一次稳定天气系统下气溶胶沉降过程分析

张嘉霖，刘 东

(1.成都信息工程大学大气科学系，四川成都 610225；2.中国科学院安徽光学精密仪器研究所，安徽合肥 230031)

一次稳定天气系统下气溶胶沉降过程分析

张嘉霖1，刘 东2

(1.成都信息工程大学大气科学系，四川成都 610225；2.中国科学院安徽光学精密仪器研究所，安徽合肥 230031)

选取天津地区春末夏初一次空气污染过程，利用安徽光机所研制的Mie散射激光雷达探测资料，结合微波辐射计、地面气象观测数据对天津地区大气气溶胶垂直分布情况进行了研究，并对当时的气象条件及大气边界层逆温特征进行了分析。结果表明，大气气溶胶的沉降过程与能见度的变化具有一定的相关性，在一次连续的观测过程中监测到大气气溶胶随时间有一个明显的沉降过程。气溶胶层层顶下降1 km，当日能见度在相同时段里明显降低，说明气溶胶的沉降对能见度产生了一定的影响。由于逆温层I的存在抑制了大气的垂直运动，逆温层II异常稳定，在较长的时间内未发生明显的变化。天津地区此次空气污染过程中污染物主要为外源性输送。

激光雷达；气溶胶；沉降；能见度；逆温

近年来，我国多次发生长时间、大范围的低能见度天气，严重影响公路、水路和航空运输；低能见度天气条件下极易形成二次大气颗粒物污染，严重危害人体健康。大气气溶胶是雾霾形成过程中的凝结核，其结构的变化对能见度有较大的影响[1-3]。随着激光技术的发展，激光探测在大气遥感中扮演着越来越重要的作用。激光雷达作为一种主动遥感设备，能够提供大气气溶胶高分辨率的时空分布，已被广泛应用于大气气溶胶的研究中[3-6]。近年来，国内外学者对能见度与气溶胶质量浓度之间的关系进行了许多研究，发现气溶胶的散射和吸收对能见度有一定的影响[7-8]。气溶胶的散射与粒径有关，大颗粒散射引起的大部分散射光线并不会明显地改变其原来的路径，而那些大小与可见光波长相近的颗粒对路径的影响较明显。有研究表明，气溶胶是能见度衰减的首要贡献者，气溶胶的消光系数占总消光系数的比例可达70%～80%[7-9]。

影响天津地区重污染天气过程的因素主要包括秋冬季的静稳天气形势和光化学污染[7-9]。目前，有关冬季空气污染过程的研究较多[10-13]，而对春末夏初空气污染过程的气象条件和预报的研究很少。另外，大气气溶胶在垂直方向上的运动多以沉降为主，大气气溶胶的沉降是否会导致能见度出现变化在以往的观测中鲜有研究。笔者选取天津地区春末夏初一次空气污染过程，利用安徽光机所研制的Mie散射激光雷达探测资料，结合微波辐射计、地面气象观测数据对天津地区大气气溶胶垂直分布情况进行了研究，并对此次污染过程的气溶胶结构演变特征、气象因子及能见度的变化过程进行了详细分析，以期为此类型污染天气的形成原因和预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 激光雷达及其探测方法 激光雷达的主要组成部分包括激光发射、接收光学、后继光学和信号探测4 个单元。此次试验过程使用的激光雷达在工作时，通过主控计算机发出触发信号给激光器，激光器以10 Hz 的脉冲重复频率发射532 nm的激光，激光穿过大气，部分后向散射光反射，通过接收望远镜收集，并利用会聚透镜使之变为平行光。平行光束通过532 nm的窄带滤光片，由532 nm的光子探测器进行光电转换，经过放大器放大后由数据采集卡采集大气的后向散射信号。

1.2 激光雷达数据处理方法 反演激光雷达的大气气溶胶消光系数垂直分布的方法中，Fernald方法是目前最为成熟稳定的反演方法[9，14]。对于一定波长的激光回波信号，如果已知某高度处的该波长大气气溶胶和空气分子的后向散射系数，即通常所说的标定值，以标定点为界，该方法可以计算标定点上方(前向积分)和下方(后向积分)的大气气溶胶光学性质。由于笔者所研究的大气气溶胶主要在边界层以下，高度较低，不考虑5 km以上高度的大气气溶胶影响，主要通过后向积分进行计算。Fernald方法后向积分计算以下各高度该波长的气溶胶消光系数公式如下[9，14]：

(1)

式中，X(z)=P(z)z2，P(z)为激光雷达获得的高度z处的回波信号。由(1)式可以看出，若要从激光雷达测量的回波信号P(z)中得到大气气溶胶的消光系数αa(z)，必须事先知道标定高度zc、αm(z)、αa(zc)、S1和S25个参数。

标定高度zc是通过选取近乎不含气溶胶的清洁大气层所在的高度来确定，这个高度通常在对流层顶附近，在这个高度上X(z)/βm(z)的值最小。

空气分子在532nm的后向散射系数βm(z)使用30°N冬/夏季美国温压湿标准大气模式，利用分子瑞利散射理论进行计算。根据瑞利散射理论，大气分子的消光散射比S2=αm(z)/βm(z)=8π/3(Sr)，通过大气分子的βm(z)可以求得大气分子的消光系数αm(z)。

气溶胶消光系数的标定值αa(zc)由气溶胶散射比R=1+βa(zc)/βm(zc)来确定，对于532nm，R532=1.01。

S1=αa(z)/βa(z)是气溶胶消光后向散射比，它依赖于发射的激光波长、气溶胶的尺度谱分布和折射指数，数值一般为20～70Sr。在通常计算中，需要假定对于同一波长，各高度处的气溶胶消光后向散射比是一个常数，即气溶胶在化学组成上及尺度分布上不随高度变化，气溶胶光学特性的变化依赖于气溶胶密度随高度的改变。对于532nm，消光散射比通常取为S1=50Sr[14]。

1.3 试验场地及数据来源 2013年4月24日—5月1日，利用安徽光机所研制的单波长米散射激光雷达(MSLidar)在天津市进行为期7d的激光雷达探测，获得0.5～10.0km的大气气溶胶垂直分布情况。雷达以532nm激光为光源，可以获得大气气溶胶532nm的后向散射系数、消光系数垂直分布廓线以及光学厚度等参数。该雷达的垂直分辨率为7.5m，几何因子影响探测距离为300.0m。通过气溶胶光学性质廓线可以获取大气气溶胶的垂直分布特征。结合微波辐射计资料，对激光雷达获取的大气气溶胶后向散射系数廓线进行对比，获得大气气溶胶光学性质与相对湿度垂直分布廓线的对比资料。微波辐射计为一台35通道MP-3000A微波辐射计，可以获得大气水汽含量、相对湿度、温度等的垂直分布。

2 结果与分析

2.1 大气环流背景 从图1可以看出，2013年4月27日气溶胶沉降过程发生时，大气环流在500 hPa为弱高压脊控制，呈现出稳定的形势场，以平稳的西北气流为主，该形势场为能见度的降低提供了稳定的高空形势。地面处于低压倒槽顶部，风力较小，形势稳定，12 h内以偏东风为主，有利于大气气溶胶的聚集。

注：a1、b1为27日08：00；a2、b3为27日20：00；b2为27日14：00。色标为等风速线。Note：a1，b1.08：00 on Apr.27；a2，b3.20：00 on Apr.27；b2.14：00 on Apr.27.Colour code indicates isotach.图1 2013年4月27日500 hPa(a)和地面(b)流场Fig.1 500 hPa(a)and ground(b)flow field on Apr.27，2013

图2 天津地区2013年4月27日08：00、14：00、20：00的温度垂直分布廓线Fig.2 The vertical profiles of temperatures at 08：00，14：00 and 20：00 on Apr.27, 2013 in Tianjin area

2.2 气溶胶层和逆温层的层结特征 从图2可以看出，4月27日08：00在0.5～1.0 km出现了较强逆温层，形成一个深厚的稳定层I，由于逆温的出现使低层湍流交换能力减弱且在中高层抑制了大气的垂直运动，在2.5～2.7 km出现第二

层逆温II，导致上下温差进一步减小，使空气层结极其稳定且比I层逆温更有利于污染物的积累，并阻止了非逆温层污染物的垂直输送。逆温结构向下传递，08：00逆温层为0.5～1.0 km，14：00逆温层为0.5～0.8 km，20：00逆温层0.2～1.0 km；而对于2.5～2.7 km的逆温层，由于逆温层I的存在抑制了大气的垂直运动，该逆温层结构一直稳定存在。 从图3可以看出，0～2 km高度存在很明显的气溶胶层，且该层气溶胶的大气相对湿度为40%～60%，相对湿度较低。在1.0和2.2 km后向散射系数出现2次明显的衰减，即2处逆温的存在，抑制了大气的垂直运动，导致在0～1.0、1.0～2.5 km气溶胶出现2次分层现象。

2.3 气溶胶层的沉降 利用线性拟合求气溶胶后向散射系数最大衰减高度的方法获取4月27日各整点时刻气溶胶层层顶高度，结果发现(图4)，在气溶胶层顶附近气溶胶后向散射系数在垂直方向上有一个很大的衰减。从表1可以看出，大气气溶胶层顶高度10 h均匀下沉约1 km。结合当天地面观测资料，能见度在08：00、14：00、20：00分别为18、12、10 km，可以推断该大气气溶胶层的沉降对能见度的降低产生了一定的影响。气溶胶层顶高度的下降与能见度之间直接的正相关关系对污染物的预报具有较好的指示意义。后向散射系数廓线(图5)显示，沉降的气溶胶层在边界层至3 km，而天津地区污染物受逆温层I的抑制基本不能扩散至此高度，证明污染物的外源性输送是天津地区此次空气污染过程形成的重要原因。

图3 2013年4月27日15：00(a)和20：00(b)大气气溶胶后向散射系数和相对湿度垂直分布Fig.3 The varitical distribution of atmospheric aerosols backscattering coefficient and relative humidity at 15：00(a) and 20：00(b) on Apr.27，2013

图4 线性拟合求斜率获取的气溶胶层顶高度Fig.4 The altitude of aerosol layer seeking by linearly fitting the slope

表1 2013年4月27日气溶胶层顶变化与能见度和逆温间的关系

Table 1 The relationship between aerosol roof topography，visibility and temperature inversion on Apr.27，2013 km

3 结论

(1)大气气溶胶的沉降过程与能见度的变化具有一定的相关性，在一次连续的观测过程中监测到大气气溶胶随时间有一个明显的沉降过程。

图5 2013年4月27日大气气溶胶后向散射系数垂直分布及气溶胶层顶高度随时间的变化Fig.5 Vertical distribution of atmospheric aerosol backscattering coefficient and variation of aerosol roof height with time on Apr.27，2013

(2)气溶胶层层顶下降1 km，根据地面观测资料显示当日能见度在相同时段里出现较明显的降低，能见度由18 km逐步降至10 km。说明气溶胶的沉降对能见度产生了一定的影响。

(3)对于逆温层II，由于逆温层I的存在抑制了大气的垂直运动，逆温层II异常稳定，在较长的时间内未发生明显的变化。

(4)沉降的气溶胶层结存在于1.5～3.0 km，该高度范围高于逆温层I所在的高度，天津地区污染物受逆温层I的抑制很难突破至边界层之上，由此大致可以推断天津地区此次空气污染过程中污染物主要为外源性输送。参考文献

[1] 张仁健，浦一芬，徐永福，等.青岛大气气溶胶的浓度分布和干沉降的观测研究[J].气候与环境研究，2004，9(2)：390-395.

[2] 董云升，刘文清，刘建国，等.激光雷达在城市交通污染中应用研究[J].光学学报，2010，30(2)：315-320.

[3] 刘东，戚福弟，金传佳，等.合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测[J].大气科学， 2003，27(6)：1093-1100.

[4] 汪少林，谢品华，胡顺星，等.车载激光雷达对北京地区边界层污染监测研究[J].环境科学，2008，29(3)：562-568.

[5] 徐阳阳，刘树华，胡非，等.北京城市化发展对大气边界层特性的影响[J].大气科学，2009，33(4)：859-867.

[6] 王欣，卞林根，逯昌贵.北京市秋季城区和郊区大气边界层参数观测分析[J].气候与环境研究，2003，8(4)：475-484.

[7] 程穆宁，崔云霞，陆春松，等.能见度与颗粒物质量浓度间的关系[J].环境科学与技术，2014(3)：146-151.

[8] 孙继松，舒文军.北京城市热岛效应对冬夏季降水的影响研究[J].大气科学，2007，31(2)：311-320.

[9] 李积明，黄建平，衣育红，等.利用星载激光雷达资料研究东亚地区云垂直分布的统计特征[J].大气科学，2009，33(4)：698-707.

[10] 严晓瑜，缑晓辉，刘玉兰，等.银川市大气污染物浓度变化特征及其与气象条件的关系[J].气象与环境学报，2015，31(2)：21-30.

[11] 颜玉倩，朱克云，张杰，等.成都地区春季一次持续性灰霾天气过程特征及预测[J].气象与环境学报，2016，32(1)：33-39.

[12] 曹钰，马井会，许建明，等.上海地区一次典型空气污染过程分析[J].气象与环境学报，2016，32(1)：16-24.

[13] 朱轶明，张晋广，袁健，等.盖州市大气能见度与气象条件相关分析[J].气象与环境学报，2016，32(4)：55-62.

[14] 陈涛，吴德成，刘博，等.低层大气中确定气溶胶后向散射系数边界值的新方法[J].光学学报，2010，30(6)：1531-1536.

Analysis of Aerosol Deposition Process under a Stable Weather System

ZHANG Jia-lin1, LIU Dong2

(1. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225; 2. Anhui Institute of Optical Precision Instrument, CAS, Hefei, Anhui 230031)

Aiming at the air pollution process at the end of spring and the beginning of summer in Tianjin, the vertical distribution of atmospheric aerosols in Tianjin was studied by using Mie scattering lidar detection data developed by Anhui Institute of Optical Precision Instrument combined with microwave radiometer, ground meteorological observation data, the meteorological conditions and the characteristics of the atmospheric boundary layer inversion were analyzed. The results showed that the deposition process of atmospheric aerosol has a certain correlation with the change of visibility. In the process of a continuous observation, there is an obvious settlement process of atmospheric aerosol over time. The top layer of atmospheric aerosol decreased by 1 km, there is significant reduction of visibility at the same time. Due to the vertical movement of atmosphere was suppressed by inversion layer I and stable of inversion layer II, there was no obvious change in a long time. The main pollutants were exogenous transport in the air pollution process.

Laser radar; Aerosol; Sedimentation; Visibility; Temperature inversion

环保行业专项(201409001)；国家科技支撑项目(2014BAC23 B01)；天津市重大科技专项(14ZCDGSF00027)。

张嘉霖(1995-)，男，天津人，本科生，专业：大气科学。

2016-11-30

S 16；P 458

A

0517-6611(2016)35-0184-04