氣溶膠激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

氣溶膠激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用李佳關(guān)鍵詞：氣溶膠激光雷達(dá)；顆粒物；大氣環(huán)境監(jiān)測；車載激光雷達(dá)引言自改革開放以來，我國工業(yè)發(fā)展水平逐漸上升，人們由于過于追求生活水平質(zhì)量而忽略了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，導(dǎo)致大氣污染破壞嚴(yán)重，對人們生活和健康產(chǎn)生極大威脅。若想解決大氣污染所帶來的問題，就必須從大氣污染主要的根源入手，制定合理的對策及方案，在不耽誤人們正常工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的同時也能有效整治大氣污染給人們生活所帶來的影響和威脅，為人類賴以生存的環(huán)境提供保障，實現(xiàn)工業(yè)和大氣生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。1環(huán)境監(jiān)測的運(yùn)用范圍以及概念環(huán)境監(jiān)測工作將作為大型污染治理工作良好開展的核心依據(jù)。形成大氣污染的因素較多，不僅有生活污染排放，還有工業(yè)污染排放，常見的污染物主要為硫化物、含氯氣體粉塵物質(zhì)等。而環(huán)境監(jiān)測主要運(yùn)用專業(yè)儀器及科學(xué)化監(jiān)測方式，對于制定區(qū)域內(nèi)部大氣成分以及相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測不僅能夠?qū)τ诖髿猸h(huán)境開展實時控制，及時對大氣環(huán)境異常進(jìn)行預(yù)警，還能夠通過對于污染物的測算分析，計算出污染源以及污染因素，以幫助相關(guān)部門展開大氣污染治理以及防范工作，保障治理工作的合理性。2激光雷達(dá)構(gòu)成及原理激光雷達(dá)是獲得物質(zhì)空間垂直分布的有效遙感技術(shù)［5 6］，其利用大氣氣溶膠、云等對激光的散射特性，以激光為光源，將產(chǎn)生的后向散射信號被光學(xué)系統(tǒng)接收，經(jīng)反演確定氣溶膠分布特征。激光雷達(dá)的主要構(gòu)成包括激光發(fā)射單元、接收光學(xué)單元、后繼光學(xué)單元、信號探測與采集單元、運(yùn)行控制單元等，其中激光發(fā)射單元包括激光器和發(fā)射光學(xué)元件，接收光學(xué)單元多采用望遠(yuǎn)鏡。激光雷達(dá)按運(yùn)載平臺可分為地基固定式、車載式、機(jī)載式和星載式，以地基固定式和車載式為主。目前應(yīng)用廣泛的氣溶膠（顆粒物）激光雷達(dá)包括微脈沖激光雷達(dá)、雙波長激光雷達(dá)和多波長激光雷達(dá)等。由于對激光雷達(dá)的稱呼未規(guī)范，氣溶膠激光雷達(dá)或顆粒物激光雷達(dá)一般也簡稱為激光雷達(dá)。3我國大氣污染現(xiàn)狀我國近年來由于工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)模迅速，消耗能源數(shù)量巨大，再加之我國由于工業(yè)水平還有一定欠缺，大多數(shù)使用的是煤炭能源，導(dǎo)致在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生了大量廢氣排放，對大氣造成了一定污染。煤炭能源燃燒所產(chǎn)生的廢氣含有大量二氧化碳等有害氣體，對人們生活和生存環(huán)境都有著嚴(yán)重的威脅。因此，我國對工業(yè)生產(chǎn)使用能源及廢氣排放處理迫在眉睫。大氣污染環(huán)境監(jiān)測分類大氣污染中的主要物質(zhì)是有害氣體和顆粒組成的，因此對大氣污染環(huán)境監(jiān)測可以分為以下四種:（1）生物監(jiān)測。生物監(jiān)測是指在被污染地區(qū)通過植物與其空氣接觸進(jìn)行對空氣質(zhì)量的監(jiān)測；（2）物理監(jiān)測。物理監(jiān)測是在監(jiān)測大氣情況時使用了一些監(jiān)測設(shè)備，利用這些專業(yè)機(jī)器可以精確監(jiān)測結(jié)果并保持科學(xué)性。目前物理監(jiān)測是最常用的監(jiān)測手段［3］；（3）化學(xué)監(jiān)測?；瘜W(xué)監(jiān)測是指在大氣環(huán)境監(jiān)測時使用化學(xué)的方式進(jìn)行監(jiān)測，比如二氧化碳在空氣中的濃度就可以用其余石灰石的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，看石灰石澄清程度來判斷空氣中二氧化碳的含量；（4）固體顆粒監(jiān)測。固體顆粒監(jiān)測是一項需要非常專業(yè)性技術(shù)的監(jiān)測方式，也是固體顆粒監(jiān)測最重要的監(jiān)測手段。4氣溶膠激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用4.1功能區(qū)布點法功能區(qū)布點法指的是大氣環(huán)境監(jiān)測人員先對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部各個區(qū)域按照功能進(jìn)行劃分，將空氣環(huán)境質(zhì)量差異過大的區(qū)域獨(dú)立出來，這樣再根據(jù)功能區(qū)進(jìn)行布點即可降低整體的布點數(shù)量和難度、提高空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照功能區(qū)布點法的規(guī)律一般可以將整個監(jiān)測區(qū)域分成重工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、生活區(qū)、教育區(qū)等，功能區(qū)劃分的越合理則監(jiān)測點的布置就越容易，重工業(yè)區(qū)的空氣污染比其他區(qū)域嚴(yán)重得多，因此重工業(yè)區(qū)應(yīng)該布置更多的監(jiān)測點，而其他區(qū)域則只需要布置一定數(shù)量的監(jiān)測點即可滿足要求。3.2臨近空間環(huán)境探測及應(yīng)用2011年車載式鈉熒光散射多普勒激光雷達(dá)研制完成后部署在中國科學(xué)院廊坊臨近空間環(huán)境野外科學(xué)觀測研究站進(jìn)行觀測。經(jīng)過與流星雷達(dá)、中頻雷達(dá)對比，驗證了其可靠性，開展觀測研究臨近空間重力波活動、鈉原子輸送、垂直風(fēng)擾動等。為了對車載平臺子系統(tǒng)進(jìn)行改造并對激光雷達(dá)系統(tǒng)升級，2017年后該激光雷達(dá)轉(zhuǎn)移到北京進(jìn)行觀測。在信號采集時，時間分辨率為1min，距離分辨率率為0.077km。在數(shù)據(jù)處理分析時，可以根據(jù)不同的應(yīng)用目的，輸出不同時空分辨率的結(jié)果。由于鈉原子的空間分布不同，不同高度的熒光散射信號強(qiáng)度不同。通常在92km左右，熒光強(qiáng)度最大，具有較高的信噪比。當(dāng)時間分辨率為60min，距離分辨率為1km時，在92km處鈉原子數(shù)密度的測量不確定度約為0.1%，溫度的測量不確定度約為0.3K，風(fēng)速測量不確定度約為1.0m/s。3.3網(wǎng)格布點法網(wǎng)格布點法指的是大氣環(huán)境監(jiān)測人員先將整個監(jiān)測區(qū)域按照縱橫兩個方向?qū)⑵浞殖啥鄠€網(wǎng)格，然后分別在網(wǎng)格周圍的點位上布置大氣環(huán)境監(jiān)測點，最后在網(wǎng)絡(luò)的限制下可以保證網(wǎng)格布點法能夠?qū)⒄麄€監(jiān)測區(qū)域全部覆蓋到，使其滿足全面性布點原則。網(wǎng)格布點法的優(yōu)勢是可以根據(jù)各個網(wǎng)格監(jiān)測點的空氣質(zhì)量結(jié)果判斷污染比較嚴(yán)重的網(wǎng)格區(qū)域，而且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)污染程度即可確定污染中心，這樣則可以制定針對性比較強(qiáng)的大氣環(huán)境污染治理措施。3.4信息技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測的運(yùn)用在信息技術(shù)時代背景下，云計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，使許多行業(yè)成功轉(zhuǎn)型。而將上述技術(shù)應(yīng)用至環(huán)境監(jiān)測中，能夠提升環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計工作的效率。由于大數(shù)據(jù)技術(shù)具備數(shù)據(jù)分析以及爬取等功能，促進(jìn)了環(huán)境監(jiān)測工作向現(xiàn)代化、信息化方向發(fā)展，降低人工誤差。環(huán)境監(jiān)測工作通常具有較長的周期，而獲取的數(shù)據(jù)也更為龐大。在部分設(shè)備落后的地區(qū)，信息處理設(shè)備已經(jīng)難以全面的開展數(shù)據(jù)分析工作，導(dǎo)致監(jiān)測過程無法監(jiān)測到潛在的環(huán)境污染現(xiàn)象。因此，只有提升大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用概率，才能夠從根源上保障環(huán)境監(jiān)測工作質(zhì)量。與此同時，信息技術(shù)能夠從根源上提升溝通效率，最快速度內(nèi)解決霧霾等大氣污染問題3.5調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)當(dāng)前大氣環(huán)境污染的根源，是大量低技術(shù)含量的落后的工業(yè)產(chǎn)能。這些落后的工業(yè)產(chǎn)能消耗大量資源、能源，造成嚴(yán)重的空氣污染，又無法促進(jìn)生產(chǎn)力向前發(fā)展。因此，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，嚴(yán)控“兩高”行業(yè)產(chǎn)能，嚴(yán)格執(zhí)行“三線一單”制度，嚴(yán)格限定產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入類別，明確禁止和限制發(fā)展的行業(yè)、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)目錄，加大落后產(chǎn)能淘汰和過剩產(chǎn)能壓減力度結(jié)束語激光雷達(dá)自20世紀(jì)60年代發(fā)明后得到快速發(fā)展和應(yīng)用，尤其在大氣環(huán)境探測方面，對垂直高空大氣探測和重污染天氣顆粒物演變的效果較好。目前氣溶膠激光雷達(dá)的消光系數(shù)、退偏振比等參數(shù)使用效果較佳，但大氣邊界層高度、顆粒物定量分析等應(yīng)用有待繼續(xù)優(yōu)化。固定式激光雷達(dá)探測區(qū)域受到局限，激光雷達(dá)走航車能夠隨時移動，在準(zhǔn)確查找污染源方面具有一定的優(yōu)勢，今后應(yīng)用將更加廣泛。另外，氣溶膠激光雷達(dá)分析結(jié)果較為單一，需要組建雷達(dá)網(wǎng)或借助光化學(xué)分析超級站數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析參考文獻(xiàn)賴可平.大氣污染問題的環(huán)境監(jiān)測與應(yīng)對策略[J].云南化工，2019,46(12):107-108.余健健.大氣污染問題的環(huán)境監(jiān)測方案與應(yīng)對策略[J].環(huán)境與發(fā)展，20