中文   English

【GeoScience Café第210期】刘博铭:华中地区大气边界层与污染传输的研究

发布日期:Generate:2018-11-19 13:57:34 阅读次数:Reader:[2586]

核心提示:大气边界层是直接受人类活动影响的最低层大气,其垂直结构的演化与污染物传输具有重要关系。本报告基于长期的地基和星载观测数据,揭示了武汉地区边界层垂直结构日变化、季节变化和空间变化等特征,并提出了新的边界层高度反演算法,解决了极端天气条件下传统算法边界层高度反演不准确的问题。同时通过长期的激光雷达观测数据,发现武汉地区大气气溶胶的垂直分布信息以及不同形状粒子的高度分布。最后结合微波辐射计、黑炭仪等地基观测数据,分析了边界层内温、湿、风、压等气象要素与污染物传输的关系,揭示了武汉地区区域污染的形成过程。
 
主持:邓拓  摄影:许慧琳  摄像:韦安娜 龚婧  文字:邓拓
 
>>>人物名片
刘博铭,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2016级博士研究生。在AE,AMT, JQSRT等期刊上发表论文十篇,均为第一或通讯作者。先后获得硕士研究生国家奖学金、博士研究生国家奖学金和协同创新中心奖学金。研究兴趣为大气边界层演化,大气污染物传输,米散射激光雷达应用。
>>>报告现场
11月2日晚上7点,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2016级博士研究生刘博铭做客GeoScience Café第210期学术交流活动。刘博铭详细地介绍了自己的研究工作,包括大气边界层观测手段、边界层反演算法研究以及华中地区边界层内污染物研究,报告最后还讲述了自己的科研感悟,让观众受益匪浅。
图1 刘博铭作精彩报告

研究背景

近几年,大气空气质量是我们广泛关注的一个问题。随着我国工业和经济的大力发展,大气气溶胶(PM2.5/灰霾)污染对生态环境、人类健康和经济发展造成了重大影响。国内外研究表明,长期或短期接触气溶胶的人,都可能引起肺炎、哮喘、支气管炎等疾病。2014年APEC会议期间,为保证“APEC天空蓝”,全国17个城市1万多家工业企业停工,4万多个工地停工。据中国环境保护部估算,2014年大气污染造成经济损失超过1万亿。以上这些都是大气空气质量对人类造成的影响。
气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体,其大小为0.001~100μm。气溶胶具体实例包括天空中的云、雾、尘埃颗粒,工业上大型机械设备和各种车辆发动机所排放的烟尘颗粒,采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘,人造的掩蔽烟幕和毒烟等。气溶胶的形成来源有以下3类:(1)大型机械设备和各种车辆发动机里未燃尽的燃料所形成的尾气;(2)工业生产中排放的SO2,NO2等气体在大气中发生光化学反应,产生的硫酸盐和硝酸盐颗粒;(3)建筑扬尘,或是沙尘暴导致的,弥漫在大气中的沙尘颗粒。
大气垂直结构包括对流层、平流层、中间层和热层。对流层底部是大气圈一个边界,在这个边界上输运过程改变着100米到2000米厚的最低层大气,形成所谓边界层。大气边界层是人为活动排放污染物的直接受体。边界层顶部的逆温层,犹如“盖子”一样,会将人为排放和污染物压缩在地球表面,进而影响大气环境和人类健康。因此大气边界层结构对污染物的传输和扩散具有重要意义。大气边界层是指直接受地面影响的对流层底部,响应地面作用的时间尺度为一个小时或更短。地面作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放以及影响气流变化的地形等。大气边界层厚度随时间和空间变化,变化幅度从几百米到几公里。边界层高度是研究污染物传输和雾霾变化的重要参数。边界层的结构包括:(1)混合层,日间以大湍流混合为主的混合层;(2)残留层:日落前半小时,湍流在混合层中衰减形成的空气层,属中性层结;(3)稳定边界层:夜间,与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。

图2 边界层结构
边界层主要动力来源是大气湍流,湍流是叠加在平均风速上的阵性流现象,可以认为是由作不规则旋转运动的涡旋所组成。通常情况,湍流由许多大小不同的涡相互叠加而成。这些不同尺度涡旋的相对强度就是湍流谱。边界层湍流由来自地面的强迫力产生。例如晴天时,地面受太阳辐射加热,使得温暖的热泡上升,这些热泡即大涡旋。边界层内污染物传输情况有以下5类:(a)环链形:湍流不稳定;湍流强,扩散迅速;一般出现在白天晴朗小风地区。(b)圆锥形:湍流强度中等;水平垂直方向扩散均匀;一般出现在平坦郊外大风地区。(c)扇形:湍流较稳定;湍流受到抑制,垂直扩散小,水平沿主导风向有一定侧向扩散;一般出现在夜间小风或凌晨强逆温。(d)漫烟形(熏烟形、陷阱型):湍流上部稳定、下部不稳定;下部烟羽充分扩散,上部逆温顶盖;一般出现在日出后,烟雾事件。(e)屋脊形(上升型):上部中等稳定(或不稳定)、下部稳定;上部烟羽沿主风向呈屋脊形扩散,下部边缘清晰;一般出现在傍晚。

图3 边界层内污染物传输情况

边界层观测手段

介绍完研究背景之后,刘博铭开始介绍他所在研究组对边界层的观测手段。边界层垂直结构测量主要有被动方式和主动方式。被动方式包括系留气球、系留飞艇、气象铁塔和微波辐射计,是通过传感器直接测量或反演温度廓线来确定边界层结构,这种方式空间分辨率低,获取大气参数少;主动方式包括双视场激光雷达、星载激光雷达、Raman激光雷达和云高仪,是通过测量气溶胶垂直廓线来反演边界层高度,而这种方式空间分辨率高,获取大气参数多。
激光雷达以边界层内气溶胶作为追踪物,测量气溶胶垂直廓线,将最大梯度变化处视为边界层高度,可以观测边界层内气溶胶的光学和物理特性。刘博铭提到,早期的研究是利用单波长激光雷达进行观测,但是随着气溶胶科学及其大气污染的深入研究,我们已经不再满足于其光学参数的测量,而希望能够得到更多的气溶胶微物理参数。所以项目组研制和发展了一套双波长偏振激光雷达系统,不仅可以测量气溶胶,云的光学参数,同时也可以测量出粒子形状、 大小等物理参数。
图4双波长偏振激光雷达系统实物图 图5双波长偏振激光雷达系统夜间工作图
 
边界层反演算法研究
接下来刘博铭为大家介绍了边界层反演算法的研究。传统的边界层高度反演方法是根据气溶胶消光系数廓线的梯度变化来查找边界层顶部。但大多数情况下,由于气溶胶层的影响,边界层顶部梯度并不那么明显,会出现多层气溶胶(图7)问题和残余层(图8)的问题。

图6稳定边界层
 
图7多层气溶胶层 图8 残余层
 
针对多层气溶胶问题,刘博铭提出了一种新的算法——基于不同粒子特性差异反演边界层高度。边界层是自由大气和受人为活动影响的大气的一条分界限。那么大气边界层之下应该充满气溶胶粒子,而之上应该是洁净的自由大气。已有的研究表明,不同粒子的色比和后向散射系数具有明显差异。图9中,蓝色点表示500m左右的近地面气溶胶,红色点表示2.5km处超出边界层的洁净自由大气,两者之间是有明显的差异,自由大气和气溶胶之间差异最大的地方就是边界层高度。
 
图9 不同粒子的二维分布(蓝色点表示500m左右的近地面气溶胶,红色点表示2.5km处超出边界层的洁净自由大气)
因此刘博铭提出,将传统的廓线求解方式转换到平面上求解。首先定义样本点差异度Z,即激光雷达采集的粒子点的差异,主要表现在以下2个方面:一是粒子尺度A,即每个样本点与前一个样本点在粒子尺度上的差异,二是消光能力B,即每个样本点与前一个样本点在消光能力上的差异,将这两个差异进行叠加就得到差异度Z,所以样本点之间的差异度Z的计算公式如下:
式1
 
由于气溶胶粒子的散射特性和粒子尺度明显大于洁净的自由大气的散射特性和粒子尺度。因此,将所有的样本点差异度Z的最大值处视为边界层高度。
在案例一和案例二中,虽然相同层之间存在较多差异,但是最大差异还是存在气溶胶底部和自由大气底层之间,因此该方法能较好地找到边界层的位置。
(a)案例一 边界层结果1390m (b)案例二 边界层结果1980m
图10 基于不同粒子特性差异反演边界层高度案例
为了验证算法的可靠性,将理想廓线法,小波法与所提出的方法在不同的对流条件(弱对流、中等对流、强对流)下,进行反演的边界层高度结果对比(图11)。结果表明提出的算法具有稳定反演边界层的能力。
(a)弱对流条件 (b)中等对流条件 (c)强对流条件
图11 不同方法在不同的对流条件下的边界层高度反演结果对比
基于粒子差异的方法虽然解决了多层气溶胶层条件下边界层高度的求解问题,但是针对存在残余层的情况下,算法的性能依然不佳。刘博铭接着提出了基于粒子聚类反演边界层高度。首先采用粒子聚类的方式替换求粒子差异,把粒子特性相近的粒子聚集为一类。然后为了增加相同粒子的相似性,利用退偏比信号替换消光信号。从图12得到的结果可以看出,不同高度的粒子,由于不同的特性,聚集在不同的区域。气溶胶粒子类和自由大气粒子类的交接处为边界层高度。

图12色比和退偏比二维分布
在弱对流条件下,存在的残余层导致粒子分布较为分散,但该方法中残余层导致的梯度变化转变为粒子的聚集度。而在强对流条件下,不存在残余层,粒子聚集紧密。在该算法实验案例一种存在双层气溶胶,案例二中有高空云存在,都能准确地查找边界层高度。
(a)案例一边界层结果1110m (b)案例二边界层结果890m
图13基于粒子聚类反演边界层高度案例
总的来说,改进算法可以有效的查找到边界层高度。同时,算法克服了弱对流条件下,气溶胶垂直分布不均匀导致边界层查找困难的问题。

华中地区边界层内污染物研究
【大气观测站点】
随后刘博铭为大家介绍了研究组里的大气辐射超级观测站,观测仪器包括激光雷达、太阳辐射测量仪、太阳光度计、气象站、微波辐射计、MODIS接收站、旋转滤波带辐射仪、浊度计、黑碳仪等。基于接收站多年的数据就可以开展研究相关工作。

图14武汉大学大气辐射超级观测站
 
【边界层内污染物特性】
首先统计边界层与气象要素(包括大气的温度(T),湿度(RH),风速(WS),气压(P))的关系。图15中蓝色线是激光雷达测量到的边界层高度,一般来说,夏季6、7、8月时边界层比较高,因为夏天太阳辐射增强导致太阳活动剧烈,从而引起边界层增高。从相关性分析,大气温度与边界层高度呈正相关,湿度与边界层高度呈负相关,风速与边界层高度呈正相关,气压与边界层高度呈负相关。然后统计边界层内气溶胶的分布,包括气溶胶光学厚度(AOD),气溶胶色比(CR)和退偏比(DR)月均值变化。最后通过统计不同污染时期气溶胶色比发现,洁净时期上层1500-2500m气溶胶的粒子尺度较小,均为球形粒子;污染期间1500-2500m气溶胶的粒子尺度较大,部分粒子为非球形。

图15月均值趋势变化比较

图16边界层与气象要素的相关性分析

图17 AOD,CR和DR月均值变化

【不同时期污染物特性】
 然后统计不同时期污染物的分布。图18中黑色的是污染时期,红色的线是洁净时期,污染时期气溶胶散射系数 的平均值为624 ,吸收系数 的平均值为60 ,洁净时期 的平均值为214 , 的平均值为26 。单从数值角度看,污染时期的气溶胶散射或吸收特性是洁净时期的2.5-3倍。也就是污染时期气溶胶对大气的影响是洁净时期的2-3倍。

图18气溶胶光学特性的日变化
主要是由以下原因造成:
(1)风速对光学特性的影响:
洁净时期风速一般超过2m/s,有时甚至到达8-10m/s,但是污染时期均为静风,风速一般小于2m/s。另外污染时期吸收系数从20-70,洁净时期从5-30。污染时期的散射系数从400-1200,而洁净时期从50-400,可以看出污染时期和洁净时期的差别很大。

图19气溶胶吸收系数,散射系数和单次散射反照率与风速的关系(图(a)(b)(c)为洁净时期,图(d)(e)(f)为污染时期,)

(2)湿度对污染物的影响
从污染时期和洁净时期的统计结果看出:洁净时期,湿度相对较低,湿度变化范围在0-90%;而污染期间,湿度值普遍较高,大部分大于80%。

图20湿度频率图
总的来说,就气象要素而言:洁净天气时期,往往伴随着阵风和较低的大气湿度,大气系统处于良好的循环状态;而污染事件时期,风速较低,大气湿度高,大气系统基本处于稳定静滞的状态。

【黑炭气溶胶的影响】
黑炭气溶胶是指工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟。图21是低浓度黑炭时期和高浓度黑炭时期的比较,黑炭浓度不同时,大气湿度相差较大。当只考虑低浓度黑炭的时期,PM2.5浓度不同时,大气湿度相差较小。黑炭可能是导致污染的一个重要原因。
通过分析黑炭气溶胶对大气层结的影响发现:高浓度的黑炭会促进大气层结,形成稳定的大气分层现象。黑炭气溶胶抑制了大气湍流输送,使边界层发展减缓。因此黑炭气溶胶具有强烈的吸收特性,可以直接影响大气系统的辐射收支平衡。

图21污染物与湿度的关系

图22低浓度黑炭的时期的湿度频率图

【污染事件分析】
最后对武汉地区的一次典型冬季污染事件进行了分析。污染时期是在2015年1月15号-22号。通过对PM2.5,CO,N02和SO2等几种主要污染物的浓度变化以及气象要素的影响的研究表明:
  1. 武汉地区污染属于中等污染,PM2.5在150左右。
  2. 污染时期的NO2光化学作用明显,S02的不明显。
  3. 逆温层对污染物的扩散有明显作用。污染期间存在普遍逆温现象,逆温层低于500m。在污染物扩散期,逆温层1000m或则没有。

图23MODIS真彩色影像

图24污染物浓度变化
 
图25大气温度廓线的变化
通过卫星数据和地面站点监测,揭示了沙尘传输对华中地区环境污染的影响,发现外来沙尘源会加剧华中地区城市污染。通过地面激光雷达和太阳光度计监测,得到气溶胶的消光系数廓线和地表粒径谱,可以很好的反应出,污染期间污染物的累积和扩散过程。

总结与展望
对于研究工作的总结:
为满足对边界层及污染物的监测,研制了一套双波长偏振激光雷达。提出了基于粒子聚类的边界层高度反演算法,满足复杂大气环境下的边界层高度求解。利用地基和星载仪器的长期观测数据,揭示了华中地区气溶胶污染,及其与边界层的相互作用。
未来工作展望:
(1)卫星数据的边界层参数反演:将地基边界层反演算法,应用到星载激光雷达卫星上,给出稳定可靠的边界层产品,以解决区域尺度的气溶胶/灰霾污染的问题。
(2)激光雷达系统的升级:目前的观测手段和参数获取相对单一,需要提供更多的大气信息来解决气溶胶带来的不确定性,进一步解决气溶胶/灰霾观测和预测问题。

科研感悟
报告最后,刘博铭提出了自己的建议以及一些科研感悟。
建议一:关于研究方向选择,选择很重要,找准自己感兴趣的研究点;
建议二:关于融入科研小组,快速融入团队、确定自身任务、定期周报、工作总结。
一些感悟:保持生活规律,制定适合自己作息的签到表和学习计划,然后坚持;保持行动,去解决麻烦比拖延来的好;想放弃的时候,再坚持一下就成了。科研的幸福感来自硬件系统的成功运行或是实验想法得到验证的那一刻。
 
>>>互动交流
观众A:嘉宾您好,您刚刚讲得非常精彩,请问您之前本科的专业是大气科学或者是电子信息工程做硬件之类的吗?
刘博铭:我本科是光电专业,也做过一些硬件设备。
观众A:刚刚听你讲大气科学很厉害,想问你是怎么从光电转到大气研究的?另外这套仪器大概花了多少钱?它的观测范围有多大,比如它能观测到江夏区吗?
刘博铭:我先看文献,明白自己想要做什么,然后再去解决自己遇到的问题。硕士博士这期间有5年时间,这5年我们可以做很多事情。我们这套仪器大概花了20 多万。这套激光雷达仪器只能做站点测量,不能观测到江夏区。我们研究组还有一套仪器是车载激光雷达系统,它就可以做到哪里有污染就去哪里实时测量。
观众B:嘉宾您好,我想问一下你的研究中气溶胶的吸收散射系数是怎么计算得到的?
刘博铭:这个是通过黑碳仪和浊度计把污染物直接吸入测量得到的,这就是我觉得龚威老师很厉害的地方,我在文献里看到的别人做的所有研究数据,去外面楼上都能找到仪器以及多年采集的数据。
观众C:我对这个方向也不是很懂,但是还挺想做这个方向,以前听过一些报告是边界层和城市热岛,我看你一直做的是大气研究,你有没有想法和地面的热岛效应联系起来,你觉得这个方向怎么样?
刘博铭:确实我也想做这个。我的初步想法是结合CALIPSO数据和MODIS数据进行分析。CALIPSO数据可以提供气溶胶垂直分布,得到有效地边界层高度;MODIS数据可以提供城市热岛相关数据。因此,我觉得应该可以联系起来做一些事情。

刘博铭作精彩报告

观众认真听报告

观众提问

刘博铭(右三)与部分听众、Geoscience Café团队成员合影留念
 
 
 GeoScience Café以“谈笑间成就梦想”为目标,于每周五晚7:00在实验室四楼休闲厅,邀请1-4位嘉宾,为大家带来学术报告或经验分享。报告内容包括摄影测量与遥感、地理信息系统、导航与定位服务等研究方向,听众可在报告结束后向嘉宾提问、与嘉宾交流探讨,同时每学期还会举办2期人文类讲座和2场导师信息分享会。每期报告会根据嘉宾意愿在B站开设直播,使不能来到现场的听众同步参与。报告PPT和视频会在征得嘉宾同意的情况下在qq群和B站上发布。
更多精彩内容(讲座预告、讲座回顾、报告PPT、报告视频)敬请通过以下方式获取:
 


版权所有:测绘遥感信息工程国家重点实验室   
联系地址: 中国·武汉市珞喻路129号   邮编: 430079   E-mail:liesmars@whu.edu.cn
Tel/Fax:027-68778969(办公室) 027-68778229(国际交流办公室)027-68778525(研究生管理办公室)