气象激光雷达的城市边界层探测

为了研究城市边界层结构变化特征,2005年7月利用气象激光雷达在南京城区做了城市边界层探测试验,就此次观测试验作了简要叙述并选取部分观测资料为示例,着重对气象激光雷达确定城市边界层高度垂直分布及逐时变化以及地面气象环境对边界层的日变化影响进行了初步分析.结果表明,主要由近地层对流混合形成的城市边界层高度具有典型的日变化特点,早晚比较低,日间有一个从低到高再到低的变化过程.提出了一种由边界层混合状态确定边界层高度的方法.分析结果表明,由气溶胶消光系数确定城市边界层高度比较准确.将MSL探测结果与同步的低空无线电探测仪的温度探测结果进行比较,结果表明,两者获得的实际廓线分布相当吻合,线性良好.就地表温度、辐射、湿度及云等气象要素对边界层垂直分布及时间变化的影响做了分析.结果表明,这些气象要素的分布对城市边界层高度的垂直分布及其逐时变化有明显影响.

机载激光雷达对青岛及周边海域的气溶胶探测

工作波长为532nm的机载大气环境探测激光雷达AEDAL（Atmospheric Environment Detecting Airbome Lidar）装载在CMS-3807飞机上，于2005年11月7-11日期间在青岛地区及周边海域上空进行了飞行探测．此次实验的目的有两个：验证我国用于大气环境探测的激光雷达技术已经具备从地基向空基乃至天基发展的条件；获得青岛地区及周边海域边界层结构及大气气溶胶时空分布变化的特点．激光雷达的高时空分辨率为获取飞行路径上的边界层结构及气溶胶时空分布提供了可能．为了研究下垫面对边界层及气溶胶时空分布的影响，预定的飞行路径上包含了丰富的地形变化，有城市、丘陵、海区等．通过给出11月8日及11日的探测结果，不仅得到了不同地区边界层结构及气溶胶的时空分布特点，还可以看到冷锋、地形、地面气象场等因素对它们的影响．

车载式1 064 nm和532 nm双波长米散射激光雷达

新近研制的车载式双波长米散射激光雷达可用于1064nm和532nm两个波长对白天与夜晚对流层气溶胶消光系数垂直分布进行的探测。该激光雷达由激光发射单元、接收光学和后继光学单元、信号探测和采集单元以及系统运行控制单元组成,后继光路之间采用光纤导光、高低层分层探测等关键技术。该激光雷达使用1064nm和532nm的两个波长,其单发脉冲能量分别为400和300mJ,重复频率都为20Hz,光束发散角小于0.5mrad;望远镜接收视场为1～3mrad,滤光片的中心波长为1064nm和532nm,带宽1nm。分别使用R3236及H7680的PMT和VT120及Phillips777的放大器对两个波长的信号进行探测;对532nm波长用3A/D采集卡、1064nm波长用了光子计数卡。给出了双波长测量对流层气溶胶消光系数垂直分布的结果,该激光雷达可以探测10-5～1之间的消光系数,探测高度可达10km以上。

AEDAL在青岛、渤海及黄海探测的定标反演

在不进行大气参数假设和加载其他辅助设备的情况下,通过对AEDAL机载大气环境探测激光雷达探测数据的分析,证明了用Slope法对空基激光雷达进行定标反演的可行性。AEDAL的定标反演结果,生动地展现了青岛地区及渤海、黄海海域气溶胶垂直分布、边界层结构及边界层光学厚度的重要特征。首先,冷锋过境,边界层高度明显下降的同时,气溶胶出现多层分布的现象,海区气溶胶垂直分布较陆地有明显的沉降现象。其次,青岛地区整个边界层光学厚度表现为城区最大、丘陵地区最小、渤海海区介于两者之间的分布特点,海区边界层光学厚度变化相对平缓,迎风坡附近的边界层光学厚度较周围有所增大。青岛至渤海这一区域,晴朗天气下边界层光学厚度的大小介于0.15～0.35之间,雾天则在0.3～0.45之间,而黄海海域则可达到0.55左右。这说明,青岛地区边界层气溶胶主要来自于城市和海洋,在冬季季风对气溶胶分布起作用的同时,山脉及地面风场对边界层气溶胶的输送有重要影响。

新型车载式激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了中国科学院安光所自行研制的新型车载式激光雷达的结构和主要技术参数,给出了雷达数据的反演方法,并利用它对合肥地区对流层的大气气溶胶进行了探测。测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间与空间分布特征。

高影响霾天气污染物输送沉降的激光雷达观测

污染物区域间输送是大气环境研究的重点和难点。利用2012―2015年间浙江省污染程度较高的霾天气过程激光雷达观测数据,根据Mie散射理论和Fernald反演方法计算污染物垂直浓度,开展了高影响霾天气区域间污染物输送沉降特征定量研究。结果表明:(1)浙江省高影响霾天气多发生于高压前部转高压控制的情况,高压前部利于外来污染物输入,而高压控制利于本地污染物累积;(2)不同过程及同一过程不同时刻外来污染物输送高度、质量浓度、结构组成都不相同,污染物集中输送高度一般介于4.5~7.5km之间,输入最大质量浓度一般介于450~1200μg·m^(-3)之间,输入污染物中粗颗粒物居多,污染物类型主要包括沙尘和城市污染物;(3)个例分析表明,输入污染物仅有25%~35%沉降到近地面,重力和气温下降是影响沉降的重要原因,其中重力对粗颗粒物沉降作用更大,而气温下降对细颗粒物作用更大。

临安本底站大气气溶胶水溶性离子浓度变化特征

为研究我国长江三角洲地区气溶胶污染的区域特征,2008年4月、7月、10月和2009年1月,在临安区域本底站利用安德森(Andersen)分级采样器进行了大气气溶胶采样,样品用离子色谱(IC)进行了分析.结果表明,临安区域本底站SO24-、NH4+、K+的浓度在粒径0.43—1.1μm出现峰值;Ca2+、Mg2+的浓度在粒径3.3—5.8μm出现峰值;NO3-、Cl-、Na+的浓度在粒径0.43—1.1μm和3.3—5.8μm出现峰值.气溶胶各个粒径段上的阳、阴离子电荷比均小于2.在降水过程个例分析中,降水之后临安区域本底站的总离子浓度增加了10.9μg·m-3;粒径分布除SO24-和K+有明显变化以外,其它离子没有明显变化.通过霾日和非霾日的浓度变化分析发现,细粒子中SO24-、NH4+的浓度的增加是造成霾天气的主要原因.

气候变化对浙江省大气污染的影响

开展气候变化对大气污染影响的研究有利于加深对大气污染形成机理的认识.利用1996—2015年浙江省大气成分、气象观测资料,分析气候变化对大气污染的影响.结果表明,近20 a来浙江省呈年高压天气日数增多、年均气温升高、降水集中及年均净辐射、日照时数、风速、气温日较差和水汽蒸发量都下降的气候变化事实.气候变化引起大气污染扩散能力下降,1996—2015年杭州市和浙江省年均大气扩散指数分别下降了0.55和0.81,降幅分别达35.71%和42.69%.大气扩散指数与ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))及年霾日数之间呈显著负相关,当大气扩散指数增大时,大气颗粒物浓度和年霾日数均下降,反之亦然.杭州市大气扩散指数与ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))之间的相关系数分别为0.73和0.76.杭州市和浙江省大气扩散指数与年霾日数之间的相关系数分别达到0.77和0.78,T检验值则分别为28.88和30.81,说明由气候变化引起的大气扩散能力改变是影响大气污染的重要原因,但不同大气成分受气候变化的影响程度不同.影响ρ(PM_(10))的关键气候要素是降水量、风速及相对湿度等,影响ρ(PM_(2.5))的主要是辐射、气温,影响ρ(SO_2)的主要是气温,影响ρ(NO_2)及ρ(NO_3^-)、ρ(NH_4^+)的主要是辐射.总体来说,浙江省近20 a的气候变化事实可能有利于促进ρ(PM_(10))、ρ(PM_(2.5))、ρ(NO_2)及ρ(O_3)等上升,促进ρ(SO_2)、ρ(NO_3^-)、ρ(SO_4^(2-))、ρ(NH_4^+)等下降.

不同时间尺度下杭州市O3污染特征及控制因素

通过集中整治,我国空气质量已经有了明显改善,但在减排背景下近地面高ρ(O3)仍是当前最复杂的大气环境问题之一.利用2011—2017年(尤其是杭州市G20峰会期间)ρ(O3)、ρ(NO x)、ρ(VOCs)和气象条件观测数据,分析了杭州市G20峰会期间及不同时间尺度下杭州市ρ(O3)的变化特征及其影响因素.结果表明:①杭州市ρ(O3)日变化呈单峰型特征,15:00左右ρ(O3)达最大值(98.55μg/m^3);ρ(O3)周变化存在“周末效应”,周末ρ(O3)明显高于工作日;1 a中4—9月为ρ(O3)高值期,ρ(O3)峰值出现在5月和9月.以2013年为界,将2011—2017年ρ(O3)变化分成下降和上升2个阶段,2011—2013年呈下降趋势,降幅约为15.02μg m 3,2014—2017年呈上升趋势,增幅约为23.25μg/m^3.②减排措施的实施对ρ(O3)存在双重作用,其可通过降低前体物质量浓度抑制O3的生成,又能引起大气污染物质量浓度下降、太阳辐射增强,从而促进O3的生成.当O3前体物质量浓度较低时,在强太阳辐射等气象条件驱动下,近地面仍会呈现高ρ(O3)的现象.③气象条件是驱动ρ(O3)日、月变化的控制因素;相反,前体物质量浓度则是ρ(O3)周、年变化的控制因素,此时VOCs或NO x控制区、“周末效应”等ρ(O3)变化特征开始显现.研究显示,不同时间尺度下杭州市O3污染的控制因素不同.

浙江省城市大气污染特性研究

本文以浙江省城市（主要指杭州）为研究区域,利用大气成分观测数据,通过对比、相关分析研究了浙江省城市的大气污染特性.研究结果表明,2011—2013年间,杭州PM2.5和NO2月均质量浓度均呈上升趋势,增幅皆为10μg·m^-3左右,PM10和SO2则呈下降趋势,PM10降幅微弱,SO2降幅为8μg·m^-3左右.PM1、PM2.5、PM10质量浓度与大气消光系数之间相关系数为0.73、0.83和0.74,其中粒径为0.25～1.0μm的粒子对大气消光系数的贡献率最大,达到66.4%,1.0～2.5μm粒子为23.2%,大于2.5μm的粗粒子仅为10.4%.与临安相比,杭州NO2日均浓度超标日数多了50天左右.杭州大气气溶胶中占主导地位的无机水溶性离子依次为NO3^-、NH4^＋和SO4^2-,它们占到总水溶性离子浓度的52.66%～96.61%,与北京、广州等地区SO4^2-〉NO3^-的研究结果明显不同.NO3^-、NH4^＋浓度季节变化特点与NO2相似,而且NO3^-和NH4^＋具有较好的相关性,SO4^2-与SO2浓度季节变化特点则不同.受夏季主导风向的影响,这一季节Na^＋和Cl^-浓度最高,而秋季明显偏高的K＋浓度是长三角秋季秸秆焚烧现象的指示.

浙江省气候变化事实研究

为了区分不均一与局地气候的突变,采用功效不同的SNHT、Buishand、Pettitt三种均一性检验法对浙江省41个气象观测站1960—2007年的温度和降水的观测序列进行检验。通过对三种方法检验的站点数据做气候变化事实研究发现,近50年浙江省与全球呈现一致的气温年代际变化特征,0.19℃/(10 a)的平均气温倾向率比0.13℃/(10 a)的全球平均值高,略低于0.22℃/(10 a)的全国平均值。全省年平均降水量呈上升趋势,这与中国降水量总体下降的变化趋势相反,但与长江流域以南的变化趋势一致;强降水、高温热浪等极端天气事件频率增大,城市局地气候趋于"热干"化;≥10℃的初日提早10天左右,而终日推迟了近10天,在持续日数增加的同时,有效积温也相应增大。

浙江省大气扩散能力的时空分布特征

利用以美国环保部推荐的经典高斯扩散模型为基础建立的大气扩散能力定量评估方法,研究浙江省大气扩散能力分布及年际变化特征。研究结果表明,浙江省大气扩散能力呈北部较南部强、沿海较内陆强的分布特点,不同设区市大气扩散指数从大到小的顺序为舟山(3.25)>台州(2.69)>嘉兴(2.22)>宁波(2.19)>衢州(1.75)>金华(1.70)>绍兴(1.67)>湖州(1.46)>杭州(1.34)>温州(1.27)>丽水(0.59)。不同时间尺度大气扩散能力特征为:7月大气扩散指数最大,达到4.19,2月最小,为1.51;夏季大气扩散指数最大,为3.37,秋季次之,为2.73,春季第三,为2.44,冬季最小,为1.94;1980—2014年年均大气扩散指数呈明显的下降趋势,下降了1.40,下降幅度达到58.33%,而且2000年之后的下降速率较之前大。不同设区市大气扩散指数年际变化特征存在较大差异,表现最明显的有:温州地区大气扩散指数下降幅度最大,舟山地区大气扩散指数虽然一直较其它地区大,但近几年下降幅度比较大;丽水地区大气扩散指数一直最小,但其降幅也最小。

杭州G20减排措施对大气水溶性离子特征的影响

利用2016年颗粒物及水溶性离子采样数据,研究了杭州G20峰会减排措施对大气中无机水溶性离子特征的影响.结果表明,杭州G20峰会减排措施对大气水溶性离子的质量浓度、组成结构、酸碱性等皆存在明显影响.减排措施实施使大气颗粒物和水溶性离子质量浓度下降,受影响的离子主要是NO^3-、SO4^2-、NH4+、NO2-,其中NO^3-、SO4^2-质量浓度的下降使NH4+、Ca^2+、Cl-成为浓度前3位的离子.SO4^2-、NO^3-、NH^4+、Ca^2+粒径分布呈单峰型,其中SO4^2-、NO^3-、NH4+峰值出现在0.65~1.10μm,Ca^2+峰值出现在5.80~9.00μm,Na+、Cl^-、K^+呈双峰分布,峰值皆出现在3.30~4.70μm和0.65~1.10μm,Na^+两峰值相当,K+、Cl-在0.651~10μm峰值较高,减排措施实施使大气中主要无机盐从NH4NO3、(NH4)2SO4、NH4Cl转变为NH4Cl、NaCl、KCl,大气颗粒物碱性总体增强.本文研究成果对采取措施改善空气质量具有指导作用.

杭州G20峰会空气污染控制状况评估

为了实现杭州G20峰会(二十国集团财长和央行行长会议)期间的环境空气质量目标,2016年初开始长江三角洲地区尤其是浙江省加快推进大气污染防治行动,分区分时间节点实施多种污染控制措施.为了评估这些措施实施成效,利用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting Model Coupled to Chemistry)模式对2015—2016年浙江省AQI(air quality index)、PM_(2.5)、SO_2等污染物浓度观测资料进行了模拟计算及分析.结果表明:(1)模拟计算显示,G20峰会期间各污控措施减排效果明显,核心区减排比例最大,严控区次之,管控区最小,4种污染物浓度减排比例从大到小顺序依次是SO_2、PM_(2.5)、NO_x和VOCs.(2)观测资料分析显示,G20峰会期间浙江省环境空气质量明显改善,但不同控制区改善状况不尽相同.与2015年9月、2016年8月相比,2016年9月核心区月均AQI的降幅约为35和25;严控区次之,AQI降幅约为20和15;管控区最弱,AQI降幅约为8和5.ρ(PM2.5)情况与AQI相似,观测结果与模拟计算一致.(3)G20峰会期间日均AQI及各种污染物浓度振荡下降,9月5日降至最低值.9月4—5日杭州市和浙江省日均AQI分别为90、62和77、51,均在GB 3095—2012《环境空气质量标准》的二级标准限值以下;日均ρ(PM_(2.5))分别为37、35μg/m^3和20、21μg/m^3,优于GB 3095—2012二级标准.(4)污控措施改变了大气中的首要污染物.以杭州市为例,2016年6—8月没有出现以PM_(2.5)为首要污染物的污染天气情况;7—9月没有出现以NO_2为首要污染物的污染天气情况,2015仅8月出现这种情况,10月出现跃升,日数占比高达60%左右;从4月开始以O_3为首要污染物的日数占比较往年呈更快的增长状态,7月出现最大值,并呈现与往年双峰型不同的单峰型结构.研究显示,除有利气象条件外,对污染源所采取的严格控制措施是杭州G20峰会取得良好效果的主要原因.

霾与城市化发展的关系

利用遥感夜间灯光数据,结合地面观测资料,以浙江省为例,研究了城市发展与气候条件、大气污染物质量浓度及霾天气之间的关系.结果表明：当前粗放型城市发展引起的干岛、热岛、低湿、低能见度等气候效应,使1980—2010年杭州年均气温的线性增长率达到0.70℃/10 a、风速下降率为0.11 m/（s·10 a）、能见度下降率为1.40 km/10 a,分别高于临安的0.41℃/10 a、0.06m/（s·10 a）、0.92 km/10 a.城市发展改变大气污染物组成,对于城市化水平较高的杭州,大气中ρ（PM2.5）/ρ（PM10）的月均值介于0.52～0.69之间,明显高于临安的0.45～0.59,NO2、SO2等二次气溶胶前体物的质量浓度也明显高于临安.浙江省大气中ρ（NO2）较ρ（SO2）高,其中临安大气中ρ（NO2）年均值较ρ（SO2）高出5.8μg/m^3,杭州的则高出21.0μg/m^3,同时杭州大气中ρ（NO2）与ρ（SO2）年均值的比值（1.70）也高于临安（1.57）.城市发展引起的气候效应及大气污染物组成变化可以解释浙江省霾日数与夜间灯光在空间分布和年代际长期变化趋势上的高度一致性.在空间上,城市发展快、夜间灯光密集的浙北、浙江沿海、金衢盆地也是霾天气高发地区,而1960—2010年年霾日数出现的2个大跃变与改革开放及2000年后城市快速发展阶段相吻合,年霾日数与夜间灯光总灰度值之间的相关系数达到0.99.研究显示,粗放型城市化发展是当前浙江省霾污染加剧的根本原因.

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.

湖州市大气扩散能力与气象条件的关系

利用浙江省气科所高斯模式的大气扩散指数资料、湖州国家基本站地面观测资料和湖州市环境保护监测中心站的环境监测资料,分析了2013年湖州大气扩散指数的变化特征以及与气象各因子的相关性,结果表明:(1)大气扩散指数与AQI之间呈明显负相关,能较好地表征大气扩散能力的强弱;(2)在决定大气扩散能力强弱的气象因子中,风速是最主要的,其次是降水量;(3)排除风的影响,有降水情况下,降水量是大气扩散能力决定性的因素,降水量越大,大气扩散能力越强,降水量越小,大气扩散能力越小;无降水情况下,大气扩散指数与相对湿度和气压呈负相关,与平均气温呈正相关;(4)混合层高度与大气扩散指数有很高的相关性,可以作为衡量大气扩散能力的一个重要指标。

多元观测资料融合应用的灰霾天气关键成因研究

利用临安作为区域大气本底站的优势和杭州大气复合污染综合观测设施,再融合DMSP/OLS夜间灯光数据及气象观测数据,从不同层面研究了灰霾天气形成的主导因素.通过浙江省灰霾日数空间分布与同时期Defense Meteorological Satellite System(DMSP)/Operational Linescan System(OLS)卫星遥感得到的夜间灯光分布对比以及1960—2009年间杭州和浙江省年平均灰霾日数演变过程,从空间和年代际变化两个角度论证了当前不科学的社会发展是造成灰霾天气日益严重的根本原因.通过杭州和临安本底站实际观测对比发现,对灰霾天气形成起主要作用的是细粒子,关键排放因子不是尘粒等气溶胶,而是黑碳、NO2、SO2等.脱硫减排可以使霾污染有所减缓,但由汽车尾气等排放的含氮前体物对霾污染的贡献却越显突出.气象条件是灰霾天气形成的外部控制因素.在各种天气形势中,由于高压控制下下沉气流明显、大气相对稳定,出现灰霾天气的概率最高,达64.5%.除天气形势、大气稳定度外,风速、气温、湿度、气压、降水、变温等地面气象因子及前1日PM10浓度对污染物浓度皆有一定影响,其中降水、湿度、风速与污染物浓度之间的相关性最显著,是灰霾天气形成的关键气象因子.

激光雷达反演大气边界层高度的优化方法

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。

基于激光雷达探测的金华、合肥和兰州大气边界层高度及其统计分析

利用三个站点(金华、合肥和兰州)同时期的观测数据对边界层高度进行了反演、统计和分析。研究结果表明,三个站点的边界层高度具有明显的季节、日变化特征。除冬季外,金华和合肥的边界层高度要低于兰州。兰州的边界层高度的上升和下降时间与日出、日落时间有着良好的对应关系,合肥的边界层高度则在日出数小时后才出现明显上升。金华、合肥和兰州日间月平均边界层高度最高值分别出现在9月、8月和6月,月平均最大混合层高度出现的月份分别是9月、8月和7月。了解边界层高度的时空分布规律,可以为空气污染防治、天气预报以及气候预测等提供进一步的参考。