南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析

严国梁,韩永翔*,张祥志,汤莉莉,赵天良,王 瑾 (.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 0044；.江苏省环境监测中心,江苏 南京006；.贵州省气象局,贵州 贵阳 55000 )

南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析

严国梁1,韩永翔1*,张祥志2,汤莉莉2,赵天良1,王 瑾3(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044；2.江苏省环境监测中心,江苏 南京210036；3.贵州省气象局,贵州 贵阳 550002 )

利用微脉冲激光雷达(MPL)对2012年10月南京地区的一次灰霾天气进行了不间断观测,结合地面气象要素和PM10、PM2.5质量浓度资料分析了此次污染过程颗粒物质量浓度、气象要素、气溶胶垂直方向光学特性和混合层高度(MLH)日变化趋势以及相关性并与 11月11～12日非灰霾天气做了消光系数和 MLH的比较.结果表明,本次灰霾天气颗粒物浓度与近地面消光系数日变化较相似,基本上呈现夜间高午后低的趋势;灰霾期间MLH峰值滞后于地面温度峰值2h,MLH与PM2.5呈现负相关关系,两者相关系数为-0.57;霾天MLH远低于非灰霾天;霾期间近地面消光系数大部分时刻大于1.0km-1,远大于非霾日0.1～0.25km-1范围的消光系数.

灰霾；微脉冲激光雷达；混合层高度；消光系数

随着工业化、城市化的迅速发展,国内各大城市在近些年频繁遭受灰霾污染影响.而作为长江三角洲经济体北部中心的南京,亦是国内灰霾污染最为严重的地区之一.灰霾的频繁发生不但对人的身体健康产生危害,而且对气候变化、环境等产生重大的影响[1-3].

经过近10年的研究,对于国内灰霾的发生时间、污染源及其与风速、相对湿度、能见度、逆温层等气象因素的关系已有了较深的认识[4-9].然而,因早期技术限制,对于霾期间大气垂直方向上污染特征的研究较少.已有研究表明[7-8],当污染源排放确定后,大气混合层高度对灰霾是否发生及轻重有重大影响.由于早期的研究中混合层高度多为探空实验获得,而传统探空实验存在时间分辨率较差的缺陷,限制了对混合层影响灰霾天气的理解.

激光雷达因为可以探测到不同高度大气气溶胶的强弱信号,使得研究气溶胶垂直分布特征及 MLH变化特征多了一种技术手段.目前许多学者利用激光雷达对大气气溶胶及混合层高度进行了研究分析,如李成才等[12]利用 MODIS卫星和微脉冲激光雷达分析了珠江三角洲地区一次污染的气溶胶光学厚度分布特征和消光系数廓线的演变;贺千山等[13]于2002年3～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达分析了混合层高度及结构的演化,并提出了一种新的反演混合层的方法;毛敏娟等[14]2005年7月在南京城区利用激光雷达对城市边界层高度日变化及地面气象环境对边界层的影响进行了初步分析;王苑等[15]利用微脉冲激光雷达对上海浦东 2008年 12月～2010年11月霾期间气溶胶消光特性进行了分析;西藏、香河、兰州、寿县、西安、广州等地学者亦利用激光雷达对气溶胶垂直分布和边界层高度进行了分析[16-21].但研究中关于灰霾天气的分析较少且没有将大气混合层高度与灰霾天气期间地面污染物浓度有机地联系起来.因此,本文利用微脉冲激光雷达对南京地区的一次灰霾天气和后期一个非霾日进行了不间断观测,结合霾天地面气象要素和PM10、PM2.5质量浓度资料,探讨霾天气过程大气气溶胶消光系数垂直分布特征、MLH变化特征以及MLH同PM2.5的关系,有助于对灰霾天气的形成机制与污染特征的进一步认识.

1 数据来源与处理方法

本文所使用数据来源于南京市鼓楼区的江苏省环境监测中心,灰霾天气气象要素数据由地面自动气象站采集而来;颗粒物质量浓度利用颗粒物检测仪得到,微脉冲激光雷达资料则来自SigmaMPL公司生产的MPL-4B-IDS系列微脉冲激光雷达,采取 30m垂直分辨率、30s一个廓线进行不间断采集.

1.1 气溶胶消光系数反演

反演气溶胶消光系数采用Fernald提出的远端求解方法[22].该方法需要事先知道某一高度处气溶胶的消光系数或后向散射系数,之后按照下面公式从参考高度 hc往下不断求解不同高度 h的气溶胶后向散射系数βa(h):

式中:a、b分别表示气溶胶和空气分子;X(h)表示标准化后向散射信号;Sa是气溶胶消光系数与后向散射系数的比值,中纬度地区取值范围为20～70[23],本文中Sa取值50;Sb则是空气分子的消光后向散射比,取值为8π/3.参考高度hc在白天范围为 3～6km,夜晚为 6～10km.βa(hc)则根据设定的散射比 1+βa(hc)/βb(hc)=1.01进行取值.

式(1)中假设气溶胶消光后向散射比Sa=σa(h)/βa(h),根据下面公式:

即可求得不同高度的气溶胶消光系数.

1.2 MLH反演方法

大气 MLH 采用梯度法[24]进行反演.由下式可计算出不同高度的信号变化率(RCS):

式中:X(h)为不同高度 NRB信号;d(h)表示 MPL的垂直分辨率为30m.由于大气逆温的存在,边界层内与其上方自由对流层的气溶胶含量相差较大,此处的变化率应为最小.通过计算可以得到RCSmin(h),该值所对应的高度即为 MLH.MLH做小时平均处理.

2 结果分析

根据气象行业标准《灰霾的观测和预报等级》[10]的定义,在排除其他如沙尘、烟雾、吹雪等天气现象造成的视程障碍后,能见度低于10km,相对湿度小于 95%时,就可判断为灰霾.2012年10月27日8:00至29日15:00,能见度小于5km,湿度在39.9～89.5%范围,从10月27日8:00开始,PM2.5质量浓度大于 GB3095(2012)二级标准 75µg/m3[11],其中绝大部分时刻高于150µg/m3,所以该次污染为典型的灰霾天气;而2012年11月11日7:00～12日7:00能见度均大于10km,该时间段为非灰霾天气.

2.1 灰霾期间颗粒物质量浓度分析

如图1所示,从27日5:00开始,颗粒物质量浓度迅速攀升,在27日11:00PM10和PM2.5皆达到第一个峰值.午后,颗粒物浓度开始下降,至 27日17:00,PM10下降到 189µg/m3,随后 PM2.5也降至第一个谷值,浓度为137µg/m3.随着夜晚的到来,颗粒物浓度开始上升,至28日1:00,PM10达到该次污染过程最大值366µg/m3,随后迅速下降;PM2.5则升至22:00开始趋于平缓.28日03:00开始,颗粒物浓度再次升高,直到 28日 11:00,颗粒物浓度均保持在较高的位置,PM10在28日10:00则达到本次污染过程次大值.随后颗粒物浓度变化同27日较为相似,开始下降进入夜晚后再次上升,28日20:00达到峰值后快速下降并趋于平缓,但颗粒物浓度仍较高,PM10在 250µg/m3附近,PM2.5则在 160µg/m3以上.29日15:00开始,降雨出现,颗粒物质量浓度快速下降,至 29日 21:00,颗粒物浓度已降至70µg/m3以下,结束本次污染过程.

图1 颗粒物质量浓度变化Fig.1 Variations in the concentrations of PM小图为PM2.5/PM10比值

由图 1发现,本次污染过程颗粒物浓度变化呈现明显的日变化,即夜间保持在较高值,早晨开始升高,10:00左右达到峰值.午后颗粒物浓度出现下降夜晚又开始攀升.

本次污染过程中 PM10同PM2.5质量浓度变化趋势十分一致.图 1中小图显示,从27日9:00至29日15:00,PM2.5/PM10比值在0.52～0.86之间,该时间段平均值为0.73,细颗粒物的比例相当高,因此本次污染是一次细颗粒物污染,这也是灰霾天气的明显特征.

2.2 气象条件分析

图2 气象要素变化Fig.2 Variations in the concentrations of meteorological elements

风速是影响灰霾发生一个重要的气象参数,本次灰霾天气过程中风速在0.1～0.3m/s范围内,较其他研究小于 3m/s[7-9]的风速更小.由于风速非常小,使得气流运动缓慢,阻碍了地面污染物质的水平有效扩散,是发生严重的灰霾天气的重要原因之一.灰霾发生时的温度、湿度受风速的影响非常微小,使它们呈现出更加接近自身变化的曲线.由图2可见,温度呈现出近乎正弦的曲线变化,白天随着太阳辐射的增强,温度逐渐升高, 15:00地面温度达到最大值,随后开始下降,至次日早上 7:00温度降到低谷,之后由于太阳辐射加强,温度再次上升.湿度同温度存在明显的负相关,温度较高时,有利于底层大气中水汽蒸发上升,使得湿度逐渐下降,而随着温度的逐渐降低,湿度则开始升高,因此在湿度较高的条件下,往往伴随着低温,此种环境有利于大气中细粒子的吸湿增长,而此次灰霾天气过程主要由细粒子组成,细粒子通过吸湿增长为较大的粒子,进而影响能见度.研究表明0.6～1.4µm细粒子具有较强的光散射能力[7],诸多因素使大气能见度同湿度呈现出负相关关系.

2.3 灰霾过程MLH与温度、PM2.5对比分析

图3a表明,灰霾期间MLH同地面温度变化趋势基本相同,只是 MLH的发展存在不同程度的滞后,而当 MLH较高时滞后效应更为明显.图中,午后 15:00地面温度达到最大值,2h后 MLH达到峰值.3d的MLH变化趋势较为一致,早晨开始升高,在 17:00达到峰值后伴随夜晚到来出现小幅下降,20:00左右大幅下落,夜间维持在较低高度,谷值为 0.4km.其原因是白天随着太阳辐射的增强,地表接收太阳辐射升温,在地表与大气间产生强的负温度梯度,使得气团垂直运动加速,对流湍流运动增强.同时,因地表的不均匀和起伏,不同地表升温不同,随着太阳辐射的增强,温差越来越大,由风切变产生的湍流也相应增强,它们共同作用使混合层高度升高.午后随着太阳辐射逐渐减弱,温度降低,无论是对流湍流还是风切变产生的湍流都开始逐渐下降,相应地混合层高度也随之降低.到了夜间,对流湍流逐渐消失,而风切变产生的湍流也因地面温差减小而减弱,混合层高度下降到低点.因太阳辐射先影响地面温度,然后湍流向上输送感热与潜热,低处空气团要影响到混合层上部区域需要一定的时间,故而使得MLH的峰值滞后于温度峰值.

从理论上讲,若污染排放一定,大气混合层高度越高,相当于容纳同样污染物的容积越大,使得单位体积内的污染物浓度越小,反之,亦然.另外,MLH是反映垂直扩散的一个重要参数,当MLH较高时大气垂直扩散能力强,导致地面污染物向上扩散,使地面观测的污染物指标如PM10和PM2.5浓度变低;MLH较低时则相反.大气混合层高度可通过容纳污染物的容积和垂直扩散对灰霾是否发生及轻重有重大的影响.图 3b表明MLH和PM2.5浓度呈现出明显的负相关关系,相关系数为-0.57,通过了 α=0.01显著性水平检验,当MLH较低时,对应的PM2.5处于相对高值,反之PM2.5值则较低.

图3 MLH与温度、PM2.5对比Fig.3 Comparision of MLH with temperature and PM2.5

2.4 气溶胶消光系数、MLH反演结果分析

2.4.1 灰霾过程气溶胶消光系数分析 由图 4a发现,大气低层气溶胶消光系数存在明显日变化,变化趋势同地面颗粒物浓度较为相似,27、28日夜间～上午,消光系数保持较高水平,消光值基本在 1.0km-1以上,部分时刻超过 2.0km-1,午后降为0.5～1.0km-1范围,夜晚再次升高.同 27、28 日相比,29日MLH和消光系数的最大区别在于当日白天MLH上升缓慢,至15:00MLH只有0.55km左右,而午后的消光值未出现下降,仍保持高值.夜间消光值高主要的原因应该是夜间湿度大,细粒子吸湿增长快速,加上太阳辐射减少,温度低,致使 MLH维持较低水平,导致污染物聚集在近地面不易扩散,从而出现这一现象;而上午消光值仍较大应该是人类活动所致,上午 MLH较之夜间虽有上升但仍未发展完全,高度不高,加上人类活动开始,不断向大气排放气溶胶,使得消光能维持高水平;午后,温度升高,大气湍流增强,MLH持续上升,使得容纳地面污染物的容积扩大及大气垂直扩散能力提高,以致消光系数快速下降.而29日午后消光值较大的原因可能同29日上午至午后 1.8～2.3km 上空低云的存在有关,它阻碍地面接收太阳辐射,导致地面温度升至13时然后开始下降,混合层得不到充分发展,从而使得污染物聚集在低层大气导致气溶胶消光系数维持高值.

2.4.2 霾与非霾天消光系数、MLH对比分析选取2012年11月11日07:00～12日07:00非灰霾天来反演消光系数,由图 4b看出,非灰霾天消光系数具有明显日变化特征.白昼时段气溶胶消光值较小,几乎在0.18km-1以下,其中大部分低于0.15km-1.夜间消光系数开始增大,从 18:00至次日07:00,MLH内消光基本在0.15km-1以上,特别是0.6km到MLH这一高度区间,消光系数大多数在 0.2～0.23km-1.

图4 霾与非霾天消光系数、MLH变化及差值分布Fig.4 Variations of aerosol extinction coefficient,MLH during the haze ,non-haze and difference

由图4发现,非霾天MLH日变化趋势与霾天较为一致,但非霾天 MLH明显高于霾天同期的高度.而从消光系数来看,非霾天 MLH以下高度的消光系数较小,几乎都在 0.1～0.25km-1这一范围,远远小于灰霾期间消光系数,可见该时间段城市上空污染物少,空气较好.从消光差值分布图4c看出:霾天MLH内消光差值皆为正值,绝大部分差值在 0.25～2.0km-1范围,而非霾天的消光系数基本在0.25km-1以下,由此可知,霾天气溶胶消光系数大多数时刻远大于非霾天,说明霾天大气中污染颗粒含量较高,污染严重;区间a～d为消光差值较大时段,区间内 MLH以下高度的差值基本在1.0km-1以上,部分时段更是大于1.5km-1,而区间 e～f为小消光差值时段,MLH 内差值在0.25～0.75km-1范围.大差值时段基本集中在凌晨和上午,小差值时段则从午后 16:00前后持续到MLH出现大幅度下降的时刻;29日午后差值较特殊,此时消光差值较大,这应是受低云影响所致;出现较大差值时段MLH基本低于0.75km,小差值时段MLH则在该高度以上,可见MLH高度应是影响消光差值的一个重要因素.

分别从图4c中a～d区间选取一个消光差值较大的时刻(图 4c中 h～k),绘出灰霾天与非灰霾天相同时刻的消光系数廓线用于分析不同天气状况垂直方向上的消光区别(图略).发现非灰霾天廓线上消光系数相差不大,只有 0.15km-1的波动,而灰霾天消光系数廓线变化则十分明显,从0.27km高度开始,气溶胶消光系数随着高度上升逐渐增加,在混合层内某一高度达到最大值后开始小幅减小,当到达MLH后,消光值大幅度下降,减小到与非霾天消光值相当.

3 结论

3.1 灰霾过程中 PM10同 PM2.5变化趋势一致,呈现出明显的日变化.灰霾主要由小于 2.5µm的细颗粒物造成.在静风条件下,灰霾期间温度日变化近乎正弦曲线,湿度与温度、大气能见度呈现明显负相关关系.

3.2 灰霾天气颗粒物浓度与近地面消光系数日变化较相似,基本上呈现夜间高午后低的趋势.霾天 MLH变化趋势与地面温度相似但略有滞后,峰值滞后于地面温度峰值2h.MLH与PM2.5存在负相关关系,相关系数为-0.57.

3.3 霾天MLH远低于非灰霾天,消光系数方面,霾天近地面消光系数大部分时刻大于1.0km-1,远大于非霾日0.1～0.25km-1范围的消光系数.

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Analysis of a haze event in Nanjing with micro-pulse lidar measurements.

YAN Guo-liang1, HAN Yong-xiang1*,ZHANG Xiang-zhi2, TANG Li-li2, ZHAO Tian-liang1, WANG Jin3(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Jiangsu Environmental Monitoring Center, Nanjing 210036, China；3.Guizhou Meteorological Bureau, Guiyang 550002, China).China Environment Science, 2014,34(7)：1667～1672

A haze event in Nanjing during October 2012 was intensively measured with micro pulse lidar (MPL). By combining the MPL-measurements with the observations of meteorology, PM10and PM2.5, we analyzed the variations of PM-concentrations, meteorological elements, vertical aerosol profiles with the optical property and mixing layer height(MLH)and their relations. The differences of extinction coefficients and MLH between the haze event and the non-haze period of November 11-12, 2012 were also comapared. The analysis show that the diurnal changes of PM-concentrations and extinction coefficients were in the relatively similar pattern with the high values in night and the low values in afternoon during the haze event. The peak of MLH lagged 2hours behind the peak of air temperature. There was a negative correlation between MLH and PM2.5during the haze event, correlation coefficient was -0.57. Compared to the non-haze period, the MLH was much lower during the haze event and most of the extinction coefficients exceeded 1.0km-1, which was much higher than the extinction coefficients from 0.1 to 0.25 km-1during the non-haze period.

haze；micro-pulse lidar；mixing layer height；extinction coefficient

X513

A

1000-6923(2014)07-1667-06

2013-10-21

国家自然科学基金项目(41375158,41075113);江苏省其他项目(BE2012771,BK2012884,11KJA170002)

* 责任作者, 教授, han-yx66@126.com

严国梁(1988-),男,海南文昌人,南京信息工程大学大气物理学院硕士研究生,主要从事大气环境方面研究.发表论文1篇.