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大气颗粒物激光雷达成为雾霾和沙尘天气监测多面手

2017-02-24 11:30:14 杭州亭柏激光加工中心 阅读

针对各地环境空气质量评估考核过程中均未将沙尘天气过程期间数据剔除,环境保护部于2017年1月4日印发《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》(以下简称《规定》)。依据《规定》,全国地级及以上城市环境空气质量评估、考核和排名过程中剔除沙尘天气过程的影响。规定中提出“各地环保部门如遇沙尘天气过程,当天将沙尘天气过程影响时段、影响范围和其他佐证材料报送中国环境监测总站。这些数据也将作为评价、考核和排名的重要依据。”《规定》中的佐证材料包括卫星环境应用中心遥感监测结果、全国沙尘暴监测网监测数据以及气象部门发布的沙尘信息等。在沙尘天气的扣除条件和筛选方法上,中国环境监测总站工程师王帅说:“当沙尘天气过程中沙尘源区城市PM10小时浓度持续两个小时超600μg/m3,或持续1个小时超过1000μg/m3,可以剔除沙尘天气过程影响区域范围内源区城市及下游城市颗粒物监测数据。”


近年来,地基遥感的主动探测手段,如激光雷达不仅能够有效判识雾霾的空间分布,对沙尘天气发生的过程、时间、沙团输入的高度、强度等特征,都可以进行有效监测。


1、什么是大气颗粒物激光雷达呢?杭州激光雕刻

大气颗粒物激光雷达像“探针”一样,通过不断地向大气中发射激光束,扫描大气中的信息,通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息,类似医学上的“CT”技术,不同的是,激光雷达获取的是污染物的空间垂直分布。


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2、激光雷达提供什么数据呢?

① 消光系数:反映污染程度,消光系数值越高,代表球形粒子污染程度越严重。

② 退偏振度:反映沙尘的不规则程度,沙尘的退偏振度约0.2-0.4。

③ 颗粒物质量浓度空间分布:给出不同高度处PM10和PM2.5质量浓度。

④ 能见度:给出垂直、水平能见度视程。

⑤ 外源性污染物强度:外源传输的输送通量和局地污染的占比。


3、如何从激光雷达结果上读取沙尘信息呢?我们来分析三个案例。

案例分析一:L地经历的一次严重的沙尘过程(数据来源:L地站点)


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① 沙尘爆发前:雷达图像监测显示,9日白天污染程度较轻,近地面有一定的尘漂浮。

② 沙尘爆发期:夜间22时,近地面的退偏振度突然增大,消光系数也有伴随增大的现象,L地区的粗颗粒程度明显增加,近地面的PM10由250μg/m3升至1500μg/m3,沙尘天气加剧。

③ 沙尘消散:沙尘天气持续至10日夜间22时,沙团中的粗颗粒明显沉降,退偏振度和消光系数明显减弱,污染物浓度下降,特别是PM10浓度,回落到750μg/m3,经历11日的持续沉降和过境,沙尘天气的影响基本消除,PM10浓度回落到250μg/m3。


案例分析二:过境沙团和沉降沙团的过程监控(数据来源:W地站点)

颗粒物激光雷达杭州激光打标加工在判识外源性沙尘的另一个重要依据,是其出现的高度与近地面的污染物分布无明显的重合。下图是激光雷达捕获到的一次多层沙团过境和与地面复合的结果。近地面的结果发现,PM浓度高值与沙团2沉降融合有密切关系。


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沙尘输入过程的激光雷达监测结果(W地)


① 沙团1: 出现在6日16时,高度4.2km处,沉降过程中沙团的下沿距地面约2.1km,尚未进入大气边界层内,属于过境沙团,对近地面的影响较小。

② 沙团2:出现在7日20时前后,高度5km处,沙团强度大,沉降速率大,沙团在8日7时沉降至大气边界层内,与近地面污染物复合,属于沉降沙团。

③ 沙团3:在沙团2未沉降结束时,高空3km处发生第3次的污染团的输送。此沙团向地面迁移过程中,在1.2km处与地面污染物有明显分界,未发生融合,属过境沙团。

④ 沙团4:出现在8日20时高空3.6~4.5km范围内出现第4次的沙团输入。此沙团下沿最低高度至3km,既未与第3次的沙团混合,也没有能进入边界层内与近地面的污染物混合,推测第3次和第4次输送的污染团与第1次的污染团类似,属于过境沙团,对近地面的影响较小。


详细可参阅【伍德侠, 宫正宇, 潘本锋,等. 颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用[J]. 中国环境监测, 2015(5).】


案例分析三:沙尘传输的激光雷达组网观测

基于单站点的雷达可以实现对沙团的时间、高度和强度特征进行分析,基于多台雷达组成的雷达网络,可以对沙团的传输路径、时间相位以及沉降的特征进行监控,并及时预警。2016年3~5日中央气象台的沙尘落区预报如下图所示。为有效捕获此次沙尘污染传输,我司利用激光雷达组网平台,对布设在北京、无锡、上海、福州、武汉和郑州等地的大气颗粒物监测激光雷达数据进行快速解析,实时结果如下图所示,沙尘到达北京、郑州和武汉等地的时间、高度、强度和沙尘团轮廓的演化有很大的不同和较强的关联性。



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 中央气象台的沙尘落区预报


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激光雷达组网点位布设


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沙尘传输的激光雷达组网观测结果


致谢:衷心感谢中国环境监测总站、河南省环境监测中心、上海市环境监测中心、福建省环境监测中心站、兰州市环境监测站、武汉市环境监测中心、福州市环境监测中心站、无锡新吴区环境监测站的大力支持。