城市大气气溶胶污染过程的微脉冲激光雷达观测研究

摘要

随着我国经济的快速增长,人类生产活动引起的灰霾气溶胶污染日益突显,加上受春季沙尘气溶胶输送的影响,全国各大城市面临的大气环境问题不断加剧。通过微脉冲激光雷达(Micro Pulse Lidar,MPL)遥感探测可以反演得到大气气溶胶的垂直分布特征和演变规律,为污染过程中气溶胶的光学特性研究和城市大气污染控制提供参考。
　　本文首先对MPL反演数据进行了对比分析,验证了其探测数据的有效性,并统计了2012-2013年的北京市气溶胶污染背景情况。在此基础上,对城市典型大气气溶胶污染过程中边界层高度和气溶胶光学特性参数的时空分布等进行了反演研究,结合同步气象观测资料和颗粒物实测等数据,综合分析了城市大气气溶胶污染过程的生消演变及成因,并讨论了与区域性输送的关系。得出以下结论:
　　(1)MPL在分析城市大气结构分布和气溶胶光学特性中的应用是可行的。对大气边界层的结构变化能够做出准确快速的反映,与激光云高仪反演的大气边界层高度在清洁天气下具有显著线性相关关系(R=0.95),污染天气下相关系数偏小(R=0.58);对消光层出现位置和消光粒子性质的判定中与微波辐射计观测分析结果一致;气溶胶层内330m高度处的消光系数同地面实测ρ(PM2.5)和地面消光系数均具有较好的幂相关性,相关系数分别为0.77和0.75。
　　(2)统计分析了2012年12月~2013年11月的北京市气溶胶污染背景情况。研究期间发生2次强沙尘过程,共计8h;灰霾时共计3851h,发生频率为46.0％;各季节干霾时发生频率高于湿霾;秋、冬两季中、重度霾发生频繁;湿霾对能见度下降的贡献多于干霾;空气质量指数(AQI)在3级以上的污染天气出现频率为55.0%,主要集中在冬、秋两季;首要污染物以细颗粒物为主;能见度低值与高AQI值相吻合,与气溶胶污染天气相对应。
　　(3)沙尘气溶胶污染过程的MPL探测表明,沙尘初期受低边界层影响沙尘层浮于上空,沙尘发生时近地面退偏振比增大至0.4,沙尘厚度为3km,消光系数较沙尘前的灰霾过程降低到0.8km-1,气溶胶光学厚度(AOD,532nm)在0.4左右,大气边界层抬升至904m以上;HYSPLIT后向轨迹表明,此次沙尘过程为外蒙沙尘输送和本地大风引起的扬尘共同作用所致。
　　(4)连续强霾气溶胶污染的 MPL探测表明,大气边界层在91%的时段低于500m,平均仅为293m;近地面垂向各高度的消光系数持续>1.5km-1,气溶胶退偏振比表明大气垂直强消光为气溶胶颗粒物和大气水分共同作用导致;AOD在83.6%的时段超过1,且受相对湿度影响较大,相对湿度偏小时段的AOD值主要为气溶胶颗粒贡献,相对湿度较大时段AOD值受大气水分干扰显著,主要为细颗粒物吸湿增长所致;高、低空气象和MODIS分析数据表明连续静稳天气是灰霾发生的直接原因,区域性污染和持续高湿天气使灰霾加剧。

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1 引言

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文研究内容和技术路线

2 微脉冲激光雷达研究方法

2.1 探测资料来源

2.2 气溶胶参数反演方法

3 微脉冲激光雷达探测数据验证

3.1 激光云高仪与边界层验证

3.2 微波辐射计与气溶胶垂直光学特性参数验证

3.3 地面颗粒物实测浓度与气溶胶垂向消光系数验证

3.4 小结

4 城市典型气溶胶污染过程的微脉冲激光雷达探测分析

4.1 研究期间大气气溶胶污染背景统计

4.2 沙尘气溶胶污染过程分析

4.3 灰霾气溶胶污染过程分析

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

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致谢