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大氣顆粒物激光雷達及其應用案例

2017-02-24 10:55:00

[導讀] 針對各地環境空氣質量評估考核過程中均未將沙塵天氣過程期間數據剔除,環境保護部于2017年1月4日印發《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規定》(以下簡稱《規定》)。

針對各地環境空氣質量評估考核過程中均未將沙塵天氣過程期間數據剔除,環境保護部于2017年1月4日印發《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規定》(以下簡稱《規定》)。依據《規定》,全國地級及以上城市環境空氣質量評估、考核和排名過程中剔除沙塵天氣過程的影響。規定中提出“各地環保部門如遇沙塵天氣過程,當天將沙塵天氣過程影響時段、影響范圍和其他佐證材料報送中國環境監測總站。這些數據也將作為評價、考核和排名的重要依據。”《規定》中的佐證材料包括衛星環境應用中心遙感監測結果、全國沙塵暴監測網監測數據以及氣象部門發布的沙塵信息等。在沙塵天氣的扣除條件和篩選方法上,中國環境監測總站工程師王帥說:“當沙塵天氣過程中沙塵源區城市PM10小時濃度持續兩個小時超600μg/m3,或持續1個小時超過1000μg/m3,可以剔除沙塵天氣過程影響區域范圍內源區城市及下游城市顆粒物監測數據。”

近年來,地基遙感的主動探測手段,如激光雷達不僅能夠有效判識霧霾的空間分布,對沙塵天氣發生的過程、時間、沙團輸入的高度、強度等特征,都可以進行有效監測。

1、什么是大氣顆粒物激光雷達呢?

大氣顆粒物激光雷達像“探針”一樣,通過不斷地向大氣中發射激光束,掃描大氣中的信息,通過與顆粒物和氣態分子相互作用后產生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息,類似醫學上的“CT”技術,不同的是,激光雷達獲取的是污染物的空間垂直分布。

2、激光雷達提供什么數據呢?

① 消光系數:反映污染程度,消光系數值越高,代表球形粒子污染程度越嚴重。

② 退偏振度:反映沙塵的不規則程度,沙塵的退偏振度約0.2-0.4。

③ 顆粒物質量濃度空間分布:給出不同高度處PM10和PM2.5質量濃度。

④ 能見度:給出垂直、水平能見度視程。

⑤ 外源性污染物強度:外源傳輸的輸送通量和局地污染的占比。

3、如何從激光雷達結果上讀取沙塵信息呢?我們來分析三個案例。

案例分析一:L地經歷的一次嚴重的沙塵過程(數據來源:L地站點)

 

① 沙塵爆發前:雷達圖像監測顯示,9日白天污染程度較輕,近地面有一定的塵漂浮。

② 沙塵爆發期:夜間22時,近地面的退偏振度突然增大,消光系數也有伴隨增大的現象,L地區的粗顆粒程度明顯增加,近地面的PM10由250μg/m3升至1500μg/m3,沙塵天氣加劇。

③ 沙塵消散:沙塵天氣持續至10日夜間22時,沙團中的粗顆粒明顯沉降,退偏振度和消光系數明顯減弱,污染物濃度下降,特別是PM10濃度,回落到750μg/m3,經歷11日的持續沉降和過境,沙塵天氣的影響基本消除,PM10濃度回落到250μg/m3。

案例分析二:過境沙團和沉降沙團的過程監控(數據來源:W地站點)

顆粒物激光雷達在判識外源性沙塵的另一個重要依據,是其出現的高度與近地面的污染物分布無明顯的重合。下圖是激光雷達捕獲到的一次多層沙團過境和與地面復合的結果。近地面的結果發現,PM濃度高值與沙團2沉降融合有密切關系。

 

沙塵輸入過程的激光雷達監測結果(W地)

① 沙團1: 出現在6日16時,高度4.2km處,沉降過程中沙團的下沿距地面約2.1km,尚未進入大氣邊界層內,屬于過境沙團,對近地面的影響較小。

② 沙團2:出現在7日20時前后,高度5km處,沙團強度大,沉降速率大,沙團在8日7時沉降至大氣邊界層內,與近地面污染物復合,屬于沉降沙團。

③ 沙團3:在沙團2未沉降結束時,高空3km處發生第3次的污染團的輸送。此沙團向地面遷移過程中,在1.2km處與地面污染物有明顯分界,未發生融合,屬過境沙團。

④沙團4:出現在8日20時高空3.6~4.5km范圍內出現第4次的沙團輸入。此沙團下沿最低高度至3km,既未與第3次的沙團混合,也沒有能進入邊界層內與近地面的污染物混合,推測第3次和第4次輸送的污染團與第1次的污染團類似,屬于過境沙團,對近地面的影響較小。

詳細可參閱【伍德俠, 宮正宇, 潘本鋒,等. 顆粒物激光雷達在大氣復合污染立體監測中的應用[J]. 中國環境監測, 2015(5).】

案例分析三:沙塵傳輸的激光雷達組網觀測

基于單站點的雷達可以實現對沙團的時間、高度和強度特征進行分析,基于多臺雷達組成的雷達網絡,可以對沙團的傳輸路徑、時間相位以及沉降的特征進行監控,并及時預警。2016年3~5日中央氣象臺的沙塵落區預報如下圖所示。為有效捕獲此次沙塵污染傳輸,我司利用激光雷達組網平臺,對布設在北京、無錫、上海、福州、武漢和鄭州等地的大氣顆粒物監測激光雷達數據進行快速解析,實時結果如下圖所示,沙塵到達北京、鄭州和武漢等地的時間、高度、強度和沙塵團輪廓的演化有很大的不同和較強的關聯性。

 

中央氣象臺的沙塵落區預報

 

激光雷達組網點位布設

 

大氣顆粒物激光雷達及其應用案例分析

沙塵傳輸的激光雷達組網觀測結果

致謝:衷心感謝中國環境監測總站、河南省環境監測中心、上海市環境監測中心、福建省環境監測中心站、蘭州市環境監測站、武漢市環境監測中心、福州市環境監測中心站、無錫新吳區環境監測站的大力支持。

[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  大氣顆粒物[3]    激光雷達[15]
 
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