基于激光雷達的成都市氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征研究

劉培川，周書華，廖乾邑，張 巍，曹 攀

(1.四川省環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091；2.宜賓市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 宜賓 644000)

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· 綜 述 ·

基于激光雷達的成都市氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征研究

劉培川1，周書華2，廖乾邑1，張 巍1，曹 攀1

(1.四川省環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091；2.宜賓市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 宜賓 644000)

利用2013年9月～2014年8月期間成都市基于激光雷達和太陽光度計觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度資料，對激光雷達資料的適用性和氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征進行了研究。結(jié)果表明：(1)激光雷達與太陽光度計觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性較高，說明激光雷達的觀測結(jié)果具有較好的適用性。(2)成都市氣溶膠光學(xué)厚度整體較高，全年AOD的平均值約為1.00。(3)氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)差異明顯，呈現(xiàn)出冬季最大、秋季和春季次之、夏季最小的特征。(4)月平均氣溶膠光學(xué)厚度呈“雙峰”結(jié)構(gòu)，峰值分別出現(xiàn)在2月和11月，谷值出現(xiàn)在6月；(5)氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征顯著，一天當(dāng)中12:00達到最大值，17:00左右達到最小值。

成都；激光雷達；氣溶膠光學(xué)厚度；時間變化

1 引 言

作為衡量環(huán)境空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，氣溶膠光學(xué)厚度(AOD：Aerosol Optical Depth)是指從地面到大氣層頂?shù)臍馊苣z消光系數(shù)的積分[1]。氣溶膠光學(xué)厚度不僅可以反映出大氣氣溶膠的光學(xué)特性，也是評估大氣污染程度、計算氣溶膠含量、研究氣溶膠氣候效應(yīng)的重要參數(shù)，一直是內(nèi)外國學(xué)者的研究熱點[2]。Qiu[3]、Gueymard[4]提出并發(fā)展了寬帶消光法，試圖從多年常規(guī)輻射觀測資料中間接提取大氣氣溶膠光學(xué)厚度信息。Leon等[5]用2006～2008年激光雷達資料，分析了(16.96°W，14.39°N)的氣溶膠光學(xué)厚度的年、季變化特征以及氣溶膠消光系數(shù)的變化特征。楊琨等[6]利用1999～2003年1月、4月、7月、10月期間我國70個站的能見度資料和平均水汽壓資料，通過反演獲得各站的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，結(jié)果表明，我國多年平均氣溶膠光學(xué)厚度呈弱增加趨勢，空間分布以四川盆地為中心向四周減少，長江中下游地區(qū)以及廣東沿海地區(qū)為兩個次高值中心，大部分西北地區(qū)以及東北地區(qū)、云南等氣溶膠光學(xué)厚度較小。段婧等[7]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品分析了長江三角區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度的分布和季節(jié)變化特點，結(jié)果顯示，氣溶膠光學(xué)厚度大于1.0的區(qū)域面積增加最快，山區(qū)城市群的氣溶膠光學(xué)厚度的峰值出現(xiàn)在春季，平原城市群氣溶膠的峰值出現(xiàn)在夏季，山區(qū)城市群明顯小于平原城市群。田鵬飛等[8]根據(jù)激光雷達資料，分別用Fernald和Klett兩種方法研究了蘭州的氣溶膠光學(xué)厚度，結(jié)果表明，激光雷達觀測反演的結(jié)果比太陽光度計實測反演的AOD大7.4%，二者相關(guān)系數(shù)為0.93。田永麗等[9]利用成都和香格里拉兩站2008年的太陽光度計觀測資料研究氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征呈準(zhǔn)雙峰型，香格里拉呈上升趨勢。

成都位于四川盆地西部邊緣，該地區(qū)關(guān)于氣溶膠光學(xué)厚度的研究相對京津唐、長三角、珠三角等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)較薄弱。已有的研究也大多基于MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品和太陽光度計的觀測反演，利用激光雷達觀測反演氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)研究較少，這使得激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用也不能更好地發(fā)揮。本文利用2013年9月～2014年8月成都市激光雷達的觀測資料，對該地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征進行系統(tǒng)分析，不僅可以進一步了解該地區(qū)的大氣環(huán)境，還對環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報以及后續(xù)研究工作具有重要意義。

2 資料與方法

2.1 資料介紹

2.1.1 激光雷觀測資料介紹

本文所使用的EV-Lidar激光雷達為偏振米散射微脈沖激光雷達，位于成都市區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測站，距地面約35m。該儀器自2013年6月正式投入觀測，觀測范圍可達30km，垂直分辨率為15m。此套激光雷達主要用于在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)對大氣氣溶膠進行垂直連續(xù)掃描，從而得到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)垂直方向上的大氣氣溶膠的分布情況，并結(jié)合時間推移及掃描高度變化，可以分析監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大氣氣溶膠的時空演變特征，可監(jiān)測污染物的上升、下降的擴散規(guī)律以及灰霾、沙塵等天氣下氣溶膠的變化過程，從而進行深入的科學(xué)研究。

本文選取了2013年9月1日～2014年8月31日期間成都市的激光雷達觀測資料，先篩選出異常數(shù)據(jù)，從而對大氣氣溶膠光學(xué)厚度的年、季(秋—9、10、11月，冬—12、1、2月，春—3、4、5月，夏—6、7、8月，)、月、日變化特征進行準(zhǔn)確分析。

2.1.2 光度計資料介紹

太陽分光光度計屬于空間氣溶膠團在線監(jiān)測儀器，由于儀器主要接收太陽光，因此成都市太陽光度計工作時間為06:30～18:30，并隨著季節(jié)變化略有調(diào)整。為了消除早晚輻射逆溫、霧的影響，本文采用10:00～18:00時間段的太陽光度計資料對激光雷達資料進行驗證。其主要監(jiān)測不同波段的太陽光經(jīng)過氣溶膠后的輻射能量，從而得到太陽光譜的不連續(xù)光譜，而不同波長又對應(yīng)著各自敏感的污染物，因此太陽光譜的變化可以反映污染物的整體變化趨勢。

本文所使用的光度計有10個不同波段的光學(xué)光柵，分別為298.6nm、324.2nm、331.3nm、366.9nm、495.9nm、613.3nm、669.7nm、782.2nm、940.6nm、1 038.8nm?？紤]到光度計沒有532nm波段，所以本文所用的光度計資料為2013年9月～2014年8月495.9nm、613.3nm兩個波段的氣溶膠光學(xué)厚度資料，通過公式(1)、(2)擬合得到532nm氣溶膠光學(xué)厚度[10]。

τ=βλ-α

(1)

(2)

2.1.3 顆粒物資料介紹

獲取成都市2013年9月～2014年8月成都市顆粒物的逐日資料并按照國家對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性的判定標(biāo)準(zhǔn)進行篩選。

2.2 方法介紹

2.2.1 激光雷達反演方法介紹

微脈沖激光雷達的原始回波信號方程如下所示[11]：

(3)

其中P(z)為接收的大氣回波功率；P0為激光發(fā)射功率；C為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)(W·km3·Sr1)，β(z)為大氣總的后向散射系數(shù)(km3·Sr-1)，α(z)為高度z處大氣消光系數(shù)(km-1)。對于激光雷達所探測的雷達回波信號的處理主要有三種方法，即Collis斜率法[12]、Klett方法[13]和Fernald方法[14]。一般采用Collis斜率法求解水平消光系數(shù)分布，F(xiàn)ernald方法求解垂直消光系數(shù)。西南交通大學(xué)的激光雷達主要是掃描垂直方向上的氣溶膠，故本文基于Fernald積分法來求方程(3)。

Zc高度以下的氣溶膠消光系數(shù)：

(4)

Zc高度以上的氣溶膠消光系數(shù)：

(5)

式中X(z)=P(z)z2，S1=α1/β1是氣溶膠消光后向散射比；S2=α2/β2是空氣分子的消光后向散射比，通常將其設(shè)為8π/3，α2為空氣分子的消光，根據(jù)Rayleigh散射理論由美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式提供的空氣分子密度的垂直廓線計算可得，Zc是邊界高度[15]。

2.2.2 氣溶膠光學(xué)厚度計算

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是描述氣溶膠對太陽輻射進行散射和吸收消光的一個定量指標(biāo)，也是對大氣柱氣溶膠載荷的估計，并用來評估氣溶膠的直接輻射強度。通過對激光雷達信號反演，可以得到氣溶膠消光系數(shù)垂直分布σα(z)，對σα(z)進行積分[16]

(6)

便可計算出氣溶膠光學(xué)厚度。由于反演得到的氣溶膠消光系數(shù)σα(z)分布是離散的，對每一層次采用梯形公式求其積分。

3 激光雷達反演的氣溶膠光學(xué)厚度的適用性研究

利用2013年9月～2014年8月期間每天10:00～18:00成都市激光雷達觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度與同期太陽光度計反演的氣溶膠光學(xué)厚度資料(共851個觀測樣本)，對二者的相關(guān)性進行研究。結(jié)果如圖1所示，激光雷達觀測反演的氣溶膠

光學(xué)厚度與太陽光度計觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.78，并通過t(α=0.05)相關(guān)性檢驗。說明激光雷達的觀測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，對大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征的探究也具有較好的適用性。

圖1 激光雷達觀測反演與太陽光度計反演的AOD比較驗證Fig.1 The validation of AOD calculated by the observation of laser radar and the sun photometer

4 氣溶膠光學(xué)厚度的時間分布特征研究

4.1 氣溶膠光學(xué)厚度的年、季變化特征

如表1和圖2所示，2013年9月～2014年8月期間成都市的氣溶膠光學(xué)厚度整體較高，季節(jié)差異明顯，表現(xiàn)出冬季最大、秋季和春季次之、夏季最小的特征，這與該區(qū)域PM10(可吸入顆粒物)的季節(jié)差異基本一致。成都市全年平均氣溶膠光學(xué)厚度為1.00左右，從全國總體來看，2013年成都市氣溶膠光學(xué)厚度比薛文博在文獻[17]中基于MODIS氣溶膠產(chǎn)品對2005～2012年期間北京(0.51)、上海(0.46)、杭州(0.66)的研究結(jié)果高，與重慶(1.01)差異非常小。在此期間，成都市空氣污染嚴重，氣溶膠顆粒物的質(zhì)量濃度較高，故氣溶膠光學(xué)厚度也較大。成都市冬季氣溶膠光學(xué)厚度最大，AOD為1.15，秋季和春季差異不大，AOD分別為1.02、1.01，而夏季顯著小于其它三個季節(jié)，AOD僅0.79，這與該區(qū)域PM10的季節(jié)變化特征基本一致。本文與文獻[18]中利用MODIS數(shù)據(jù)對成都市氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)變化的研究結(jié)論基本吻合，同時也說明本文所用的通過激光雷達的探測反演的氣溶膠光學(xué)厚度的結(jié)果是合理的。

表1 2013年9月～2014年8月成都市PM10的全年、各季平均濃度值Tab.1 The annual and seasonal variation of PM10 concentration in Chengdu from September 2013 to August 2014(μg/m3)

圖2 2013年9月～2014年8月成都市氣溶膠光學(xué)厚度的年、季分布Fig.2 The distribution of annual and seasonal aerosol optical thickness in Chengdu from September 2013 to August 2014

4.2 氣溶膠光學(xué)厚度的月變化特征

圖3為2013年9月～2014年8月期間成都市氣溶膠光學(xué)厚度的月分布圖，從圖中可以看到，月平均氣溶膠光學(xué)厚度呈“雙峰”結(jié)構(gòu)，峰值分別出現(xiàn)在2月和11月，谷值出現(xiàn)在6月。成都市各月平均氣溶膠光學(xué)厚度的差異較大，介于0.73～1.25之間，峰值分別出現(xiàn)2月和11月，AOD分別為1.24、1.25，谷值出現(xiàn)在6月，AOD為0.73。成都市氣溶膠光學(xué)厚度的月變化特征也反映出了“冬大夏小”的特點，深秋11月份開始，氣溶膠顆粒物濃度處于一個高值狀態(tài)，一直持續(xù)到2月份以后，故在此期間氣溶膠光學(xué)厚度較大，2月份以后，有利的氣象條件可以有效降低大氣中氣溶膠顆粒物的濃度，故氣溶膠光學(xué)厚度也相應(yīng)減小，6月份以后隨污染物濃度的逐漸增加而增大。

圖3 2013年9月～2014年8月成都市月平均氣溶膠光學(xué)厚度的分布Fig.3 The distribution of monthly average aerosol optical thickness in Chengdu from September 2013 to August 2014

4.3 氣溶膠光學(xué)厚度的逐日變化特征

如圖4所示，2013年9月～2014年8月期間成都市逐日氣溶膠光學(xué)厚度變化幅度較大，在0.1～2.0之間波動變化。9月成都市氣溶膠光學(xué)厚度開始逐漸增大，12月上旬略有減小，隨后又逐漸增大，一直持續(xù)到1月15日氣溶膠光學(xué)厚度達到最大值，為1.9，1月下旬氣溶膠光學(xué)厚度有一個驟升驟降的過程，進入春季以后逐漸減小，7月11日取得最小值，僅0.17。

圖4 2013年9月～2014年8月成都市氣溶膠光學(xué)厚度的逐日變化圖Fig.4 The daily variation of aerosol optical thickness in Chengdu from September 2013 to August 2014

4.4 氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征

如圖5，在2013年9月～2014年9月期間成都市各時段的平均氣溶膠光學(xué)厚度變化特征表現(xiàn)為：氣溶膠光學(xué)厚度從00:00開始先略有減小后又增加，03:00達到第一個峰值(AOD為1.22)，隨后逐漸減小，一直持續(xù)到06:00開始緩慢增大，直至12:00達到第二個峰值(AOD為1.30)，12:00以后開始急劇下降，17:00達到谷值(AOD為0.78)，17:00以后氣溶膠光學(xué)厚度又開始急劇增大。此外，從圖中還可以看到，12:00～20:00期間氣溶膠光學(xué)厚度的變化非常顯著，先急劇下降后又急劇上升，而00:00到次日10:00期間氣溶膠光學(xué)厚度的變化非常緩慢，這與人為活動和氣象條件的日變化有密切關(guān)系。

圖5 2013年9月～2014年8月成都市氣溶膠光學(xué)厚度的日變化Fig.5 The daily variation of aerosol optical thickness in Chengdu from September 2013 to August 2014

5 結(jié)論與展望

本文利用激光雷達觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度資料，對其時間變化特征進行詳細分析。主要結(jié)論如下：

(1)基于激光雷達觀測反演的氣溶膠光學(xué)厚度與太陽光度計實測的氣溶膠光學(xué)厚度二者之間的相關(guān)性較高，說明激光雷達的觀測結(jié)果具有較好的適用性。

(2)2013年9月～2014年8月成都市氣溶膠光學(xué)厚度整體較高，全年平均氣溶膠光學(xué)厚度為1.00左右；季節(jié)差異明顯，表現(xiàn)出冬季最大、秋季和春季次之、夏季最小的特征。

(3)成都市各月氣溶膠光學(xué)厚度的差異較大，月平均值呈“雙峰”結(jié)構(gòu)，峰值分別出現(xiàn)在2月和11月，谷值出現(xiàn)在6月，這與顆粒物質(zhì)量濃度的月分布特征大體一致。

(4)成都市氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征明顯，一天當(dāng)中12:00達到最大值，17:00左右達到最小值。

然而，本文仍有許多不足之處，例如資料的年限較短，未能反映多年成都市氣溶膠光學(xué)厚度的變化情況；詳細統(tǒng)計分析氣溶膠光學(xué)厚度的時間變化特征，并簡要分析氣溶膠顆粒物濃度對氣溶膠光學(xué)厚度的影響，但未考慮具體因素對氣溶膠光學(xué)厚度的影響，期望后續(xù)研究工作中能從此方面進行相關(guān)研究。

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A Laser Radar-Based Study on Variation of Aerosol Optical Depth in Chengdu

LIU Pei-chuan1, ZHOU Shu-hua2, LIAO Qian-yi1, ZHANG Wei1, CAO Pan1

(1.SichuanProvinceEnvironmentalMonitoringStation,Chengdu610091,China;2.YibinCityEnvironmentalMonitoringCenterStation,Yibin,Sichuan644000,China)

Using the aerosol optical depth inversion data based on the observation of Laser radar and the sun photometer from September 2013 to August 2014 in Chengdu, this paper studied the applicability of the Laser radar and the time variation of the aerosol optical depth in detailed. The results showed that, (1) The correlation of aerosol optical depth calculated by Laser radar and sun photometer was high, indicating that observation data of laser radar had good applicability. (2) The aerosol optical depth of Chengdu was high overall and the annual average of AOD was about 1.00.(3) The seasonal differences of aerosol optical depth was significant, which present the characteristics that largest in winter, followed by autumn and spring, minimum in summer.(4) The monthly average of aerosol optical depth showed "twin peaks" structure, the peak value showed in February and November, the valley value showed in June.(5) The daily variation of the aerosol optical depth was significant, which reache maximum value at 12:00 and the minimum value at 17:00.

Chengdu；laser radar; aerosol optical depth; time variation

2016-01-07

四川省環(huán)境保護重大科技專項(2013HBZX01)。

劉培川(1989-)，男，四川宜賓人，2015年畢業(yè)于成都信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)推廣專業(yè)，碩士，研究方向為氣象資源與社會發(fā)展。

X51

A

1001-3644(2016)03-0141-05