微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用

微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用摘要随着经济的快速发展，人们赖以生存的大气圈，尤其是城市上空的大气环境里存在的气溶胶颗粒，极大地影响了环境质量，危害着人类健康。因此通过对气溶胶的监测和分析，可以使人们加深对污染产生机制的理解。本文对气溶胶做了详细介绍，并描述了微脉冲激光雷达的概况以及采用微脉冲激光雷达监测气溶胶情况的一些实例。Withthefastdevelopmentofenvironment，theatmospherethatwearereliedonhasbeengreatlypolluted.Greatquantitiesofaerosolsareexistedinatmosphere,especiallyintheairofcity.Therefore,thequalityofenvironmentandthehealthofpersonsaresharplyaffected.Wecoulddeepentheunderstandingofpollutionbymonitoringandanalyzingaerosols.Thispapermakesadescriptionofaerosol,micropulselidar(MPL)andsomecases.关键词：气溶胶、微脉冲激光雷达、PM2.5、消光系数Keywords：Aerosol、micropulselidar、PM2.5、AerosolExtinctionCoefficient一、气溶胶1、气溶胶概述大气气溶胶是指悬浮在大气中空气动力学直径（Dp）为0.001~100μm的液体或固体微粒体系。空气动力学直径定义为与所研究粒子有相同终端降落速度的、密度为1g/cm3的球体直径，这是因为大气气溶胶微粒的形状极不规则，因而采用有效直径，诸如空气动力学直径，是一个很有效的指示方式。大气气溶胶按其粒径大小可分为如下几类：1.1、总悬浮颗粒物（TSP）：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，粒径多在100μm以下，尤以10μm以下的为最多。1.2、飘尘：可在大气中长期漂浮的悬浮物，颗粒物粒径一般小于10μm。1.3、降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物，颗粒物粒径一般大于10μm。1.4、可吸入粒子：易于通过呼吸过程进入呼吸道的粒子，国际标准化组织（ISO）建议将其定为Dp≤10μm。1.5、细粒子：Dp小于2.5μm的颗粒物，记为PM2.5。2、气溶胶的源及汇2.1、气溶胶的源大气气溶胶的来源复杂，按产生的过程可分为天然来源和人为来源。直接由污染源排放出来的称为一次颗粒物。大气中某些污染组分之间，或这些组分与大气成分之间发生反应而产生的颗粒物，称为二次颗粒物。天然来源如地面扬尘、海浪溅沫、火山灰、森林火灾燃烧物、宇宙陨星尘以及植物花粉和孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的煤烟、飞灰等，工业生产过程中排放出的原料或产品微粒，汽车排放出的含铅化合物，以及矿物燃料燃烧排放的SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等。2.2、气溶胶的汇大气气溶胶通常有干沉降和湿沉降两种消除方式。2.2.1、干沉降干沉降是指颗粒物在重力作用下沉降，或与其他物体碰撞后发生的沉降。干沉降存在两种机制。一是重力作用使颗粒物沉降。二是粒径小于0.1μm的颗粒，相互碰撞而凝聚成较大的颗粒，从而通过大气湍流扩散到地面或碰撞而去除。2.2.2、湿沉降湿沉降是指通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程。3、气溶胶的化学组成和危害3.1、气溶胶组成大气气溶胶的化学组成十分复杂，其中与人类活动密切相关的成分主要包括离子成分（以硫酸及硫酸盐颗粒物和硝酸及硝酸盐颗粒物为主）、痕量元素成分（包括重金属和稀有金属等）和有机成分。3.2、危害3.2.1、大气化学反应。气溶胶能吸附SO2、NOx及气态有机有毒物质（如PAHs、PCB等），并在气溶胶表面发生多相反应。3.2.2、气候效应。大气气溶胶可以通过吸收和散射太阳辐射直接扰动地一气系统的辐射平衡(radiationbalance)，产生所谓的直接气候效应。气溶胶粒子又可作为云的凝结核影响云的光学特性，云量以及云的寿命，产生所谓的间接效应。3.2.3、环境质量。大气中气溶胶的含量直接影响空气质量，诸如可引起能见度大幅降低等现象。3.2.4、气溶胶辐射强迫。辐射强迫是对某个因子改变地球–大气系统射入和逸出能量平衡影响程度的一种度量，它同时是一种指数，反映了该因子在潜在气候变化机制中的重要性。正强迫使地球表面增暖，负强迫则使其降冷。人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两种方式影响全球气候，对全球气候变化产生重大影响。4、上海大气中的PM2.5上海位于中国东部的长江口，是一个发展迅速的国际都市。但是近年来，由于工业和社会的发展，上海面临着严重空气污染问题的挑战。由于细粒子污染对人体健康造成了严重影响，因此PM2.5受到了群众和媒体的广泛关注。上海的PM2.5的人为来源主要有以下几个方面：（1）以煤为燃料的火电厂的烟气排放；（2）重型运输车辆的尾气排放等。上海的PM2.5的天然来源主要因特殊的地理位置，使得海盐对PM2.5含量及成分的影响十分明显。但上海区域属于季风性气候，因而从各固定污染源排出的大气污染物对各个监测点的影响大小有时呈现出较明显的季节差异。气溶胶虽然在大气中的含量很低，但是却扮演着十分重要的角色。因而采用必要的观测手段对气溶胶进行监测，有着很重要的意义。由美国SigmaSpaceCorporation生产的微脉冲激光雷达（MPL）可进行大气中气溶胶的监测。二、微脉冲激光雷达1、微脉冲激光雷达概述1993年提出了一种新型的激光雷达—微脉冲激光雷达（micropulselidar，MPL）的概念[1]。微脉冲激光雷达向大气中发射激光信号，然后分析激光的回波信号，从而得到大气的物理特征。激光雷达所接收的激光大气回波，包含了大气散射光的光强、频率、相位和偏振等多种信息。利用这些丰富的激光大气回波信息，可以探测多种大气物理要素。激光波长位于光波段，典型值为1μm左右，而烟、尘等大气气溶胶粒子的尺度和激光波长相当，再加上光电探测器的探测灵敏度较高，因而激光探测烟、尘等微粒具有很高的探测灵敏度。微脉冲激光雷达的优点：1.1、连续工作时间长。微脉冲激光雷达应用固态二极管激光器，从而使得微脉冲激光雷达的工作寿命远远超过普通激光雷达，一年只需进行两次维护即可保持长时间运行。此外，微脉冲激光雷达系统也包含了高效率的量子化滤噪光子计数设备。1.2、脉冲能量低，发射能量对人体安全。低的脉冲能量以高的重复频率透过一个收发共享的卡塞格林望远镜片，微脉冲激光雷达的发射能量只有几μJ，这样不仅可以提高监视仪器运转的安全性，确保系统的稳定性，还使仪器的自动运行成功实现。1.3、结构紧凑。因而微脉冲激光雷达可以观测任意天顶角，也可以像常规垂直探测一样方便地做到水平和倾斜探测。激光雷达方程式可以很好地说明微脉冲激光雷达的原理：22bap/r+n+n/rcnrOrCErTrrDnrβ其中rnr是雷达探测器接收的光电子数；cOr是填充订正函数；C是系统常数；E是发射激光脉冲能量；rβ是气溶胶和大气总的后向散射系数；2T为大气透过率；r是探测体与接收器望远镜之间的距离；bnr是背景噪音；apnr是探测器后脉冲订正函数；Dnr是探测器deadtime订正函数。2、微脉冲激光雷达结构微脉冲激光雷达由4个部分组成：激光发射系统、光学收发天线、探测器和数据采集系统。微脉冲激光雷达的构造示意图MPL的发射接收处理器被放置在一个恒温室中，天线装置是一个直径20cm的卡塞格林望远镜，光电计数器直接装在望远镜的下方。激光发射器和计数器连接到发射接收器上，另一端连在计算机上。3、微脉冲激光雷达应用及发展微脉冲激光雷达能够按照需要采取任意角度工作来获取大气参数。常规是采取垂直和水平两种方式采集数据，可获得垂直方向大气气溶胶的分布、变化廓线，云的变化，水平方向的能见度和气溶胶、污染物分布等。因而可用于以下测量实例：3.1、雷达接收信号受大气状况和天气影响比较明显，但也正是因为这样，激光雷达才能够对大气气溶胶的变化进行监测。从原始接收信号可以直接得到云的变化，大的大气结构的分布等。3.2、能见度的测量计算。激光雷达测量能见度的最大的优点在于，可以逐段逐段的利用斜率法求取能见度，再作累计平均，可以得到整个水平方向非常精确的能见度值。3.3、大气气溶胶消光系数的反演。通过数据分析，可以得到白天和夜间的气溶胶消光的垂直分布情况，长时间的气溶胶的变化情况，根据气溶胶的时空变化可以判断气溶胶的来源等。由此可见，微脉冲激光雷达可以用来获取能见度、云底高度、云厚、大气气溶胶、消光系数、光学透过率等参数，并依据分析的数据可以得到时空演变图等，这样不仅可以得到气溶胶的分布状况，还可以获得气溶胶、污染物的来源。这对于研究大气气溶胶提供了非常有用的探测手段。三、微脉冲激光雷达探测实例2008年7月至2009年1月采用激光雷达在上海浦东进行探测。[3]并将采集数据进行反演，可得到以下结果：3.1、气溶胶消光系数的昼夜变化图12008年7月平均一天4次的消光系数图1是2008年7月平均一天4次的消光系数，从图1中可看出从2:00开始消光系数随时间推移而变大，在14:00时达到最大，而后开始逐渐减小，在20:00时达到最小。产生这样一种变化的可能是由于白天太阳能加热地表的作用以及夜间地表热量散发的作用。而且大部分气溶胶均位于底层大气1km位置以下。图22008年10月平均一天4次的消光系数图2是2008年10月平均一天4次的消光系数，从图中可以明显看出10月份夜间气溶胶消光系数比8月份时偏大，其中一个可能的原因是由于上海周边地区夜间生物质的燃烧。然而，近地表（低于200m）数据不是很可靠，这是由雷达盲区的存在以及几何参数修正引起的。3.2、气溶胶消光系数的月变化图3气溶胶消光系数的月变化图3是气溶胶消光系数的月变化，从图中可看出气溶胶的消光系数随着海拔高度的增加而下降，在全部的测量月份期间，这种变化趋势基本一致。然而，6km左右的消光系数由于受到云层或云的影响，并不能准确说明，因此本文主要考虑4km以下不受云层影响的大气气溶胶消光系数。在低层大气，特别是2km以下的大气，由于从夏天到冬天，空气对流减弱，消光系数也呈现季节性变化，逐渐降低。而在3km以上，消光系数并没有表现出明显的差异性，这是因为这几个月份的天气情况都比较平均。图中的消光系数有两个峰值，分别出现在500m左右的高空以及1000m左右的高空。前一个峰值的出现是由于人类活动释放的灰尘被热对流风从街道和地面上吹起，受到上海众多的高层建筑物的影响，这些细粒子并不能迅速降落到地面，从而导致空气中细粒子含量增加。后一个峰值的出现则是由于上海当地对流以及气溶胶向西北工业地区的转移作用。苏州、无锡等工业城市的气溶胶粒子由于季风原因穿过上海向西北地区转移，这就能解释为何峰值出现在1000m左右的高空。参考文献：[1]SpinhirneJD．Micropulselidar[J]．IEEETrans．Geosci．Remotesensing，1993，3l(1)：48-55[2]JiYufeng，XuChidong．etal．Anewlidar-developedmicropulselidar[J]．JiansuQixiang(special)，2001，26-30(inChinese)纪玉峰，徐赤东等．一种新型的激光雷达—微脉冲激光雷达的研制【J】．江苏气象(专辑)，2001，26-30．[3]XingyouHuang，XiaowuYang，FuhaiGeng，HuaZhang，QianshanHe，LingbingBu．Aerosolmeasurementan