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作者：張毅

本文對(duì)影響北京的一次霧一霾天氣過程進(jìn)行了探測記錄，對(duì)其能夠持續(xù)及消散的氣象條件作了簡要分析。同時(shí)，通過將激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)和L波段探空雷達(dá)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)激光雷達(dá)的霧一霾探測能力作了初步分析，要更深層次了解細(xì)粒子激光雷達(dá)對(duì)霧一霾過程的探測能力還需進(jìn)一步研究。

1  數(shù)據(jù)資料獲取

  激光雷達(dá)數(shù)據(jù)源自安裝在北京市觀象臺(tái)的一臺(tái)細(xì)粒子時(shí)空探測激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)采用的激光發(fā)射功率為400 mW，發(fā)出355和532 nm兩種波長的激光脈沖，單脈沖能量20 mJ，激光束經(jīng)準(zhǔn)直后發(fā)散角小于1mrad，激光束直徑約3 mm，在探測過程中，激光脈沖進(jìn)入大氣后，大氣中的粒子對(duì)激光產(chǎn)生米散射，其中方向?yàn)?80。的散射即后向散射被激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收，接收后由雷達(dá)的探測系統(tǒng)將接收到的回波信號(hào)反演成消光系數(shù)。通過消光系數(shù)的強(qiáng)度分布就可以直觀地看到細(xì)粒子的空間分布情況，該雷達(dá)的探測理想有效范圍白天是8 km，夜晚是15 km。研究所用臺(tái)站儀器為常規(guī)探測儀器。

2數(shù)據(jù)分析

2.1  地面觀測數(shù)據(jù)分析

  北京市南郊觀象臺(tái)2014年2月20-26日探測到了一次霧一霾天氣過程，過程中地面氣象要素變化非常明顯（圖1），從19日00：00至27日23:59溫度、濕度、能見度和風(fēng)速等氣象要素的變化情況看，20日進(jìn)入重污染天氣后，地面能見度急劇下降，由30 km左右下降到1 km左右，相對(duì)濕度由原來的25%上升到80%左右，溫度從20日開始也持續(xù)升高，這種情況一直持續(xù)到26日16時(shí)左右，此時(shí)開始出現(xiàn)降雨，顆粒物被雨水沖刷而沉降，顆粒物的濃度得以降低，同時(shí)26日夜間、27日凌晨冷空氣開始進(jìn)入北京，從圖1氣溫的日平均變化圖中可以看到，26日為氣溫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，氣溫開始下降，受冷空氣的影響，空氣流動(dòng)變大，地面風(fēng)速增大，從圖1中可以看出，風(fēng)速從26日的2 m·S-1逐漸變大到27日的6m·s-1，大的風(fēng)速有利于顆粒物的快速擴(kuò)散，降雨和由冷空氣帶來的大風(fēng)最終促使強(qiáng)霧一霾天氣的徹底結(jié)束，地面能見度重新上升到30 km左右，相對(duì)濕度下降到20%左右，氣象要素恢復(fù)到霧一霾之前的狀態(tài)。這次霧一霾天氣之所以能夠持續(xù)這么長時(shí)間，與對(duì)其有利的氣象條件是分不開的，在這次霧霾過程中，相對(duì)濕度和風(fēng)速的變化情況（圖1），這段時(shí)間相對(duì)濕度一直保持在50%以上，風(fēng)速大多在2m·S-1以下，大的濕度容易形成霧滴（劉梅等，2014；馬翠平等，2014），降低大氣透明度，能見度在一般情況下和濕度是呈負(fù)相關(guān)的（李學(xué)彬等，2007;孫景群，1985），濕度大時(shí)能見度往往是低的，持續(xù)的大濕度給這次霧霾天氣創(chuàng)造了條件，持續(xù)的小風(fēng)速不利于顆粒物的迅速擴(kuò)散，促使了顆粒物的大量堆積，造成了這次霧霾過程的持續(xù)，除此之外，通過分析南郊觀象臺(tái)19-26日這段時(shí)間的高空探測的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從近地面到3km范圍內(nèi)，每天幾乎都有逆溫層和低云的存在，逆溫層和低云團(tuán)的籠罩，使得大氣垂直對(duì)流受阻（姜大膀等，2011；康志明等，2005；劉煥彬等，2005；饒曉琴等，2008；王瑋等，2009;張禮春等，2013），也是導(dǎo)致霧一霾持續(xù)不散的原因之一。

2.2  細(xì)粒子激光雷達(dá)探測分析

  細(xì)粒子激光雷達(dá)對(duì)該次霧一霾的探測，圖2是從19-27日逐日細(xì)粒子激光雷達(dá)探測的消光系數(shù)數(shù)據(jù)，消光系數(shù)和色標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖，在消光系數(shù)越大說明霧一霾越嚴(yán)重，表現(xiàn)在圖中就是顏色偏紅色，每幅圖基本上都是一天的數(shù)據(jù)，從前一日oo:oo至第二日的23:09，例如圖2a就是從2014年2月1 9日00:05 23:56。從圖中可以看出，19日探測到的消光系數(shù)強(qiáng)度并不是很大，說明此時(shí)顆粒物的濃度相對(duì)較低，從20日開始近地面消光系數(shù)特別強(qiáng)，說明開始進(jìn)入強(qiáng)霧一霾天氣。隨著過程的深入，霧霾垂直厚度由起初的幾百米逐漸增加，最厚時(shí)達(dá)到2．0 km左右，其中21-24日霧一霾垂直方向上升到了較大的高度，說明霧一霾垂直方向較為嚴(yán)重。但就近地面而言，24和25日全天、26日16時(shí)之前，激光雷達(dá)近地面幾乎全紅色，沒有一絲縫隙，顯示霧一霾較為嚴(yán)重。從圖中還可以看到每天中午霧霾垂直高度會(huì)低一些，這是由于中午太陽輻射變強(qiáng)，使大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)活躍，使霧-霾減輕的緣故,整個(gè)過程激光雷達(dá)探測的結(jié)果是20日進(jìn)入霧一霾天氣，26日下午16時(shí)后近地面霧一霾逐漸消散，整個(gè)天氣過程演變和地面設(shè)備探測結(jié)果吻合很好，特別是在探測霧一霾的開始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)上和地面儀器對(duì)照得很好，從一定程度上說明激光雷達(dá)對(duì)此次霧霾過程探測的合理性。

  對(duì)霧霾垂直高度的探測，這里還利用了L波段探空雷達(dá)，探空數(shù)據(jù)在霧霾期間有兩個(gè)特征，有明顯逆溫層存在和近地面的高濕區(qū)段，并且逆溫層和高濕區(qū)段中的濕度峰值區(qū)在同一高度出現(xiàn)，如果探空數(shù)據(jù)中，從近地面開始，濕度基本保持在一個(gè)較高的值不變，且風(fēng)速在這段高度較小，在滿足這種氣象要素條件下，如果在某個(gè)逆溫層上方濕度迅速降低，出現(xiàn)一個(gè)突變，上文討論中提到能見度和濕度呈負(fù)相關(guān)，濕度迅速降低，能見度應(yīng)該是隨之迅速好轉(zhuǎn)，并且在逆溫層上方大氣不再受逆溫層屏蔽，空氣流動(dòng)通暢，有利于顆粒物水汽的迅速擴(kuò)散，也是霧一霾擴(kuò)散的有利性條件，那么可以判斷，在該逆溫層和濕度峰值同時(shí)出現(xiàn)（同時(shí)也是濕度迅速降低開始）處上方，霧一霾迅速減輕，甚至消失，從而認(rèn)為該位置所在高度探空探測確定的霧一霾的最低垂直高度。對(duì)于霧霾高度的確定，以往也有文章指出霾有一定的厚度并以逆溫層為上界（劉攸弘，2004），這里加上濕度驟減這個(gè)條件來描述霧一霾高度更加確切，之所以把該方法確定的霧一霾高度說成霧霾最低高度，是因?yàn)檫@種方法確定的霧霾高度可能會(huì)比實(shí)際偏低，因?yàn)槭前褲穸确逯堤幎�為了霧一霾高度，實(shí)際上在濕度轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上，濕度由大變小還有一個(gè)過渡區(qū)，該區(qū)域應(yīng)該也是霧從有到無的一個(gè)過渡區(qū)，但是由于濕度究竟降低到多少，霧全部消散不好確定，這里就把霧霾開始消散之前的這個(gè)高度當(dāng)作了探空確定的霧一霾高度，霧霾垂直方向消散的過渡區(qū)沒算，實(shí)際中應(yīng)該比這個(gè)高度要高。這里說是霧霾高度是一個(gè)通稱，由于高空數(shù)據(jù)只有濕度，沒有垂直顆粒物數(shù)據(jù)，所以這里說的霧一霾更偏重于霧。此外，為了減小誤差只選探空資料中很明顯滿足上面條件的數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)作對(duì)比，對(duì)于存在爭議的和暫不能確定的資料這里沒有采用。圖3為研究所選的探空數(shù)據(jù)資料，在圖3四幅圖中已標(biāo)出了由探空所確定的霧霾垂直高度，并將該高度列于表1，激光雷達(dá)探測的霧霾高度在圖2中用黑色廓線表示，該高度也列于表1，兩者確定的高度已在激光雷達(dá)探測圖2中標(biāo)出，圖中所標(biāo)①是探空確定的霧霾垂直高度，②是指激光雷達(dá)探測的霧霾垂直高度，雖然探空確定的霧一霾高度已是霧一霾最低高度，但對(duì)比可發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)探測的霧一霾垂直高度總體還是要比探空確定的偏低，出現(xiàn)這種情況的原因：激光雷達(dá)在功率一定的情況下，穿透能力有限，在遇到水汽較重的霧一霾天氣時(shí)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，到最后就變成了無效的拖尾信號(hào)，反演出的就是一些噪點(diǎn)，導(dǎo)致了探測出的有效高度會(huì)偏低一些，從20日微波輻射計(jì)和激光雷達(dá)探測結(jié)果的對(duì)比來看（圖4），接近05時(shí)水汽有一個(gè)向下輸送的過程，如圖中橢圓形框所示，水汽在向下輸送的同時(shí)，還在不斷地加重，到達(dá)地面后，在0. 2:-1.3 km區(qū)域濕度達(dá)到了飽和狀態(tài)，在水汽往下輸送前，從地面到1.2 km的高度范圍內(nèi)濕度基本保持在80%左右，在1.2～3.0 km濕度處于80%～100%的混合態(tài)，這種情況下，由于濕度在地面到1.2 km的范圍內(nèi)在80%左右，激光信號(hào)在這段區(qū)域沒有被削減得很多，仍然有足夠的能量穿透了1.2--3.0 km這段濕度處于80%～100%的混合態(tài)區(qū)域，此時(shí)激光雷達(dá)探測高度接近3.0 km，和微波輻射計(jì)探測到的高濕度區(qū)的高度基本一致，在水汽下降后，高濕區(qū)接地，從近地面到1.3 km出現(xiàn)濕度基本為100%的完全飽和區(qū)，在這種濕度基本飽和的情況下，激光雷達(dá)探測高度下降到了0.4 km，比微波輻射計(jì)和L波段探空雷達(dá)探測的結(jié)果要偏低的多，而微波輻射計(jì)和同一時(shí)段的探空數(shù)據(jù)探測結(jié)果基本一致，說明在這種情況下，激光雷達(dá)信號(hào)會(huì)被霧滴水汽大大削弱，導(dǎo)致其探測結(jié)果偏低，以該雷達(dá)為例此時(shí)只能探測到離地面四五百米的高度，實(shí)際上根據(jù)探空數(shù)據(jù)可知，霧一霾的垂直高度至少為1.3 km，所以這時(shí)激光雷達(dá)探測的結(jié)果已不能準(zhǔn)確地描述霧霾垂直方向的分布情況。在霧霾進(jìn)入前和結(jié)束后．19和27日能見度基本都在10 km以上，有的時(shí)段能見度甚至在20 km以上，接近潔凈大氣，這種情況下，激光雷達(dá)探測高度應(yīng)該是最理想的高度，從這兩天激光雷達(dá)反演圖（圖4a）中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際探測高度在4～5km，這就說明該激光雷達(dá)實(shí)際探測最大高度范圍為4～5km，比所給的理想高度8~10 km偏低。

3  結(jié)論

  本文利用細(xì)粒子激光雷達(dá)和臺(tái)站現(xiàn)有探測儀器對(duì)北京的一次霧一霾天氣過程進(jìn)行綜合分析，給出了該次霧霾能夠持續(xù)的氣象條件和細(xì)粒子激光雷達(dá)探測結(jié)果和性能分析：

  (1)相對(duì)濕度始終維持在50%以上，風(fēng)速在2m·S-1以下，不利于顆粒物的迅速擴(kuò)散。逆溫層和云團(tuán)的持續(xù)存在，逆溫層使大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣對(duì)流減弱，顆粒物大量積累，云團(tuán)的存在也阻止了顆粒物向高空的擴(kuò)散，綜合以上兩個(gè)主要因素最終造成了這次霧霾天氣過程。

  (2)降水對(duì)顆粒物的沖刷、濕沉降作用以及冷空氣的到來使得地面風(fēng)力增大，促使了這次天氣過程霧一霾的消散。

  (3)細(xì)粒子激光雷達(dá)對(duì)該次霧一霾天氣過程近地面的探測結(jié)果和地面儀器探測結(jié)果吻合較好，此外，從激光雷達(dá)探測的垂直廓線圖中可以看出，每天中午霧一霾的垂直高度要比早上和晚上稍低。

(4)通過L波段探空雷達(dá)和細(xì)粒子激光雷達(dá)兩種探測手段確定霧一霾垂直高度，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)確定的霧一霾垂直高度總體要比L波段探空雷達(dá)確定的高度偏低，通過與微波輻射計(jì)探測結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在水汽較重、相對(duì)濕度接近飽和狀態(tài)時(shí)，偏低表現(xiàn)得更加明顯，此時(shí)激光雷達(dá)探測高度只能達(dá)到四五百米，已不能正確地反映霧一霾的垂直分布。

4提  要：通過大氣細(xì)粒子激光雷達(dá)和臺(tái)站探測儀器，探測北京一次霧一霾天氣過程，結(jié)合地面觀測和高空探測氣象要素的變化，分析了該霧一霾天氣過程能夠持續(xù)的氣象條件：(1)溫度持續(xù)上升，相對(duì)濕度維持在50%以上，風(fēng)速基本在2m·s-1以下，高溫、高濕、小風(fēng)速等氣象條件不利于顆粒物的迅速擴(kuò)散；(2)逆溫層的持續(xù)存在，大氣對(duì)流減弱，阻止了顆粒物向高空擴(kuò)散，顆粒物大量積累。以上兩個(gè)主要原因造成了該霧一霾天氣過程的持續(xù)。降水對(duì)顆粒物的沖刷、濕沉降作用以及冷空氣的到來造成地面風(fēng)力增大，促使了霧一霾天氣過程的最終消散。從細(xì)粒子激光雷達(dá)探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在每天中午霧一霾垂直高度都會(huì)降低，整個(gè)過程中細(xì)粒子激光雷達(dá)和地面儀器探測的結(jié)果基本一致，但通過激光雷達(dá)和I．波段探空資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在存在飽和水汽天氣狀況時(shí)，細(xì)粒子激光雷達(dá)探測霧一霾高度偏低。