结合激光雷达分析2022年春季青海东部地区连续两次沙尘污染过程.pdf

202青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言激光雷达以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物1,是目前大气气溶胶监测的有效手段2。激光雷达在污染过程的垂直探测和气溶胶光学特性研究中具有先天优势，故在灰霾、沙尘等污染过程的监测中得到越来越广泛的应用3。有研究人员曾对上海、石家庄等地不同强度沙尘天气进行过相关研究，探讨沙尘气溶胶的光学特性4,5。本文基于大气颗粒物的监测激光雷达退偏振比实时数据以及 PM10、PM2.5浓度小时数据对青海省 2022 年 3 月 17 至 18 日的连续两次沙尘天气进行分析，进一步探索激光雷达探测沙尘污染情况的分析方法和准确性，为今后青海地区沙尘污染的数据分析和预报预警提供参考。1 材料与方法1.1 数据资料文中 2022 年 3 月 17 日 00 时至 3 月 18 日 23时的PM2.5及 PM10浓度小时数据来自中国环境监测总站；2022 年 3 月 16 日至 19 日 PM10浓度及污染等级日数据来自于中国空气质量在线监测分析平台（https:/ AGHJ-I-LIDAR 大气颗粒物监测激光雷达，该基金项目：2021 年青海省气象局面上科研项目(QXMS2021-37)。作者简介：甘璐(1986-),工程师,主要研究领域为环境气象。E-mail:。结合激光雷达分析 2022 年春季青海东部地区连续两次沙尘污染过程甘 璐1 李晓云2 冯晓莉3 张吉农1 贾红莉1 马学莲1（1.青海省气象台，西宁 810001；2.无锡中科光电技术有限公司，无锡 214000；3.青海省气候中心，西宁 810001）摘 要：文章基于大气颗粒物监测激光雷达退偏振比实时数据以及 PM10、PM2.5浓度小时数据对青海省 2022 年3 月 17 至 18 日两次沙尘天气进行分析，结果表明，在沙尘影响期间 PM10浓度在短时间内呈爆发性增长，环青海湖地区的共和县 PM10浓度峰值远高于其他市（县），达到了 4249g/m3，是空气质量二级标准限值的 28 倍。从持续时间来看，各市（县）持续时间均在 23h，污染高值时段主要集中在 3 月 17 日傍晚到夜间。激光雷达监测结果表明，沙尘影响时段内，西宁市 202.5m 处退偏振比高于 502.5m 处，并呈现出明显的粗粒子污染特征。大气相对清洁时段，202.5m 和 502.5m 高度退偏振比基本在 0.1 和 0.05 以下。3 月 17 日 18 时，202.5m 和502.5m 处退偏振比为大气清洁时段的 1.5 倍和 3 倍。3 月 18 日 15 时，202.5m 和 502.5m 处退偏振比为大气清洁时段的 1.5 倍和 2.8 倍。沙尘因粗粒子增多使得退偏振比在短时间内增大。从轨迹分析看，西宁地区的气团源自偏西方不同高度层。关键词：沙尘污染；激光雷达；退偏振比；后向轨迹中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)03-0202-07203青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY雷达安装于西宁市二十里铺气象观测站。1.2 大气颗粒物监测激光雷达AGHJ-I-LIDAR 大气颗粒物监测激光雷达由发射与接收装置、控制部分两部分构成。发射与接收装置包含激光器、望远镜等；控制部分包含工控显示部分、激光器电源、数据采集部分等。激光雷达数据进行反演前经背景噪声订正、重叠因子订正及距离订正等预处理过程，由 Fernald算法6来求解激光雷达方程，进行气溶胶消光系数反演。本次探测工作波长为 532nm，探测垂直距离为 15km，单脉冲输出能量 25mJ，激光雷达接收回波盲区设定为 200m，200m 以下的数据不进行分析。2 研究与讨论2.1 污染过程空气质量概况2022 年 3 月 17 日中午，青海省柴达木盆地和海南藏族自治州南部出现沙尘天气，随着青海全省境内偏西大风的持续及加强，沙尘范围不断扩大并向东传输。省内共有 5 个国家站出现沙尘暴，26 个国家站出现扬沙，晚间 20 时以后逐渐转弱为浮尘。3 月 18 日，柴达木盆地再次出现沙尘天气，但基本以浮尘天气为主，环青海湖地区及东部地区出现扬沙。3 月 18 日较 3 月 17 日沙尘范围和强度都有所减小，3 月 17 日沙尘范围主要集中在青海省 35N 以北地区，3 月 18 日主要集中在环青海湖地区及东部地区。3 月 17 日，青海省多地短暂出现空气质量“爆表”，空气质量指数类别为严重污染，污染最长累积时间达 8 小时。3 月 18 日受 3 月 17 日及当天沙尘影响，污染最长累积时间达 11 小时。柴达木盆地主要沙尘过程于 3 月 17 日结束，3 月 18 日出现短时浮尘天气，随后空气质量逐渐转好；环青海湖及东部地区受大风影响，3 月 17 日、18 日均出现了扬沙天气，3 月 18 日下午风速明显减小，扬沙天气结束，大气扩散条件转好，环青海湖地区及东部地区的空气质量随之得到改善。从青海省各市（县）的 PM10浓度日历图表（表 1）和空间分布图（图 1）可以看出：沙尘过程中，3 月 16 日，青海省柴达木盆地、环青海湖地区、表 1 3 月 16-19 日青海省各市（县）PM10浓度日历图区域行政区PM103/163/173/183/19柴达木盆地德令哈市54989125环青海湖地区海晏县8217811462共和县9281033052青海省东部西宁市117156183141海东市平安区124171206155同仁县92426360115注：日历图单元格颜色代表空气质量等级，黄色为良，橙色为轻度污染，红色为中度污染，赭红色为重度污染，褐色为严重污染。204青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY东部地区的 PM10浓度均在良的等级范围内。3 月17 日，共和县、同仁县发生 PM10严重污染，西宁市、海东市平安区、海北州海晏县发生 PM10轻度污染。青海省北部的 6 个监测站中 5 个报出了 PM10污染，3 月 17 日是青海全省污染范围最大的一天。3 月18 日污染程度下降，前一日污染最严重的共和县转为中度污染，同仁县转为重度污染，海晏县空气质量转良，青海东部地区的西宁市、海东市平安区虽然污染等级未发生变化，但 PM10浓度较前一日略有上升。同时全省污染范围缩小，污染站数减为 4 个站。3 月 19 日空气质量好转，仅海东市平安区出现轻度污染。总体而言，3 月 17 日东部地区共和县、同仁县污染最为严重，18 日同仁县污染最为严重。图 1 3 月 16-19 日青海省各州市 PM10浓度空间分布从各市（县）PM10浓度时序图（图 2）可以看出，在两次沙尘过程中沙尘影响范围较大、强度更强的 3 月 17 日，各地的 PM10浓度均在短时间内呈爆发性增长。环青海湖地区的共和县 PM10浓度峰值远高于其他市（县），达到了 4249g/m3，是空气质量二级标准限值的 28 倍。从持续时间来看，各市（县）持续时间均在 23h，污染高值时段主要集中在 3 月 17 日傍晚到夜间。但沙尘天气减弱较快，峰值出现 23h 后，PM10浓度出现明显降低。西宁 3 月 17 日沙尘影响期间 PM10浓度在 350400g/m3，3 月 18 日沙尘影响期间 PM10浓度在 350g/m3左右。205青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 2 3 月 17-18 日青海省各市（县）颗粒物小时浓度时间序列（注：部分数据缺失为仪器故障所致）206青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY2.2 激光雷达反演图分析据 3 月 17 日至 18 日激光雷达监测图像（图3）显示：本次沙尘过程主要分为两个阶段，沙尘过程始终以晴天少云天气为主。3 月 17 日下午 15 时起，西宁出现较强偏西风，风力达到 46 级，带来上风向地区的沙尘传输，雷达退偏振比升至 0.2 左右，说明当地出现粒径较大的粗粒子污染（沙尘），垂直方向影响高度最高达0.8km，空气站数据显示 PM10浓度达到 393g/m3，空气质量重度污染。17 日夜间风力转向为东南风为主，导致沙尘回流，与此同时夜间边界层下压，垂直扩散条件一般，PM10浓度居高不下，但随着较强东南风的持续，水平扩散条件良好，沙尘回流后后续沙尘传输减少，PM10浓度迅速降低。3 月 18 日 013 时，西宁为持续晴天，气温升高湿度降低，地表上升气流较多，不利于沙尘粒子自然沉降，且风力多在 12 级，风速较小，水平扩散条件一般，西宁空气质量维持良-轻度污染。14 时出现 78 级较强偏西风，受上游沙尘传输影响，导致西宁再次出现沙尘天气，雷达消光系数与退偏振比均有升高，但本次沙尘持续时间较短，至 18 时空气质量已恢复为良；20 时风向转为东南风再次导致沙尘回流，当地颗粒物污染加重，但随着东南风持续，空气质量逐渐好转。2.3 影响过程的退偏振比分析对 3 月 17 日 00 时 至 3 月 18 日 23 时 西 宁二十里铺站点 202.5m 和 502.5m 高度处颗粒物退偏振比变化进行分析，以期了解沙尘污染对退偏振比的影响。其中，选取沙尘污染之前 3 月 17 日00 时至 12 时 PM10浓度低于 100g/m3的时段，作为大气相对清洁时段。可以看出，当大气相对清洁时，退偏振比值较低，202.5m 高度退偏振比基本在 0.1 以下，502.5m 高度退偏振比基本在 0.05以下，在此时段内大气中粗粒子较少。3 月 17 日、18 日西宁两次受上游沙尘传输影响的污染时段，即 PM10浓度大于 350g/m3的时段，202.5m 及 502.5m 处退偏振比均有明显的上升，说明退偏振比与 PM10浓度呈正相关，这也很好地反映了退偏振比增大反映大气中粗粒子增多这一事实。3 月 17 日 18 时 202.5m 处退偏振比出现最大值，为 0.163；3 月 17 日 20 时 502.5m 处退偏振比出现最大值，为 0.146。相对于大气清洁时段，202.5m 处退偏振比增加约 0.6，高出约 1.5 倍；502.5m 处退偏振比增加约 0.1，高出约 3 倍。3 月 18 日污染时段内的最大退偏振比值，202.5m 处出现在 15 时，数值为 0.151；502.5m 处出现在 16 时，数值为 0.138。相对于大气清洁时段，202.5m 处退偏振比增加约 0.5，高出约 1.5 倍；502.5m 处退偏振比增加约 0.09，高出约 2.8 倍。可以看出，无论是 3 月 17 日还是 3 月 18 日，202.5 m和 502.5m 处的退偏振比增幅基本一致，这也与 3月 17 日和 18 日沙尘污染期间 PM10浓度相接近有图 3 3 月 17-18 日西宁市激光雷达反演、PM10浓度及风向风力时序图207青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 4 基于 HYSPLIT 模型的西宁市 17 日、18 日后向轨迹分析关。3 月 17 日和 18 日 202.5m 处退偏振比值略高于 502.5m 处，但变化趋势表现相同。3 月 17 日 16时退偏振比增大，到 3 月 18 日 05 时开始退偏振比减小，整个过程持续了 14h。3 月 18 日 14 时退偏振比再次增大，16时开始减小，此次过程维持了3h。这与前文所述一致，即 3 月 17 日沙尘造成的影响强于 3 月 18 日，并且 3 月 17 日的过程持续影响时间长，3 月 18 日凌晨才结束。3 影响过程来源分析选取 PM10浓度峰值时刻，分别对西宁市 3 月17 日和 18 日气团轨迹进行分析（如图 4 所示）。3月 17 日 21 时后向轨迹图（图 4 左）显示，西宁市 500m、1000m 和 1500m 处的高空气团均来自西北方，即西宁的上游大通县方向。大通县在 3月 17 日 15 时出现了沙尘暴，西宁地区的 PM10浓度在 3 月 17 日 17 时才达到轻度污染标准。并且，从激光雷达 355 消光图像上看到，3 月 17 日 16 时以后西宁地区低层的消光才有所增大，西宁地区的沙尘晚于大通出现，结合气团轨迹，可以说明西宁此次沙尘污染过程主要受大通沙尘传输影响。轨迹图同时显示上游地面气团到达西宁后分别被抬升至 500m 和 1000m，5001000m 之间的气团被抬升至 1500m。3 月 18 日 15 时的后向轨迹图（图 4 右）显示，西宁 500m、1000m 和 1500m处高空的气团源头均不同程度、不同方向地来自于偏西方，仍表现为不同高度气团到达西宁上空后被抬升的特征。4 结论（1）在沙尘过程中，青海各地 PM10浓度均在短时间内呈爆发性增长。在 2022 年 3 月 17 日环青海湖地区的共和 PM10浓度峰值远高于其他市（县），达到 4249g/m3，是空气质量二级标准限值的 28倍。各市（县）沙尘影响持续时间均在 23h，污染时段主要集中在 3 月 17 日傍晚到夜间。（2）2022 年 3 月 17 日沙尘影响期间，激光雷达退偏振比升至 0.2 左右，为粗粒子污染（沙尘），垂直方向影响高度达 0.8km，空气站数据显示 PM10浓度达 393g/m3。3 月 17 日夜间沙尘回流，边界层下压，垂直扩散条件一般，水平扩散条件良好，沙尘回流后后续沙尘传输减少，PM10浓度随之迅速降低。（3）沙尘影响时段内 202.5m 和 502.5m 处退偏振比均有明显上升，与 PM10浓度正相关。2022 年 3208青海科技202303探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYAnalysis of Two Sand-dust Pollution Processes in Qinghai Province in Spring 2022 by LIDARGanLu1,LiXiaoyun2,FengXiaoli3,ZhangJinong1,JiaHongli1,MaXuelian1（1.QinghaiMeteorologicalObservatory,Xining810001,China;2.WuxiCasPhotonicsCo.,Ltd.,Wuxi214000,China;3.QinghaiClimateCentre,Xining810001,China）Abstract:Basedonthereal-timedataofthelineardepolarizationratioofatmosphericparticulatemattermonitoringLIDARandthehourlyconcentrationdataofPM10andPM2.5,theatmosphericpollutioncausedbytheimpactoftwosandanddustweatherinQinghaiProvincefromMarch17to18,2022wasanalyzed.Theresultsshowedthatduringtheperiodofdustimpact,theconcentrationofPM10increasedexplosivelyinashortperiodoftime,andthepeakconcentrationofPM10inGongheCountyaroundQinghaiLakewasmuchhigherthanthatinothercities(counties),reaching4249g/m3,whichis28timesthelimitvalueofthesecondarystandardforairquality.Fromtheperspectiveofduration,thedurationofeachcity(county)is2-3hours,andthehighvalueperiodofpollutionismainlyconcentratedfromtheeveningtothenightofMarch17.Thelidarmonitoringresultsshowthatduringtheperiodofdustimpact,thedepolarizationratioat202.5minXiningishigherthan502.5m,andthereareobviouscharacteristicsofcoarseparticlepollution.Duringrelativelycleanatmosphericperiods,thedepolarizationratiosataltitudesof202.5mand502.5marebasicallybelow0.1and0.05.At18:00onMarch17,thedepolarizationratioat202.5mand502.5mwere1.5and3timeshigherthanduringtheatmosphericcleaningperiod.At15:00onMarch18th,thedepolarizationratioat202.5mand502.5mwere1.5and2.8timeshigherthanduringtheatmosphericcleaningperiod.Thedepolarizationratioofcoarseparticlesincreasesinashorttimeduetosanddust.Fromthetrajectoryanalysis,theairmassesinXiningareaoriginatefromdifferentlevelstothewest.Keywords:Sand-dustpollution;LIDAR;Lineardepolarizationratio;Backwardtrajectory月 17 日 18 时和 20 时，202.5m 和 502.5m 处退偏振比出现最大值，分别为 0.163 和 0.146，约为清洁时段的 1.5 倍和 3 倍。2022 年 3 月 18 日 15 时和 16 时，202.5m 和 502.5m 处退偏振比出现最大值，分别为0.151 和 0.138，约为清洁时段的 1.5 倍和 2.8 倍。（4）2022 年 3 月 17 日、18 日 202.5m 和502.5m 处退偏振比增幅基本一致，且 202.5m 处略高于 502.5m 处。（5）后向轨迹分析表明，西宁所受沙尘影响源自偏西方不同高度层，且表现为不同高度气团到达西宁上空后被抬升的特征。参考文献：1杨欣,陈义珍,刘厚凤,等.北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析J.中国环境科学,2014,34(2):282-288.2包青,贺军亮,查勇,等.结合激光雷达分析2014年春季南京地区一次大气污染过程J.环境科学,2015,36(4):1187-1194.3石琳琳,李令军,李倩,等.2016年北京市春节大气颗粒物污染特征激光雷达监测分析J.环境科学,2017,38(10):4092-4099.4王苑,邓军英,史兰红,等.基于气溶胶光学特性垂直分布的一次浮尘过程分析J.环境科学,2014,35(3):830-838.5陈静,张艳品,杨鹏,等.石家庄一次沙尘气溶胶污染过程及光学特性J.中国环境科学,2016,36(4):979-989.6JIHZ,CHENSY,ZHANGYC,etal.CalibrationmethodforthereferenceparameterinFernaldandKlettinversioncombiningRamanandElasticreturnJ.JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer,2017,188:71-78.