基于星载激光雷达数据的京津冀地区气溶胶垂直分布特征研究

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1、万方数据万方数据太原理工大学博士研究生学位论文基于星载激光雷达数据的京津冀地区气溶胶垂直分布特征研究摘要气溶胶是大气环境中的重要组成部分，其与太阳辐射及云的相互作用对气候变化有着显著的影响。气溶胶的空间分布复杂多变，其在垂直方向的分布不仅使大气中的辐射传输更加复杂，还对局地的大气环境质量起着重要作用。气溶胶在近地面积累时，引起空气质量恶化，能见度降低，给人类生活及生产活动带来诸多不便，并危害人类健康。京津冀地区人口稠密，该区域频发的空气污染事件受到了广泛的关注。大多数关于重污染过程的研究主要在地面进行，对气溶胶的垂直探测主要依赖地基激光雷达或气象塔等单点观测，而对整个

2、区域气溶胶垂直分布的研究不足。主动式星载激光雷达（CALIOP）的出现，为探索大范围区域的气溶胶垂直分布特征提供了很有价值的探测资料。经过多年的发展和验证，CALIOP数据日趋成熟。本文利用CALIOP及中分辨率成像光谱仪（MODIS）、臭氧检测仪（OMI）等卫星资料以及气象、环境监测资料，研究了京津冀地区气溶胶垂直分布的长期特征，并详细分析了秋冬季两次重污染过程中气溶胶的垂直分布及其对重污染的影响。主要工作与研究结论如下：1.建立CALIOP二级廓线数据的处理方法。参考CALIOP第三版三级数据质量控制筛选策略，结合对地表高程及海陆下垫面的筛选，在与L3产品相同网格

3、范围内，比较经过质量控制的结果与L3标准产品的差异，以及经过质量控制后有无地形筛选带来的变化。所有数据在Matlab编I万方数据太原理工大学博士研究生学位论文程的基础上进行处理。结果表明：与L3标准结果相比，经质量控制筛选的结果体现了相同的季节变化特征和垂直变化趋势。在最底层，气溶-1胶消光系数（AEC）偏低0.05km左右，在2km以下的其他高度偏低-1不超过0.02km，数据处理方法比较可靠。在此基础上，筛除了海洋上空和地面高度高于250m上空的数据，去除由于海洋上空较低的AEC及山区地表附近或高（秋冬季）或低（夏季）的AEC带来的偏差，从而获得更接近平原地区气溶

4、胶垂直分布实际情况的结果。2.京津冀平原地区（36~41°N，114~119°E），AEC的垂直分布有显著的季节变化。在低层（0.5km以下），四季的AEC顺序为：冬>秋>夏>春。冬季AEC随高度衰减最快。在0.5km以上，AEC在夏季最大，秋季其次，春季和冬季较低。在2km以下，AEC还体现出显著的昼夜变化。-春夏季1km以下，AEC在夜间比白天高，在低层最多偏高0.2~0.3km1-1，而秋季，AEC在夜间比白天低，在0.8km处最多偏低0.1km左右。在0.5km以下，夏季AEC的变化趋势也有显著的昼夜差异，AEC在白天随高度升高而增大，而在夜间的近地面处最大，

5、随高度升高而减小。-1夏季夜间低层的AEC最高可达0.6km，约为白天的两倍。这种显著的昼夜差异与相对湿度的昼夜差异有关。3.由CALIOP区域平均廓线得到的气溶胶光学厚度（CALIOP-AOD）的四季变化为：白天，夏季>秋季>冬季>春季，夜间，夏季>春季>秋季>冬季，体现了与MODIS-AOD比较一致的季节变化特征，但是存在整体偏低。夜间的CALIOP-AOD在数值上更接近MODIS-AOD，但这主要是由于夜间相对湿度增加引起的。整层AOD与地面监测的PM2.5的季节II万方数据太原理工大学博士研究生学位论文变化相反，利用低层的CALIOP-AOD，有潜在的改善两者

6、关系的效果。4.穿越京津冀地区的CALIPSO轨道剖面上，AEC的垂直分布有显著的季节变化，并随着地区不同而体现出一定的南北差异。春季，大部分地区-1和高度上的AEC都小于0.5km，但很低的AEC能够出现在更高的高度（6~7km）；夏季河北中南部和山东北部有大范围连续AEC高值区-1（>0.5km），且可向上延伸至1km高度；秋季在石家庄、衡水以南，仍有接触地面厚度可达1km的AEC高值区；冬季，强效光气溶胶层主要集中在500m以下，呈现出连续分布的特点。5.2014年10月5-13日，华北地区受稳定天气条件影响，污染严重的地区主要在沿太行山一带的城市，如北京、保定

7、、石家庄及邢台。整个地区受覆盖逆温控制，气溶胶层的顶部比较均一。由河北南部、河南北部及山东西部生物质燃烧排放的烟尘气溶胶被1.5~2km处的覆盖逆温抑制，-1在2km以下，形成AEC大于0.5km的气溶胶层。在1km左右较大的风速条件下，上层的烟尘可向北快速的传输，在白天边界层发展后，污染物垂直混合，对地面重污染有所贡献。6.利用CALIOP的垂直探测，识别冬季重污染时期雾和气溶胶的垂直结构特征。在2013年1月，京津冀频发的重污染以雾层与高浓度气溶胶层重叠的垂直结构为特征。以1月12~13日的重污染过程为例：雾层在下，其顶部的高度在不同地点有差异，