基于侧向散射双波长激光雷达的近地层PM2.5浓度时空分布规律研究

近地面层气溶胶中，细颗粒物占有一定的比例。这些细颗粒物容易富集有毒物质，其PM2.5浓度大小直接关系到空气的质量,对人体健康有重要的影响。现有的仪器探测PM2.5浓度在空中分布较困难。侧向激光雷达在近距离段测量精度高，双波长可以获得气溶胶尺度谱的Junge 指数。基于侧向散射双波长激光雷达技术，可以很精确地获得近地层（0-3000 m）气溶胶的时空分布信息。国外侧向激光雷达技术正处在研究中，国内鲜见这方面的报道。本项目利用项目组成员在激光雷达技术和激光雷达探测大气气溶胶方面的学术积累，先研究侧向激光雷达新技术；然后把这一新技术与双波长技术结合在一起，同地面点式PM2.5监测仪进行联合实验，探索大气气溶胶的双波长消光系数、尺度谱与PM2.5浓度之间的定量转化关系；最后通过大量的观测，揭示近地面层大气中PM2.5的浓度时空统计分布规律，为有效防控近地面层的空气污染提供科学依据。

大气气溶胶是指悬浮在大气中粒子直径在0.001-100μm之间固体和液体颗粒物的总称，PM2.5是指直径小于2.5μm的气溶胶粒子。PM2.5由于其尺度小、比表面积较大，更容易富集有毒物质；同时它们在大气中停留时间较长，故其浓度与人体健康密切相关。此外，PM2.5通过消光作用造成大气的能见度下降，影响交通安全。当前，直接测量PM2.5质量浓度主要是颗粒物质量监测仪，它们只能布置在有限点进行测量，难以获得PM2.5质量浓度高度廓线。因此，本项目利用侧向散射激光雷达技术和PM2.5质量探测仪相结合来研究PM2.5质量浓度在近地层（0-3000 m）时空分布规律是很有必要的。PM2.5在近地层的空间分布反映了污染物稀释扩散规律，它受污染物源分布、污染物源排放强度和气象条件等因素有关的影响。揭示其空间分布规律具有重要的学术意义和应用前景。.研制并建立了侧向散射激光雷达系统。该系统于2013年5月完成组装和调试工作，并进行了对比实验，检验了系统的可靠性、准确性。随后用于对夜晚气溶胶进行常规探测。2年多来我们共获得了128个夜晚的探测数据。.探索了侧向激光雷达后向散射系数的反演方法。侧向激光雷达方程不同于普通的后向散射激光雷达方程，后向散射激光雷达的成熟反演方法已不适用于侧向散射激光雷达。针对侧向散射激光雷达方程的特点，我们设计出了一种数值解新方法：把大气分为大气分子和气溶胶两部分,大气分子的相函数、消光系数和后向散射系数等由模式来得到，再假设从其它方法得知气溶胶的相函数和气溶胶的激光雷达比，则气溶胶的后向散射系数或消光系数可以反演出来。通过比对实验，我们的提出的反演方法是可行的、可信的。.研究了气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度之间的关系。在大气相对湿度小于70%的情况下，一个夜晚的探测中，地面上大气消光系数和所在地的PM2.5质量浓度是成线性关系的；不同天的探测，比例系数是不同的；比例系数是谱分布、折射率指数和相对湿度等参数决定的。理论分析和探测个例都证明了这一结论。.研究了近地面PM2.5质量浓度时空分布规律。首次得出了PM2.5质量浓度廓线按春、夏、秋、冬及年平均结果：在季节上，春季污染最轻、冬季污染最严重、夏秋季污染介于春冬季之间；在高度上，污染浓度总体上是随高度增加而减小的，但在约100 m的高度内衰减很快。