基于激光雷达观测的成都冬季颗粒物光学特性及其与数浓度的关系研究

摘要

随着我国城市化进程的加快，大气污染日益加剧，霾污染事件的频发使大气环境问题逐渐成为民众关注的焦点，而霾污染事件主要是由大气颗粒物浓度过高造成的。近年来，越来越多的学者开始了针对大气颗粒物的研究。目前有关大气颗粒物的研究更多的集中在京津冀、珠三角和长三角地区，而四川盆地作为中国四大霾污染高发地区之一，相关研究相对较少。成都市地处四川盆地西部，受特殊的地势和城市下垫面影响，该地区污染物易聚集，导致霾污染事件频发，尤其是在冬季。 本文利用成都地区2017年1月份微脉冲激光雷达观测资料，对观测期间大气颗粒物光学特性进行了分析，其中日变化特征表现为:夜间在近地面颗粒物消光系数随高度明显递减，白天近地面层以上颗粒物消光系数出现增长趋势，与之对应的退偏振比也随之增长。此外，在大气底部退偏振比有持续高值的存在。受白天近地面层以上消光系数数值增长的影响，大气光学厚度(AOD)也呈现昼高夜低的现象。在观测期间的1月4～7日一次重霾过程中，激光雷达反演边界层高度与近地面PM2.5质量浓度存在明显日变化以及负相关关系。在夜间，近地面低温高湿，存在逆温层且逆温强度高于观测期间平均水平，此时消光系数出现高值区;白天大气层结不稳定且温度明显高于观测期间平均值，在近地面层以上受云层的影响消光系数和退偏振比出现高值区。其次，本文还基于Mie散射理论，利用颗粒物浓度数据计算出不同粒径颗粒物的消光系数，对比了本次重霾过程不同粒径颗粒物消光作用的大小，结果显示:在不同高度上，颗粒物消光系数大小关系表现为PM1＞PM2.5～10＞PM1～2.5＞PM＞10，其中PM1消光贡献率最高达到69.4％，是本次重霾过程中影响颗粒物消光系数大小的主要因素，PM＞10消光贡献率最小仅为1.8％～4.5％。夜间在近地面层，颗粒物消光系数明显大于白天，其中PM＞1的消光贡献率也明显大于白天。白天700～900m高度之间，不同粒径谱颗粒物消光系数明显大于夜间，PM1-10的消光贡献率也明显大于夜间。PM1消光贡献率整体上随高度递增，而PM＞1消光贡献率整体上随高度递减。最后，本文研究了颗粒物数浓度与激光雷达反演消光系数相关关系并得出结论:幂函数模型更适用于二者的拟合。拟合结果中，消光系数与PM1的相关性最强，与PM＞10的相关性最弱。经过对比分析，相对湿度(RH)的差异对于拟合效果有明显的影响，其中当60％＜RH＜80％时拟合效果最好。基于该结论，本文在幂函数基础上增加了相对湿度订正项并得到了更好的拟合效果。通过在垂直方向上对拟合公式进行验证，得出该增加相对湿度因子的拟合模型拟合效果更佳且更具普适性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1研究目的与意义

1．2国内外研究进展

1．2．1激光雷达发展及其应用

1．2．2基于激光雷达资料观测与颗粒物浓度关系的研究进展

1．2．3不同粒径颗粒物消光作用的研究进展

1．3本文主要研究内容

2．1．1观测区域介绍

2．1．2观测方法

2．2激光雷达探测资料

2．2．1微脉冲激光雷达的组成

2．2．2微脉冲激光雷达的工作原理

2．2．3颗粒物参数算法介绍

2．3气象要素

2．4颗粒物浓度

第三章基于激光雷达观测的冬季颗粒物光学特性分析

3．1观测期间颗粒物光学特性的日变化特征

3．2重霾期间颗粒物光学特性分析

3．2．1近地面PM2．5及边界层高度变化特征

3．2．2颗粒物光学特性变化特征

3．2．3退偏振与消光系数的关系

3．3本章小结

第四章重霾过程不同粒径颗粒物的消光作用分析

4．1颗粒物浓度垂直分布

4．2消光系数的算法推导与验证

4．2．1算法推导

4．2．2结果验证

4．3不同粒径颗粒物消光作用

4．4本章小结

第五章消光系数与其数浓度的关系研究

5．1观测期间不同污染时段分布

5．2不同污染程度下消光系数与颗粒物数浓度关系

5．3水汽对于拟合效果的影响

5．4水汽修正与验证

5．4．1水汽因子对拟合模型的修正

5．4．2结果验证

5．5本章小结

第六章主要结论与展望

6．1主要结论

6．2存在不足与展望

参考文献

作者简介

致谢