广东地区一次严重霾过程的垂直探测外文翻译资料

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广东地区一次严重霾过程的垂直探测

DENG Tao^1,2*, WU Dui², DENG XueJiao², TAN HaoBo², LI Fei² amp; LIAO BiTing²

1南京大学大气科学学院，南京210093；

2中国气象局广州热带海洋气象研究所，广州510080

摘要:我们通过激光雷达和微波辐射计对广州地区一次严重霾过程进行了探测，通过小波协方差进行反演得到了边界层高度。并从动力学和热力学结构方面对边界层高度和能见度与气象因子之间的相关性进行了分析。我们的研究结果表明，边界层高度呈现明显的日变化，与地面能见度变化相一致。在清洁过程中，边界层高度超过了一公里，而在严重的霾过程中，边界层高度只有500米。30h滞后的50-100m的温度梯度与能见度呈正相关，相关系数0.77。高层能见度（225m）和低层稳定度呈现明显的负相关，在清洁天最大负相关系数达-0.76，霾天达-0.49。在相关的边界层气象因子中，表面通风系数与地面能见度呈线性相关，最大相关系数为0.88。边界层高度，地面风速，相对湿度与能见度的相关系数分别为0.76，0.67和-0.77。不同气象因子间存在较强的相关性，在这次雾霾过程中，占主导地位的是表面通风率。在没有边界层高度探测的地区，可以通过地面能见度和风速来估算边界层高度。

关键词：激光雷达；边界层高度；表面通风系数；霾；能见度

引言

近年来，随着城市的快速发展，人类活动导致大量气溶胶的排放颗粒和污染气体，如污染气体和一次气溶胶可以通过不同的化学反应生成二次气溶胶反应(Tang etal.,2006)。各种气溶胶粒子发生不同程度的化学反应来降低能见度。随着能见度降低到一定程度，灰霾开始出现(Deng et al., 2012; Wu et al., 2007)。由于珠三角特殊的地理位置和经济地位，在太阳辐射的作用下，严重的气溶胶污染，和低能见度以及雾霾天气(Wu et al., 2005, 2006a, 2006b),对区域性气候以及城市地区边界层高度（BL）(Badarinath et al., 2006; Deng T et al.,2010b; Jayaraman et al., 2006; Mallet et al., 2006),有着明显的反作用，同时对人类健康有着巨大的影响(Tie et al., 2009)。雾霾主要发生在边界层内，其严重程度与边界层辐射强度直接相关，与边界层气象条件也有着紧密的联系。并且是风速、相对湿度、边界层高度（BLH），和大气稳定性是影响污染物浓度与雾霾严重程度的主要因子(Deng et al., 2011; Ding et al., 2005; Fan et al., 2008; Li et al., 2012; Xu et al., 2005;Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2005).。

激光雷达和微波辐射计（MR）能有效的探测边界层结构以及气溶胶消光系数的垂直分布，具有高空间分辨率和时间分辨率的特点。目前已经有几个气溶胶和云的垂直分布的微脉冲激光雷达（MPL）长期观测网络。威尔顿等人（2000，2002）使用MPL系统测量印度洋试验期间气溶胶光学特性的垂直分布（INDOEX）场相。Cohn and Angevine(2000)利用激光雷达和风廓线探测BLH，并且发现两者的探测结果很一致。Davis et al. (2000) 使用机载雷达数据来反演BLH。Steyn等人（1999）提出了参数反演的高度混合层和夹卷层。Brooks (2003)研究了小波分析在反演BL结构的适用性。他和Mao (2005)提出了逆混合层高度的归一化梯度方法。所有的反演方法都在一定范围内，而且还受到限制，并且反演结果必须通过其他设备检查以确保精度。

11月23日到2009年11月29日，广州地区出现严重的持续性雾霾天气，成为近十年来最严重的雾霾过程。它持续了很长一段时间，并得到了广泛的重视。在本文中，激光雷达和微波辐射计用于完善广州巫山卫星地面站霾的垂直分布并且反演的BLH的演变，从而探讨雾霾和能见度与气象因素的影响，因子包括BLH、大气稳定度、相对湿度、和表面通风系数。

1 数据与方法

1.1设备介绍

本文采用的偏振微脉冲激光雷达（mpl-p）是由美国Sigma空间公司生产的。激光光源是一种拥有15米的垂直分辨率和最低探测高度255米的半导体泵浦倍频脉冲绿光固体激光器产生，MPL系统由三部分组成：发射系统、接收探测器和数据采集系统。MPL系统具有较高的垂直探测的分辨率，尺寸小、重量轻、便于运输和用于连续测深。

MR是由Radiometrics公司生产，美国有35个频道，包括21 K波段22–30 GHz，14 V波段51–59 GHz。产生三个层次的数据。LV0级数据是电压值；LV1级数据是每个通道的亮度温度值；LV2级的数据是温度，湿度，水汽，地面到高空10km的液水，这是采用了斯图加特的神经网络方法。

1.2数据处理

在对雷达数据处理之前，需要对雷达相关因子进行修正，包括探测器的空载时间、背景噪声、跟随脉冲、重叠、距离以及其他相关因子例如光导纤维的传输、和频谱滤波器的有效面积。最重要的是跟随脉冲校正和重叠校正。由于故障，2009年11月27日17：35到11月28日10.36的MR数据缺失。

一般情况下，气溶胶浓度在BL比上自由大气的高很多，因此激光后向散射信号强。但是真是大气并不是处在一个边界层和自由大气有明显过渡的理想状态。而小波协方差变换可以把小信号的变化放大，从而更准确的反演BLH的演变。

首先，Haar变量 H的定义是（Gamage等人，1993）：

其中Z是高度，b是harr变量的中心点-变量的转化。A是变量的范围区域。把a定为150m。Harr变量的协方差变换，Wf，被定义为

F(z)作为MPL信号，Zt和Zb作为雷达廓线的上限和下限。本研究取值分别为 255 和 2500 m. 在每条订正过后的雷达信号里移动 b 进行积分出现Wf(a, b)最大值时, 确定边界层高度为 b. 并利用地面能见度仪观测资料进行比对, 以检验整个过程边界层高度反演的正确性。

激光雷达接收的是回波光子数，需要通过求解雷达方程得到气溶胶的消光系数.然而雷达方程有两个未知数，即消光后向散射比和消光系数.本研究用Fernald方法求解雷达方程(Fernald, 1984)，详细处理方法见文献(邓涛等，2010a)，反演出255 m处的消光系数，并换算成能见度和地而能见度进行比对。

2 结果分析

2.1天气背景情况

2009年11月21-23日白天，珠三角地区受冷空气南下影响，扩散条件较好.23日夜间至29日冷空气东移出海变性为强大暖高压，珠三角地区形成大范围的气流停滞区，地而常有静小风出现，近地层污染物逐渐累积，导致出现严重灰霾天气，30日开始有较强冷空气南下，强劲的偏北风将气溶胶粒子输送至南海，污染物浓度降低，空气质量好转.在22日夜间高云出现在10 km以上，同时也有一些低薄云在3km附近飘过.在26日以后的夜间，低薄云出现在2-4 km，整个过程以少云为主。

2.2边界层高度的演变

灰霾过程和大气边界层有很密切的关系，边界层高度直接影响灰霾的严重性以及地而能见度的好坏.从图1可以看到，边界层高度和地而能见度的演变有很好的一致性，两者相关系数达到0.76，说明本次过程利用小波协方差方法反演边界层高度的正确性。边界层有明显的日变化，日出前边界层高度较低，日出后边界层高度开始提升，在午后边界层发展较高，日落后边界层又开始降低，至次日日出前达到最低值.21日平均边界层高度最高，达1.18 km. 23日之前，边界层最高可以发展到1 km以上，最高值出现23日11时左右，达1.6 km，日落之后，边界层明显降低，降至1 km以下，能见度降低，开始出现灰霾现象.之后大部分时段边界层高度在500 m左右，只有在午后有所抬高.26日边界层高度最低，日均值仅有441 m，最低值出现在日出前，仅为300 m左右.直到30日日出后，边界层顶明显升高，抬升至1 km以上，能见度好转，灰霾过程结束.

2.3 温度梯度的时空变化

温度随高度的变化是大气稳定度状况的定量判据之一(盛裴宣等，2003)，即利用环境温度的垂直减温率来判别大气的稳定度级别.本研究利用微波辐射计观测得到的温度，进一步求出温度梯度(-4T/4}(图2)，以判断该过程大气的垂直稳定度状况.稳定度变化有明显的日变化.温度梯度白天一般为正值，到中午前后达极大值，夜间为负值，在半夜至日出前达极大值，夜间大气属于比较稳定的状况.灰霾发生前，受冷空气南下影响，白天温度梯度较大，50 m以下近地层为超绝热层，50-100 m为中性层结或弱稳定层结.250 m以上有不稳定层结，发展高度达600 m.750 m以上为稳定层结.22日夜间开始出现稳定层结.23日日出后温度梯度逐渐减少，逆温开始增大.白天，500 m以下开始出现稳定层结.只有在500-750 m出现中性以及较弱的不稳定层结.23日夜间250 m以上开始发展中等稳定层结，能见度降到10 km以下，形成灰霾天气.24日夜间至25日日出前温度梯度最低，稳定层结最强，逆温层的厚度发展超过600 m.白天25日的稳定层结最厚，发展接近400 m. 27日夜间稳定层结有所减弱，但仍处于弱稳定和中性层结之间，污染物仍不易扩散.29日，温度梯度开始增加，稳定层结减弱，不稳定层结开始发展，直到30日灰霾过程结束。

2.4 稳定梯度对能见度的影响

从激光雷达反演出来的最低层大气消光系数换算成能见度(255 m)和地而能见度仪观测得到的能见度相比(图3)，两者有很好的一致性，相关系数为0.74，说明消光系数反演的正确性.255 m比当地而能见度略高，而在某些日变化过程里，两者有反相位的关系，是由于低层的稳定度所致.地而的能见度和50-100 m的温度梯度的相关性最为显著，日变化非常明显，白天能见度和温度梯度较高，夜间能见度和温度梯度降低，两者的相关系数达到0.52，上层的不稳定会使得污染物向上扩散，反之拟制污染物向上扩散，累积在底层，导致地而能见度恶化.夜间，22日稳定度开始降低，到25日00时左右降到最低，50-100 m的温度梯度达一6.8 K/km;白天，25日50-100 m的温度梯度最低，最高仅达10.1 K/km，出现在上午10时左右.26日能见度最低，日均值仅有3.04 km.一般不稳定峰值出现在中午10-11时，而能见度峰值出现在午后16-17时.稳定峰值一般出现00时左右，而能见度低值出现在早晨6-7时.而整个过程能见度和温度梯度有错峰30小时左右关系，温度梯度滞后30小时后和能见度的相关性更加显著，和地而能见度相关系数达到0.77，和高层能见度(255m)相关系数达到0.48.可见，在大气层结稳定的情况下，污染物大约需要累积30 h使得能见度明显降低，形成灰霾天气.同一天里，高层能见度(255 m)和底层温度梯度有反相位的关系，低层越稳定气溶胶越不容易往上扩散，高层能见度较好，而地而能见度较差;反之，气溶胶越容易向上层扩散，两层能见度接近.所以，夜间两层的能见度相差较大，白天两层能见度接近.23日开始出现了中等以上的稳定层结，地而能见度已经下降，但较少气溶胶扩散到高层累积，所以255 mm处能见度仍保持高位.在清洁日，22日高层能见度(255m)和底层温度梯度的负相关达到最大，为一0.76，灰霾严重的时候，28日的负相关最大，为一0.49。

2.5 其他气象因子对能见度的影响

边界层高度和地表风速同样对地而能见度(vis)有重要的影响.地表通风系数(VI)( VI=BLHx U, BLH为边界层高度，U为地表平均风速)，能很好的反应污染物的累积情况。边界层越高、地表风速越大越有利于污染物的扩散，反之，越有利于污染物的累积.同时，相对湿度(RH)对气溶胶的消光特性也有较大的影响，随着天气系统的转变，湿度增加之后，能见度的恶化呈指数增长(图4)。

从观测结果的小时均值来看，BLH, U, RH和地而能见度的相关系数分别为0.76,0.67和一0.77。VI与能见度成线性关系，相关系数达到0.88(图5)。

从表1可以看到，各气象因子之间同样具有较高的相关性，VI和RH成指数的负相关(图6)，相关系数为-0.77, VI和BLH, U的相关系数分别为0.76,0.85; BLH和U, RH的相关系数分别为0.4，-0.68; U和RH的相关系数为-0.71。

在冷空气南下的时候，VI能达到2000 m²/s;而在变性高压控制下，午后VI仅达到1000 m²/s，夜间VI降到500以下，导致污染物难以扩散，出现灰霾天气。21日灰霾还没有形成的时候，日均BLH为1184 m, RH为39.5%, U为2.2m/s, VI为2525.9 m^{2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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