摘? 要：激光雷達(dá)是一種光學(xué)頻段的主動(dòng)式大氣遙感探測工具，文章采用車載大氣顆粒物激光雷達(dá)，結(jié)合固定垂直探測、移動(dòng)走航監(jiān)測和平面掃描三種探測方式，對保定市高新區(qū)顆粒物濃度進(jìn)行了連續(xù)觀測。固定監(jiān)測結(jié)果顯示，通過激光雷達(dá)獲得的氣溶膠消光系數(shù)變化趨勢與空氣質(zhì)量指數(shù)走勢相符，符合環(huán)保部的數(shù)據(jù)指標(biāo)。平面掃描監(jiān)測進(jìn)一步證明了污染高值是由本地污染和外來污染共同導(dǎo)致的?？梢酝ㄟ^平面掃描確定污染大致區(qū)域，再通過移動(dòng)走航監(jiān)測快速、準(zhǔn)確地定位污染源的位置。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物激光雷達(dá)；固定垂直探測；移動(dòng)走航監(jiān)測；平面掃描

中圖分類號：TP39；X831；X87 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）18-0167-05

Particulate Matter“Ground Air Integration”Monitoring Based on Lidar

GAO Jing

（School of Physics and Electronic Information， Dezhou University， Dezhou? 253023， China）

Abstract： Lidar is an active atmospheric remote sensing detection tool in the optical frequency band. This paper uses a vehicle mounted atmospheric particulate matter lidar， combined with three detection methods： fixed vertical detection， mobile navigation monitoring， and planar scanning， to continuously observe the concentration of particulate matter in the high-tech zone of Baoding City. The fixed monitoring results show that the variation trend of aerosol extinction coefficient obtained through Lidar is consistent with the trend of air quality index， which is in line with the data indicators of the Ministry of Environmental Protection. Planar scanning monitoring further proves that high pollution values are caused by both local and external pollution. The approximate area of pollution can be determined through plane scanning， and then the location of the pollution source can be quickly and accurately located through mobile navigation monitoring.

Keywords： atmospheric particulate matter lidar; fixed vertical detection; mobile navigation monitoring; plane scanning

0? 引? 言

大氣污染現(xiàn)已成為一個(gè)全球性問題，日益嚴(yán)重的大氣氣溶膠污染是當(dāng)前大氣研究的熱點(diǎn)[1]。大氣氣溶膠又稱為氣膠或者煙霧質(zhì)，其定義為：由空氣動(dòng)力學(xué)直徑在0.001～10 μm范圍內(nèi)的固體或液體顆粒物懸浮、分散在氣體介質(zhì)中形成的穩(wěn)定分散體系[2，3]。氣溶膠的形狀和種類多種多樣，可以是球形，也可以是片狀或其他的不規(guī)則形狀，例如云、霧、塵埃、煙、粉塵等都是氣溶膠的具體實(shí)例。

盡管氣溶膠在大氣中的含量較少，而且從大尺度跨越的時(shí)間來看，氣溶膠粒子的產(chǎn)生和消失處于一種動(dòng)態(tài)平衡，且自然源占據(jù)主導(dǎo)因素。對全球氣溶膠的自然源和人為源排放量的估算表明，人為源的排放量占比很小，僅占總排放量的10%～20%。但近年來，隨著各種工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，在人口密集的城市區(qū)域人為源排放量的占比逐漸上升，甚至很可能超過自然源并占據(jù)主導(dǎo)因素，這逐漸引起了各界的廣泛關(guān)注。大氣氣溶膠具有分布不均勻、變化尺度小等特點(diǎn)，分布在大氣邊界層內(nèi)的大氣氣溶膠與人類活動(dòng)關(guān)系密切，對人類健康、氣候變化以及大氣能見度等方面均具有重要影響[4，5]。

氣溶膠探測技術(shù)的基本原理是，通過測量入射輻射與氣溶膠粒子發(fā)生散射和吸收作用后的輻射強(qiáng)度和性質(zhì)的變化，來反演氣溶膠粒子的消光特性和空間分布。在大氣氣溶膠的研究中，氣溶膠的觀測手段主要包括直接探測和遙感探測兩種方式。直接探測是利用原位測量儀并借助地面基站、探空氣球、飛機(jī)掛載等方法進(jìn)行探測。實(shí)驗(yàn)探測大氣氣溶膠的常用儀器有：太陽或星光輻射計(jì)、激光雷達(dá)以及衛(wèi)星遙感。

車載大氣顆粒物激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對排放源的快速移動(dòng)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)監(jiān)測影響大氣條件的主要排放源，為污染源分析和相關(guān)決策提供了有效的數(shù)據(jù)支持[6]。常用的監(jiān)測方法包括平面掃描、移動(dòng)走航和固定垂直監(jiān)測[7]。固定垂直監(jiān)測可以分析空間污染物傳輸情況，結(jié)合風(fēng)向參數(shù)可以計(jì)算污染物傳送比，分析污染物本地/外來的比例。通過垂直連續(xù)長周期測量可以獲取垂直的顆粒物時(shí)空演變數(shù)據(jù)，了解本地大氣邊界層分布變化情況，是本地的污染物模式和預(yù)警預(yù)報(bào)的重要模式數(shù)據(jù)。移動(dòng)走航監(jiān)測能夠快速獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物垂直剖面，結(jié)合氣象、地形等宏觀環(huán)境條件，可以實(shí)現(xiàn)顆粒物污染的產(chǎn)生、消散及跨界輸送等過程的有效分析，在區(qū)域顆粒物污染探測方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過走航測量結(jié)合環(huán)境條件分析城市污染成因，可以直觀地反映城市各個(gè)區(qū)域的污染情況。移動(dòng)走航檢測提高了基于固定檢測的可操作性，有助于為污染源分析和相關(guān)決策提供有效的數(shù)據(jù)支持。平面掃描監(jiān)測能夠探測和記錄所在位置平均有效監(jiān)控半徑為4 km范圍內(nèi)的污染源（本地源以及外來源）的變化過程，尋找水平顆粒物排放源。在固定、走航和平掃結(jié)合的監(jiān)測模式下，可以獲取“點(diǎn)面域、地空天”的一體化數(shù)據(jù)。

1? 激光雷達(dá)原理及反演方法

激光雷達(dá)具有極高的角分辨率、時(shí)空分辨率，探測范圍廣，對大氣擾動(dòng)小，可長期連續(xù)監(jiān)測并實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，在大氣物理參數(shù)、環(huán)境探測等方面獲得了廣泛應(yīng)用。通過探測分析其發(fā)射的窄脈沖激光與傳輸路徑上的氣溶膠發(fā)生相互作用后的回波信號，從而獲得被測區(qū)域的大氣溫濕度、消光系數(shù)等參數(shù)。米散射激光雷達(dá)是最早用于大氣要素測量的激光雷達(dá)，由激光發(fā)射系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該激光器采用工作波長為532 nm的泵態(tài)激光器，單脈沖輸出能量為≥1 MJ，脈沖頻率為2 kHz。望遠(yuǎn)鏡的直徑為180 mm。粒子監(jiān)測儀的測量范圍為0～100 mg/m3，精度低于±10%。風(fēng)速和方向儀具有0～70 m/s和0～360度兩種測量范圍模式，精度為±3°。米散射激光雷達(dá)常用于探測30 km以下低空的氣溶膠。對比其他散射方式，米散射的散射截面更大，回波信號更強(qiáng)，因此米散射激光雷達(dá)常作為氣溶膠特性探測的一種有效儀器。

2? 消光系數(shù)反演方法

在利用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測的過程中，從系統(tǒng)接收的大氣散射回波信號中反演氣溶膠消光系數(shù)的方法有：斜率法、Klett法和Fernald法等[8-10]。本節(jié)主要介紹常用的Klett算法和Fernald算法的具體算法。

2.1? Klett方法

該方法是Klett于1981年提出的，適用于在非均勻大氣中獲取后向散射系數(shù)。在氣溶膠濃度較大的情況下，空氣分子的后向散射和氣溶膠的后向散射不在同一數(shù)量級。Klett假設(shè)大氣消光系數(shù)和后向散射系數(shù)之間滿足指數(shù)關(guān)系，并求解得到大氣消光系數(shù)如式（1）所示：

式中，S（z） = ln （P（z） z2），zc為邊界值，α （zc）為消光系數(shù)邊界值。Klett方法適用于大氣氣溶膠濃度較高的區(qū)域，如大氣邊界層、云層或者光學(xué)厚度較大的氣溶膠層。Klett法可以在非均勻大氣中計(jì)算出具有距離分辨率的消光系數(shù)，且采用由遠(yuǎn)及近的積分形式時(shí)，反演誤差逐漸收斂，缺點(diǎn)是沒有區(qū)別分子瑞利散射和氣溶膠米散射效應(yīng)，只能給出總消光系數(shù)。Klett法的穩(wěn)定性分析結(jié)果表明大氣光學(xué)厚度與消光系數(shù)的相對誤差成反比，反演結(jié)果的主要誤差來自假設(shè)或估計(jì)的邊界值zc。

2.2? Fernald方法

在自由對流層等大氣氣溶膠含量較少的區(qū)域內(nèi)，即空氣分子的后向散射和大氣氣溶膠的后向散射相比不能被忽略時(shí)，需要將大氣氣溶膠和空氣分子的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)分開處理。Fernald假設(shè)后向散射系數(shù)和消光系數(shù)之間是線性關(guān)系。通過Fernald法得到氣溶膠后向散射系數(shù)：

式中，S1為激光雷達(dá)比，S2為空氣分子的消光后向散射比，X（z） = ln （P（z） z2）。要從回波信號P（z）中獲得氣溶膠消光系數(shù)αa（z），需要確定以下參數(shù)：zc、S1、S2、αm（z），αa（zc）。對于532 nm波長，S1 = 50 sr，S2 = 8π / 3 sr。校準(zhǔn)高度zc是通過選擇幾乎沒有大氣氣溶膠的清潔大氣的高度來確定的。在這個(gè)高度，X（z） / βm（z）的值最小，通常接近對流層的頂部?？諝夥肿拥拿芏仁峭ㄟ^使用溫壓濕氣象探測數(shù)據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)大氣模型獲得，然后通過分子瑞利散射理論計(jì)算得到βm（z）。因?yàn)镾2 = αm（z） / βm（z） = 8π / 3 sr，得到αm（z）。大氣氣溶膠散射比：R = 1 + βa（zc） / βm（zc） = 1.01，得到βa（zc）。S1 = αa（zc） / βa（zc），最終確定αa（zc）的值。

3? 固定垂直監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)分析

圖2為2018年3月28日9：00～21：00激光雷達(dá)固定探測的氣溶膠消光系數(shù)反演圖和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）曲線的對比。圖3為大氣邊界層高度時(shí)間圖。從圖中可以看出，保定市受沙塵天氣影響，9～14時(shí)的顆粒物濃度大，形成重度污染天氣。從14時(shí)開始沙塵擴(kuò)散，對保定市區(qū)污染影響開始減輕，隨著沙塵的消散，大氣邊界層逐步升高，監(jiān)測到顆粒物濃度降低，環(huán)境指數(shù)轉(zhuǎn)好，污染等級改善。

4? 水平掃面探測環(huán)境數(shù)據(jù)分析

圖4為2018年3月27日12：00到2018年3月38日20：00的AQI隨時(shí)間的變化趨勢。從圖中可以看出凌晨3點(diǎn)處AQI逐漸上升，在上午9點(diǎn)達(dá)到峰值，并在下午2點(diǎn)后逐漸下降，說明在這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了一次顆粒物污染。在圖2中也有體現(xiàn)，但固定垂直監(jiān)測只是單點(diǎn)監(jiān)測，并不能有效跟蹤污染物的擴(kuò)散趨勢。因此我們結(jié)合平面掃描監(jiān)測，來看隨著時(shí)間變化跟蹤污染物的區(qū)域擴(kuò)散，并結(jié)合氣象因素預(yù)測污染擴(kuò)散方向，從而有針對性地對污染源進(jìn)行減排，對周圍地區(qū)進(jìn)行污染預(yù)報(bào)。激光雷達(dá)的掃描半徑為5 km，掃描方位角為0°～360°，角分辨率為2°，每個(gè)角度的掃描時(shí)間為10 s，因此，一個(gè)周期的平均掃描時(shí)間為38 min。通過更改激光雷達(dá)的頻率和角度分辨率來改變掃描時(shí)長。我們分別在第一日的22點(diǎn)以及第二日的5點(diǎn)、8點(diǎn)和11點(diǎn)進(jìn)行了一個(gè)周期的平面掃描，觀測點(diǎn)在圖中用黑色點(diǎn)標(biāo)注，對應(yīng)的平面掃描反演圖如圖4中迷你圖所示。觀察迷你圖，可以發(fā)現(xiàn)在激光雷達(dá)圖北部存在一條細(xì)微的邊界線，是因?yàn)樵?°～359°之間有一個(gè)掃描周期時(shí)間差，因此邊界線兩邊的差異越大對應(yīng)于天氣變化越快。通過平面掃描可以發(fā)現(xiàn)初始為監(jiān)測點(diǎn)附近顆粒物濃度較大，主要考慮監(jiān)測點(diǎn)附近的工業(yè)區(qū)和和熱電廠為污染來源。綜合風(fēng)速風(fēng)向分析，監(jiān)測點(diǎn)附近的污染區(qū)域擴(kuò)散，污染范圍擴(kuò)大。之后，在8點(diǎn)和11點(diǎn)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)監(jiān)測中心附近污染與周邊污染逐漸復(fù)合，顆粒物污染逐漸加重，空氣質(zhì)量指數(shù)等級惡化。

5? 車載走航探測環(huán)境數(shù)據(jù)分析

走航路線：北三環(huán)與朝陽北大街交口—朝陽北大街—北二環(huán)—陽光北大街—復(fù)興中路—翠園街。走航期間風(fēng)速風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)2級；2018年3月31日10：16～10：48走航監(jiān)測平面反演結(jié)果圖和走航GPS定位圖如圖5所示，圖6為走航監(jiān)測立體反演結(jié)果圖。從圖中可以看出在走航時(shí)段內(nèi)主要發(fā)現(xiàn)四處顆粒物濃度高值區(qū)域，分別為朝陽北大街與恒源路交口（左一實(shí)圈線）、魯崗路與朝陽北大街交口（左二虛圈線）、北二環(huán)與陽光北大街交口（左三虛圈線）和陽光北大街與復(fù)興中路交口（左四實(shí)圈線）。結(jié)合實(shí)際情況，朝陽北大街與恒源路交口處為拆遷工地路段，魯崗路與朝陽北大街交口處為建筑工地路段，主要原因?yàn)槭┕?dǎo)致的地面揚(yáng)塵使得附近顆粒物濃度升高，這種情況可以通過噴灑除塵劑來降低。在北二環(huán)與陽光北大街交口以及陽光北大街與復(fù)興中路交口顆粒物濃度較高主要是因?yàn)檐嚵鲹頂D、尾氣排放集中，導(dǎo)致顆粒物濃度升高。

6? 結(jié)? 論

本文以車載大氣顆粒物激光雷達(dá)移動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用固定、走航和平掃三種不同的檢測方式，對保定市高新區(qū)顆粒濃度進(jìn)行了連續(xù)觀測，并與環(huán)保部發(fā)布數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。車載激光雷達(dá)系統(tǒng)避免了地基激光雷達(dá)系統(tǒng)的局限性。固定的監(jiān)測結(jié)果表明，沙塵天氣導(dǎo)致的外部污染的輸入是空氣質(zhì)量指數(shù)較高的主要因素。結(jié)合平面掃描，進(jìn)一步明確顆粒物濃度升高是本地污染擴(kuò)散和外來污染復(fù)合綜合導(dǎo)致的結(jié)果。最后，通過走航監(jiān)測結(jié)合車載GPS，準(zhǔn)確定位路徑上的污染源點(diǎn)。

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作者簡介：高靜（1996—），女，漢族，山東濰坊人，助教，碩士，研究方向：激光雷達(dá)大氣環(huán)境監(jiān)測。