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利用微脉冲激光雷达研究上海灰霾气溶胶光学特性

作　者: 潘鹄
导　师: 耿福海；陈勇航
学　校: 东华大学
专　业: 环境工程
关键词: 灰霾气溶胶激光雷达消光系数光学厚度
分类号: X513
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,对于灰霾这一环境热点问题的研究,主要集中在分析其天气气候特征、气象成因和化学组分方面,而对于灰霾的气溶胶垂直分布特征的研究尚罕见,本研究试图针对上海灰霾预警预报业务给出一些定量化的新认识。本论文首先对激光雷达Welton迭代反演方法进行了探索研究,利用上海市城市环境气象中心2009年3月至2010年2月的微脉冲激光雷达和太阳光度计的观测资料,对消光系数和光学厚度进行了反演。通过数值模拟发现该方法所得的消光系数与理想廓线趋势基本一致,但是在低空产生一定的误差,通过滑动平均解决了远端信号噪音带来的影响。反演结果表明：光学厚度(AOD)反演值与光度计观测值的变化趋势基本一致,接近80%的反演值是低于观测值的,所以两者的比值R是小于1的,说明结果较为合理。因为AOD光度计观测值来自于整个大气柱,而反演值只是近地面AOD。但反演值波动仍较大,所以反演过程还有待进一步完善。其次利用同期上海市城市环境气象中心芬兰Vaisala公司的Milos500七要素自动气象站的观测资料,根据最新的行业标准,统计出霾和无霾日、干霾和湿霾日以及不同强度霾日,发现如下趋势：灰霾日：冬季>夏季>春季>秋季。干霾日的发生频率要明显高于湿霾日,冬季最多,而湿霾在夏季最多。春夏季节以轻微霾最多,重度霾则冬季最多。利用同期上海市城市环境气象中心一年的激光雷达业务反演算法得到的消光系数和光学厚度(AOD),分析了霾日和无霾日、干霾日和湿霾日对应的消光系数的日变化和季节变化以及对流层内不同高度AOD的分布状况。结果表明：上海地区发生灰霾时0～1km大气的AOD占0～6km的64%,AOD值均大于0.04,而无霾日仅占44%,AOD值均小于0.04,说明低层大气气溶胶增多是导致灰霾现象的主要原因。灰霾时段的消光系数有明显的垂直梯度变化,低空(0～1km)变化趋势为：冬季>夏季>春季>秋季。无霾时段在低层大气(0～1km)无明显梯度变化；湿霾(80%<RH<95%)时段的消光系数变化波动明显比干霾时段剧烈,干霾(RH<80%)时消光在0.1km-1左右波动,而湿霾时消光从0.0001～1km-1变化不等；在500m以下的近地面大气,湿霾的消光一般大于干霾,以冬季最为明显,所以湿霾对能见度下降的贡献多于干霾。另外,对影响灰霾发生的主要因素边界层高度、颗粒物浓度、相对湿度和风速风向进行了研究。结论如下：四个季节发生灰霾时边界层高度变化的趋势基本一致,最高在725～825m之间；发生灰霾时地面气溶胶质量浓度PM1在30～60μg/m3,PM2.5在45～75μg/m3,无霾时PM1和PM2.5分别在10～25μg/m3和15～35μg/m3；冬季大气边界层高度最低,颗粒物浓度也最高,所以重度灰霾易在冬季发生。夏季颗粒物浓度最低,但由于夏季相对湿度最大,所以夏季的湿霾较多,但重霾较少；上海灰霾时段的地面风普遍较小,日平均在2.0m/s以下,属于轻风状态,大气扩散能力较差,有利于灰霾发生。最后通过分析2008年12月19日至21日在上海地区发生的一次包括轻微、轻度、中度和重度灰霾的典型过程,以微脉冲激光雷达为主,结合多种观测手段,综合分析了灰霾天气出现前后气溶胶的光学特性及其垂直分布特征,为城市灰霾污染控制研究提供了参考依据。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-16
  1.1 大气气溶胶和灰霾研究背景及意义  12-13
    1.1.1 大气气溶胶  12
    1.1.2 灰霾  12-13
  1.2 国内外研究进展  13-14
  1.3 本文研究内容  14-16
第二章激光雷达系统  16-20
  2.1 激光雷达概况  16-17
    2.1.1 探测原理  16
    2.1.2 激光雷达研究进展  16-17
    2.1.3 激光雷达的分类  17
  2.2 微脉冲激光雷达系统  17-20
第三章激光雷达方程及反演技术  20-34
  3.1 微脉冲激光雷达的信号处理及标定  20-22
    3.1.1 探测器延时订正  20-21
    3.1.2 背景噪音订正  21
    3.1.3 驻留脉冲订正  21
    3.1.4 距离订正  21-22
    3.1.5 几何因子订正  22
  3.2 激光雷达方程  22-23
  3.3 气溶胶消光系数的反演方法  23-26
    3.3.1 Fernald法  23-24
    3.3.2 Welton迭代法  24-26
  3.4 反演步骤  26-34
    3.4.1 原始激光雷达信号  26-27
    3.4.2 IDL软件介绍  27-28
    3.4.3 数值模拟  28-29
    3.4.4 参考层的选取  29
    3.4.5 大气分子光学特性  29
    3.4.6 反演结果验证  29-34
第四章上海灰霾气溶胶特性分析  34-58
  4.1 灰霾日统计  35-37
  4.2 灰霾与无霾时段气溶胶光学特性分析  37-46
    4.2.1 灰霾与无霾时气溶胶消光系数的日变化特征  38-41
    4.2.2 灰霾气溶胶消光系数的季节变化特征  41
    4.2.3 灰霾与无霾时不同高度气溶胶光学厚度的季节变化  41-43
    4.2.4 干霾与湿霾时气溶胶消光系数的日变化特征  43-45
    4.2.5 干霾与湿霾时不同高度气溶胶光学厚度的季节变化  45-46
  4.3 影响灰霾的主要因素  46-58
    4.3.1 灰霾与边界层  47-49
    4.3.2 灰霾与颗粒物  49-51
    4.3.3 灰霾与相对湿度  51-54
    4.3.4 灰霾与地面风  54-58
第五章上海灰霾气溶胶个例分析  58-68
  5.1 气象因子分析  58-59
  5.2 气溶胶光学特性分析  59-62
  5.3 气溶胶物理特性分析  62-68
第六章总结与展望  68-72
  6.1 总结  68-70
  6.2 今后工作展望  70-72
参考文献  72-76
攻读学位期间的研究成果  76-78
致谢  78

利用微脉冲激光雷达研究上海灰霾气溶胶光学特性

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