基于激光雷达和地面监测数据对南京一次沙尘和细粒子污染时空演变特征的分析

利用偏振激光雷达对南京2015年3月一次沙尘和细粒子污染共存过程的颗粒物垂直分布特征进行观测研究,结合地面气象数据、PM2.5和PM10质量浓度数据、PM2.5组分数据、卫星MODIS测量结果,探讨不同颗粒形态下的气象因素、颗粒物浓度分布、组分特征以及颗粒物光学特性的时间演变和垂直分布特征.结果表明:高湿、弱风等不利气象条件利于二次粒子的生成和累积,期间水溶性组分中SNA(SO_4^(2-)、NO_3^-、NH_4^+)等二次组分浓度明显升高;同一时期长距离输入的沙尘发生的沉降对地面PM2.5化学组分构成显著影响,3月21日下午时段至3月22日在1.1~2.5 km高度的沙尘颗粒物向地面输送造成地面PM2.5的Ca^(2+)突然增大到3.2μg/m^3;3月22日下午以后在东南气流影响下,地面PM2.5向西扩散,PM2.5颗粒物浓度得到有效稀释,同时段出现了沙尘输入和扬尘过程,扬尘过程和沙尘输入使地面的粗颗粒增多,PM10剧增至347μg/m^3;南京与无锡地区的颗粒物时空分布呈现高度相似的变化特点,具有区域性分布特征.后向轨迹分析表明,500 m、800 m及1000 m三个高度气团移动方向基本一致,主要从内蒙、京津冀、山东等地入海,后又经东海返回内陆抵达南京.

基于差分吸收激光雷达和数值模式探测杭州夏季臭氧分布

为获取杭州市夏季臭氧浓度时空分布特征和气象要素对臭氧浓度的影响,利用臭氧差分吸收激光雷达开展观测,同时利用WRF-Chem模式模拟臭氧时空特征和气象要素。实验结果表明:臭氧浓度模拟结果与激光雷达的观测结果具有很好的一致性。2016年夏季,杭州市18天内发生了4次臭氧重污染,每次持续2到5天,最高浓度达550nL/L。高空1~2km存在较高浓度的臭氧污染层,并存在垂直和水平传输,对近地面臭氧污染有明显影响。近地面臭氧浓度平均最低值出现在凌晨2时左右,为75nL/L;平均浓度最高值在中午12时左右出现,为90nL/L。近地面臭氧浓度的日变化明显,而高空的臭氧浓度日变化不明显。臭氧差分吸收激光雷达系统对臭氧时空分布的探测是可靠的。强太阳辐射、高温、低湿都是臭氧污染形成的有利环境条件,而强风对局地臭氧有扩散作用,降雨对臭氧有很好的消除作用。

基于综合立体观测网的京津冀地区污染过程分析

为揭示大气污染的演变规律,推动京津冀及周边地区空气质量的持续改善,针对大气重污染发生—演变—消散全过程的核心科学问题,在京津冀及其周边地区建立大气污染传输通道立体观测网,围绕2017年秋冬季和2018年春、秋、冬三季开展重污染时段和重污染过程的地基和车载走航观测,评估区域大气污染输送和城市间大气污染的相互传输量.结果表明:北京市污染呈明显的区域性特征,春季主要受区域不利扩散条件及沙尘传输影响,秋季主要受西南通道传输影响,冬季主要受西南、南部、东南通道混合层内传输与区域扩散条件不利的共同影响.秋冬季京津冀地区NO 2、SO 2污染物垂直柱浓度整体低于西南、东南和南部输送通道区域,当弱南风静稳天气条件主导时,北京市易受到污染物输送的影响,形成局域污染过程.研究显示,北京市重污染时段外来污染物各类尺度输送通道中,西南通道污染传输为主导,部分时段还受到东南和东部通道污染传输的影响.

高精度测温拉曼激光雷达光谱仪的光学设计

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差,提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正,针对光谱仪10mm/nm的线分辨率要求,采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹,拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax软件进行优化分析,结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5mm,间隔0.1nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1mm,满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制,达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的,解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求,对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

基于FPGA的激光雷达回波信号数据采集卡设计

回波信号数据采集设备是激光雷达系统的关键部分。为了提高信噪比,回波信号数据采集设备应当具有滤波和高速数据累加功能,为了满足不同重复频率激光雷达的探测需求,累加过程的采集深度和累加次数等参数应当是可配置的。使用FPGA作为主控设备,实现了一个采样率为20 MHz,具有滤波和硬件累加功能,且参数可配置的通用回波信号数据采集卡(DAQ card)。测试结果表明,在不同重复频率的触发信号下,采集卡实现了基本的参数配置功能和累加功能,信噪比为71.9 dB。与国外某回波信号数据采集设备相比,采集卡在高重复频率激光雷达中具有更远的探测距离和更高的信噪比。

2018年春节期间京津冀地区污染过程分析

为了解2018年春节期间京津冀地区空气污染情况,利用近地面污染物浓度数据、激光雷达组网观测数据,结合WRF气象要素、颗粒物输送通量和HYSPLIT气团轨迹综合分析污染过程.结果表明,春节期间出现3次污染过程.春节前一次污染过程,各站点PM2.5浓度均未超过200μg/m^3;除夕夜,廊坊站点PM2.5峰值浓度达到504μg/m^3,是清洁天气的26倍;年初二~初五,各站点PM2.5始终高于120μg/m^3,且污染主要聚集在500m高度以下,北京地区存在高空传输,800m处最大输送通量达939μg/(m^3·s),此次重污染过程为一次典型的区域累积和传输过程.京津冀地区处于严格管控状态时,燃放烟花爆竹期间PM2.5峰值浓度可达无燃放时PM2.5峰值的3.2倍.为防止春节期间重污染现象的发生,需对静稳天气下燃放烟花炮竹采取预防对策.

基于AERONET的北京地区气溶胶光学特性分析

利用AERONET北京站点2016年1月-2018年12月的数据产品,分析了北京地区气溶胶光学厚度(AOD)、Angstrom波长指数α、粒径谱分布的季节特性;同时选取典型污染天气条件下的数据,分析了不同季节主控污染物的类型,并使用相应雷达比对比反演激光雷达消光结果。研究结果表明:北京地区AOD季节变化特征明显,主要表现为春、夏季大,秋、冬季小,其中夏季(0.83)显著高于其他季节;α表现出与AOD一致的变化规律,春季最低(α=0.95),表明北京春季受沙尘影响显著,为主要污染物;而夏季最大(α=1.23),表明沙尘影响迅速减弱,细粒子颗粒物占主导,符合温带季风气候的特点;AOD和α关系图中,不同污染物分布特征存在差异,可通过阈值法对污染物进行分类。此外,以两种典型污染情况为例,使用不同雷达比反演激光雷达的消光系数的结果表明,可以使用太阳光度计数据对反演参数进行优化。

基于激光雷达和微波辐射计的气溶胶质量浓度反演算法研究与分析

大气气溶胶是重要的大气污染物之一,气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响,对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪,根据均方差选取最优参数,建立基于消光系数的温湿融合PM_(2.5)质量浓度反演模型,并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM_(2.5)质量浓度小时均值为基准,对模拟结果进行了验证分析。结果显示:模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好,相关系数受模拟高度、相对湿度影响,并进行了晴天、多云天气下的比对,深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68,平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88μg/m^(3)和18.56μg/m^(3)。比较4个季节的模拟效果发现,冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析,结合地面温度、相对湿度、风场和气压场,分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。

近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术研究进展

近海海洋大气边界层是陆海气相互作用的特殊区域,发展近海海洋边界层大气污染立体探测技术、获取海洋大气边界层内主要污染成分及关键气象参数的高精度垂直探测信息,对于提高陆地、海洋和大气中的污染来源、化学机制和传输过程认识、提高沿海地区大气环境与气象预报的准确性具有重要意义。针对近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术,总结了近年来在国家重点研发计划支持下我国在近海海洋大气探测设备研发、关键技术发展和近海大气污染形成机制研究等方面的进展。当前我国已发展了包括海洋大气廓线激光雷达、湍流交换测量、海气通量观测、海洋气溶胶探测设备等一系列近海海洋边界层探测技术,解决了沿海海洋地区恶劣环境条件造成的技术瓶颈,并基于这些探测设备与技术开展了大量近海海洋大气污染研究。技术与设备的发展完善了我国近海海洋地区边界层大气污染立体监测技术体系与能力,对我国东部沿海区域大气污染防治有积极支撑作用。

激光雷达探测大气边界层高度的方法研究

大气边界层高度的演变对污染物的扩散和空气质量的预测起着重要的作用.针对不同天气条件下边界层高度的识别问题,本研究选取合肥地区两种不同天气状况(轻雾霾天和晴天)下的大气层作为研究对象.首先,对经过噪声去除和距离平方校正后的回波信号,利用标准偏差法反演得到初步的边界层高度;接着,对反演的边界层高度结果进行筛选,并将筛选后的数据进行变分模态分解,得到重构后的边界层高度变化廓线;最后,综合考虑边界层演变发展的日变化特征,分析了不同反演方法下边界层高度逐小时平均变化情况及其随地面温度的变化.结果表明:直接利用标准偏差法与梯度法反演的边界层高度在某些时间段上具有较大的偏差,而使用变分模态分解方法得到的边界层高度结果则相对稳定且误差较小,说明该处理方法具有一定的优势;同时,边界层高度与地面温度的变化趋势一致,也表明边界层高度的识别结果是可靠的.

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备,并利用该设备开展了CO_(2)、CH_(2)和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO_(2)、CH_(2)和CO的光谱区域分别为2102~2250 cm^(-1)、2920~3140 cm^(-1)和2172~2210 cm^(-1)。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准,开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据,研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO_(2)、CH_(2)和CO质量浓度的关联度,并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明:研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性;温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著;CO_(2)、CH_(2)和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH_(2)质量浓度分别与CO_(2)质量浓度进行相关性分析,相关系数分别为0.495和0.659。

基于图像边缘检测法反演大气边界层高度

梯度法、标准偏差法只能反演单一时刻的大气边界层高度,为此,提出了一种可以反演一段时间内大气边界层高度的图像边缘检测法。通过对常规方法的介绍和分析,说明研究图像边缘检测法的必要性。利用自主研发的激光雷达实测数据进行反演分析了一个昼夜和4种不同天气背景下的大气边界层高度,图像边缘检测方法与梯度法和标准偏差法反演大气边界层高度的均方根误差最小值为9.4m和11.4m。实验结果表明,该方法简单可靠、准确性高、不需要选取初始值,与传统常规方法相比具有更低的敏感性和更强的自适应性。

基于激光雷达对WRF模式模拟边界层高度的评估

2015年12月份重污染频发的北京市先后启动两次大气重污染红色预警。本研究根据中科院大气物理研究所铁塔分部激光雷达的立体探测数据,采用梯度法反演北京市区大气边界层高度,并对中尺度数值模式WRF的模拟结果进行评估。结果表明,虽然两种方法的结果具有较好的一致性,但是极值并没有很好地吻合。激光雷达反演边界层高度日变化与WRF模拟结果的相关性达到0.76,均方根误差为163m,平均偏差为-61m。同时发现在清洁天气下,WRF模拟的准确性要高于污染天气下的模拟结果。此外地面观测的PM2.5质量浓度与激光雷达反演的大气边界层高度相关性达到-0.85。

激光雷达探测气溶胶光学特性的不确定性因素研究

针对环境领域中最常用的米氏散射激光雷达,通过讨论气溶胶光学特性反演方法的流程,分析了影响反演结果准确度的各种不确定性因素。分析结果表明,为获取高稳定性和高可靠性的探测结果,需要采用合理的信号去噪方法,设置合理的累加次数、气溶胶消光后向散射比、标定高度和标定值等。此外,还需要对反演算法进行定期标定,主要包括几何重叠因子标定、球载消光仪标定、瑞利散射标定、能见度仪标定、太阳光度计标定、湿度标定、颗粒物浓度标定等。通过这一系列配置和标定后,多台激光雷达数据可以达到高度的一致性和准确性。

基于激光雷达的京津冀地区大气边界层高度特征研究

大气边界层高度对大气颗粒物污染具有重要的影响。为研究京津冀区域的大气边界层高度变化特征,利用该地区多个站点的激光雷达数据,进行了统计研究,并将激光雷达观测值与美国国家气象局国家环境预报中心全球资料同化系统模式模拟结果进行了对比。观测数据表明,京津冀地区的大气边界层具有明显的日变化特征和季节变化特征:白天的大气边界层高度高于夜晚,且边界层高值出现在14:00左右;夏、冬季的大气边界层高度高于春、冬季;冬季大气边界层高度有降低趋势。此外,2014年11月多个站点由激光雷达测得的边界层高度的统计分析表明,京津冀地区大气边界层高度在300~900m之间,且东南方向较高。

差分吸收激光雷达监测广州市臭氧垂直分布特征

利用差分吸收臭氧激光雷达对广州市对流层臭氧垂直结构进行长期连续观测,给出了广州市臭氧垂直结构的日变化特征,针对局地污染和区域传输两种不同的臭氧污染模式特征进行分析,提出臭氧污染模式的判定方法。结果表明:广州市臭氧全年日变化规律明显,午后单峰特征突出;臭氧浓度季节变化规律为夏季臭氧浓度最高,冬季浓度最低,春季和秋季差异较小;在局地污染过程中,高浓度的臭氧主要集中在近地面,并且随着高度的增大而逐渐减小,0.7 km以下臭氧浓度的递减速率随高度增大而增大,1.5~2 km的臭氧浓度趋于均匀;针对三个高度区间,给出了臭氧外部输送的特征值,分析了在同一高度上颗粒物消光系数和臭氧浓度的相关性,并结合气象场分析了各个季节臭氧输送的主导方向。

低盲区杂散光对激光雷达系统信号质量的影响

利用ZEMAX软件对透射式米散射激光雷达系统的杂散光进行分析,对激光雷达系统中光学镜片表面的反射和镜筒内壁系统的多次反射、散射进行模拟,得到镜面的多次反射光成像在探测器面源的功率可达3×10-8 W,镜筒散射光成像在探测器面源的功率达到2.8×10-9 W。在测量条件相同的情况下,通过对透射式和反射式激光雷达的连续观测结果进行分析,得出透射式米散射激光雷达的近场杂散光经过光电转换后的回波信号强度可以达到1000mV,比反射式激光雷达系统的高约17倍;用衰减片分别对两种雷达信号进行衰减处理,结果显示:当信号衰减80%时,透射式激光雷达系统的近场信号出现下翘现象。从对信号非线性化处理的结果也可以看出,反射式激光雷达系统优于透射式激光雷达系统。

基于CALIPSO卫星和地面观测资料的气溶胶垂直分布对比

利用地基激光雷达和CALIPSO卫星数据,选取廊坊地区清洁天、霾天和多云3种天气个例,对廊坊市气溶胶垂直分布特性进行对比分析,并判断污染物的可能来源。结果表明不同天气类型下两个激光雷达反演的消光系数廓线整体一致,相关系数高。清洁天气2 km以下有少量沙尘气溶胶,消光系数均小于0.2 km^-1,退偏比集中在0.10~0.30,色比值集中在0.5~1.0,粒子非球形度高且粒径大;霾天在低空500 m以下聚集着球形度高的细粒子污染物,消光系数最高超过2 km^-1,退偏比和色比值都较小,污染大陆型气溶胶和污染沙尘同时存在;多云天气下,垂直高度上只在出现云层的位置消光系数很大,廓线有尖峰,退偏比大部分小于0.02,色比集中在0.10左右,受到上升气流的影响,高空7 km以下都分布着少量沙尘气溶胶。

臭氧激光雷达硬件故障数据的识别方法

对大气臭氧探测激光雷达出现硬件故障时的回波特征进行了分析。根据回波形态和雷达强度等,采用基于模糊逻辑的质量控制方法,对雷达硬件故障数据进行了识别检验,识别率高达93%,即能较好地实现对硬件故障数据的质量控制。比较了硬件故障时的数据和被误判的正常数据在300～500 m高度上对应的臭氧浓度和信噪比均值,找出统计特性,降低了对正常数据的误判率。