一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征研究

采用CALIPSO卫星的星载激光雷达资料,分析了2007年3月28日~4月2日由西向东途经新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、河北、北京、山东、江苏、上海、台湾等省、市、自治区的一次远程强沙尘污染传输过程,对后向散射系数、退偏比、色比等光学特性参数进行了研究.结果表明,这次过程中,较大的沙尘颗粒大多出现在近地面附近,而相对小的沙尘颗粒在对流层中高层垂直剖面上分布比较均匀.CALIPSO卫星资料能够较好地反映强沙尘远程传输过程中沙尘气溶胶光学特性的垂直分布特征及其粒子大小、不规则性随高度的变化特征.     

2015—2018年春节期间合肥烟花爆竹燃放对空气质量的影响

根据2015—2018年颗粒物浓度数据、颗粒物组分、激光雷达等资料,分析烟花爆竹燃放对合肥市空气质量的影响。研究发现,随着烟花爆竹禁燃措施力度的加强,2018年合肥市烟花爆竹对空气质量影响较2015—2017年显著下降,2018年春节期间PM₁₀与PM_2.5峰值浓度比2017年分别下降44.4%和52.9%,污染峰值容易出现在除夕和初一前后。春节期间合肥市大气污染总体上呈现自东北到西南逐渐减轻的趋势,周边县(市)空气质量的污染程度比城区更加严重。烟花爆竹的燃放导致空气中金属元素浓度和SO₄2-浓度明显增加,富集因子法发现呈现严重富集重金属元素Sr、Zn、Ba、Cu、Pb、Sn、Sb和其他元素(如K、As)。2018年烟花爆竹禁燃措施力度加强后,K、As、Sn、Sb元素富集程度呈现下降趋势,较高消光系数对应的高度范围较2017年大幅减小,并且污染带厚度显著降低,城区依然可能存在外来污染传输的颗粒物下沉现象,周边大片农村和城乡结合部的烟花爆竹集中燃放同样会导致被其包围的城区空气质量迅速恶化。     

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.     

冷高压影响下高层水平输送对珠海市三维臭氧浓度分布的影响分析

采用地基激光雷达系统测量了近地层臭氧、气溶胶消光系数和风场的垂直分布,研究了2021年11月一次典型臭氧污染过程的时空分布特征.11月16日—17日,在弱冷高压脊天气型下,以下沉气流为主,天气晴好,有利于臭氧生成,在下沉气流主导下,高层气团输送对污染物的分布起决定性作用.其中700 m高度以上气团来源是影响16日与17日臭氧浓度峰值出现时间的重要因子,当该高度气团来自洁净海面时,造成珠海臭氧污染的主要是低层深圳输送的臭氧,臭氧往往停留在珠江口,由夜间海风输送到珠海,污染发生的时间在傍晚,持续到夜间消散;而当该高度气团与低层一样来自于深圳、东莞时,各个高度的气团均携带上游城市生成的污染物,可在下沉气流的作用下直接达到地面,造成污染,污染发生的时间在午后,在本研究中由于下沉气流加强,进一步加强了海陆风,从而使臭氧在17日傍晚得到很好的清除.     

基于地面微脉冲激光雷达的上海冬季霾强度及高度分析

利用2009—2013年冬季地面气象观测数据筛选出非霾和不同强度霾的影响时次,采用能见度与消光系数的定量关系和冬季波长系数对微霾冲激光雷达反演修正得到的气溶胶消光系数,分析了上海地区气溶胶在垂直高度上的集中范围,当地面出现轻微霾、轻度霾、中度霾、重度霾时气溶胶分别主要集中于近地面0.81、0.49、0.41、0.40 km以下,非霾时气溶胶主要集中在近地面1.35 km以下;在此基础上,根据判别不同强度霾的能见度标准和能见度与消光系数的定量关系,将能见度换算为消光系数,再对微脉冲激光雷达反演消光系数进行修正,从而判断高空霾的强度及所处的高度;另外还探讨了云对产生重度霾的影响、降水与中度霾和重度霾的关系以及颗粒物质量浓度与不同强度霾的关系,发现48.53%的重度霾是受云影响而产生的,37.11%中度霾发生前后伴有降水现象,51.14%的重度霾发生前后伴有降水现象,非霾、轻微霾,轻度霾、中度霾、重度霾期间的颗粒物浓度和细颗粒物占的比例依次增大.     

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。     

石家庄冬季典型污染过程气溶胶激光雷达观测

基于2016年冬季石家庄市微脉冲气溶胶激光雷达观测资料,采用归一化梯度法和梯度法两种方法反演了大气污染边界层高度,并将结果与相同时段探空资料获得的边界层高度进行对比验证,同时选取典型个例对污染边界层高度的过程演变特征进行了分析,探索了不同污染等级下污染边界层结构.结果表明,归一化、梯度法反演结果均与探空位温确定的边界层高度存在一致性,相关系数分别为0.62、0.55,均通过了0.05的显著性检验,但归一化相对误差为19%,梯度法为34%,表明归一化梯度法优于梯度法且其反演结果是可靠的.空气质量优良日,归一化梯度法反演结果准确度降低,与位温确定边界层高度最大偏差约1000m;随着污染程度加重,反演结果与位温确定边界层高度差减小,污染期间,污染边界层高度总体低于1000m,污染最重时段降到400m左右.不同空气质量等级、不同高度气溶胶消光系数垂直递减率具有明显差异,污染天气400m高度垂直递减率最大,表明该层以下为较重污染聚积层,之后随高度升高消光系数明显减小,700m以上为清洁空气.     

北京市气溶胶消光系数垂直特征及影响因子探讨

为研究北京市气溶胶垂直方向上的分布特征,利用微脉冲激光雷达（MPL）对北京市2015年12月-2016年11月的气溶胶光学特征进行分析,讨论了气溶胶消光系数的季节性特点以及不同污染等级下的垂直分布,并对其影响因素进行了探讨.结果表明:①北京市气溶胶消光系数垂直特征在季节上存在异质性.秋、冬两季近地面1.0 km以下气溶胶消光系数显著增大,最大气溶胶消光系数大于1.0 km-1;春、夏两季污染日较少,气溶胶消光系数在垂直方向上变化较为平缓.②不同污染等级下气溶胶消光系数的垂直特征差异明显.空气质量为优-良水平时,气溶胶消光系数较低,基本不高于0.7 km-1;轻-中度污染时,气溶胶消光系数在不同季节差异较大,冬、春两季气溶胶消光系数不超过0.8 km-1,夏、秋两季在1.0 km-1左右,部分监测站甚至在1.4 km-1左右;重度及以上污染时,气溶胶消光系数基本在1.0 km-1以上,最高可达1.7 km-1.③105 m处气溶胶消光系数与ρ（PM_2.5）相关性较好.气溶胶消光系数除受ρ（PM_2.5）影响外,还受相对湿度影响较大.夏、秋两季对流层底层大气相对湿度偏高,致使气溶胶消光系数显著高于春季和冬季.研究显示,利用激光雷达可对北京市气溶胶垂直方向分布特征进行有效分析,气溶胶的垂直分布受污染水平和相对湿度的影响呈季节性变化.      

三种激光雷达监测污染物分布和输送对比

利用3种不同型号激光雷达在广州番禺大气成分观测站开展外场同步对比观测实验.通过全球地基气溶胶监测网（AERONET）气溶胶光学厚度（AOD）产品验证了3种激光雷达原始信号反演消光系数的可靠性.同时对比探讨了激光雷达低层反演能见度产品与能见度仪的相关性;对比美国国家环境预报中心全球同化系统模式（NCEP-GDAS）模拟结果讨论了激光雷达对混合层高度反演的有效性.最后利用个例分析揭示不同天气型下污染物可能的外源输送和本地积累.量化分析结果表明：3部激光雷达反演的能见度与能见度仪的相关系数均达到0.7以上,混合层高度均与NCEP-GDAS模式计算的混合层高度具有一定的可比性.与模拟结果相比,白天混合层高度在霾天气时相对较低,更能有效的揭示霾天气,亦可反映夜间间歇性湍流特性.应用分析表明：3部激光雷达均能较为一致的监测污染物的输送和本地的累积.外来输送主要以弱冷空气输送型为例,分析个例（2014年11月21~22日、24~25日）表明：后一过程（24~25日）由于夜间混合层高度（MLH）低,导致上层的粒子无法下传,污染物聚集在0.8km,且快速过境了,而前一过程（21~22日）整层输送,导致了近地层相对高的PM_2.5浓度;本地累积主要以冷高出海型为例（2014年11月25日20：00~27日20：00）,逆温与低的地表通风系数共同造成了前一时段（25日20：00~26日20：00）的消光明显高于后一时段（26日20：00~27日20：00）.     

多遥感设备联用在区域空气质量变化与边界层结构关系研究中的应用

为研究佛山地区空气质量变化与边界层结构的关系,2015年10-12月在佛山地区3个站点同步开展了多台风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计联用的大气边界层结构观测实验.结果表明:风廓线雷达探测可获得平均风场垂直分布的连续变化,发现佛山地区风场垂直分层结构明显,空气污染与近地小风层厚度的相关性较强.激光雷达探测可获得颗粒物消光特性垂直分布的连续变化,发现佛山地区颗粒物消光特性与大气边界层结构有密切关系,空气质量指数(AQI)变化与颗粒物激光雷达探测反演的边界层高度相关性较高,相关系数为-0.58.微波辐射计探测可获得平均温度、相对湿度垂直分布的连续变化,逆温和相对湿度变化对边界层日变化及空气污染成因分析有较高的价值.通过多设备联合探测,可同时获得研究地区平均风场垂直分布特征、颗粒物浓度变化特征、逆温和相对湿度的变化特征.多设备联合探测,有利于区域空气质量变化与边界层结构关系机理研究,对区域空气质量变化的预测预报有重要作用.