2浓度垂直分布少见此特征,但在近地面0.6 km左右有较强SO2污染层.南部气流输送对北京地区大气环境影响明显,2006-08-23～2006-08-25这次强污染气流输送高度约1～1.5 km,3种污染物浓度垂直分布及日变化特征受到干扰,北京榆垡地区边界层O3、NO2、SO2总体浓度明显上升.     

联网激光雷达的观测性能综合平行比对

激光雷达以其高精度的探测能力在大气污染研究中得到了广泛应用。由于生产厂家和反演算法等的差异,激光雷达观测数据的质量参差不齐。笔者利用2013年11月和2014年3月2种不同型号激光雷达(高频激光雷达和微脉冲激光雷达) 532 nm波段的气溶胶消光系数和气溶胶自动观测网(AERONET)光学厚度数据,对2部雷达在不同空气质量下的观测性能进行综合对比。结果表明:2部雷达在不同空气质量条件下探测效果不同,空气质量为优和良时,2部雷达的消光系数比较一致,偏差主要在1 km以下;随着污染加剧,2部雷达在1 km以下的偏差先减小后增大,1 km以上的偏差随高度增大。与AERONET的光学厚度相比,高频激光雷达在轻度污染和严重污染时相对误差较小(3. 23%和26. 75%);微脉冲激光雷达在良和轻度污染时相对误差较小(40. 00%和25. 81%)。2部雷达设备的差异和重污染时不利的气象条件是影响雷达表现的重要原因。该研究作为全国激光雷达联网的前期工作,为全国激光雷达数据的综合应用提供了参考。     

A Large-Eddy Simulation Study of the Convective Boundary Layer over Philadelphia during the 1999 Summer NE-OPS Campaign

This study presents a large-eddy simulation (LES) study of the convective boundary layer on August 1, 1999 over Philadelphia, PA during a summer ozone episode. The study is an evaluation of the Colorado State University's Regional Atmospheric Modeling System Version 4.3 (RAMS4.3) with the LES option using Northeast Oxidant and Particulate Study (NE-OPS) data. Simulations were performed with different imposed sensible heat fluxes at the ground surface. The model was initialized with the atmospheric sounding data collected at Philadelphia at 1230 UTC and model integrations continued till 2130 UTC. The resulting mean profiles of temperature and humidity obtained from the LES model were compared with atmospheric soundings, tethered balloon and aircraft data collected during the NE-OPS 1999 field campaign. Also the model-derived vertical profiles of virtual temperature were compared with NE-OPS Radio Acoustic Sounder System (RASS) data while the humidity profiles were compared with NE-OPS lidar data. The comparison of the radiosonde data with the LES model predictions suggests that the growth of the mixing layer is reasonably well simulated by the model. Overall, the agreement of temperature predictions of the LES model with the radiosonde observations is good. The model appears to underestimate humidity values for the case of higher imposed sensible heat flux. However, the humidity values in the mixing layer agree quite well with radiosonde observations for the case of lower imposed sensible heat flux. The model-predicted temperature and humidity profiles are in reasonable agreement with the tethered balloon data except for some small overestimation of temperature at lower layers and some underestimation of humidity values. However, the humidity profiles as simulated by the model agree quite well with the tethered balloon data for the case of lower imposed sensible heat flux. The model-predicted virtual temperature profile is also in better agreement with RASS data for the case of lower imposed sensible heat flux. The model-predicted temperature profile further agrees quite well with aircraft data for the case of lower imposed heat flux. However, the relative humidity values predicted by the model are lower compared with the aircraft data. The model-predicted humidity profiles are only in partial agreement with the lidar data. The results of this study suggest that the explicitly resolved energetic eddies seem to provide the correct forcing necessary to produce good agreement with observations for the case of an imposed sensible heat flux of 0.1 K m s^–1 at the surface.